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山地城市老旧街区雨水径流可持续调控改造策略研究

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吴建鹏, 张建林, 邢佑浩. 山地城市老旧街区雨水径流可持续调控改造策略研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2017, 39(9): 173-180. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2017.09.026
引用本文: 吴建鹏, 张建林, 邢佑浩. 山地城市老旧街区雨水径流可持续调控改造策略研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2017, 39(9): 173-180. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2017.09.026
Jian-peng WU, Jian-lin ZHANG, You-hao XING. On Strategies for Sustainable Transformation of Rainwater Runoff in the Old Blocks in Mountainous Cities[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2017, 39(9): 173-180. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2017.09.026
Citation: Jian-peng WU, Jian-lin ZHANG, You-hao XING. On Strategies for Sustainable Transformation of Rainwater Runoff in the Old Blocks in Mountainous Cities[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2017, 39(9): 173-180. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2017.09.026

山地城市老旧街区雨水径流可持续调控改造策略研究

  • 基金项目: 重庆市应用开发计划项目(cstc2014yykfA90001)
详细信息
    作者简介:

    吴建鹏(1991-),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事风景园林规划设计与理论研究 .

  • 中图分类号: TU986

On Strategies for Sustainable Transformation of Rainwater Runoff in the Old Blocks in Mountainous Cities

  • 摘要: 以山地城市老旧街区雨水径流排泄过程为研究对象,从其特定的环境因子与雨水径流的关联性分析入手,通过分析现状街区内雨水径流排泄特点和存在的问题,并结合与之相关的环境因子特征,阐述了在街区层面基于低冲击理念下的可持续雨水径流调控改造策略,为山地城市街区尺度下的可持续雨洪管理提供新的借鉴与思路.
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  • 图 1  雨水径流排泄过程图

    图 2  雨落管直接与硬质地面相接

    图 3  台地空间通过梯道传导径流

    图 4  花池高度过高、景观性不佳

    图 5  堡坎下部的暗渠和绿化池

    图 6  雨水明沟现状易造成径流污染

    图 7  下凹式绿地示意图

    图 8  生态截流沟示意图

    图 9  生态明沟示意图

    表 1  重庆主城区老旧街区调研对象的环境因子现状

    所属城区 街区名称 屋面样式与排水现状 场地类型与地面材质 现状绿地 周边山体环境 路面排水状况 蓄水设施
    北碚区 朝阳片区 平屋顶 不透水地面 面状绿地 人工堡坎 雨水口+排水明沟 缺失
    沙坪坝区 金碧片区 坡屋顶 不透水地面 面状绿地 自然山体 雨水口 自然溪流
    江北区 忠恕沱片区 平屋顶 透水铺装 面状绿地+线型绿地 人工堡坎 雨水口+排水明沟 缺失
    渝中区 上纯阳洞片区 平屋顶 透水铺装 面状绿地+线型绿地 人工堡坎 雨水口+排水明沟 缺失
    大渡口区 鑫桥片区 平屋顶 不透水地面 面状绿地 人工堡坎 雨水口+排水明沟 缺失
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    表 2  调研街区内地表径流的主要特征

    街区名称 地表径流的主要特征
    朝阳片区 地表不透水性和路面坡度造成雨水径流流量增多、流速加快.
    金碧片区 坡地区域截流设施缺失,未能与调蓄空间形成有效连接,导致坡地径流直接排入管沟.
    忠恕沱片区 绿地率低和蓄水场所功能退化导致径流直接排入管网,造成雨水资源浪费.
    上纯阳洞片区 雨水明沟堵塞和线型绿化的缺失造成径流行水路线不畅,导致地表径流流量增多.
    鑫桥片区 雨水明沟破损和周边生活垃圾的排放造成地表径流污染严重.
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    表 3  生态设施布设与空间环境因子特征的关联性

