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基于自然地理的西咸新区海绵城市本土化建设探析
基于自然地理的西咸新区海绵城市本土化建设探析

基于自然地理的西咸新区海绵城市本土化建设探析

徐 岚

郭 鹏

摘 要:针对不同自然地理条件下海绵城市建设迫切需要技术本土化的问题,以西咸新区海绵城市建设为例,探析其在海绵城市建设过程中的本土化策略、方法和初步成果。西咸新区海绵城市建设基于降水分布不均、水资源紧缺、生态环境敏感、土壤类型复杂等现状问题,从技术手段组合、建设区域划分、设施本土化设计到乡土植物配置等四方面进行探索性实践研究;重点梳理渗透铺装、下沉绿地、雨水花园、生态滤沟四种设施的本土化设计成果;并以典型强降雨条件下的试点区雨水消纳的实际情况来验证建设的成效。相关海绵城市本土化建设思路、方法、成果,较好地适应了地域环境,为类似地区的海绵城市建设提供了可参照的模式和技术。

关键词:自然地理要素 海绵城市 本土化 西咸新区

2015年10月国务院办公厅出台《关于推进海绵城市建设的指导意见》以来,海绵城市建设工作在全国范围内全面推进,各地均积极响应并展开相关规划建设工作。由于我国不同地区自然地理要素迥异,不宜采用“一刀切”式的技术手段,在实践过程中亟需结合本地的地域特征,探索本土化的海绵城市建设的规划方法和技术手段,才能真正发挥海绵城市实现雨水“自然积存、自然渗透、自然净化”的作用。

西咸新区作为西北地区唯一的海绵城市建设试点,肩负着西北地区及其他半干旱区域海绵城市建设示范与技术推广的重任。同时,作为首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区,西咸新区从规划建设之初就秉持生态文明建设理念,以实现现代田园城市为目标,在自然地理约束下探索着本土化、生态化的城市规划建设方法。近年来,西咸新区已在“地域性雨水管理系统”和海绵城市建设中积累了一些经验。对西咸新区海绵城市本土化建设实践的解析,将从方法层面对其他地区的海绵城市建设提供可借鉴的规划思路,并对黄土高原半干旱半湿润区的海绵城市建设有较强的指导意义和推广价值。

1 区域自然地理的特征与问题

西咸新区位于关中平原腹地,属半干旱、半湿润气候区,是典型的西北城市。这里三季干旱、夏雨集中且多暴雨,水资源缺乏,地形平坦,湿陷性黄土、冲积粘土与砂土并存,易造成洪、涝和水土流失等自然灾害。

1.1 三季干旱、夏雨集中多暴雨

西咸新区多年平均降水量约520mm,其中,6月—9月降雨量占全年降雨量的61%左右,且以短历时高强度前锋雨型为主(图1),占夏季总降雨次数的52.2%,极易造成雨水量短时激增,增加市政管网压力。同时,渭河、沣河等大型河流防洪堤普遍高于地面,导致暴雨时地表径流无法通过自排形式流入河流,客观上延长了积水时间,内涝隐患严重。降雨年内的不均匀分布,使得雨水排放、收集设施需要面对雨季不够用、旱季多闲置这两种极端现象共存的情况。

1.2 水资源严重匮乏

西咸新区属于严重资源型缺水地区。人均、耕地亩均占有水资源量分别为225m3、169m3,分别为陕西省平均水平的20%、17%,仅为全国平均水平的10%、11%。境内河流多位于下游段,受地形高程条件限制,不具备修建调蓄工程的条件,导致大量地表水资源流失。目前,用水几乎全部来自地下水,存在地下水超采、水量不稳定等风险。水资源紧缺且以地下水作为唯一用水水源,加剧了地下漏斗区及地面沉陷等现象,亟需多渠道采取节水措施,科学可持续的配置水资源,其中,雨水资源的充分利用是重要途径之一。

