工业是城市的重要产业支柱,工业用地的布局量十分巨大。工业厂区作为各城市建设用地的重要组成部分,是海绵城市建设不可或缺的重要载体,但也集中体现了绿地少、建筑占地大、坡屋面居多等突出特点。因此,在海绵城市建设系统化推进的过程中,如何对成规模的既有工业厂区提出合理可行的改造策略,是当下面临的重大难题,也是亟需突破的重点任务。以厦门为例,截至2017年末,厦门市工业用地面积达89.04 km²,仅次于居住用地(102.98 km²)^[1],是全市建设用地第二大组成部分。因此,在海绵城市建设系统化推进的过程中,工业厂区是不可或缺的重要载体,其实施效果显著影响着流域内径流总量控制及径流污染控制成效,在海绵城市建设中的地位十分突出。

从海绵城市建设条件的角度分析,工业厂房集聚着多种海绵化建设的不利条件,是海绵城市建设的难点之一。一般而言,工业厂房具有如下特点:厂房占地面积大,综合径流系数较高,雨水径流量大;厂区坡屋顶较多,绿色屋顶实施空间小;绿地率低,下凹式绿地、雨水花园等生物滞留设施实施条件不足;厂区铺装面积少,且内部道路需承载大量重型货车,荷载要求较高,能够敷设透水铺装或透水沥青的区域十分有限。诸多不利条件使得工业厂区海绵城市建设变得十分困难,而对于已建工业厂房来说,条件更为严苛,在改造过程中更是难上加难。

对连片工业园区开展系统性规划,以园区为整体,统筹考虑园区内各工业厂区、市政道路等基于自身条件进行合理海绵改造后的目标可达性,并充分利用园区内公共绿地承担周边转输客水,必要时在末端建设湿地或其他调蓄设施,使园区能够整体达标。

根据各工业厂区、市政道路等的海绵城市建设条件,如下垫面组成、地形条件、管网条件、使用功能要求、雨水回用需求等,以问题为导向,充分应用绿色屋顶、透水铺装、下凹式绿地等海绵措施,并结合实际径流组织情况进行科学布局,由此合理确定各工业厂区、市政道路实际可达的海绵城市建设指标。

统筹发挥自然生态功能和人工干预功能,优先使用绿色雨水设施,尽可能发挥植物净化功能,削减场地径流污染;优先选用低建设成本、便于运营维护的技术措施和材料,采用合适的海绵城市设施和植物配置,降低建设维护成本。

在保障场地径流总量及径流污染得到有效控制的基础上,需重视和兼顾景观效果^[4],进一步优化设施布局,提升景观设计,实现环境、经济和社会综合效益的最大化。

以厦门某工业园区为例,园区面积1.38 km²,基本为填海造地区,基本地势为南、西、北三侧向内湖水域倾斜,地形较为平坦,略有起伏,西侧有一南北向排洪渠。规划用地性质较为单一,以一类工业用地及二类物流仓储用地为主。

由于该园区所在流域建筑布局紧凑,基础设施薄弱,布局合理性较差,城市建设未考虑雨水径流、面源污染控制等方面,导致流域内存在内涝积水和面源污染等突出问题。同时,存在多处地面铺装破损、部分区域杂草丛生、屋顶景观单一,整体景观生态性、功能性较差,景观品质有待提高。对该园区进行海绵改造,不仅能够有效解决积涝与污染问题,也能同步提升园区景观品质。

由于普通地形图精度不够、早期工厂的设计图纸缺失,为在设计中清晰掌握每一处场地竖向信息,采用无人机三维建模技术作为下垫面分析辅助工具,即利用无人机从垂直、倾斜等不同角度采集影像,经数据处理并整合后输出含竖向及坐标等信息的三维模型^[5]。由无人机采集生成的三维影像能够直接量测任意两点之间的距离、高差等数据,可实现对现场精细化踏勘,针对每一处场地都能便捷地开展径流组织及海绵设施布设条件分析,使海绵城市设计更符合实际情况,真正达到因地制宜的效果。厦门某工业园区的三维实景模型如图1所示。

在现有技术、经济条件下,海绵城市设施、城市排水系统的建设和完善难以在短期内见效。通过水文水力模型模拟可以识别城市排水系统中的薄弱环节,分析各海绵改造方案的径流控制及其污染削减效果,为海绵措施的设置提供依据,从而提高城市应对内涝及控制径流污染的能力。采用CivilStorm水文水力模型,基于园区下垫面组成及雨水管网分布,精细构建2 000多个微排水单元(如图2所示),为各地块海绵改造、整个园区海绵建设前后的效果分析提供量化支撑。

依据上位规划要求,综合考虑本园区的现状建设情况、地下水位、土壤渗透性等条件,确定园区的径流总量控制目标为69%(对应的设计降雨量为26 mm)。根据水文水力模型模拟结果,园区现状年径流总量控制率仅为26%,需采用适当的绿色屋顶、透水铺装、下凹式绿地等低影响开发设施以提高园区年径流总量控制率,并有效控制径流污染。园区内海绵城市建设类型可分为厂区地块、市政道路及水系公园,通过将三者有机结合,可根据各自本底条件量身定制目标,并通过径流转输综合利用公园绿地空间,弱化单一厂区或道路难以均一达到园区目标的困难,总体实现年径流总量及污染控制目标。总体方案构建步骤如下:

