利用雨水收集系统解决景观用水问题

2019-09-20 10:27 海绵雨水
普通硬质化的市政设施使得降雨快速流过城市,来不及向下渗透,补充地下水,因而导致了地下水位降低、地面下沉、海水入侵等诸多问题的产生,改变了城市局部乃至整体的自然水文循环。通过对中国古代遗迹国外雨水收集系统理论和实践的介绍和分析,认为有必要从城市规划选址与城市水系统相结合、规划设计时充分考虑利用雨水以及利用生态植物群落蓄积净化雨水这3个方面,综合解决园林景观用水问题,从而有助于实现城市自然生态系统的良性循环。
 
1、问题的缘起
 
由于多年的城市开发建设和持续的人类活动的影响,造成了周围环境地质和水文过程的改变。在城市中,由于大面积地面硬质铺地、排水管道的普及,使得具有良好透水性的自然地表被改变,城市水文循环状况发生了变化,导致大面积地下水位下降。地面径流加大,原有城市河道普遍不能满足防洪排水要求。北京市在1960-2000年,地下水资源累计超采57.04亿m³,城近郊区泉水基本断流,湿地消失。城区地面沉降面积达到1800km²,中心区最大累计沉降量已近850mm。上海市区400km²在1957-1992年,地面沉降1110mm,直接经济损失达2900亿元。
 
在沿海降水量充足的地区,由于大量开采地下水,导致地下水位大幅度下降,致使海水倒灌,侵入沿海含水层并逐渐向内陆渗透,海水入侵的直接后果是地下淡水受到海水的污染、沿岸土地盐碱化、水源受到破坏、沿海建筑物受损等。20世纪80年代以来,由于地下水的过量开采,中国辽宁、河北、天津、山东、江苏、上海、广西、海南和台湾等省市均发生不同程度的海水入侵加剧现象,其中环渤海地区比较严重。
 
目前,中国城市中的市政排水设施均采用硬质渠化的措施,地面铺装和地下排水管网均是以尽快汇集和排除地面径流为目标,降落的雨水快速向城市中的各种河道聚集,来不及渗入地下。城市中的广场、人行道等硬质铺装多采用天然石材(水泥混凝土和砌块砖)铺砌而成,面材的底部大多铺设水泥砂浆,面材之间的缝隙也多用水泥砂浆封住,雨水难以从硬质铺装下渗。而圆明园为了避免园林中的水流失,采取在湖底铺设防渗膜的方法。诸如此类的方式更加剧了干旱缺水的趋势。因此有必要采取“市政设施绿化软化”的方法,将雨水延留在城市中以提高地下水位,增加蒸发量,避免上述地址水文灾害的发生。
 
2、古代雨水收集系统实践
 
中国古人意识到了水循环对人类生息的重要作用,并在堪興过程中,灵活运用这一规律,选择负阴抱阳、背山面水的风水格局。在这样的自然环境中,有利于涵养水土,调整小气候,形成良性的生态循环。
北京北海公园团城是古代雨水利用工程中较好的实例。团城行宫是清乾隆在永定河进行整治时兴建的行宫,是一个孤立、封闭的单元,地面高出北海湖水水面5.64m,古树生长所需的水分很难从地下水中得到补给,只有靠天然降水。因此,团城内并没有设地面排水明沟和在城墙上设置泄水石槽(吐水嘴),地面采用铺装倒梯形青砖和设置地下排水廊道的做法,充分利用了天然降水,并为古树营造了适宜的生长环境。
 
3、现代雨水收集系统的实践
 
在一些发达国家,已经认识到早期快速城市化对生态环境带来的负面影响,20世纪80-90年代开始重视城市雨水资源化和雨水的收集利用。其经验和方法对于中国不无借鉴意义。
 
3.1美国
 
雨水管理在美国已有30年的历史,主要是针对雨水的收集、储存和净化。与传统的“排”水概念相反,美国在20世纪80年代初对所有新开发区强制实行“就地滞洪蓄水”改建或新开发区的雨水下泄量(m³/s),即暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平。同时,为了保证雨水质量,排向市政管道的雨水必须经过一定时间(至少24h)的沉淀和过滤,对暴雨洪水的蓄水能力和过滤设施是工程报批必不可少的部分。滞洪设施的最低容量均能控制5年一遇的暴雨径流。对一些硬质的市政设施采取软水的措施,如在停车场采用嵌草路面,提高雨水的下渗量,在停车场及道路沿线两侧设置地下蓄水层(池),以扩大地表层收集雨水的能力。
 