1.3 地形平坦、土壤复杂

西咸新区整体地势平坦不利排水,既有湿陷性黄土堆积其间,又有渭河及其两侧支流携带大量泥沙填充淤积其中,土质类型复杂且具有代表性。以渭河为界,南北地形、土壤、地质情况各不相同,渭河以南以平原为主,以冲积粘土与砂土为主,土壤渗透系数大;渭河以北地势呈阶梯形增高,由一、二级河流冲积阶地过渡到一、二级黄土台塬,以非自重湿陷性黄土为主,黄土层厚度多为4~10m,地下水埋藏深度为6~18m[1],区内湿陷性黄土渗透系数取10-4~10-5m/s。使得同一种设施在不同的土壤、地质条件下,需要采取不同的技术手段处理,在技术研究层面对西咸新区海绵城市提出了更高的规划和建设要求。

表1 生态敏感性评价因子分类表

一级影响因子 二级影响因子水文敏感性 现有水体资源、径流路径分级、汇水子流域分级、水体流向、地表水功能分布、低洼易涝区分布地质敏感性 高程、地质断裂带、地下水埋深、水土流失风险分析、湿陷性黄土、地下水腐蚀性分区、地质灾害隐患、高程生物敏感性 植被覆盖度、水生动物栖息地及栖息廊道、陆生动物栖息地及栖息廊道

表2 西咸新区绿地系统植物搭配建议

植物类别 绿地类型 植物名称乔木植物 边界林带 国槐、栾树、臭椿、五角枫核心区 法桐、银杏、鹅掌楸、广玉兰、国槐观赏田 柿子树、石榴树、杏树、山楂树、合欢、七叶树、西府海棠、五角枫湿地 水杉地被植物 林下地被 二月兰、白三叶广场地被 萱草、海桐、南天竹、玉簪、月见草、蜀葵、荷兰菊、丁香花田地被 松果菊、波斯菊、大花金鸡菊、萱草、海桐、南天竹农作物 玉米、小麦、油菜花、向日葵湿生植物 湿地泡之物 千屈菜、香蒲、梭鱼草、灯芯草、泽泻、荇菜花谷地被 鸢尾、马蔺、再力花、黄菖蒲商业区湿地植物 荷花、睡莲、千屈菜、香蒲、水葱、慈姑雨水花园植物 千屈菜、香蒲、灯芯草、荇菜、萍蓬草

2 应对自然地理特征的建设策略

西咸新区是典型的城乡结合部,以新建区为主,现状多为零散村镇,排水管网系统极不健全,故前述复杂的自然地理要素是海绵城市建设时重要的基础条件,采取适用于当地的规划、技术手段应对自然地理要素所带来的问题,成为关系西咸新区海绵城市建设成败的关键性基础问题。在规划编制和建设实践中,西咸新区海绵城市采取了以下三种应对策略:

(1)应对夏雨集中、水资源短缺的技术手段适宜性组合

由前述分析可知,西咸新区属于资源型缺水和工程性缺水并存的严重缺水地区,且降水补给年内分配不均,6月—9月约占全年的60%以上。西咸新区海绵城市建设时把雨水等非常规水的综合利用作为重点,即将“蓄、滞、渗、净、用、排”这六大技术手段和建设目的进行优选和重新排序组合,在缓解水资源短缺方面将低影响开发技术手段主要着眼于“蓄、净、用”,使其更适宜于地域环境的需求。

图1 西咸新区雨型分析图

由于受平原地形以及三季干旱等客观条件的制约,试点区域无法也没有必要建设大型雨水收集设施,西咸新区海绵城市建设规划提供了三种途径来补充水资源:一是增加中小型雨水回用工程设施,将雨水回用于绿化灌溉、道路浇洒等城市杂用水;二是构建水源涵养型城市下垫面,加大地表水与地下水之间的连通性,补充过度开采的地下水,提高水源供给量;三是通过过滤和生物净化削减面源污染,减少水体污染,缓解水质型缺水问题。

