论文部分内容阅读
摘要：我国许多城市目前面临严峻的内涝的问题，为实现可持续发展的目标，以还原自然水文循环过程为目标的新型雨水管理设计方法逐渐受到重视。传统的雨水管理存在诸多弊端，低影响开发提出了更加环保的雨水管理措施。本文结合德国Überlingen大学的景观设计，详细介绍了基于可持续发展的雨水管理的经验和方法，并且运用SWMM软件对设计方案进行了验证。
关键词：雨水管理、可渗透、可持续发展
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
长期以来，暴雨被视为大城市的威胁，由于排水不及时造成的城市内涝问题给人们带来了巨大的损失。近几年中国各大城市的内涝事件让人们逐渐把注意力集中到城市的雨水管理方面。就北京2012年7月23日的大暴雨而言，至少79人死亡，暴雨造成10660间房屋倒塌，160.2万人受灾，经济损失达116.4亿元另一方面，中国城市普遍面临水资源不足的问题。我国目前有近300个城市缺水，其中30个100万以上人的大城市的缺水状况更为突出，全国城市日缺水量约为1600万立方米，由于缺水而受到影响的工业产值达2300多亿元。这不仅影响人们的正常生活用水，而且也制约了经济建设的发展[1]。
中国城市同时面临的内涝和水资源不足的两个问题看似矛盾，其实可以互为解决途径。自然条件下降雨的5%～10%的雨水被植被和洼地等截留，70%～80%通过土壤下渗，10%～30%的雨水形成径流进入河道，这部分水与下渗的水再蒸发回到大气中，蒸发量占降雨量的50%～70%，入渗到地下水的量占降水量的10%～40%[2]。然而，快速城市化导致城市不透水地表面积迅速增加，使得雨水下渗的速度和总量都降低了，原本自然环境中不会形成地表径流的降雨也能形成大量积水。以前，人们对于暴雨管理的认识停留在修建大量排水沟、地下管道、人工渠道等排水设施，以便将雨水尽快的排走，避免造成积水和洪涝灾害的传统观念上，但是这样并没有解决城市的雨水问题，反而增加了财政负担同时破坏了环境 [3]。针对以上问题，当代德国雨水管理设计从立项伊始便将场地设计和雨水管理规划整合到同一进程中，力图从根源上消除城市雨水问题的生成[4]。
2.雨水管理的理论基础
面对传统雨水管理带来的问题，人们开始探索保持经济收益并提升公众利益的方式，低影响开发（Low-impact development，简称LID）为这个目标提供了途径。LID是一套涉及雨水控制利用和场地设计的技术体系，贯穿于整个场地规划设计过程之中[5]。LID强调利用场地自然特征来保护水质，运用了小尺度的工程措施来再现开发前的自然流域的水文循环机制，主要措施包括下渗、过滤、储存、蒸发以及在径流源头留住雨水[6]。这种方式广泛地运用于德国等发达国家的雨水管理当中。
LID通过一系列的措施来管理雨水，它的设计原则包括：①尽量维持原有水文条件；②减少建设项目的不透水铺装；③充分利用入渗,延长径流时间，减轻开发建设项目对自然状态的冲击[7]。LID不仅仅是一套全新的实践方式，更为重要的是针对每个场地的独特性而存在的设计过程，它包含的措施是可实施的，能够可持续发展的。
3.雨水管理的技术措施
为达到LID的目标，以实现真正的可持续发展，有一系列具体的措施作为保障。依循LID的原则，设计过程要遵循四个步骤：第一，了解开发前的自然条件，确立目标；第二，根据场地功能和主要污染物评估目标；第三，基于场地的特殊性确定实现目标的途径；最后，在场地局限性的基础上采取恰当的措施实现目标。LID采用的雨水管理的基本技术措施包括预处理、过滤、下渗、储存和回用，并且采用容纳、溢流、分流、渗透和排放等方式最大程度地模拟自然来进行雨水管理。
3.1预处理
对雨水进行的预处理可以除去水中的垃圾、残渣、较大沉淀物等污染物，尤其是初始冲刷里含有的大量污染物。预处理的设施，如一个水力分离器，可以有效地延长整个系统的寿命。