3.2德国
 
德国是雨水利用体系建立较完善的国家,在20世纪80年代末把雨水的管理与利用列为水污染控制的三大课题之一,修建了大量的雨水池用以截流,处理或利用雨水,利用天然地形地貌及人工实施来渗透雨水。目前已形成了成熟和完整的雨水收集、处理、控制和雨水渗透等技术体系及配套的法律体系。例如赫伯特·德莱塞特尔在德国波茨坦地区进行了有关雨水收集利用的系统设计,用储存在地下蓄水池里的雨水满足包括广场背面狭窄的水池和用水系统。
3.3日本
 
日本为解决“因抽取地下水而引起地基下沉”等问题,于20世纪80年代初期推行“雨水渗透计划”,采取了“雨水的地下还原对策”,先后开发应用了透水性沥青混凝土铺装和透水性水泥混凝土铺装。在日本,透水性铺装主要应用于公园广场、停车场、运动场及城市道路。1996年初,仅东京都就铺设透水性铺装495000m²。据统计,透水性铺装使东京市区雨水流出率由51.8%降低到5.4%。
 
4、雨水收集系统在风景园林规划设计中的运用
 
4.1规划选址与城市排水系统相结合
 
目前,中国城市中的排水系统采用“分流制”或“合流制”,地下排水管网均是以尽快汇集与排除地面径流未目标,这就更加速了雨水向城市各条河道的汇集,使河道洪峰流量迅速形成,对低洼地带造成了更大的压力,往往形成洪涝灾害。在干旱缺水的城市,应因地制宜地将现有的排水系统加以改造,将雨水汇入城市公园的湖泊湿地之中,经生态净化后渗入地下,补充城市地下水。
 
城市用地在规划选址阶段就要充分考虑与城市雨水收集相衔接的问题,利用现有的洼地、湿地和湖泊,与地下水相连通。在进行总体布局阶段,应保证一定的水域面积。对于湖水的容量应以5年一遇的暴雨量进行计算,留下充分的缓冲地域。并且还应设置雨水储存、净化区域,减少雨水中污染的危害,尤其要注重对污染较重的初期径流进行分离,保护后续渗透设施和收集利用系统的正常运行。
 
4.2风景园林设计考虑充分利用雨水
 
现行公园、小区中园路的标高大多比绿地的标高要低(图1),雨水很快从绿地流向硬地和排水道中,并且泥水污染硬地,淤塞了下水道及河床,使得植物大多依靠自来水浇灌生长。目前城市中的植物不仅保持了水土,相反却消耗了地下水(图4)。
 
为解决这一问题,可以考虑将花坛(池)草坪置于地面以下20cm左右的坑洼地中,树木植于地面以下30~50cm的坑洼地中,并尽量减少不必要的硬地。硬地表面的雨水流入绿地中并下渗,使植物生长茂盛,地下水位得以提高。这样既可节约打量绿化用水,又可减少清洁的工作量(图5)。
园林中的硬质铺装也应改变过去迅速疏导面积水的做法,应用透水型铺装使雨水回渗地下。北京团城铺设的倒梯形青砖为园中植物的雨水收集起到了很好的作用。在德国与日本等国,透水型铺装已获得广泛应用,形成生产、施工、维护一系列配套体系。大面积的停车场、广场、人行道上广泛应用透水型铺装具有重要的意义。
 
4.3利用自然的植物群落蓄积,净化雨水
 
水生植物在美化水体景观、净化水质、保持河道生态平衡方面具有显著功效。为了防止“水华”,可以采取人工收藻、水体交换、水中曝气等措施,并根据河湖水质的污染成分有针对性地选择当地水生植物加以培植,移植到湖泊、河道中。
 
自然地植物环境是由乔灌草形成的生态群落,能够在很大程度上涵养水分、保持水土、减少地表径流、促进大气中水循环。然而,现在的城市绿地中过多的人工草坪,其根系浅,雨季不能吸收大量的降水,平时还要人工浇灌,浪费珍贵的水资源。因而,在城市绿地中应以乔灌草组成的群落为主,维护良好生态环境。
 
5、结语
 
雨水收集利用系统原理与技术应用于园林景观设计,在水资源日益缺乏的中国已是刻不容缓。西方发达国家进行了30余年的研究,已将“市政设施绿化软化”应用于实践,取得了良好的效果。中国的一些干旱城市已经着手进行雨水收集利用,然而,在与城市规划相结合方面的研究还不多。借鉴国外先进技术,与中国实际情况相结合,并着手解决出现的新外滩是雨水收集利用研究与实践的当务之急。