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民用建筑設計中海綿城市理念的運用

來源:原創論文網 添加時間:2020-08-27

  摘    要: 為解決我國水資源短缺、水污染及城市內澇等問題,從海綿城市理念出發,通過對海綿城市建設背景以及LID(低影響開發)技術的分析,詳細闡述了透水鋪裝、下沉式綠地、屋面綠化、滲透塘、雨水花園等海綿城市LID技術在民用建筑建設中的應用,解決了城市內澇、熱島效應等問題,同時對節約用水、緩解排水壓力也有很大的作用。

  關鍵詞: 海綿城市; 民用建筑; 給排水; 低影響開發;

  Abstract: In order to solve the problems of water resource shortage, water pollution and urban waterlogging of China, by analyzing the construction background and low impact development(LID)technology of sponge city from the sponge city concept, the application of sponge city LID technologies of permeable paving, sunken green space, roof greening, permeating pond and rainwater garden in the construction of civil architecture is expounded in detail, which can solve the problems of urban waterlogging and heat island effect, and be also of great importance to save the water and relieve the drainage pressure.

  Keyword: sponge city; civil architecture; water supply and drainage; low impact development(LID);

  1 、海綿城市產生的背景

  1.1 、水資源短缺問題

  我國是一個水資源短缺的國家,人均水資源量僅為世界平均水平的1/4,人均降水量649 mm,而且時空分布不均衡,南多北少,東多西少。降水季節過于集中,每年汛期連續4個月的降水量占全年的60%~80%,容易形成春旱夏澇,造成江河特大洪水和嚴重枯水。大量降水得不到利用,使得可利用水資源總量大大減少。

  1.2、 水污染嚴重

  我國水資源一方面嚴重短缺,一方面卻污染嚴重。水生態功能退化嚴重,水系之間缺乏溝通循環,導致水體自凈能力下降,也是水環境惡化的重要因素。

  全國農業灌溉用水的利用系數平均為0.45左右,而歐美國家為0.7。工業方面,我國萬元產值用水量為103 m3,而美國是8 m3。我國工業用水重復利用率僅為55%,而發達國家平均為75%~85%。

  我國地表水及地下水水體污染嚴重,點污染不斷加劇,面污染源日漸突出,水污染加劇的態勢尚未得到有效遏制。

  1.3 、地下水位下降,地面下沉

  近二十年來,我國城鎮化發展速度非?,高樓大廈如雨后春筍,全國大中型城市好像蓋了一層鋼筋混凝土的“被子”,幾乎看不到土壤。雨水降落到水泥地、柏油路等硬化地面后幾乎都白白地從雨水管網流走。這不僅不能對本地的地下水進行有效補充,引起地下水水位的下降,導致許多城市出現地面沉陷,而且,短時間內大量雨水涌入河流、溪流還常常給下游地區帶來洪澇災害。
 

民用建筑設計中海綿城市理念的運用
 

  1.4 、城市內澇問題

  由于地面均大量采用水泥混凝土等灰色地面,破壞了雨水的自然滲透、截留通道,雨水滲透能力下降,地表徑流流量增大,加重了城市排水系統的負擔,給本來就孱弱的城市排水系統造成巨大壓力。再者,城市建設只注重地面建設,不注重地下管線建設,排水管網與雨水泵站建設不完善,又疏于地下管線的維護,導致地下管道堵塞,排水能力下降,梅雨季節內澇頻繁發生。

  1.5、 熱島效應問題

  由于城市高樓鱗次櫛比,綠化少,道路全是比熱小的混凝土或瀝青柏油,熱量散發不出去,集中在城市地面以上部分,就會產生熱島效應,如果此時風速小于6 m/s,熱島效應就非常明顯。

  可以通過延長暴雨的徑流時間或就地蓄水來緩解城市的熱島效應。水的比熱大,吸收熱量比混凝土、瀝青多,滯水路面在降雨后可產生降溫效應。為了延長這種效應,在降雨結束后,利用地下蓄水池中存儲的水在路面內進行水循環,以此降低路面溫度。

