住區低勢綠地設計的關鍵參數及其影響因素分析*

李俊奇，車 武，池 蓮，劉 松

（北京建筑工程學院 城市建設工程系， 北京 100044）

　　摘 要：通過對低勢綠地雨水量平衡及其影響因素的分析，討論了低勢綠地下凹深度、低勢綠地面積負荷率、淹水時間等關鍵參數，提出了低勢綠地的設計思想和設計方法，并以北京地區某住區實例進行了分析，為住區低勢綠地設計提供了方法和依據。
　　關鍵詞：低勢綠地；雨水徑流；設計；住區

1、引言

　　綠地作為一種天然的滲透設施，在住區雨水間接利用方面起著重要的作用。它具有透水性好、節省投資、便于雨水引入等優點；同時對雨水中的一些污染物具有一定的截留和凈化作用。可以在住區中設計部分或全部低勢綠地，以增加雨水滲透量，減少綠化用水并改善住區環境。但是低勢綠地的設計會受到土壤滲透系數、暴雨重現期、住區綠化率、綠地下凹深度、地下水位和周邊建筑物地基與基礎等條件的制約。設計時需要針對小區具體情況，在住區雨水水量平衡分析的基礎上，根據低勢綠地的幾個主要影響因素的分析綜合確定。

2、住區雨水量平衡分析

　　降雨過程中，在住區低勢綠地及其相關系統中同時發生降雨、匯流、集蓄、入滲和溢流排放等多種水流運動，是一個復雜的過程。圖1為低勢綠地的計算模型示意，設想計算區域F包括低勢綠地F_g和其它用地F_n（如道路或建筑物占地等）兩部分，即F=F_g＋F_n。F_n也稱為低勢綠地的服務面積。

圖1 低勢綠地計算模型示意

　　假定不考慮雨水收集利用，其它用地中的雨水徑流首先匯入低勢綠地，當水量超過低勢綠地集蓄和滲透能力時，開始溢流出該計算區域。此時，在一定時段內任一區域各水文要素之間均存在著水量平衡關系：

　　Q₁+U₁=S+Z+U₂+Q₃ 　　　　　　　　（1）

　　式中：Q₁——計算時段內進入低勢綠地的雨水徑流量，m³
　　　　　U₁——計算時段開始時低勢綠地的蓄水量，m³
　　　　　S ——計算時段內低勢綠地的雨水下滲量，m³
　　　　　Z ——計算時段內低勢綠地的雨水蒸發量，m³
　　　　　U₂——計算時段結束時低勢綠地的蓄水量，m³
　　　　　Q₃——計算時段內低勢綠地的雨水溢流外排量，m³

　　通常，計算時段可以按一場雨來計算，此時，由于蒸發量較小，Z可以忽略。如果計算時段開始與終了時低勢綠地內蓄水量之差以∆U表示，即∆U＝U₂－U₁（實際計算時可視時段開始時低勢綠地無蓄水，即U₁＝0）。令Q₂=S+∆U，則有：

　　Q₁=S+∆U+Q₃＝Q₂+Q₃ （2）

　　式中：Q₂——計算時段內低勢綠地的雨水蓄滲量，m³

　　這樣，對某一特定區域來講，降落在區域內的徑流量(Q₁)分為蓄滲(Q₂)和溢流外排(Q₃)兩部分。用Q₁則除以式（2）兩邊，則有

　　1=Q₂/Q₁＋Q₃/Q₁ （3）

　　式中：Q₂/Q₁——計算時段內低勢綠地蓄滲量占計算區域徑流量的比例，稱為低勢綠地的蓄滲率；
　　　　　 Q₃/Q₁——計算時段內低勢綠地雨水溢流外排量占計算區域徑流量的比例，稱為低勢綠地的外排水率，令Q₃/Q₁＝C。