第一,改造空间分析。根据地形及影像资料,初步分析园区内地块下垫面的组成情况,并进一步结合三维模型筛选确定各地块不同下垫面中可供改造的屋顶、硬质铺装和绿地的面积,为海绵方案设计奠定基础。

第二,海绵方案比选。设定高、低强度两个比选方案,方案一为高强度改造方案,即将工业厂区可改造的屋顶和绿地,全部进行屋顶绿化和生物滞留设施改造(如图3所示),并进行排水组织;方案二为及合理强度改造方案,即根据厦门海绵城市建设试点经验,将工业厂区可改造的屋顶的80%进行屋顶绿化改造,将可改造的绿地60%进行生物滞留设施改造,并进行排水组织。

海绵改造前后的年径流总量控制率、径流污染控制率及投资估算等指标如表1所示。其中,方案一(高强度改造方案)及方案二(合理强度改造方案)年径流总量控制率分别为84%、69%,均能够达到目标控制要求,但方案一的高强度改造不仅受现场条件限制较强,难以完全实施到位,而且投资估算大幅高于方案二。因此,综合考虑技术与经济因素,采用方案二更加合理可行。

第三,整体达标评估。除工业、仓储地块外,园区内仍有部分市政道路及公园绿地,其中市政道路也是径流及其污染产生的主要场所之一。根据园区内市政道路断面与周边公共绿地分布情况,合理确定各道路年径流总量控制率为50%～60%,且径流污染控制率不低于45%。中部水系公园为区域大海绵体,除承担周边地块及道路部分径流,自身需满足年径流总量控制率85%、径流污染控制率70%目标。以源头、过程、末端的海绵设施作为有机的整体系统,对各地块、道路、公园海绵城市建设指标加权平均,经计算得出该园区雨水年径流总量控制率和径流污染控制率分别为69%和47%,且经模型验证校核后基本相符,满足海绵城市建设目标要求。

以园区12#地块为例,该地块位于园区西南侧,地面标高多为6.38～7.38 m,整体地势较为平坦,下垫面主要由建筑平屋面、道路及绿地组成(如图4所示),其中绿地率约14%。

根据屋面雨落管分布、地面坡向、雨水管线走向等,将12#地块初步划分为3个汇水分区。合理利用各汇水分区内屋面及绿地空间,结合雨水蓄滞需求,共布设绿色屋顶11 934 m²(考虑设备及人行走道,取折减系数0.8)、下凹绿地1 403 m²及复杂型生物滞留设施792 m²(考虑放坡、溢流设施及景观营造等因素,取折减系数0.6),调蓄容积合计597 m³。如图5所示,建筑屋面雨水主要由绿色屋顶消纳,由四周的断接雨落管、线性排水沟、植草沟等汇集至周边下凹式绿地或复杂型生物滞留设施内进行消纳,道路雨水就近漫流或由线性排水沟、植草沟等微排水系统进入周边下凹式绿地或复杂型生物滞留设施,超出设计降雨量的雨水由溢流口收集进入厂区雨水管网,最终汇入市政道路雨水管网。

采用Civilstorm水文水力模型,模拟12#地块海绵设施改造前后不同降雨条件下场地总出流量变化,部分结果如图6所示。由图6可知,在年径流总量控制率对应降雨量条件下,12#地块海绵设施改造前有明显径流峰值,最大径流量达130 L/s,而海绵改造后径流峰值明显削弱,场地径流已基本不外排,最大径流量仅为3.6 L/s,径流峰值削减率达97%;在2年一遇降雨量条件下,12#地块海绵改造后较改造前仍有一定程度的削峰、错峰效果,但由于降雨量已远大于海绵设施蓄滞容量,大量雨水经溢流后排入市政管网。模拟结果显示,12#地块按设计方案进行海绵设施改造后,在年径流总量控制率对应降雨量条件下能够发挥良好的径流控制效果,在2年一遇降雨量条件下也能具备一定的削峰、错峰功能,与预期效果基本相符。

基于既有工业厂区海绵城市改造需求与难点,以系统构建、因地制宜、生态优先、兼顾景观等为基本改造原则,从改造空间分析、海绵方案比选、整体达标评估3个步骤展开总体方案设计,并采用无人机三维建模及Civilstorm水文模型等技术手段辅助各地块详细设计,做到地面径流组织的精细化设计与径流控制效果的量化验证,实现小地块方案科学可行、大园区整体综合达标。

由于目前工业用地已由花园式向集约型转变,厂区绿化普遍较少,可承担地表径流削减与净化的绿地空间十分有限,结合此次园区内14个工业地块的设计经验,建议如下:一是工业厂区新、改、扩建项目重点以径流污染控制为主,而以径流总量控制为辅,特别是针对易受工业生产过程中原料、产品污染的区域,应尽量避免直接下渗而污染地下水;二是适当增加厂房平屋面的绿色屋顶比例,一方面可有效降低雨水径流量;另一方面也能够改善厂区绿化环境,缓解热岛效应;三是尽量采用区域化整体设计,充分利用相邻地块转输、周边绿地分担、末端湿地净化等,减轻单一工业地块负担,通过源头、过程及末端的海绵城市系统建设,以综合实现区域目标。