北京自2004年以来, 城区多次发生极端天气, 如2011年“6·23”暴雨、2012年“7·21”暴雨及2016年“7·20”暴雨给交通和市民出行造成严重影响。2013年12月, 习近平总书记在中央城镇化工作会议讲话时指出:解决城市缺水问题, 必须顺应自然。在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来, 更多利用自然力量排水, 建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。

目前全国大部分城市在新建项目中已相继出台相应的海绵技术要求和指标体系, 而已建成项目中, 雨水问题如何解决, 如何改造成具有海绵效果的场地值得探讨。本文结合北京某园区调蓄项目案例深入分析海绵改造设计实践。

某绿色园区位于北京市海淀区, 2016年7月20日北京持续降雨时, 园区某入口处长100m范围内积水严重, 路面积水深50cm, 对园区交通出行造成严重影响 (从2016年7月19日1时至21日6时, 北京市出现强降雨天气, 此次降雨持续时间长、总量大、范围广, 全市平均降雨210.7mm, 城区274.0mm, 最大小时雨强30~50mm) 。

经现场诊断, 造成积水原因如下。

1) 相邻市政路雨水方沟井底高程比接驳的雨水方沟井底低0.48m, 形成反坡。

2) 相邻市政路雨水方沟尺寸小于园区雨水方沟尺寸。

3) 排水渠暗涵出口处被拦截, 下游土渠未疏通。

4) 排水渠暗涵多处被垃圾、杂物堵塞, 且长期积压未清。

积水点所处地势较低, 且排水系统排水能力变化处恰位于地势较低处。当降雨强度未超过3年一遇, 但超过积水点处下游排水系统现有排水能力时, 下游对上游排水形成顶托, 而上下游交界处地势较低, 故雨水从排水箱涵处冒出, 在地势较低处形成积水。当降雨强度超过3年一遇时, 积水点除箱涵冒出的排水外, 场地内未能进入排水管道的雨水沿道路路面汇流至积水点形成积水。

1) 解决极端天气园区入口雨水积水问题建设雨水调蓄池, 保证在缓解内涝问题上有明显、直观效果。

2) 改善周边环境品质及海绵示范参观展示开挖建设调蓄池后, 复原的周边绿地设计为海绵主题小公园, 对海绵知识进行科普宣传, 同时缓解调蓄池周边雨水压力。

通过对项目调蓄空间进行分析, 结合建设条件及经济适用原则, 提出近期和远期设计思路及方案 (见图1) 。

1) 近期对园区进行海绵园区蓄、排方案设计, 解决积水问题。

2) 远期下游市政排水系统疏通、全系统低影响开发技术应用, 构建海绵园区、节水型园区。

根据DB 11/685—2013《雨水控制与利用工程设计规范》规定:为实现年径流总量控制率85%要求, 每10000m²硬化面积应设300m³雨水调蓄池。本工程汇水面积约60万m², 按绿化率35%估算, 硬化面积39万m², 需建设调蓄池的总容积为11700m³。该调蓄容积较大, 可结合园区地形条件, 将调蓄池分期分散建设于园区各地块内, 总容积不小于11700m³ (包括近期建设的调蓄池容积) , 以达到对雨水进行控制和利用的目的。

1) 近期工程结合上游排水系统的相关数据, 按2017年北京市最新暴雨强度公式, b=11.593, n=0.681 (b, n为暴雨强度公式参数) , 按上游排水能力最大3年一遇时计算脱过系数为0.579, 降雨历时按31min计, 其中地面流行时间取11min, 管道流行时间取20min (按管道全长约1200m, 水流平均速度1m/s估算) , 经计算所需调蓄空间约为5100m³。并据此反推3000m³调蓄空间可达到积水点处遇2年一遇降雨时不积水目标, 2000m³的调蓄空间可达到积水点处遇1年一遇降雨时不积水目标。2017年底, 建设有效容积2500m³调蓄池, 当上游进水大于下游排水能力时, 多余雨水进入调蓄池, 2500m³调蓄容量可达到在重现期小于2年一遇 (最大24h降雨量81mm) 、大于1年一遇降雨时路口不积水目标。

2) 远期工程结合园区地形条件, 分期分散设置雨水调蓄池, 增加的总容积为9200m³, 达到园区内雨水调蓄总容积11700m³, 实现年雨水径流总量控制率85%目标, 实现海绵园区建设总目标。

根据调蓄空间分析, 近期建设2500m³调蓄容积和应急设施可缓解园区路口积水问题 (见图2) 。

调蓄池工作方式:连接箱涵和调蓄池之间设溢流墙, 当不降雨或降雨量较小时, 溢流墙可有效阻止箱涵中的水进入调蓄池, 防止倒灌;当降雨较大, 上游进水大于下游排水能力, 排水箱涵水位高于溢流墙墙顶时, 雨水通过连接箱涵溢流进入调蓄池内 (见图3) 。