　　蓄滲率和外排水率均在0與1的范圍內變化，其和等于1。
　　 Q₁包括直接降落在低勢綠地上的降雨量及其服務用地匯入低勢綠地的徑流量。可用下式計算：

　　Q₁=Q₁́+Q₁˝=H_zF_g+H_zC_nF_n=H_zF[G+(1-G)C_n]=H_zF[1+(M-1)C_n]/M （4）

　　式中：Q₁́——降落在低勢綠地上的降雨量，m³；
　　　　　Q₁˝——低勢綠地服務用地產生的徑流量，m³；
　　　　　H_z——計算時段內單位面積的降雨量，m³/ha；
　　　　　F_g——低勢綠地的面積，ha；
　　　　　F_n——低勢綠地服務用地的面積，ha；
　　　　　C_n——低勢綠地服務面積的徑流系數；
　　　　　F ——計算區域面積，ha；F=F_g+F_n。
　　　　　G ——計算區域內低勢綠地面積占地比例，用百分數表示，G=F_g/(F_g+F_n)×100％。
　　　　　M ——低勢綠地面積負荷率，用小數表示，M＝1/G＝(F_g+F_n)/F_g。
　　　　　計算時段內單位面積的降雨量H_z可根據當地降雨強度q(t)按一場雨通過積分求解。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （5）

　　式中：T——計算時段，min；
　　　　 t——降雨歷時，min。

　　 如北京地區，按一場雨120min計，

（6）

　　式中：P——設計重現期，年

　　計算時段低勢綠地的下滲量，可用下式計算：

　　S=K×J×F×G×10⁴×T×60 　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　式中：S——雨水滲透量，m³；
　　　　　K——土壤滲透系數，m/s，與土質、土壤含水率等因素有關，有條件時最好現場實測，選用滲透穩定時的K值；
　　　　　J——水力坡度，對垂直下滲，取J=1；
　　　　　T——計算時段，min，與H_z的計算時段相同。

　　當低勢綠地中的徑流量大于同時間的土壤滲透量時，必然在低勢綠地形成蓄水，當雨水量超過低勢綠地蓄水量和同時間的土壤滲透量的時候，雨水就會形成徑流。低勢綠地的蓄水量為：

　　∆U=H×F×G×10⁴ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

　　式中：H——低勢綠地和雨水溢流口（或路面）的高程差, m。

　　根據以上分析，可以計算出時段內低勢綠地的雨水溢流量Q₃（即Q₃=Q₁－Q₂＝Q₁－S－∆U）、低勢綠地的蓄滲率Q₂/Q₁和外排水率Q₃/Q₁；當Q₁<S+∆U時，低勢綠地不產生溢流，此時Q₃為零。如果土壤滲透能力好，基礎、地下建筑物和地下水等條件允許，應盡可能讓雨水蓄滲在低勢綠地中，增加入滲量，使外排水率減小。
　　需要說明的是，以上水量平衡分析和計算是在假設住區內無雨水收集利用系統時進行的。如果在住區內還有雨水收集利用、中水、景觀水體等系統時應將低勢綠地雨水滲透子系統納入整個住區水系統總體水量平衡后綜合考慮。

3、住區低勢綠地豎向設計影響因素分析

　　住區低勢綠地的設計受許多因素的影響。主要有設計暴雨重現期、土壤滲透系數等。設計時還應考慮對周圍建筑物地基與基礎的影響、地下水位與水質的制約等。
3.1 暴雨重現期對低勢綠地外排水率的影響
　　暴雨重現期決定著雨量的多少。為了更好的討論暴雨重現期與低勢綠地外排水率的相互關系，以北京地區為例運用公式（2）~（8）進行計算。假定：F=10⁴㎡，C_n=0.9，H=100mm，T=120min。當K=1×10^-5m/s，M為10.0、5.0、3.33、2.5、2.0時C~P關系曲線如圖2（a）所示；當M=2，K為1×10^-4m/s、1×10^-5m/s、1×10^-6m/s時C~P關系曲線如圖2（b）所示。可以看出，暴雨重現期對徑流系數影響顯著，隨著暴雨重現期的加大，進入低勢綠地的徑流量加大，外排水率變大。設計時應根據排水設計規范和當地以及住區的要求等條件確定。選用重現期越大，所需低勢綠地的下凹深度和面積越大，外排水量也越多，土方量和工程費用加大。低勢綠地的設計重現期P可以參照室外排水規范，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