3.2过滤
在LID的设施中，过滤是至关重要的一环，尤其是下渗不可行的时候。过滤器通过机械过程除去雨水中的固体沉淀物及其他污染物。过滤器的等级、形状、孔隙度和表面材质的质地都影响着过滤的效果，一般把过滤器设置在小尺度的入口处，这样有利于径流在接近源头的地方就被处理而没有多余的积累或者更多的运输要求。
3.3下渗
雨水径流下渗可以补给地下水，雨水进入土壤，渗入地下。雨水下渗的速率受到土壤紧实度和储存能力的影响，土壤越饱和下渗能力越低。另外，土壤的质地和结构、植被类型和覆盖率、土壤含水量、土壤温度以及降雨频率都对下渗速率和能力有一定的影响。这个过程可以改善水质、减少径流，下渗还有助于整个场地保持自然条件下的水文环境，避免地下水位持续降低。
3.4储存和回用
收集和回用雨水有助于场地保持开发前的水文环境，这些收集到的雨水可以被用于灌溉或者其他用途。雨水被储存在定制的罐子里，罐子的容量根据场地的降雨情况以及用水实际情况而定。
4.德国Überlingen大学雨水管理景观设计
在雨水管理领域，德国一直处于世界领先地位。本文就德国Überlingen大学的雨水管理景观设计为例，详细介绍以LID为基础的雨水管理景观设计经验。
4.1场地概况
Überlingen市位于德国南部，博登湖北岸[ http://en.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberlingen]。这里气候温和，冬季最冷0摄氏度，夏季最高温不超过20摄氏度，降雨分布不均，每年的6到8月是降雨高峰期，月降雨量均超过100mm。场地总面积36.41公顷，有2000名在校学生，1500名教职工。本次雨水管理景观设计范围包括4栋学生宿舍建筑，41栋教学用综合建筑，场地地形最低点位于西北角。
4.2设计目标
该方案旨在通过雨水管理景观设计后的场地能够吸收处理十年一遇的降雨强度带来的降雨量，同时收集适量的雨水供人们使用，如冲厕所、拖地、灌溉等，以减少自来水的供给量，并且防止停车场及道路的污染物进入雨水后对水质造成污染。由于建筑呈现出组团式的特点，将每个组团设想为一个单元，每个单元尽量吸收各自范围内的径流，超出的部分进入公共区域。如果降雨强度超出设计最高值，即高于十年一遇的强度，溢流的雨水将进入市政管网。
4.3场地优化设计
为实现这个雨水管理的目标，可以采取多样的技术手段。首先，我们在不影响功能的前提下增加绿地的面积，创造不同类型的景观，如疏林草地、密林、洼地、植被浅沟、坑塘等，这样些元素不仅能够增加地下水补给同样可以推迟洪峰到来的时间；其次，增大透水性铺装面积，利用地形引导雨水进入可渗透区域，使得地表径流都能进入绿地及坑塘；第三，在停车场周边用洼地拦截地表径流，并且选取具有净化水质的植物。为了实现收集雨水并回用，我们针对每个组团的建筑都设置了不同大小的雨水箱，下雨后，屋顶、地表的雨水经过预处理、过滤后进入雨水箱，多余的水溢流后进入可下渗区域（图一）。
图一：雨水收集示意图
如果要实现十年一遇的降雨强度都不形成溢流，需要结合降雨情况进行计算。首先需要的是场地15年以来每日的每隔15分钟降雨数据，用于模拟降雨时的情况，通过SWMM软件模拟设计前场地的地表径流情况，为设计中绿地面积的确定提供依据；其次，每个单位的建筑都配备有专用的雨水储存箱，用于灌溉、清洁等，水箱的大小由建筑里的人数和他们的用水情况以及降雨情况、水箱使用率共同决定。接着，我们对每个组团的景观进行设计，采用各种景观元素减缓径流速度、推迟洪峰到来时间、增加下渗面积。最终，形成一个雨水回用、下渗的系统，不但可以節省自来水的供给同时防止地下水的下渗（图二）。
图二：总平面图和细节设计
4.4结果验证
