住区低势绿地设计的关键参数及其影响因素分析
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，m3
U1——计算时段开始时低势绿地的蓄水量，m3
S ——计算时段内低势绿地的雨水下渗量，m3
Z ——计算时段内低势绿地的雨水蒸发量，m3
U2——计算时段结束时低势绿地的蓄水量，m3
Q3——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。
（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，
（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Q1<S+∆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。
（a） K=1×10-5m/s，H=100mm，T=120min
（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。
（a）P=1.0，H=100mm，T=120min
（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=1×10-5 m/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。
（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：
（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)10.05.03.332.52.01.67 1×10-4126/0.4----- 5×10-5(486)/2.768/0.4---- 1×10-5(774)/21.5(356)/9.9216/6.0147/4.1105/2.977/2.1 5×10-6(810)/45.5(392)/21.8(252)/14.0183/10.1141/7.8113/6.3 1×10-6(839)(421)(281)211/58.7170/47.1142/39.3 5×10-7(843)(424)(285)215173143 1×10-7(846)(427)(288)218176148
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H>250mm或∆t>72h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。
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，雨水有外排。临界面积比例可用下式求解：
(10)
表2给出了重现期P=1时部分渗透系数和绿地下凹深度对应的临界绿地面积比例。
表2 重现期P=1.0，外排水率C=0时的低势绿地面积比例
H(mm)K(m/s)50100150200 250 1×10-411.0%10.3%9.7%9.2%8.7% 5×10-520.9%18.6%16.7%15.2%13.9% 1×10-574.3%51.5%39.4%31.9%26.8% 5×10-6－66.1%47.4%36.9%30.3% 1×10-6－85.5%56.6%42.3%33.8% 5×10-7－88.5%58.0%43.1%34.3% 1×10-7－91.6%59.2%43.7%34.7%
注：表中“—”表示即使G=100%时也无法使C=0。
4.3 低势绿地耐淹时间
低势绿地的下凹深度和占地比例计算完成后一定要验算最不利情况下低势绿地雨水排出所需的时间，要求不能超过绿地中植被的耐淹时间。如当土质渗透系数为K＝5×10－6m/s，绿地下凹深度H＝250mm时，雨水全部下渗所需的时间为13.8h。在北京一般植物的耐淹时间为1~3天，是安全可行的。当低势绿地的蓄水时间超过植被的耐淹时间时，应降低下凹深度或增大低势绿地占地比例，条件允许时也可采取换土增大渗透系数的方法来减少耐淹时间。
5 住区低势绿地设计
5.1设计指导思想与设计方法
低势绿地设计的指导思想为：在不影响周边地基与基础、地下水水质等前提下，尽量将绿地设计为低势绿地，将屋面、道路等各种铺装表面形成的雨水径流汇集入绿地中进行蓄渗，以增大雨水入渗量，多余的径流雨水从设在绿地中的雨水溢流口或道路排走。
低势绿地的设计主要是确定低势绿地的下凹深度、面积比例和淹水时间，并选择合适的溢流方式。其主要参数的确定应根据住区土质渗透系数、地区雨水设计重现期等具体情况经过技术经济比较综合确定。可按下述方法来进行设计：
（1）对住区水文气象资料、水文地质与工程地质资料、环境与水状况等进行勘查调研，主要包括：当地暴雨量资料和当地暴雨强度公式；地下水位、水质及高程；土的渗透系数及其承载力；小区及其周边环境；小区建筑屋面、道路、绿地等的占地面积与百分数；住区建筑物结构及其地基与基础情况；绿地植被类型和覆盖情况；小区设计暴雨重现期和水量平衡要求等。
（2）在住区全面水量平衡的基础上，进行雨水量平衡计算，在前述调研的基础上，分析低势绿地设计的必要性和可行性。当低势绿地渗水可能对周围建（构）筑物地基与基础影响造成破坏时禁止使用。
（3）确定低势绿地渗透量规模、低势绿地占地百分数和低势绿地设计重现期；计算确定低势绿地的下凹深度和溢流方式。
