下凹式绿地设计

住区低势绿地设计的关键参数及其影响因素分析*李俊奇，车武，池莲，刘松（北京建筑工程学院城市建设工程系，北京100044）摘要：通过对低势绿地雨水量平衡及其影响因素的分析，讨论了低势绿地下凹深度、低势绿地面积负荷率、淹水时间等关键参数，提出了低势绿地的设计思想和设计方法，并以北京地区某住区实例进行了分析，为住区低势绿地设计提供了方法和依据。关键词：低势绿地；雨水径流；设计；住区1、引言绿地作为一种天然的渗透设施，在住区雨水间接利用方面起着重要的作用。它具有透水性好、节省投资、便于雨水引入等优点；同时对雨水中的一些污染物具有一定的截留和净化作用。可以在住区中设计部分或全部低势绿地，以增加雨水渗透量，减少绿化用水并改善住区环境。但是低势绿地的设计会受到土壤渗透系数、暴雨重现期、住区绿化率、绿地下凹深度、地下水位和周边建筑物地基与基础等条件的制约。设计时需要针对小区具体情况，在住区雨水水量平衡分析的基础上，根据低势绿地的几个主要影响因素的分析综合确定。2、住区雨水量平衡分析降雨过程中，在住区低势绿地及其相关系统中同时发生降雨、汇流、集蓄、入渗和溢流排放等多种水流运动，是一个复杂的过程。图1为低势绿地的计算模型示意，设想计算区域F包括低势绿地Fg和其它用地Fn（如道路或建筑物占地等）两部分，即F=Fg＋Fn。Fn也称为低势绿地的服务面积。图1低势绿地计算模型示意假定不考虑雨水收集利用，其它用地中的雨水径流首先汇入低势绿地，当水量超过低势绿地集蓄和渗透能力时，开始溢流出该计算区域。此时，在一定时段内任一区域各水文要素之间均存在着水量平衡关系：Q1+U1=S+Z+U2+Q3（1）式中：Q1——计算时段内进入低势绿地的雨水径流量，m3U1——计算时段开始时低势绿地的蓄水量，m3S——计算时段内低势绿地的雨水下渗量，m3Z——计算时段内低势绿地的雨水蒸发量，m3U2——计算时段结束时低势绿地的蓄水量，m3Q3——计算时段内低势绿地的雨水溢流外排量，m3通常，计算时段可以按一场雨来计算，此时，由于蒸发量较小，Z可以忽略。如果计算时段开始与终了时低势绿地内蓄水量之差以∆U表示，即∆U＝U2－U1（实际计算时可视时段开始时低势绿地无蓄水，即U1＝0）。令Q2=S+∆U，则有：Q1=S+∆U+Q3＝Q2+Q3（2）式中：Q2——计算时段内低势绿地的雨水蓄渗量，m3这样，对某一特定区域来讲，降落在区域内的径流量(Q1)分为蓄渗(Q2)和溢流外排(Q3)两部分。用Q1则除以式（2）两边，则有1=Q2/Q1＋Q3/Q1（3）式中：Q2/Q1——计算时段内低势绿地蓄渗量占计算区域径流量的比例，称为低势绿地的蓄渗率；Q3/Q1——计算时段内低势绿地雨水溢流外排量占计算区域径流量的比例，称为低势绿地的外排水率，令Q3/Q1＝C。蓄渗率和外排水率均在0与1的范围内变化，其和等于1。Q1包括直接降落在低势绿地上的降雨量及其服务用地汇入低势绿地的径流量。可用下式计算：Q1=Q1́+Q1˝=HzFg+HzCnFn=HzF[G+(1-G)Cn]=HzF[1+(M-1)Cn]/M（4）式中：Q1́——降落在低势绿地上的降雨量，m3；Q1˝——低势绿地服务用地产生的径流量，m3；Hz——计算时段内单位面积的降雨量，m3/ha；Fg——低势绿地的面积，ha；Fn——低势绿地服务用地的面积，ha；Cn——低势绿地服务面积的径流系数；F——计算区域面积，ha；F=Fg+Fn。G——计算区域内低势绿地面积占地比例，用百分数表示，G=Fg/(Fg+Fn)×100％。M——低势绿地面积负荷率，用小数表示，M＝1/G＝(Fg+Fn)/Fg。计算时段内单位面积的降雨量Hz可根据当地降雨强度q(t)按一场雨通过积分求解。dttqTHz)(0（5）式中：T——计算时段，min；t——降雨历时，min。