设计完成后，我们还需要对方案进行检测，用SWMM软件对场地进行概化，把校园根据标高分成不同的区块，结合降雨数据、汇水面系数等计算整个系统的溢流量（图三）。运算结果表明，设计后的场地能够处理十年一遇的降雨。
图三：SWMM概化模型
5.结语
以上案例充分展现了传统雨水管理不能实现的结果，这种在设计之初就引入雨水管理、控制地表径流的理念能够有效地环境日益严峻的水问题，尽可能地还原了自然条件下的水文循环过程，同时保证了人的需求。正是这种尽量在雨水落地的源头就进行处理，景观设计中融入洼地、坑塘等自然元素，并且沿道路设置植被浅沟，最终得以减缓终端处理负荷、推迟洪峰道路的时间。
目前，我国对于雨水管理的措施逐渐开始重视，但是还未形成系统，所以还未收到很好的效果。我们按照这种先进的理念，各个环节有效的衔接，终究能够在不破坏自然水文循环的基础上可持续地发展。城市内涝和缺水这两个看似矛盾的问题也会迎刃而解。
参考文献：
[1]袁子恭. 我国城市缺水问题及其缓解途径[J]. 自然资源学报,1995,04:315-321.
[2]杜玉柱,宋松柏. 我国城市雨水利用存在问题及对策探讨[J]. 山西水利科技,2007,166.
[3]刘丹梅. 浅析我国城市排水系统现状及前景[J]. 科技创新导报,2011,24:131.
[4]宋代风,刘姝宇. 德国新建住区针对雨水管理的整合设计[J]. 建筑学报,2009,08:86-89.
[5]张玲玲. 新城市雨水管理的景观设计研究[D].湖北工业大学,2012.
[6] Larry Coffman, et al. Low-Impact Development Design Strategies, An Integrated Design Approach. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C. Document No. EPA 841-B-00-003, June 1999.
[7]沈珍瑶,陈磊,谢晖,马颖,冯潇,魏国元. 基于低影响开发的城市非点源污染控制技术及其相关进展[J]. 地质科技情报,2012,05:171-176.
关键词：雨水管理、可渗透、可持续发展
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
长期以来，暴雨被视为大城市的威胁，由于排水不及时造成的城市内涝问题给人们带来了巨大的损失。近几年中国各大城市的内涝事件让人们逐渐把注意力集中到城市的雨水管理方面。就北京2012年7月23日的大暴雨而言，至少79人死亡，暴雨造成10660间房屋倒塌，160.2万人受灾，经济损失达116.4亿元另一方面，中国城市普遍面临水资源不足的问题。我国目前有近300个城市缺水，其中30个100万以上人的大城市的缺水状况更为突出，全国城市日缺水量约为1600万立方米，由于缺水而受到影响的工业产值达2300多亿元。这不仅影响人们的正常生活用水，而且也制约了经济建设的发展[1]。
中国城市同时面临的内涝和水资源不足的两个问题看似矛盾，其实可以互为解决途径。自然条件下降雨的5%～10%的雨水被植被和洼地等截留，70%～80%通过土壤下渗，10%～30%的雨水形成径流进入河道，这部分水与下渗的水再蒸发回到大气中，蒸发量占降雨量的50%～70%，入渗到地下水的量占降水量的10%～40%[2]。然而，快速城市化导致城市不透水地表面积迅速增加，使得雨水下渗的速度和总量都降低了，原本自然环境中不会形成地表径流的降雨也能形成大量积水。以前，人们对于暴雨管理的认识停留在修建大量排水沟、地下管道、人工渠道等排水设施，以便将雨水尽快的排走，避免造成积水和洪涝灾害的传统观念上，但是这样并没有解决城市的雨水问题，反而增加了财政负担同时破坏了环境 [3]。针对以上问题，当代德国雨水管理设计从立项伊始便将场地设计和雨水管理规划整合到同一进程中，力图从根源上消除城市雨水问题的生成[4]。