  2 、海綿城市技術———美國低影響開發(LID)簡介

  美國采用低影響開發理念(Low Impact Development,LID),是20世紀90年代由美國馬里蘭州的喬治王子郡、西雅圖市和波特蘭市共同提出的一種新的暴雨管理及利用思維理念,提出通過源頭分散、控制徑流總量和污染物總負荷的工程技術手段,維持開發地塊的雨水徑流總量不超過開發前的雨水徑流總量的開發理念。通過小型或低成本的綠色生態技術實現雨水徑流的控制,同時通過雨水在生態自然滲透以及植物根系吸收的作用,消減城市面污染源[1]。

  LID技術就是通過收集、輸送、滲透、截污和凈化技術來控制雨水徑流,然后進行凈化儲存再利用的全過程。主要技術措施包括結構性措施和非結構性措施。結構性措施包括透水鋪裝、生物滯留系統、植草溝等;非結構性措施包括替代性道路設計、構筑物封閉性區域面積和污染數量減少,以及公共意識加強等。

  3、 LID在民用建筑設計中的應用

  民用建筑的土地開發是城市主要的用地方式,開發過程中應盡量減少對城市環境的影響。下面就LID滲透、輸送及儲存凈化技術在民用建筑建設中的應用進行詳細分析。

  3.1 、滲透技術

  3.1.1、 透水鋪裝

  透水鋪裝,是采用透水瀝青、透水混凝土、透水磚、植草磚、鵝卵石、碎石等進行鋪裝,使得雨水下滲,既可以大大降低雨水徑流總量,又可以補充地下水,降低給水系統的壓力。透水鋪裝率=透水鋪裝面積/硬質路面總面積。透水鋪裝適用于小區車行道路、人行道路、停車位以及小區廣場。

  透水鋪裝時,鋪裝面層孔隙率不小于20%,透水基層孔隙率不小于30%,透水鋪裝結構應滿足相應的承載壓力,特別是在車行道上鋪裝時尤其要重視。在地下車庫頂進行鋪裝時,車庫頂覆土厚度應不小于600 mm,而且下層應設置滲透管,及時排除滲透下來的雨水徑流。

  小區內車行道采用透水瀝青混凝土路面。由于雨水下滲,會對路基穩定性產生影響,所以要結合地質條件進行選擇性設計。為了盡量減小下滲雨水對路基產生的影響,應采取路基內敷設排水管,道路與鄰近的海綿設施之間用防水土工布隔開等措施。

  小區人行道由于承載力較小,一般采用透水混凝土、透水地磚、鵝卵石等進行鋪設。透水磚鋪裝應滿足降水26.8 mm時不產生地面徑流。

  停車場選用有孔混凝土磚,在磚孔中填土種草,不僅透水性好,而且增加小區的綠化率。地面具有綠化功能,變成了會呼吸的路面,雨水經過收集系統處理后可加以利用。這些雨水就近排入地下雨水蓄水隧道,統一進入地下蓄水調節池。

  小區公共廣場采用透水保水砌塊鋪裝。這種砌塊上設有多個帶有小孔的存水盒,砌塊下安裝噴水陶瓷管道,降落在廣場上的雨水被收集在邊溝中,存儲在廣場下的蓄水池中。在干燥時期,雨水在一天中的不同時刻會自動過濾并泵送到保水砌塊中,使水能夠滲透整個保水砌塊。通過對多個系統的觀察發現,與傳統的混凝土路面相比,這種保水路面能使地表溫度下降13~19℃,可大大緩解高度城市化地區的熱島效應。

  小區公園和小廣場等一些需要選用實心磚鋪設的地方,磚與磚之間留出空隙,確保野草能夠在空隙中的泥土里生長,這樣可以增加綠化面積。小區的主干道也可以用有孔磚加碎石來鋪設,即在帶孔的地磚孔中撒入碎石,既可確保車輛正常行駛,又可使雨水順利滲透。