圖2 暴雨重現期與外排水率的關系

3.2 滲透系數對低勢綠地外排水率的影響
　　土壤的滲透系數決定綠地的滲透能力，它取決于土質、孔隙度、植被等因素。以北京地區為例運用公式（2）~（8）進行計算。假定：F=10⁴㎡，C_n=0.9，H=100mm，T=120min。當P=1.0，M為10.0、5.0、3.33、2.5、2.0時C~K關系曲線如圖3（a）所示；當M=2.0，P為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0時C~K關系曲線如圖3（b）所示。可見滲透系數對低勢綠地外排水率影響極大。土壤滲透系數越低，滲透能力越差。綠地的滲透能力最好能現場實測，計算時采用達到穩滲后的滲透系數，且應留有一定的余地，防止發生堵塞。

（a）P=1.0，H=100mm，T=120min

（b）M=2.0，M=2.0，T=120min

圖3 滲透系數與外排水率的關系

4 低勢綠地的關鍵參數

4.1 低勢綠地下凹深度
　　低勢綠地實質也是一種滲透貯存設施。低勢綠地與溢流口或路面之間的高差稱為低勢綠地的下凹深度。綠地下凹深度愈大，貯水效果愈明顯，在一定程度上彌補降水和滲透的不均衡，以減緩徑流洪峰，起到調蓄作用。仍以北京地區為例，設F=10⁴㎡，C_n=0.9，M=2.0，K=1×10^-5 m/s，T=120min。當P為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0時C~H關系曲線如圖4所示。

（M=2.0，K=1×10^－5m/s，T=120min）

圖4 低勢綠地下凹深度與外排水率的關系

　　在一定重現期下雨水徑流系數為零時所對應的綠地下凹深度即為低勢綠地在此條件下的臨界下凹深度。它表明當綠地下凹深度大于該數值時可以實現雨水零排放；反之，雨水有外排。在此范圍之內還應注意綠地的淹水時間不超過植被耐淹時間。
　　 臨界下凹深度H₀可以由式(2)~(8)導出：

　　　　　　　　　　（9）

　　表1給出了重現期P=1時部分K值和M值對應的臨界下凹深度和淹水時間。

表1 重現期P=1.0，低勢綠地外排水率C=0時的綠地下凹深度和淹水時間

M

K(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為綠地下凹深度H，單位mm; b為低勢綠地在灌滿時全部雨水入滲所需的時間∆t，即綠地的淹水時間，單位h。
　　 2、－表示綠地的滲透能力大于該區域的徑流流量，可以按低勢綠地的最小構造深度來進行設計。
　　 3、∆表示淹水時間大于72h。
　　 4、表中粗實線的上方表示同時滿足H≤250mm和∆t≤24h的要求，建議使用；粗實線和虛實線之間表示同時滿足H≤250mm和∆t≤72h的要求，慎重使用；其余的表示H>250mm或∆t>72h的情況，不宜使用，特殊情況另行論證。

4.2 低勢綠地面積比例
　　計算區域內低勢綠地面積占全部面積的百分數對外排水率的影響明顯。隨著低勢綠地占地面積比例的增長，土壤的滲透量增大，徑流量逐漸減小，所以低勢綠地面積比例的增加對實現住區雨水零排放、改善生態環境等有著重要的作用。設F=10⁴㎡，C_n=0.9，K=1×10^-5，T=120min。當H為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25時C~G關系曲線如圖5所示。低勢綠地占地比例的確定一般應結合小區規劃和小區環境、景觀等要求和計算綜合確定。

