华东建筑集团股份有限公司 200041
摘要：本文选取了绿色屋顶、透水路面、下凹式绿地、生态水体这几种在建筑与小区种最为适用的绿色雨水基础设施，通过计算机软件建立了模型，模拟各种设施及其组合情况下的工作情况和效果，并与其建造及维护费用进行比较，从而对建筑与小区结合自身特点，进行绿色雨水设施的设计和建造提供参考。
关键词：建筑与小区；绿色雨水基础设施；选型；效用比较
绿色雨水基础设施是一种新的理念，应用于城市雨洪管理，通过一系列绿色措施削减城市暴雨径流及污染，实现环境、生态、景观等多种功能。它的形成与推广正是出于对传统“灰色雨水基础设施”的反思：传统城市排水以单一排水功能的市政工程为主导的公共设施所组成的网络，通过地面收集后汇流进入雨水口，再通过管道及泵站进入河道，其目标就是快速排除雨水。但是对于雨洪的管理，仅仅是快速排走就解决问题了吗？集中城市化以后，以建筑与小区为代表的城市重要功能区地表大部分为不透水的路面、屋面及硬化地面，改变了地表生态环境的结构和功能，严重影响了雨水的滞留、下渗和蒸发等，导致水的自然循环改变，加剧城市的洪灾风险、雨水径流污染、雨水资源流失和生态环境破坏。
基于这样的反思与担忧，世界各国，特别是一些发达国家和地区，一直在开展这方面的研究与实践：美国的低影响开发（Low Impact Development，LID）早已声名远扬、英国的可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）为人们所津津乐道；而德国的分散式雨水管理系统（Decentralized Rainwater\Storm Water Management）按目的分为雨水利用，截蓄蒸发，雨水下渗3类，是欧盟国家雨水管理实施得最好的国家之一；还有澳大利亚水敏感性城市（Water Sensitive Urban Design，WSUD）不仅在缓解城市用水压力、降低水污染并维持水生态平衡方面卓有成效，最重要的是，WSUD系统地将雨洪管理和城市设计相结合并达到优化，各国各地区的设计师和工程师们寻找地表雨水收集并使其有效渗入土壤中的各种方法和途径，努力探索雨水收集和利用的创新举措，他们逐渐利用雨水之美来营造城市生活的宜人之处。
国内的绿色雨水基础设施应用虽然不如国外多，但随着海绵城市理念的推广，国人对于雨水管理的更新认识和政策的引导，也有不少成功实例：深圳大学土木结构实验楼生态环境与绿化工程是一个成功案例。该项目位于广东省深圳市，工程利用绿色雨水基础设施进行设计和施工：绿色屋顶深约25cm，由植物、防风层、介质、防根层、防水层、保护层和排水花管等组成，在排水沟设置新的出流控制装置；透水路面和绿色屋顶人行道采用建筑废弃物制成的透水砖；还在局部再用了下凹式绿地和雨水花园的设计。整个工程于2013年4月正式建成。2014年3月30日，深圳遭遇了有气象记录以来3月份最强的暴雨袭击，全市平均降雨125毫米，最大累计降雨达315毫米，深圳市区水浸街现象大片发生，而深大土木工程学院实验楼却没有积水，绿色雨水基础设施发挥了最大效率，远远超出了设计要求。
事实上，绿色雨水基础设施的神奇功效来源于“大自然的智慧”，其处理雨水的基本原理就是“模拟自然”，即用分散的小规模控制措施，从源头控制雨水，其主要的措施无外乎：“ 渗、滞、蓄、净、用、排”。所以，绿色雨水基础设施的建设是解决雨水问题的关键。而绿色雨水基础设施的建设是与景观工程、建筑工程、市政设施工程以及水利工程等建设工程紧密相关的。因此，如何正确理解和利用绿色雨水基础设施是实现海绵城市建设开发目标的关键。以下几种为建筑与小区最为适用的绿色雨水设施及其构造做法：
绿色屋顶（Ecoroof Design），又称种植屋面或屋顶绿化，指在高出地面以上，与自然土层不相连接的各类建筑物、构筑物的顶部和天台、露台上由表层植物、覆土层和疏水设施构建的具有一定景观效应的绿化屋面。主要运用建筑领域的屋顶汇水及引流，将散落屋顶的雨水汇聚利用。