(2)应对生态敏感性的城市发展科学化分区

为了最大限度地保护新区的生态本底,维持区域在城市开发前的自然水文特征,建设前结合生态敏感性评价进行了城市分区的科学化研究。基于西咸新区现状生态环境,判断可能出现的生态问题及关键影响因子,选取评价因子,构建因子库并进行分级;借助隶属函数、模糊隶属矩阵等数学分析工具,建立矩阵函数;从水文敏感性、地质敏感性及生物敏感性三大方面(表1),计算评价其生态敏感性指数和适宜性指数,进而完成用地适宜评价。根据生态敏感性分析的结果(图2),划定城市发展分区和绿化本底(图3),分类分级确定用地开发限制要求,保护区域中已有的海绵基底。

(3)应对各土壤类型的具体设施本土化设计

西咸新区海绵城市建设时基于详尽的地质勘查资料,掌握土壤类型的具体分布情况(图4),首先进行分区的科学化研究:并依据研究成果提出基于土壤条件的海绵城市本土化建设策略与要求。

图2 西咸新区综合生态敏感性分区图

图3 西咸新区绿地系统规划图

图4 西咸新区土壤及海绵城市建设试点分区

空港新城位于湿陷性黄土Ⅲ级区,在雨水入渗方面存在着较大的技术风险和难点。通过前期实验研究,在该区域内进行海绵城市建设时需要大量的换土型设施,成本高、周期长、效益差,故现阶段该区域内全面推进海绵城市建设的条件和技术还不成熟,进行居住小区和易涝区两类试点的小规模实验研究。其他区域中存在部分湿陷性黄土,其湿陷性为Ⅰ级,较适宜进行建设试点,但也要着重注意LID设施有关“渗”方面的技术防护;湿陷性黄土区内公共开放空间的水体及公园绿地,以及各类建筑与场地中应将LID设施尽量布置在土壤浅层,且以小型设施为主,并做好设施周围的防渗措施;湿陷性黄土区内的道路则不建议采用可以下渗的透水材料。

(4)应对各绿地类型的乡土植物生态化配置

西咸新区海绵城市建设时基于不同绿地类型,通过多次种植实验,合理配置植物种类,形成结构合理、功能齐全、种群稳定的复层群落结构和稳定的生态系统。在因地制宜、适地适树的原则下,尽量选择乡土树种及耐寒能力强的植物,以减少人工建设对生态环境的影响,同时降低维护成本(表2)。

3 LID设施本土化建设要求

西咸新区结合客观现状,将试点范围内用地按两大类(公共开放空间、建筑与场地)、七小类(水体、公园绿地、道路广场、居住区、工业区、公共建筑、旧城区),分别给出了海绵城市建设的控制要点与指引,明确了LID设施的适用类型和本土化建设要求。下面分别以道路广场、公园绿地、居住小区为例介绍各类的适宜技术和设计要点,以透水铺装和下沉式绿地为例介绍设施设计等西咸新区海绵城市本土化建设的相关成果。

3.1 分类要求

(1)道路广场

适宜技术:透水铺装、下沉式绿地、生态树池、植草沟、雨水花园。设计要点:机动车道、非机动车道均沿用传统路面;人行道可适量使用透水砖路面,其排空设施与市政管道连通,树池宜采用生态树池;道路绿化带宜低于路面,且其内的LID设施应采取必要的防渗措施;雨水口宜设于绿化带内,采用环保型,且雨水口高程宜高于绿地而低于路面;露天停车场应采用透水铺装地面,周围绿地应采用下沉式绿地,结合雨水花园、植草沟等实现雨水的滞蓄下渗作用;广场不宜采用大面积透水铺装地面,广场径流雨水应引入周围绿地进行入渗和排放,周围绿地应采用雨水花园、植草沟等下沉式绿地形式,广场雨水可收集回用。