如北京地区，按一场雨120min计，dttPHz7111.0)8()lg811.01(20010120100060（6）式中：P——设计重现期，年计算时段低势绿地的下渗量，可用下式计算：S=K×J×F×G×104×T×60（7）式中：S——雨水渗透量，m3；K——土壤渗透系数，m/s，与土质、土壤含水率等因素有关，有条件时最好现场实测，选用渗透稳定时的K值；J——水力坡度，对垂直下渗，取J=1；T——计算时段，min，与Hz的计算时段相同。当低势绿地中的径流量大于同时间的土壤渗透量时，必然在低势绿地形成蓄水，当雨水量超过低势绿地蓄水量和同时间的土壤渗透量的时候，雨水就会形成径流。低势绿地的蓄水量为：∆U=H×F×G×104（8）式中：H——低势绿地和雨水溢流口（或路面）的高程差,m。根据以上分析，可以计算出时段内低势绿地的雨水溢流量Q3（即Q3=Q1－Q2＝Q1－S－∆U）、低势绿地的蓄渗率Q2/Q1和外排水率Q3/Q1；当Q1S+∆U时，低势绿地不产生溢流，此时Q3为零。如果土壤渗透能力好，基础、地下建筑物和地下水等条件允许，应尽可能让雨水蓄渗在低势绿地中，增加入渗量，使外排水率减小。需要说明的是，以上水量平衡分析和计算是在假设住区内无雨水收集利用系统时进行的。如果在住区内还有雨水收集利用、中水、景观水体等系统时应将低势绿地雨水渗透子系统纳入整个住区水系统总体水量平衡后综合考虑。3、住区低势绿地竖向设计影响因素分析住区低势绿地的设计受许多因素的影响。主要有设计暴雨重现期、土壤渗透系数等。设计时还应考虑对周围建筑物地基与基础的影响、地下水位与水质的制约等。3.1暴雨重现期对低势绿地外排水率的影响暴雨重现期决定着雨量的多少。为了更好的讨论暴雨重现期与低势绿地外排水率的相互关系，以北京地区为例运用公式（2）~（8）进行计算。假定：F=104㎡，Cn=0.9，H=100mm，T=120min。当K=1×10-5m/s，M为10.0、5.0、3.33、2.5、2.0时C~P关系曲线如图2（a）所示；当M=2，K为1×10-4m/s、1×10-5m/s、1×10-6m/s时C~P关系曲线如图2（b）所示。可以看出，暴雨重现期对径流系数影响显著，随着暴雨重现期的加大，进入低势绿地的径流量加大，外排水率变大。设计时应根据排水设计规范和当地以及住区的要求等条件确定。选用重现期越大，所需低势绿地的下凹深度和面积越大，外排水量也越多，土方量和工程费用加大。低势绿地的设计重现期P可以参照室外排水规范，一般取0.33~1.0。00.20.40.60.810246810设计暴雨重现期P，年低势绿地外排水率CM=10.0M=5.0M=3.33M=2.5M=2.0（a）K=1×10-5m/s，H=100mm，T=120min00.20.40.60.80246810设计暴雨重现期P，年低势绿地外排水率CK=1E-5K=1E-6K=1E-7（b）M=2.0，H=100mm，T=120min图2暴雨重现期与外排水率的关系3.2渗透系数对低势绿地外排水率的影响土壤的渗透系数决定绿地的渗透能力，它取决于土质、孔隙度、植被等因素。以北京地区为例运用公式（2）~（8）进行计算。假定：F=104㎡，Cn=0.9，H=100mm，T=120min。当P=1.0，M为10.0、5.0、3.33、2.5、2.0时C~K关系曲线如图3（a）所示；当M=2.0，P为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0时C~K关系曲线如图3（b）所示。可见渗透系数对低势绿地外排水率影响极大。土壤渗透系数越低，渗透能力越差。绿地的渗透能力最好能现场实测，计算时采用达到稳渗后的渗透系数，且应留有一定的余地，防止发生堵塞。0.000.200.400.600.801.0000.000050.0001渗透系数K，m/s低势绿地外排水率C线性(M=10.0)线性(M=5.0)线性(M=3.33)线性(M=2.5)线性(M=2.0)（a）P=1.0，H=100mm，T=120min00.20.40.60.805E-061E-052E-052E-05低势绿地渗透系数K，m/s低势绿地外排水率C线性(H=0.05)线性(H=0.10)线性(H=0.15)（b）M=2.0，M=2.0，T=120min图3渗透系数与外排水率的关系4低势绿地的关键参数4.1低势绿地下凹深度低势绿地实质也是一种渗透贮存设施。