透水路面（Porous Pavement Design），即可渗透、滞留和排放雨水并满足荷载要求和结构强度的铺装结构。根据铺装结构下层是否设置排水盲管，分为半透水铺装和全透水铺装。道路和广场作为居住小区的重要场地，其绿化改造是海绵城市建设的主要部分。对于道路而言，不同功能的道路可选用不同类型的砖。
下凹式绿地（Low Elevation Greenbelt）是低于周边地面或道路的绿地的统称。对小区道路雨水收集，可以通过下垫面的自然下渗、下凹式绿地透水铺装延时下渗等方式，将雨水最大截留，然后通过雨水排水管导入雨水蓄水池内。
生态水体（Multipurpose Regulation Pond），也可以成为景观水体生态化，是指对小区原有水体或设计的景观水体进行生态化处理，使其具有较明显的调蓄、净化雨水的作用。建筑与小区内新建单个水量大于5000m3的水体应采用生态化处理。主要用于雨水的滞、蓄阶段，将短时大量雨水汇集到池中，采用多级净化设施，防止雨水径流污染，同时，水池也是调节空气湿度的生态调节器。对于污染较轻的水体，可种植或培养能净化水体的植物或微生物，利用植物或微生物自身净化水体的功能将污染水体达到最大的净化，利用处理好的雨水作为景观水体的源头水，并采用一定的动力措施（如人工瀑布等）让水体“活”起来，做到水体自循环。
为了更加直观的对于这些绿色雨水基础设施的选择和应用给予指导，我们借助MIKE软软件，选取了一个为于上海市闵行区的一个建筑小区，模拟建立了研究区域的水力水文模型。MIKE软件是丹麦水资源及水环境研究所（DHI）的产品，是目前世界上领先，经过实际工程验证最多的，被水资源研究人员广泛认同的优秀软件。软件从一维到三维，从水动力到水环境和生态系统，并融入GIS技术，方便了数据的采集和处理，并包含先进的数据前、后处理和图形专用工具，重要计算区域变剖分网格加密计算处理技术。先进的图形工具使数据进行可视化的输入、编辑、分析和多形式输出结果的表达。动态、三维高度可视化的结果表达方式、时间序列图等输出方式。
软件建立的模型为：该区域周边较为丰富的天然水系，小区东侧紧邻河道，南侧、北侧、西侧为市政道路，小区内设有景观水池。在MIKE软件模型中，设定不添加绿色雨水设施及添加不同绿色雨水基础设施类型、规模和组合的工况模拟，分析不同工况下的径流量及对洪峰影响的变化情况。为探究绿色雨水基础设施径流控制效果，以绿色屋顶、透水路面、下凹绿地、生态水体4种典型的单项绿色措施及其组合措施为例，模拟不同措施对降雨径流控制的效果。工况的分类如图所示。
1）模型模拟结果如图14所示，综合工况七的流量削减作用最为明显，将原始工况的出口7857.83m3/h降至5098.91m3/h，消减率达35.11%。其次是生态水体，6150.92m3/h，消减率为21.82%。绿色屋顶、透水路面、下凹绿地、绿色屋顶+透水路面及绿色屋顶+透水路面+下凹绿地的削减量分别为，6892.87m3/h、6947m3/h、7833.42m3/h、6247.07m3/h和6313.69m3/h，对应的削减率为12.28%，11.59%，0.3%、20.50%、19.65%。
由图3可得知生态水体和下凹绿地的总入渗量最小，可能原因是由于生态水体底部的标高较低，而上海的地下水位又低造成入渗量偏小。下凹绿地的总渗入量小的原因可能是此措施在本研究的中占地面积较小，导致其作用无法发挥。绿色屋顶+透水路面、绿色屋顶+透水路面+下凹绿地、绿色屋顶+透水路面+下凹绿地+生态水体的总渗入量较好，主要是绿色屋顶和透水路面贡献了很大的渗透量。在系统容积方面，生态水体和绿色屋顶+透水路面+下凹绿地+生态水体很好的表现，主要原因是该两种措施包含生态水体，生态水体在暴雨天气时可存储大量的雨水，在一定程度上可作为生态调蓄池，能够大大减少市政管网的排水压力。而其它措施的系统容量均很小，原因是它们不具备雨水存储功能。因此，在今后的建筑小区建设中，若有自然河道或天然水池，应尽量保留。或者可以根据小区的定位，可以建设人工生态水体。但任何一种工程措施的规划、设计、建设、运营管理都需要一定的费用投入，因此并非效果最好的措施就一定是最适用于研究区域的，而应综合考虑每种工程措施的费用和效果之间的关系，综合分析确定特定区域适用的绿色雨水基础施。