日常维护以物业管理、值守、观测为主。

1) 定期检查调蓄池泵、阀门、管道、电器控制器、电机等相关设备, 保证其正常工作。

2) 定期清理调蓄池淤泥, 每年1次。

3) 调蓄池在每次暴雨前预留调蓄空间。

4) 完整记录设施设备的检查、调试、运行情况。

5) 进出调蓄池及设备间前, 进行安全检测。

6) 雨水出水水质应按照水质要求定期检测。

暴雨应急预案如下。

1) 建立暴雨灾害事故预警机制, 做到早准备、早处置、早报告。

2) 随时关注气象监测部门发布的气象信息、政府通报、应急指令等, 并利用电子屏幕、网络、通信等载体传递预警信息。

3) 暴雨时由专业技术人员在积水点值守、观测, 及时启动设备。

根据调蓄池周边绿地竖向关系, 将海绵技术嵌入绿地复原设计中, 解决周边部分雨水入渗及蓄存问题, 充分发挥城市绿地、水系、透水地面等对雨水吸纳、蓄渗及缓释作用, 有效缓解局部内涝, 削减径流及污染负荷, 节约水资源, 保护和改善周边生态环境。同时增加公共活动空间, 使海绵景观融入日常生活 (见图4, 5) 。

调蓄池开挖面积约1500m²。建设完成后, 调蓄池顶部需恢复绿化种植, 覆土厚度约1.2m。在此范围设计1个共享活动空间并将海绵技术与展示融入其中。

1) 喜水植物雨水花园如图6所示, 喜水植物雨水花园结构层分为卵石层、种植土层、砂层、调蓄层、隔离层、覆盖层和植被层。除有效进行雨水渗透外, 还具有多种功能: (1) 去除径流中悬浮颗粒等有害物质; (2) 通过喜水植物配置, 打造丰富生态栖息环境; (3) 通过植物蒸腾作用, 调节周边空气湿度与温度, 改善微环境气候; (4) 建造成本较低, 易维护, 减少大量后期运营费用; (5) 雨水花园景观效果良好, 给人以新的视觉认知和景观感受。

2) 卵石填料雨水花园即取消喜水植物雨水花园中的种植土及植物层, 以裸露的卵石为景观要素, 模拟自然界干枯河床, 营造枯山水的景观形象, 既节水又增加禅意。除景观诉求外, 卵石填料雨水花园还兼顾雨水花园的净、蓄、滞功能, 当土壤含水量饱和时, 蓄积的雨水可形成干净的水面, 满足不同景观效果需求 (见图7) 。

3) 下凹绿地将绿地竖向标高降低至周围地面以下, 以便周边雨水径流汇入。下凹式绿地建设成本与常规绿地相近, 改造增量成本较小, 其滞纳雨水的能力和地面透水性能良好, 可减少绿化用水, 补充地下水, 减小市政雨水管网排水压力, 调节径流和滞洪及削减径流污染物 (见图8) 。

4) 入渗沟多沿道路、铺装设置, 用于汇聚并吸收周边地面雨水, 减少路面积水问题。通过砾石、砂土的综合作用使雨水得到净化, 部分自然下渗, 涵养地下水源, 其他可进入园区水路径管道, 进行回收利用 (见图9) 。

5) 透水铺装透水铺装 (透水混凝土、透水砖) 是一种新的环保型、生态型道路铺装种类, 能使雨水迅速渗入地表, 有效补充地下水, 缓解城市热岛效应, 平衡城市生态系统。透水铺装还能通透“地气”, 由于透水地面孔隙多, 地表面积大, 对粉尘有较强吸附力, 可减少扬尘污染, 也可降低噪声。

6) 木塑铺装木塑是一种新型复合材料, 使用木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料, 再经挤压、模压、注塑成型。使用该产品可节约木材使用量, 且防虫、防水、防潮, 解决木质产品在潮湿和多水环境中吸水受潮后易腐烂、膨胀变形等问题。

7) 其他海绵景观展示需求 (1) 在调蓄池和连接箱涵处设置雨水花园等海绵设施, 直观展示调蓄池大小; (2) 在调蓄池溢流墙和排水泵上方设置玻璃顶盖展示孔, 并在展示孔处设置照明灯, 供参观人员观看内部构造; (3) 在调蓄池端部设置楼梯, 方便人员进入调蓄池内部检修及参观; (4) 设置展示牌, 介绍设置原因、可解决问题及工作原理, 并配备相关照片 (见图10) 。

城市建成区面积急速扩张, 带来城市下垫面的硬化, 雨水径流量和径流污染随之加剧, 内涝和水体污染严重影响城市正常运转。北京某园区的调蓄池项目基本解决积水造成的安全隐患, 同时将海绵景观、海绵展示功能嵌入已建成园区中, 是较成功的海绵改造设计尝试及实践。同时我司及时总结各海绵项目在后续使用、实际运营中出现的问题和意见反馈, 为既有园区海绵化改造提供技术案例和经验借鉴, 使海绵技术应用与推广登上新台阶。