  對于無法設計成透水性路面,道路標高宜高于兩側的綠化帶,而且道路宜有坡度坡向綠化帶,車行道宜兩側坡向綠化帶。

  3.1.2、 下沉式綠地

  透水鋪裝是采用石塊、混凝土縫隙來進行滲透雨水徑流,而下沉式綠地是通過土壤以及植物根系運動來減少雨水徑流外排,土壤的滲透性決定著土壤對雨水的調節能力。水在土壤中的運動就是土壤的滲透性,所謂土壤滲透性就是“土壤的透水性”。土壤中的水有三大類:一類以結晶水形式附著于土壤顆粒,即毛細管水;一類為吸著水,即吸濕水或薄膜水;一類為自由水,即重力水。

  一般土壤滲透分三個階段(見圖1):第一階段是通過分子力作用下的滲潤階段;第二階段是通過毛細管力作用下的滲漏階段;第三階段是通過重力作用下的滲透階段。

  圖1 土壤滲透三個階段
圖1 土壤滲透三個階段

  水在土壤中的運動驅動力主要有含水量梯度、空氣壓力梯度、水力壓頭梯度、位置差梯度、基質吸力梯度等。在非飽和土壤中,在不考慮氣體壓力勢調劑下,其總勢能由重力勢與基質勢構成:

  式中:φ為下滲容量,cm/h;φm為基質勢,N·m;z為位置水頭,即重力勢,N·m。

  影響土壤滲透的因數有土壤容重、孔隙率、有機質以及土壤團聚體穩定性。團聚體分形維數D根據團聚體顆粒的質量分布描述顆粒組成狀況,有利于定量描述土壤結構特征的復雜性。團聚體分維值小,表明較大粒級的水穩性(指土壤在水的浸泡下不會立即散開的性質)團聚體數量多,土壤具有良好的結構和良好的穩定性。

  實驗測定,有草皮的土壤的滲透率比相同條件下的裸露土壤大20%左右;實驗同時證明,在草坪中栽某些灌木比單純草坪滲透系數大15%左右,滲透速率可達到10-5m/s。為了增加土壤的滲透率,可以種植草坪、百喜草、金銀木、黃楊和連翹等植物[4]。

  下沉式綠地有廣義和狹義之分:狹義的下沉式綠地,指低于周邊道路或地面200 mm的綠地,一般設置在道路中央或兩側;廣義的下沉式綠地,泛指具有一定調蓄容積并可蓄滯和凈化徑流雨水的綠地,包括生物滯留設施、濕地、滲透塘、濕塘、調節塘等。實驗研究證明,下沉式綠地對COD、NH3-N及TP去除效果最佳。

  廣義的下沉式綠地可以代替傳統排水管道,它可以匯集地面雨水徑流,并通過滲透、滯留、吸附等作用削弱雨水徑流總量,補充地下水,同時對去除降雨初期的污染、降噪減塵、調節城市氣候、遏制城市熱島效應等環境問題都有一定作用。

  狹義的下沉式綠地是一種簡單的雨水滲透設施,分為下沉式機非隔離帶和下沉式樹池帶。設計時應注意綠地蓄水時間和蓄水深度。蓄水深度不能淹沒植物,蓄水時間不能過長,以免影響植物的生長。為確保雨水能夠順利進入下沉式綠地,需要合理設計下沉式綠地與周邊鋪裝、雨水口的豎向銜接方式。雨水溢流口高程應大于綠地高程,但應小于路面高程。

  3.1.3、 屋面綠化

  屋面是城市建筑的雨水匯集場所,是雨水徑流的重要場所。據統計,城市中屋面的面積一般相當于整個城市硬質表面的30%左右,因此屋頂綠化是雨水管理的另一個重要組成部分。通過屋面綠化設計可以處理和保留屋面雨水徑流總量的60%~100%,大大降低夏日暴雨徑流對城市排水系統的沖擊。綠色植物不僅能夠承接消納雨水徑流,而且還能在干旱期間適當排水,完成水資源的吞吐,提高水資源的利用率。不僅如此,屋頂花園大量的植物可以凈化空氣,減輕熱島效應;綠化屋頂可以在夏季和冬季調節屋頂的溫度,節省能源。另外,綠化屋頂還保護了屋頂的防水層,從而延長整個建筑物的壽命。歐洲在這方面走在世界前沿,特別是德國,屋頂綠化占新建屋面的40%以上。