根据《上海市海绵城市建设技术导则》各措施的建设与运维成本见下表所示：由于目前的整个暴雨管理措施中，还没有具体的实际运维费用数据，只能得到预估的费用值或预测的占措施建设成本的百分数。因而，一些关于年度运维费用的手册通常用占总建设成本的百分数来衡量一种措施的年度运维费用[1]。
由表5可知，单位雨水消减量平均成本最低的为生态水体，仅为2.3元，其可能原因是生态水体可以存储较深的水，产生的效益最高。因此在不考虑区域位置，立地条件和指标限制的情况下，优先选用生态水体。在模型模拟结果显示下凹绿地的效果较差，而在单位雨水消减量成本分析却得到较低的成本。由于下凹绿地的面积较小，所以总的削减量也小，而通过计算平摊到单位面积单位削减量上时，则显示出了较好的效果。而另一原因是下凹绿地具有一定渗透性能，同时由于在设计时，下凹绿地具有一定的下凹深度，使用拥有一定的存水能力。在模拟阶段表现较好的组合：绿色屋顶+透水路面、绿色屋顶+透水路面+下凹绿地、绿色屋顶+透水路面+下凹绿地+生态水体则均表现出较高的成本，其费用/效益比不具优势。
根据以上的研究模型数据，我们可以得出以下的结论：
1、绿色屋顶、透水路面、下凹绿地、绿色屋顶+透水路面及绿色屋顶+透水路面+下凹绿地的与不原始状态的洪峰削减率分别为12.28%，11.59%，0.3%、20.50%、19.65%。
2、延迟洪峰最明显的是绿色屋顶+透水路面及绿色屋顶+透水路面+下凹绿地，其次是生态水体、绿色屋顶+透水路面和绿色屋顶+透水路面+下凹绿地。
3、根据本研究的计算方法，费用/效益比最高的为生态水体，其次是下凹绿地以及绿色屋顶+透水路面+下凹绿地+生态水体组合。
4、本次研究没有考虑各种措施的占地成本，由于上海的占地成本很高，因此如果将此因素考虑在内的话，绿色屋顶利用了建筑屋顶，没有占用地面空间；透水路面是在原有硬质地面铺装基础上使用了透水材料，也没有增加占地成本；相对而言下凹式绿地和生态水体需要占用一定的地面面积，但对于建筑与小区来说，本来也有绿地率的指标要求，可以作为绿地形式考虑。因此，在进行适合建筑与小区使用的绿色雨水设施选型时已经兼顾了这一因素的影响。
5、本次研究没有将各种措施的残值列入，也会影响结果的判断，因此在后续研究中会将此部分内容计算进去。
6、在实际工程项目的实践中，还应综合立地条件和景观效果的限制，比如：对于用地紧张的建筑与小区来说，屋顶绿化是可以优先考虑的选择；下凹式绿地因其适合种植的植物种类限制，在秋冬季节的景观效果会受到一定的影响；生态水体的雨水调蓄效果明显，成本低廉，但对于空间和立地条件的要求最高；相对而言，透水铺装的受制条件则要低得多。所以，通常来说，会根据建筑与小区的用地情况、功能定位和设计风格，建造和维护的成本，进行综合考虑。
绿色雨水基础设施的是一个相互联系的绿色空间网络，是社会赖以生存发展的物质条件，更是人类对整个自然生态进行系统规划和法律认定的过程和方法。作为其中与人关系密切的组成部分：建筑与小区在建设海绵城市的过程中应该获得更多的重视，也应完全可以利用现有的科学手段做更多地分析与研究，对绿色雨水基础设施合理选型和高效运行做出指导。
参考文献
[1] 宫永伟等．屋顶绿化的效益及成本分析．环境与可持续发展.2015，3：133~137．
论文作者:李佳毅,黄飞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
标签：雨水论文; 水体论文; 透水论文; 绿地论文; 屋顶论文; 路面论文; 生态论文; 《建筑学研究前沿》2018年第6期论文;