(2)公园绿地

适宜技术:透水铺装、下沉式绿地、雨水花园、植草沟、植被缓冲带、景观水体多功能调蓄设施、雨水生态滤池、雨水湿地、雨水塘、滨水生态景观带。设计要点:公园绿地宜具有雨水调蓄功能,通过植草沟等生态排水措施将周边区域的径流雨水,引入雨水湿地、湿塘等集中调蓄设施,构建多功能调蓄水体,并通过调蓄设施的溢流排放系统与城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统相衔接。

(3)居住小区

图5a 透水铺装国家标准图

图5b 透水铺装西咸修正图

图6a 下沉式绿地国家标准图

图6b 下沉式绿地西咸修正图

适宜技术:绿色屋顶、下沉式绿地、雨水花园、植草沟、雨水塘、透水铺装、雨水生态滤池。设计要点:居住小区内,绿地空间充足时非机动车道路、人行道、游步道、广场、露天停车场、庭院不宜采用透水铺装地面,绿地不足时可局部采用透水铺装并需设排空设施;小区道路径流雨水优先集中引入周边的下沉式绿地;地下室顶板上绿地宜有0.8m厚覆土;小区景观水体应兼有雨水调蓄功能,宜采取“生态驳岸+景观雨水塘”形式并设溢水口;小区支路排水以小坡度植草沟排水方式为主,小区主路排水宜采取传统管渠或植草沟渠方式,应铺设防渗设施。

3.2 设施设计

住建部颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》中对于各类主要的LID设施设计及施工提供了一般作法和典型结构示意图,西咸新区结合当地自然地理条件进行了适应性调整。

(1)透水铺装

基于降水及土壤条件,西咸新区针对透水铺装明确了对应的设计降雨量应不小于45mm,降雨持续时间为60min;要求透水铺装坡度不宜大于2%,当坡度大于2%时,应沿长度方向在透水面层下20~30mm处设置隔断层;透水找平层厚度最大值从30mm增至50mm;透水基层的厚度最小值从100mm增至150mm;同时要求当地下水位或不透水层埋深小于1.0m处不宜采用透水铺装(图5a,5b)。

(2)下沉式绿地

为了尽量避免对湿陷性黄土的干扰,西咸新区内将下沉绿地中的种植土层厚度从250mm增加至500mm;细化溢流口、蓄水层的相对高差,并明确要求下沉绿地与周边用地衔接处坡度为1:3(图6a,6b)。

4 西咸新区海绵城市试点区的效果

2015年8月2日傍晚至3日清晨,陕西省境内普降大雨,据咸阳市气象台统计,咸阳市区24小时平均降雨量高达31.4mm,局地超过50mm,属短时强降雨事件。此次降雨过程造成西安、咸阳地区部分路段积水内涝严重。而沣西新城海绵城市试点区范围内除个别未实施低影响开发(LID)的低洼区域存在少量积水外,未出现内涝现象,在雨水径流总量及峰值控制方面表现良好。

经监测估算,同德佳苑小区内设置的两座雨水花园及两条生态滤沟,共汇集来自屋顶及地面径流雨水28.68m3(汇水面积1229m2),溢流总量9.11m3,雨水平均削减率为68%。其他区域雨水则由21818m2下凹式绿地进行消纳,富余水量则溢流进入市政管网。整个小区无内涝现象产生,且明显减少了向小区外市政管网排放的雨水量,减轻了灰色基础设施的压力。而在道路和绿地方面,汇水区受水量达9.8m3。经过各处、各类LID设施消纳后的富余雨水通过雨水溢流装置进入市政排水管网,而后输送至沣西新城中央雨洪调蓄枢纽——中心绿廊。经初步估算,本次中心绿廊共消纳雨水约2.7万m3,充分发挥了城市雨洪调蓄功能,减轻了城市内涝风险。

经过两年内几次暴雨的考验,测得详实的雨水消纳数据,通过分析得出:当渗井、绿地及道路中的LID设施全负荷运转情况下,可有效消纳2h35mm强降雨的雨水量,此时无需启动管网、调蓄设施及水泵等灰色基础设施;只有当2h降雨量超过35mm的极端天气情况下,才需要启动管网、调蓄设施及水泵等灰色基础设施,与各级LID设施协同完成雨洪消纳。