    生态设施 设施特征 相关联的环境因子 径流产生段 设施应用阶段运送传输段 受纳调蓄段
    绿色屋顶 具备绿色覆盖面的建筑屋面形式,能够渗透和过滤雨水. 建筑屋面
    透水性铺地 表面粗糙、具备渗透性,可下渗雨水并减缓径流流速. 场地类型与地面材质
    雨水罐 建筑下部的临时储水设施,亦可作为小型调蓄空间. 场地类型与地面材质
    下凹式绿地 与落水管相接的缓冲设施,可下渗和过滤雨水. 现状绿地
    植草沟 具备绿色覆盖面的线型生态沟渠,可下渗和运送径流. 现状绿地路面排水状况
    植被缓冲带 层次配置合理的小型植被群落,对径流产生阻流和净化作用. 现状绿地路面排水状况
    溢流井 可延缓径流汇入管网的时间. 路面排水状况
    渗透沟渠 填充沙和砾石等透水性材料的沟渠,可下渗和传输径流. 路面排水状况
    生态截流沟 可在坡度较陡处截流阻流,并传导至调蓄空间. 周地山体环境
    湿塘 可保证一定水位的池塘,用于储存和调蓄雨水径流. 蓄水设施
    调节塘 具备植物覆盖面的小型池塘,可调蓄和净化雨水径流. 蓄水设施
    下沉式广场 日常为活动场地,暴雨来袭时可作为临时储水设施. 场地类型与地面材质蓄水设施
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  • [1] 凯文·林奇. 城市意象[M]. 方益萍, 何晓军, 译. 北京: 华夏出版社, 2011.
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图( 9) 表( 3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-06
  • 刊出日期:  2017-09-20

山地城市老旧街区雨水径流可持续调控改造策略研究

    作者简介: 吴建鹏(1991-),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事风景园林规划设计与理论研究
  • 西南大学 园艺园林学院,重庆 400715
基金项目:  重庆市应用开发计划项目(cstc2014yykfA90001)

摘要: 以山地城市老旧街区雨水径流排泄过程为研究对象,从其特定的环境因子与雨水径流的关联性分析入手,通过分析现状街区内雨水径流排泄特点和存在的问题,并结合与之相关的环境因子特征,阐述了在街区层面基于低冲击理念下的可持续雨水径流调控改造策略,为山地城市街区尺度下的可持续雨洪管理提供新的借鉴与思路.

English Abstract

  • 凯文·林奇在《城市意象》中提到,“当人们走进某一区域时,会感受到强烈的‘场域效应’,形成不同的城市意象[1]. ”这里的“区域”即指街区,是构成城市肌理的组成单元.而本文所研究的街区,特指以居住功能为主、侧重表达生活延续性的空间限定区域.

    统计显示:过去3年,全国超过360个城市遭遇内涝;与此同时,全国有1 100余座城市严重缺水.排水标准偏低和雨水利用系统的缺乏,让这些城市紧缺的资源成为了灾害发生的诱因[2].针对这种现状,除加强排水管网工程建设外,还应从城市空间设计和生态效用层面入手,积极探索具有适应性的可持续雨洪管理方法.山地城市特殊的自然条件和雨水径流特征,使其内涝防治与雨水利用具有特殊性.目前,学者们多将眼光聚焦在城市新建区,针对老旧街区缺乏较为深入的研究.在街区层面,生态雨水设施的布设类型、布设位置以及布设规模均与其环境因子有着密切联系.因此,有必要从空间视域的角度出发,对影响山地城市老旧街区雨水径流调控过程的环境因子加以研究,以达到雨水设施协同优化的布设目的.

  • 我国是多山之国,山地主要集中于西部地区.以重庆为例,其具有典型的亚热带湿润季风气候特点[3],据统计资料可知,1951-2010年,重庆主城区年降雨量平均值为1 074.40 mm,且年降雨量呈逐年增长的趋势;降水主要集中在汛期(5-9月),总量约占全年的67%,多以单峰雨型为主,雨峰靠前,雨型急促,降雨历时短,短时易形成暴雨或强降雨[3].

    另外,在雨水流量方面,重庆城区内地形陡缓不均,地表径流顺势而下,极易在短时间内形成局部区域的洪涝灾害;在雨水质量方面,老旧街区人口密度集中,排污量大,加之坡度的作用,使得初期冲刷效应比平原城市更为显著,初期径流具有更强的污染性[4].总之,山地城市特殊的生态环境因子之间的相互影响,为可持续雨水设施的布设带来一定程度的挑战.

  • 在街区层面,雨水径流排泄过程可分为径流产生、运送传输和受纳调蓄3个阶段(图 1). ① 径流产生阶段:主要包括建筑屋面和开放空间的场地地面,是雨水径流调控的源头阶段.建筑屋面承接降雨后,通过侧面雨落管将屋面雨水传送至地面,与地面雨水合流形成最初的雨水径流. ② 运送传输阶段:主要包括道路、绿地和山体环境等开放空间中的行水路线,其中道路及沿道路设置的排水管沟是高密度建成区中的主要径流运送空间[4].雨水径流经产生后进入线性传输网络,一部分汇入市政排水干管,一部分汇入调蓄设施. ③ 受纳调蓄阶段:主要包括街区内的水体和绿地等具有蓄水功能的调蓄设施,能对雨水径流起到一定的净化和存储作用.