  3.2、 輸送技術

  3.2.1、 植草溝

  植草溝一般設置在綠化帶內,深度一般為0.3 m。植草溝可以將綠化帶內的雨水收集后匯入雨水花園進行消納。同時,考慮周邊用地內的雨水部分外排,進入雨水花園進行滲蓄,補充地下水。

  3.2.2 、生態濾溝

  生態濾溝分為傳輸區和生物滯留區,設在小區主干路兩側,收集消納及凈化雨水。生態濾溝的結構(從下到上)為礫石層+中粗砂、填料層、種植土層和蓄水層。對于徑流系數大的地方,為了防止生態濾溝床底被侵蝕,考慮在底部礫石層和砂層周邊放置石塊和卵石。為了布水均勻,在生態濾溝內橫向設置擋水土埂,可以代替主干路上的雨水排水管道。為了防止雨水進入綠化帶與路面結構層縫隙,在進水口處設置擋土墻及攔污槽,攔截雨水中夾帶的樹葉、垃圾等,同時也起到布水均勻作用。

  3.3、 凈化技術

  滲透塘或濕地,是通過生態系統中的基質、水生生物、微生物三者之間的物理、化學和生物三重協同作用來實現對污染水體的凈化。該技術是針對較大范圍的雨水徑流的一種調蓄、凈化技術,暴雨發生時發揮調蓄功能,實現土地資源的多功能利用。該技術在大型社區應用非常廣泛。

  基質不僅為植物生長、微生物附著提供適宜條件,而且為各種化合物和復雜離子提供反應接口,自身還通過攔截、吸附、吸收等功能實現水質凈化。水生生物分漂浮植物、沉水植物和挺水植物,它們能在氮、磷濃度較高的水質中生長,對COD和SS有較強的去除效果。漂浮植物主要有浮萍、風信子、鳳眼蓮、睡蓮等,其中鳳眼蓮是去除氮、磷最佳的浮游生物。人工濕地中的微生物包括細菌、真菌和放線菌:細菌能使復雜有機物轉化為可供植物和微生物利用的無機化合物;真菌一般生長在死亡或腐爛的植物上,能引起纖維素、木質素、果膠等分解,產生的大部分碳源和營養物質能被植物所利用;放線菌是有機污染物最佳微生物,而且它還能形成抗生物質,維持濕地生物群落的動態平衡。

  滲透塘的設計參數:(1)滲透塘邊坡一般不大于1∶3,塘底到溢流水位一般不小于0.6 m;(2)滲透塘底部構造一般為200~300 mm的種植土、透水土工布及300~500 mm過濾介質層;(3)透水土工布搭接寬度不應小于200 mm,濾料層應為洗凈的碎石、礫石等材料,不應含有雜土。(4)調節池容積按V=10ψhF公式計算(式中:ψ為徑流系數;h為降雨深度;F為匯水面積)。

  4 、結論

  (1)海綿城市的建設有助于提高城市給排水系統的整體運行效率,可大大降低城市排水系統的壓力。

  (2)通過海綿城市的建設,城市年徑流總量控制在80%,對應的設計降雨量為25.5 mm,有效延遲徑流峰值,減輕雨水管網與雨水泵站壓力,消除城市內澇。

  (3)民用建筑小區或公共建筑,通過下沉式綠地、雨水花園、植草溝、屋面綠化等設施建設,可以增加民用建筑小區或公共建筑的綠化率,消納部分雨水徑流,并對地下水進行補充,也對削弱區域熱島效應有一定的作用。雨水徑流通過植物根系、微生物的凈化,污染物去除效果良好。通過建PP蓄水池、滲井、滲透塘,接納及凈化消納后的雨水徑流量,可實現小區雨水零排放目標。

  參考文獻

  [1]中國市政工程協會.中國市政工程海綿城市建設實用技術手冊[M].北京:中國建材工業出版社,2017.
  [2]歐陽底梅,董聞達.百喜草對土壤滲透率的影響[J].江西農業大學學報,1998(3):70-73.

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