结语

西咸新区作为西北地区唯一的海绵城市建设试点,在建设过程中积累了宝贵的实践经验,并形成了初步的研究成果。在地域自然地理特征分析、海绵城市地域化建设策略、LID设施本土化技术更新等方面进行了研究与探索;其相关研究成果为西北地区其他城市的海绵化建设思路、方法、技术等提供了参考案例;其研究过程和方法对其他地区海绵城市本土化建设工作有一定的启发作用。

(注 文中西咸新区海绵城市建设图片基础资料来源于相关规划成果,作者进一步进行分析后自绘;在论文案例资料收集、分析过程中,得到了陕西省西咸新区开发建设管理委员会规划局的支持,在此一并表示感谢。)

资料来源:

图1:咸阳市秦都区气象站;

图2:《西咸新区海绵城市建设总体规划》;

图3:《西咸新区总体规划(2010-2020)》;

图5a,6a:《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》;

其余图表均为作者自绘。

参考文献:

1 季冬兰,李婷,甄斌. 武汉园林绿地中海绵城市建设的思考[J]. 华中建筑,2015(9):11-15.

2 张亮. 西北地区海绵城市建设路径探索——以西咸新区为例[J]. 城市规划,2016,40(3):108-112.

3 仇保兴. 海绵城市(LID)的内涵、途径与展望[J]. 给水排水,2015,41(3):1-7.

4 全贺,王建龙,车伍,等. 基于海绵城市理念的城市规划方法探讨[J]. 南方建筑,2015(4):108-114.

5 俞孔坚.水生态基础设施构建关键技术[J].中国水利,2015(22):1-4.

6 苏义敬,王思思,车伍,魏一哲,董音. 基于“海绵城市”理念的下沉式绿地优化设计[J]. 南方建筑,2014(3):39-42.

7 刘晖,徐鼎黄,李莉华,等. 西北大中城市绿色基础设施之生境营造途径[J]. 中国园林,2013(3):11-15.

8 苏静. 黄土高原半干旱地区坡面产流入渗作用机制的模拟研究[D]. 西安:西安建筑科技大学,2008.

9 海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)[S]. 北京:住房和城乡建设部,2014.

10 湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025-2004)[S]. 北京:中华人民共和国建设部,2004.

作者信息:

徐岚,西安建筑科技大学建筑学院讲师,博士研究生,14461624@qq.com

郭鹏,陕西省西咸新区开发建设管理委员会规划局

The Localization Construction of the Sponge Urban in Xixian New Area Based on the Natural Geography

Xu Lan
Guo Peng

Abstract:According to the fact that the sponge urban construction urgently need technical localization because of the different natural geographical conditions. Taking the construction of the sponge urban in Xixian New Area for example, we analyzed the localization strategy, methods and preliminary results in the process of sponge urban construction. Based on the current situations of Xixian New Area, such as uneven precipitation, water shortage, ecologically sensitive and soil type complicated, we conducted exploratory practice research from four aspects: technology combination, the construction of a regional division, facilities localization design to native plant configuration and so on. Then we focused on the localized design results of the four facilities: permeable pavement, sunken green space, rain garden, biological filter. In addition, we also verified the effectiveness of construction according to the amount of rainwater absorbed during the heavy rain. The thinking, methods and results of the localization of the related sponge urban construction have better adapted to the regional environment, which provides a reference model and technology for the construction of sponge urban in similar areas.

Key Words:Natural geographical conditions, Sponge urban, Localization, Xixian New Area

中图分类号:TU11+3

文献标识码:B

文章编号: 1003-739X(2017)04-0088-05

收稿日期:2016-11-28

基金项目:

国家自然科学基金青年项目“关中平原小城镇内涝生态自平衡模式与空间匹配方法研究”(编号:51508441)

国家自然科学基金重点项目“快速城镇化典型衍生灾害防治的规划设计原理与方法”(编号:51438009)

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