圖5 低勢綠地面積比例與外排水率的關系

　　有時需要求出低勢綠地臨界面積百分數G₀。在一定重現期下低勢綠地外排水率為零時所對應的綠地面積比例稱為低勢綠地在此條件下的臨界面積比例，相應的面積負荷率也稱為臨界面積負荷率。它表明當低勢綠地面積多于該臨界面積值時可以實現雨水零排放；反之，雨水有外排。臨界面積比例可用下式求解：

　　　　　　　　　　　　 (10)

　　表2給出了重現期P=1時部分滲透系數和綠地下凹深度對應的臨界綠地面積比例。

表2 重現期P=1.0，外排水率C=0時的低勢綠地面積比例

　　 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%時也無法使C=0。

4.3 低勢綠地耐淹時間
　　低勢綠地的下凹深度和占地比例計算完成后一定要驗算最不利情況下低勢綠地雨水排出所需的時間，要求不能超過綠地中植被的耐淹時間。如當土質滲透系數為K＝5×10^－6m/s，綠地下凹深度H＝250mm時，雨水全部下滲所需的時間為13.8h。在北京一般植物的耐淹時間為1~3天，是安全可行的。當低勢綠地的蓄水時間超過植被的耐淹時間時，應降低下凹深度或增大低勢綠地占地比例，條件允許時也可采取換土增大滲透系數的方法來減少耐淹時間。