低势绿地与溢流口或路面之间的高差称为低势绿地的下凹深度。绿地下凹深度愈大，贮水效果愈明显，在一定程度上弥补降水和渗透的不均衡，以减缓径流洪峰，起到调蓄作用。仍以北京地区为例，设F=104㎡，Cn=0.9，M=2.0，K=1×10-5m/s，T=120min。当P为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0时C~H关系曲线如图4所示。00.20.40.60.80.050.10.150.20.25低势绿地下凹深度H（mm）低势绿地外排水率C线性(P=10.0)线性(P=5.0)线性(P=2.0)线性(P=1.0)线性(P=0.5)（M=2.0，K=1×10－5m/s，T=120min）图4低势绿地下凹深度与外排水率的关系在一定重现期下雨水径流系数为零时所对应的绿地下凹深度即为低势绿地在此条件下的临界下凹深度。它表明当绿地下凹深度大于该数值时可以实现雨水零排放；反之，雨水有外排。在此范围之内还应注意绿地的淹水时间不超过植被耐淹时间。临界下凹深度H0可以由式(2)~(8)导出：6010))1(1(40KJTCMHHnz（9）表1给出了重现期P=1时部分K值和M值对应的临界下凹深度和淹水时间。表1重现期P=1.0，低势绿地外排水率C=0时的绿地下凹深度和淹水时间MK(m/s)10.05.03.332.52.01.671×10-4126/0.4-----5×10-5(486)/2.768/0.4----1×10-5(774)/21.5(356)/9.9216/6.0147/4.1105/2.977/2.15×10-6(810)/45.5(392)/21.8(252)/14.0183/10.1141/7.8113/6.31×10-6(839)/◇(421)/◇(281)/◇211/58.7170/47.1142/39.35×10-7(843)/◇(424)/◇(285)/◇215/◇173/◇143/◇1×10-7(846)/◇(427)/◇(288)/◇218/◇176/◇148/◇注：1、a/b：a为绿地下凹深度H，单位mm;b为低势绿地在灌满时全部雨水入渗所需的时间∆t，即绿地的淹水时间，单位h。2、－表示绿地的渗透能力大于该区域的径流流量，可以按低势绿地的最小构造深度来进行设计。3、∆表示淹水时间大于72h。4、表中粗实线的上方表示同时满足H≤250mm和∆t≤24h的要求，建议使用；粗实线和虚实线之间表示同时满足H≤250mm和∆t≤72h的要求，慎重使用；其余的表示H250mm或∆t72h的情况，不宜使用，特殊情况另行论证。4.2低势绿地面积比例计算区域内低势绿地面积占全部面积的百分数对外排水率的影响明显。随着低势绿地占地面积比例的增长，土壤的渗透量增大，径流量逐渐减小，所以低势绿地面积比例的增加对实现住区雨水零排放、改善生态环境等有着重要的作用。设F=104㎡，Cn=0.9，K=1×10-5，T=120min。当H为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25时C~G关系曲线如图5所示。低势绿地占地比例的确定一般应结合小区规划和小区环境、景观等要求和计算综合确定。00.10.20.30.40.50.60.70.810%30%50%70%低势绿地面积比例G低势绿地外排水率C线性(H=50mm)线性(H=100mm)线性(H=150mm)线性(H=200mm)线性(H=250mm)图5低势绿地面积比例与外排水率的关系有时需要求出低势绿地临界面积百分数G0。在一定重现期下低势绿地外排水率为零时所对应的绿地面积比例称为低势绿地在此条件下的临界面积比例，相应的面积负荷率也称为临界面积负荷率。它表明当低势绿地面积多于该临界面积值时可以实现雨水零排放；反之