2.雨水管理的理论基础
面对传统雨水管理带来的问题，人们开始探索保持经济收益并提升公众利益的方式，低影响开发（Low-impact development，简称LID）为这个目标提供了途径。LID是一套涉及雨水控制利用和场地设计的技术体系，贯穿于整个场地规划设计过程之中[5]。LID强调利用场地自然特征来保护水质，运用了小尺度的工程措施来再现开发前的自然流域的水文循环机制，主要措施包括下渗、过滤、储存、蒸发以及在径流源头留住雨水[6]。这种方式广泛地运用于德国等发达国家的雨水管理当中。
LID通过一系列的措施来管理雨水，它的设计原则包括：①尽量维持原有水文条件；②减少建设项目的不透水铺装；③充分利用入渗,延长径流时间，减轻开发建设项目对自然状态的冲击[7]。LID不仅仅是一套全新的实践方式，更为重要的是针对每个场地的独特性而存在的设计过程，它包含的措施是可实施的，能够可持续发展的。
3.雨水管理的技术措施
为达到LID的目标，以实现真正的可持续发展，有一系列具体的措施作为保障。依循LID的原则，设计过程要遵循四个步骤：第一，了解开发前的自然条件，确立目标；第二，根据场地功能和主要污染物评估目标；第三，基于场地的特殊性确定实现目标的途径；最后，在场地局限性的基础上采取恰当的措施实现目标。LID采用的雨水管理的基本技术措施包括预处理、过滤、下渗、储存和回用，并且采用容纳、溢流、分流、渗透和排放等方式最大程度地模拟自然来进行雨水管理。
3.1预处理
对雨水进行的预处理可以除去水中的垃圾、残渣、较大沉淀物等污染物，尤其是初始冲刷里含有的大量污染物。预处理的设施，如一个水力分离器，可以有效地延长整个系统的寿命。
3.2过滤
在LID的设施中，过滤是至关重要的一环，尤其是下渗不可行的时候。过滤器通过机械过程除去雨水中的固体沉淀物及其他污染物。过滤器的等级、形状、孔隙度和表面材质的质地都影响着过滤的效果，一般把过滤器设置在小尺度的入口处，这样有利于径流在接近源头的地方就被处理而没有多余的积累或者更多的运输要求。
3.3下渗
雨水径流下渗可以补给地下水，雨水进入土壤，渗入地下。雨水下渗的速率受到土壤紧实度和储存能力的影响，土壤越饱和下渗能力越低。另外，土壤的质地和结构、植被类型和覆盖率、土壤含水量、土壤温度以及降雨频率都对下渗速率和能力有一定的影响。这个过程可以改善水质、减少径流，下渗还有助于整个场地保持自然条件下的水文环境，避免地下水位持续降低。
3.4储存和回用
收集和回用雨水有助于场地保持开发前的水文环境，这些收集到的雨水可以被用于灌溉或者其他用途。雨水被储存在定制的罐子里，罐子的容量根据场地的降雨情况以及用水实际情况而定。
4.德国Überlingen大学雨水管理景观设计
在雨水管理领域，德国一直处于世界领先地位。本文就德国Überlingen大学的雨水管理景观设计为例，详细介绍以LID为基础的雨水管理景观设计经验。
4.1场地概况
Überlingen市位于德国南部，博登湖北岸[ http://en.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberlingen]。这里气候温和，冬季最冷0摄氏度，夏季最高温不超过20摄氏度，降雨分布不均，每年的6到8月是降雨高峰期，月降雨量均超过100mm。场地总面积36.41公顷，有2000名在校学生，1500名教职工。本次雨水管理景观设计范围包括4栋学生宿舍建筑，41栋教学用综合建筑，场地地形最低点位于西北角。
4.2设计目标