5 住區低勢綠地設計

5.1設計指導思想與設計方法
　 低勢綠地設計的指導思想為：在不影響周邊地基與基礎、地下水水質等前提下，盡量將綠地設計為低勢綠地，將屋面、道路等各種鋪裝表面形成的雨水徑流匯集入綠地中進行蓄滲，以增大雨水入滲量，多余的徑流雨水從設在綠地中的雨水溢流口或道路排走。
　　 低勢綠地的設計主要是確定低勢綠地的下凹深度、面積比例和淹水時間，并選擇合適的溢流方式。其主要參數的確定應根據住區土質滲透系數、地區雨水設計重現期等具體情況經過技術經濟比較綜合確定。可按下述方法來進行設計：
　　 （1）對住區水文氣象資料、水文地質與工程地質資料、環境與水狀況等進行勘查調研，主要包括：當地暴雨量資料和當地暴雨強度公式；地下水位、水質及高程；土的滲透系數及其承載力；小區及其周邊環境；小區建筑屋面、道路、綠地等的占地面積與百分數；住區建筑物結構及其地基與基礎情況；綠地植被類型和覆蓋情況；小區設計暴雨重現期和水量平衡要求等。
　　（2）在住區全面水量平衡的基礎上，進行雨水量平衡計算，在前述調研的基礎上，分析低勢綠地設計的必要性和可行性。當低勢綠地滲水可能對周圍建（構）筑物地基與基礎影響造成破壞時禁止使用。
　　 （3）確定低勢綠地滲透量規模、低勢綠地占地百分數和低勢綠地設計重現期；計算確定低勢綠地的下凹深度和溢流方式。
　　 （4）驗算最不利情況低勢綠地淹水時間，不能滿足時應進行調整。
　 設計時還應考慮與其它水系統（如雨水收集等）的關系，不能孤立地進行設計，應與住區水的整體方案和環境設計相協調。
5.2 低勢綠地的結構
　　低勢綠地結構設計的關鍵是控制調整好綠地與周邊道路和雨水溢流口的高程關系，即路面高程高于綠地高程，雨水溢流口設在綠地中或綠地和道路交界處，雨水口高程高于綠地高程而低于路面高程。如果道路坡度適合時可以直接利用路面作為溢流坎。從而使非綠地鋪裝表面產生的徑流雨水匯入低勢綠地入滲，待綠地蓄滿水后再通過溢流口或道路溢流。
　　 低勢綠地的下凹深度一般不大于250mm。考慮到植物生長所需空間和暴雨沖刷物可能帶入綠地，為了保障低勢綠地能正常工作，低勢綠地應保證一定的最小構造深度，建議不小于50mm。
　　 有時由于綠地滲透系數很大，或低勢綠地面積比例較高，會出現綠地的蓄滲能力大于所接納區域的雨水徑流量，即Q₁<Q₂+∆U時，按照最小構造深度設計。
　　 設計低勢綠地時還應考慮路面污染物的管理與控制問題，可采取截污措施，強化管理，避免對綠地的不利影響。
5.3 實例分析
　　某住宅小區工程位于北京北郊，屬新建項目。該工程二期B區包括多棟住宅及一處會所（來訪中心），居住戶數928戶。占地總面積37.4m²，其中，住宅占地12.1萬m²，道路和停車場占地6.0萬m²，綠化占地17.8萬m²，人工湖占地1.5萬m²。住宅地上為2.5～4.5層，地下為-1～0層。靜止水位埋深3.40～4.80米，場地土層15米內主要為河流沖積形成的砂層為主，現場實測穩定后平均滲透系數為3.2×10^―5m/s。該小區周圍無市政雨、污水管線，周邊有林場綠地和高爾夫球場。雨水設計除人工湖附近8.6萬m²范圍內雨水直接排入湖內之外，其余27.3萬m²雨水全部需另行設計。在剩余27.3萬m²區域中，住宅占地8.3萬m²，道路占地6.0萬m²，綠化占地13.0萬m²（其中公共綠地7.6萬m²）；三部分的比例分別為30.4%、22.0%和44.6%（其中公共綠地占27.8%）。
　　 通過水量平衡計算，得知該小區生活污水凈化后作為雜用水回用，雨水可以不進行收集。綜合考慮小區地下水和建筑物地基與基礎等條件，該小區可以實施低勢綠地，將雨水滲透補充地下水，減低排水系統的費用，削減雨水徑流量，保護小區和周邊的生態環境，實現小區域雨水的“零排放”。
　　 根據前述計算公式，僅將公共綠地設為低勢綠地進行試算，低勢綠地服務用地的徑流系數按0.8計算。計算結果見表3，由于該小區為一般居住小區，周邊有較大比例的林場綠地和高爾夫綠地，住宅區地勢偏高，故按照室外排水規范雨水排出的標準，考慮一定的安全系數，確定低勢綠地的下凹深度為60~80mm，可以滿足重現期P=1的要求。按最不利情況考慮，低勢綠地的淹水時間為0.7h，可行。低勢綠地的溢流采用道路自然坡度、雨水淺溝和雨水口等多種方式。

表7 工程實例中低勢綠地下凹深度和雨水徑流量分析

P(年)12510 H₀(mm)56126218288 Q₁(萬m³)2.172.743.413.94

5 結論

　　低勢綠地最為一種投資省、效果明顯的蓄滲設施，可以在城市住區中加以采用。低勢綠地的下凹深度、面積比例（或面積負荷率）和淹水時間是其關鍵參數。低勢綠地設計應考慮土質滲透系數、當地降雨特點如暴雨重現期等以及地下水和地基與基礎的制約等。低勢綠地的下凹深度一般為50~250mm，占地百分數和耐淹時間一般結合住區的具體情況進行確定。

參考文獻

[1] 李俊奇，車武，汪宏玲. 雨水利用與生態小區. 給水排水[J]，2003；29（5）:14-16
[2] 車伍，李俊奇，劉紅等. 現代城市雨水利用技術體系. 北京水利[J]，2003；（5）:16-18
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作者通訊處：100044 北京建筑工程學院城建系
電話：（010）68322128

*北京市科委專項基金項目（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

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北京建筑工程學院城建系給排水室
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