    从构建生态可持续雨洪管理体系的角度出发,结合山地城市的地理环境特征,可知雨水径流调控过程的主要影响因素为下垫面类型和坡度.对应到街区层面,与之相关的环境因子主要包含建筑屋面样式与排水现状、场地类型与地面材质、现状绿地、周边山体环境、路面排水状况以及蓄水设施等组成要素.

  • 以重庆主城区为例,选取5个具有典型山地环境特征的街区作为调研对象,重点分析其建筑屋面样式与排水现状、场地类型与地面材质、现状绿地、周边山体环境、路面排水状况以及蓄水设施等环境因子的现状特点(表 1).

  • 纵观5个调研样点内的建筑与屋面样式,除金碧片区内建筑屋面以坡屋顶为主外,其余街区内建筑均呈现平屋顶的屋面样式.

  • 朝阳片区和金碧片区内建筑屋面大多以硬质覆盖面为主,空置情况居多;忠恕沱片区和上纯阳洞片区内部分建筑屋面有植被种植形成绿化覆盖面,但就整个街区范围的建筑占地面积而言,屋顶绿化覆盖面积占比偏低,不到40%;鑫桥片区内建筑屋顶主要用于晾晒衣物和放置盆栽,有较大的改造利用潜力.

  • 以坡屋顶为主的街区建筑,由于坡度的存在,雨水流经屋面直接排至地面;而对平屋顶的建筑而言,雨水在屋顶汇集后,往往通过建筑侧面的雨落管排至地面.调研发现,街区内的雨落管下端往往直接与地面相接,缺乏缓冲收集设施,造成雨水资源的直接浪费(图 2).

  • 由于街区建设年代的不同,老旧街区内地面平整度和铺地材质种类也不尽相同.调研发现,忠恕沱片区和上纯阳洞片区经过后期修整,地面铺装以透水砖为面层材质,暴雨来袭时可下渗部分雨水;而朝阳片区、金碧片区和鑫桥片区内的大部分区域仍以硬质水泥地面为主.此外,根据对雨水径流的不同影响,山地街区内的公共场地可分为台地空间、坡地和平地空间等类型,其排水状况也各有特点.

  • 由于山地城市特殊的地形影响,老旧街区内的宅间空间和宅旁空间等中小尺度的公共空间多以台地形式存在.降雨时,上层台地的雨水径流大多通过梯道、干管、泄水孔等流经下层台地,汇集后排入雨水口.因此,下层台地缓冲设施的缺失导致雨水径流产生不同程度的积涝(图 3).

  • 老旧街区内集会空间和游园空间等大中尺度的公共空间多以缓坡或平地形式存在,且场地内往往布置若干雨水口.由于此类型空间硬质面积较大,加之部分区域年久失修,造成地面平整度不佳,产生坑洼,强降雨时排水能力受限,易形成局部积涝,影响居民出行.

  • 老旧街区以硬质地面为主,绿地率不高.根据对径流调控过程的不同影响,可将现状绿地分为面状绿地和线型绿地两大类型.

  • 老旧街区内的面状绿地主要包括树池、花池以及周边山体绿化.其中树池、花池分布零散,多为平整绿地,可承接并渗透部分雨水,但由于大多绿化池高于地面,当雨量较大时,内部径流易向外发生迁移;山体绿化一般存在于街区边界处,以杂灌为主,且具有一定坡度,使得径流由高处向低处迁移.调研发现,老旧街区内绿地土壤存在不同程度的压实现象,阻碍了雨水快速下渗.且局部区域植物配置简单凌乱,后期管理维护不到位,使得软质地表绿化缺失,造成渗透功能减弱、景观性不佳(图 4).

  • 线型绿地在老旧街区内所占比重不高,主要存在于堡坎下方、步行道两侧等区域,对雨水径流起到了一定程度的承接和缓冲作用,植被种类以灌木和地被为主.

  • 在老旧街区所处地理空间的作用下,其周边环境类型对雨水径流调控亦产生不同程度的影响.根据空间特征的不同,可将其分为自然山体环境和人工堡坎环境两大类.