（4）验算最不利情况低势绿地淹水时间，不能满足时应进行调整。
设计时还应考虑与其它水系统（如雨水收集等）的关系，不能孤立地进行设计，应与住区水的整体方案和环境设计相协调。
5.2 低势绿地的结构
低势绿地结构设计的关键是控制调整好绿地与周边道路和雨水溢流口的高程关系，即路面高程高于绿地高程，雨水溢流口设在绿地中或绿地和道路交界处，雨水口高程高于绿地高程而低于路面高程。如果道路坡度适合时可以直接利用路面作为溢流坎。从而使非绿地铺装表面产生的径流雨水汇入低势绿地入渗，待绿地蓄满水后再通过溢流口或道路溢流。
低势绿地的下凹深度一般不大于250mm。考虑到植物生长所需空间和暴雨冲刷物可能带入绿地，为了保障低势绿地能正常工作，低势绿地应保证一定的最小构造深度，建议不小于50mm。
有时由于绿地渗透系数很大，或低势绿地面积比例较高，会出现绿地的蓄渗能力大于所接纳区域的雨水径流量，即Q1<Q2+∆U时，按照最小构造深度设计。
设计低势绿地时还应考虑路面污染物的管理与控制问题，可采取截污措施，强化管理，避免对绿地的不利影响。
5.3 实例分析
某住宅小区工程位于北京北郊，属新建项目。该工程二期B区包括多栋住宅及一处会所（来访中心），居住户数928户。占地总面积37.4m2，其中，住宅占地12.1万m2，道路和停车场占地6.0万m2，绿化占地17.8万m2，人工湖占地1.5万m2。住宅地上为2.5～4.5层，地下为-1～0层。静止水位埋深3.40～4.80米，场地土层15米内主要为河流冲积形成的砂层为主，现场实测稳定后平均渗透系数为3.2×10―5m/s。该小区周围无市政雨、污水管线，周边有林场绿地和高尔夫球场。雨水设计除人工湖附近8.6万m2范围内雨水直接排入湖内之外，其余27.3万m2雨水全部需另行设计。在剩余27.3万m2区域中，住宅占地8.3万m2，道路占地6.0万m2，绿化占地13.0万m2（其中公共绿地7.6万m2）；三部分的比例分别为30.4%、22.0%和44.6%（其中公共绿地占27.8%）。
通过水量平衡计算，得知该小区生活污水净化后作为杂用水回用，雨水可以不进行收集。综合考虑小区地下水和建筑物地基与基础等条件，该小区可以实施低势绿地，将雨水渗透补充地下水，减低排水系统的费用，削减雨水径流量，保护小区和周边的生态环境，实现小区域雨水的“零排放”。
根据前述计算公式，仅将公共绿地设为低势绿地进行试算，低势绿地服务用地的径流系数按0.8计算。计算结果见表3，由于该小区为一般居住小区，周边有较大比例的林场绿地和高尔夫绿地，住宅区地势偏高，故按照室外排水规范雨水排出的标准，考虑一定的安全系数，确定低势绿地的下凹深度为60~80mm，可以满足重现期P=1的要求。按最不利情况考虑，低势绿地的淹水时间为0.7h，可行。低势绿地的溢流采用道路自然坡度、雨水浅沟和雨水口等多种方式。
表7 工程实例中低势绿地下凹深度和雨水径流量分析
P(年)12510 H0(mm)56126218288 Q1(万m3)2.172.743.413.945 结论
低势绿地最为一种投资省、效果明显的蓄渗设施，可以在城市住区中加以采用。低势绿地的下凹深度、面积比例（或面积负荷率）和淹水时间是其关键参数。低势绿地设计应考虑土质渗透系数、当地降雨特点如暴雨重现期等以及地下水和地基与基础的制约等。低势绿地的下凹深度一般为50~250mm，占地百分数和耐淹时间一般结合住区的具体情况进行确定。
参考文献
[1] 李俊奇，车武，汪宏玲. 雨水利用与生态小区. 给水排水[J]，2003；29（5）:14-16
[2] 车伍，李俊奇，刘红等. 现代城市雨水利用技术体系. 北京水利[J]，2003；（5）:16-18
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作者通讯处：100044 北京建筑工程学院城建系
电话：（010）68322128
*北京市科委专项基金项目（H010610020112）
Critical Parameters and influencing factors Analysis on Low Greenbelt in Residential Area
Li Junqi, Che Wu, Chi Lian and Liu Song
(Beijing Institute of Civil Engineering & Architecture, Beijing 100044)
Abstract: Based on analysis of rainwater balance and influencing factors of Low Greenbelt, The critical parameters such as depth, area proportion and submerged duration etc. were discussed. The design principle and method of low greenbelt were put forward. Some examples of residential areas in Beijing were presented.
Keywords: low greenbelt, runoff, design, residential area
通讯地址：北京西城区展览馆路1号（100044）
北京建筑工程学院城建系给排水室
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