该方案旨在通过雨水管理景观设计后的场地能够吸收处理十年一遇的降雨强度带来的降雨量，同时收集适量的雨水供人们使用，如冲厕所、拖地、灌溉等，以减少自来水的供给量，并且防止停车场及道路的污染物进入雨水后对水质造成污染。由于建筑呈现出组团式的特点，将每个组团设想为一个单元，每个单元尽量吸收各自范围内的径流，超出的部分进入公共区域。如果降雨强度超出设计最高值，即高于十年一遇的强度，溢流的雨水将进入市政管网。
4.3场地优化设计
为实现这个雨水管理的目标，可以采取多样的技术手段。首先，我们在不影响功能的前提下增加绿地的面积，创造不同类型的景观，如疏林草地、密林、洼地、植被浅沟、坑塘等，这样些元素不仅能够增加地下水补给同样可以推迟洪峰到来的时间；其次，增大透水性铺装面积，利用地形引导雨水进入可渗透区域，使得地表径流都能进入绿地及坑塘；第三，在停车场周边用洼地拦截地表径流，并且选取具有净化水质的植物。为了实现收集雨水并回用，我们针对每个组团的建筑都设置了不同大小的雨水箱，下雨后，屋顶、地表的雨水经过预处理、过滤后进入雨水箱，多余的水溢流后进入可下渗区域（图一）。
图一：雨水收集示意图
如果要实现十年一遇的降雨强度都不形成溢流，需要结合降雨情况进行计算。首先需要的是场地15年以来每日的每隔15分钟降雨数据，用于模拟降雨时的情况，通过SWMM软件模拟设计前场地的地表径流情况，为设计中绿地面积的确定提供依据；其次，每个单位的建筑都配备有专用的雨水储存箱，用于灌溉、清洁等，水箱的大小由建筑里的人数和他们的用水情况以及降雨情况、水箱使用率共同决定。接着，我们对每个组团的景观进行设计，采用各种景观元素减缓径流速度、推迟洪峰到来时间、增加下渗面积。最终，形成一个雨水回用、下渗的系统，不但可以節省自来水的供给同时防止地下水的下渗（图二）。
图二：总平面图和细节设计
4.4结果验证
设计完成后，我们还需要对方案进行检测，用SWMM软件对场地进行概化，把校园根据标高分成不同的区块，结合降雨数据、汇水面系数等计算整个系统的溢流量（图三）。运算结果表明，设计后的场地能够处理十年一遇的降雨。
图三：SWMM概化模型
5.结语
以上案例充分展现了传统雨水管理不能实现的结果，这种在设计之初就引入雨水管理、控制地表径流的理念能够有效地环境日益严峻的水问题，尽可能地还原了自然条件下的水文循环过程，同时保证了人的需求。正是这种尽量在雨水落地的源头就进行处理，景观设计中融入洼地、坑塘等自然元素，并且沿道路设置植被浅沟，最终得以减缓终端处理负荷、推迟洪峰道路的时间。
目前，我国对于雨水管理的措施逐渐开始重视，但是还未形成系统，所以还未收到很好的效果。我们按照这种先进的理念，各个环节有效的衔接，终究能够在不破坏自然水文循环的基础上可持续地发展。城市内涝和缺水这两个看似矛盾的问题也会迎刃而解。
参考文献：
[1]袁子恭. 我国城市缺水问题及其缓解途径[J]. 自然资源学报,1995,04:315-321.
[2]杜玉柱,宋松柏. 我国城市雨水利用存在问题及对策探讨[J]. 山西水利科技,2007,166.
[3]刘丹梅. 浅析我国城市排水系统现状及前景[J]. 科技创新导报,2011,24:131.
[4]宋代风,刘姝宇. 德国新建住区针对雨水管理的整合设计[J]. 建筑学报,2009,08:86-89.
[5]张玲玲. 新城市雨水管理的景观设计研究[D].湖北工业大学,2012.
[6] Larry Coffman, et al. Low-Impact Development Design Strategies, An Integrated Design Approach. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C. Document No. EPA 841-B-00-003, June 1999.
[7]沈珍瑶,陈磊,谢晖,马颖,冯潇,魏国元. 基于低影响开发的城市非点源污染控制技术及其相关进展[J]. 地质科技情报,2012,05:171-176.