  • 在调研样点中,金碧片区内的自然山体对径流调控的作用最为明显.作为限定街区边界的环境因子之一,以软质下垫面为主的自然山体是街区的保护屏障,能够对雨水产生有效的下渗作用,从而降低地表径流系数,延缓径流流速.但由于局部较陡的坡地区域缺失截流设施,导致坡地径流直接排入管沟,造成雨水资源浪费.

  • 对于处于城市核心区的老旧街区,自然山体已逐渐被人工开发改造,呈现出堡坎林立的现状情景.相比于自然山体,人工堡坎坡度较陡、表面硬质化严重,对自然行水路线造成了一定程度的破坏,直接导致径流流速加快.但经人工手段处理,堡坎墙体留有泄水孔,可将内部积水排出;下方多设置线型绿化池或雨水暗渠,用于承接和排泄由高处跌落的雨水径流,防止下部积水(图 5),将人为影响降到最低.

  • 由于街区内路网密度较大,因此路面排水状况的好坏直接影响了街区内部遭受洪涝灾害的风险等级.调研发现,目前老旧街区内硬质路面的雨水排泄主要依靠雨水口和雨水明沟两种工程设施.

  • 雨水口是街区内最常见的排水设施,大多与街区建筑修建于同一年份,在道路坡底等易积水区域其布设密度较大.由于管理原因,局部区域内进水箅遭受不同程度的损坏,景观性较差.

  • 街区内道路两侧的雨水明沟由于建造年份久远,均存在不同程度的破损现象,且内部常有粪便、垃圾等异物,造成沟道堵塞,暴雨来袭时易产生恶臭气味,导致径流污染现象严重(图 6).

  • 通过实地考察,发现仅在金碧片区内地表径流会汇入溪流,经受纳调蓄后汇入嘉陵江内.而在其余城市化程度较高的街区内,湿塘、集中式绿地和下沉广场等蓄水设施基本不存在,故而雨水径流会与市政管网产生直接联系.

  • 受多种环境因子的共同作用,老旧街区呈现出特定的地表径流特征(表 2),并对径流排泄过程中的各阶段产生不同程度的影响.

  • 老旧街区由于人流活动集中,建筑和路网排布密集,屋面绿化标准普遍偏低,硬质场地的面积占比较大,造成下垫面透水性有所减弱,使得区域内径流系数平均值保持在0.60~0.75[5]这样一个较高的范围内,未能明显起到对降雨的初步吸收和过滤作用.此外,裸土和灌草等软质地表的面积缺失,造成地表粗糙度降低,直接导致土壤和植被对雨水的截留、缓冲以及下渗作用减少,间接导致短时间内径流流量的积累增多,为街区层面的洪涝灾害留下隐患.

  • 在街区层面,道路及其附属设施的建设提高了排水网络的密度并且把其他一些原本径流量较弱的区域联系在一起,使其通过沟道系统连接起来,失去了它们天然的缓洪能力[5].老旧街区边界和内部的交通路网较为密集,加之坡度的原因,使得运送空间内雨水径流的流速加快、汇流时间减少,暴雨来袭时以较高频率发生较大的排水量事件,易导致雨水沟渠的超负荷运行和道路坡底处的水量积累.此外,受周边居民生活环境的影响,亦会造成雨水径流污染程度的加重.

  • 老旧街区开发和建造年份久远,大多未考虑构建完善的雨水调蓄开放空间,而是通过建设排水管网与街区外部市政干管产生联络,快速收集大部分的地表径流,将之传输到最便捷的地点快速排出.如此做法,加大了径流源头调控的难度,无法达到“错峰排洪”的理念目标.街区范围内调蓄设施的功能退化和空间缺失造成街区内部与外部自然排水体系的网络断节,未能对雨水径流进行有效的净化存储,水资源排泄的人工韵味过于浓重.

  • 针对老旧街区地表径流流量增多、流速加快、污染加重和资源浪费等现状问题,应结合低影响开发的理念,构建具有生态可持续性和景观美学特征的雨水径流调控体系.一方面,应从空间视域的角度出发,探索生态雨水设施与街区环境因子的关联性,将技术调控与空间改造相结合;另一方面,应着眼于老旧街区现状排水特点,借鉴雨水排除机制的传统智慧,加以适当的景观化处理,并针对各调控阶段的具体特点,在适当位置布设适当规模的生态雨水设施,以缓解市政干管的排水压力(表 3).

  • 老旧街区内现有建筑以平屋顶和坡度较小的坡屋顶为主.针对其屋面利用率低的现状问题,可在建筑顶部采用种植屋面、屋顶花园等方式加大屋面绿化的覆盖面积,并合理衔接雨落管入水口,对其进行景观艺术化改造设计,增强美学观赏性;建筑下部应结合雨落管出水口位置布设雨水罐、下凹式绿地等储水、渗水设施,经充分缓冲后再排至硬质地面或雨水沟渠.

  • 应结合老旧街区内台地、坡地空间的地形特征,在底层台地和场地坡底处设置渗透池等滞水设施,用于承接和下渗地表径流.另外,还需注重保护现有自然排水路线,整合雨水口和周边绿地等环境要素,形成层层递进的缓冲系统,减少和延迟建筑场地向外排放的暴雨径流[6];并在不影响场地使用功能的前提下,尽可能运用预制混凝土模块、草坪砖等透水铺装,延缓片区内雨量峰值的出现时间.

  • 为达到更好的滞水、渗水功效,应考虑现状排水设施和绿地特征,进行合理有效的改造设计,充分发挥可持续径流调控设施的生态效用.

    对于面状绿地而言,一方面,应结合地形特征,将现有地势低凹处分布零乱、景观性差的小型绿地进行局部整合,将其改造为长宽比大于3:2[7]的下凹形式(图 7),并适当降低树池和花池高度,设置开放式路缘,以引入周边硬质场地径流,便于其自然汇集和下渗.并通过雨水溢流井等设施将绿地内临时储存的径流在水量饱和时再排入排水管网,延长径流汇入时间,分流径流汇入水量[6],保证其具有合理的调蓄容量和调控性能;另一方面,应加强乔灌草的层次搭配,运用本土植物营造生态可持续的景观美学效果.

    对于线型绿地而言,在保证通行量的情况下增设线型植草沟,其设施面积多为汇水区的5%~15%[8],用于传输雨水径流,以减轻因硬质覆盖面和坡度原因造成的地表径流流量过多、流速过快的现状情形;对于坡度较陡的路段而言,还应结合地形特点设置生态截流沟,在道路坡底处注意将径流引入两侧植被缓冲区,过滤、下渗部分雨水的同时对径流产生缓冲和过渡作用,以缓解硬质地表的排水压力.

  • 老旧街区周边自然山体环境风貌维持较好,应以改良优化为主.对于局部坡度较陡的区域,可结合现状地形设置生态截流沟(图 8),并与调蓄设施进行线型联通,从而降低径流流速,防止过渡冲刷.

    而对于人工堡坎,由于其已经具备较为完善的泄水孔、雨水暗渠和线型绿地等排水设施,应在此基础上加强管理维护力度,维持现有设施的调控功效.并采取竖向绿化的方式对人工堡坎加以景观美化.

  • 改造时应注重现有道路和辅助设施的关联性设计,引导径流通过地表坡道、雨水沟渠等设施构造,最终将其传导至受纳调蓄空间.

    针对具有雨水明沟或暗渠的现状道路,应与现有雨水口进行整合设计,铺设砾石和卵石形成可渗透生态沟渠(图 9),以防止雨水二次污染,最终构建完整、洁净的山地空间径流传输体系,并延长运送传导路径,缓解市政干管排水压力.

  • 应整合工程技术和生态措施,以保护自然空间为出发点,结合山地地形特点,在街区范围内的地势低凹处布设一定量的干塘、湿塘或调节塘,以便于径流自然汇集和存储.并针对老旧街区台地错落、硬质面积大的现状特征,结合地理优势,运用工程技术手段,规模设置依据相关设计参数[9],对现有人流集散区域进行改造设计和开发利用,将其设置为具有临时存储雨水、促进水质净化、兼具游憩功能的下沉式景观场地,能够对雨水径流起到一定的调蓄利用,进而缓解调蓄空间不足的压力,促进街区内部的水体循环.

  • 山地城市老旧街区受环境因子的共同作用,形成了特定的雨水径流排泄特征.在此背景下,一方面,应以低影响开发理念为指导思想,采取错峰排洪、源头调控的生态工程措施,弥补街区内部水资源排泄人工韵味过于浓重的现状不足;另一方面,应详细分析街区范围内诸多环境因子的现状特点,明确其对雨水径流排泄过程的影响程度,并在此基础上充分挖掘现状环境因子的改造潜力,进行可持续雨水设施的布设,并尊重街区独特的依山台地布局,于有限用地之下紧凑规划住区功能结构,完善配套设施,满足居民日常生活便利性需求[10],最终达到生态效益显著和景观游憩适宜的双重目的.

参考文献 (10)

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