上海城市现状绿地雨洪调蓄能力评估研究

于冰沁 / YU Bing-qin车生泉 / CHE Sheng-quan严 巍 / YAN wei郭健康 / GUO Jian-kang   2017-05-29 00:18:28

摘要:面对亟待解决的城市雨洪问题,海绵城市的建设迫在眉睫,然而目前对于城市现有绿地的雨洪调蓄能力的评估缺乏量化研究。选取168处分别位于上海城市中心、近郊和远郊的不同功能及类型的城市绿地,通过调查群落特征、测定土壤理化性质及渗透率、分析室内降雨截留试验数据和SWMM水文模型演算,得出影响上海城市绿地现状雨洪调蓄能力的主要因素。结合降雨、径流、土壤、植被等因素的特征与绿地雨水调蓄能力之间的关系,构建出适合上海城市绿地雨洪调蓄能力的评价技术,为筛选适合上海城市绿地的低影响开发技术、确定开发规模奠定理论基础。

关键词:风景园林;海绵城市;雨洪管理;绿地特征;调蓄能力;上海

文章编号:1000-6664(2017)03-0062-05

中图分类号:TU 986 文献标志码:A

收稿日期:2016-01-15; 修回日期:2016-03-28

基金项目:住建部科学技术项目计划(编号2016-K2-002)、上海市海绵城市绿地系统规划与建设关键技术研究(编号15DZ1203605)和上海交通大学新进教师启动计划(编号15X100040043)共同资助

  Abstract: In order to relieve urban environmental problems of storm water, and propose approaches of green space planning for sponge city construction, characters of 168 green space were surveyed at the center of city, suburbs and the new city, respectively, by terms of multidisciplinary methods, such as community research, soil test, simulation experiment and SWMM models on the software Autodesk SSA. The factors affecting the capacity of rainwater management were identified, and the relationship among the capacity and rainfall, runoff, soil, and plants was analyzed, which provided the theoretical foundation for the LID selecting, scale identification and assessment system.

Key words: landscape architecture; sponge city; rainwater management; character of green space; regulation capacity; Shanghai

城市化进程的加速带来诸多环境问题,城市内涝成为亟待解决的城市水生态环境问题之一。党的十八大报告中明确提出将生态文明建设放在突出地位的要求,并提出大力推进建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”来解决城市生态环境中的雨洪管理问题;住房和城乡建设部于2014年推出《海绵城市建设技术指南》,全国各地相应地开展了相关研究和实践探索。上海市也正在制定适合当地气候条件的海绵城市建设技术标准,并积极推进相关的建设示范。上海海绵城市绿化建设技术应用研究与示范工作的首要任务是明确现有绿地的雨洪调蓄能力,并根据现状有针对性地制定建设的目标及筛选适应性的低影响开发技术。目前,相关的量化研究较少并缺乏可操作性,本研究基于上海市中心、郊区和远郊的不同发展阶段的绿地现状,结合上海市降雨、径流、土壤、植被等方面的特征,应用SSASWMM水文模型,综合构建了适用于上海地区的城市绿地雨洪调蓄能力评估技术,为开展低影响开发技术应用和海绵城市建设试点示范奠定了基础。

1 上海现状绿地特征调查1.1 样地选取

根据城市化进程和时间梯度、用地类型和绿地服务功能,选取上海城市中心(1990年前建设)、近郊(1990—2000年建设)及远郊(2000—2010年之后)中社区绿地、公园绿地、商务办公区绿地、科教文卫绿地、道路广场绿地、工业区绿地中的168个样地(表1),进行实地踏勘、径流和土壤的采样及群落学调查,以分析土壤、植物群落、径流特征与现状绿地对雨洪的调蓄能力之间的关系。

其中,公园绿地按照市级公园、区级公园、社区公园的等级分别选取调查样地。市级公园的功能综合,区级公园主要满足游憩功能和景观功能,社区公园主要满足休闲娱乐功能,因此按照不同等级分别选取调查对象,结论将具有一定代表性。居住用地选择城市社区作为研究对象,易于寻找区域尺度的一般规律。科教文卫的选择依据大学、中学、小学的等级差异选取,以获得一般规律,并且按照校园建设的时间分为老校园和新建校园。工业区的用地类型和比例相对接近,在城市中心、近郊、远郊分别选取即可。商务办公区的选择按照市级和地区级划分,分别在中心城区和近郊分别选一处商务办公区的绿地样地,远郊只有地区级商业中心。图1 上海市不同区位及功能的绿地采样点分布1.2 调查方法

采用IN-8W型双环入渗仪对土壤的稳定入渗率进行测定,每10min测定一次,至少持续1h,并以时间和入渗量为横纵轴,建立土壤入渗率关系曲线,以确定土壤的稳定入渗率。根据达西渗透定律公式(1、2),当水利坡度i约等于1时,土壤渗流速率v等于渗透系数K。

V=Ki (1)

i=Δh/L (2)

式中,V为渗流速率;K为渗透系数,i为水力坡度;h为总水头损失;L为渗透路径长度。

土壤蓄水量可以用公式(3、4)计算。

土壤蓄水量=土壤饱和含水量-自然含水量 (3)

土壤含水量 (100%)=[(湿土重-烘干)/湿重]×100 (4)

根据公式(5),可通过土壤容重、比重、密度等计算上海城市绿地的土壤孔隙度的现状[1]。

土壤总孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤比重)×100 (5)

土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸法(K2Cr2O7-H2SO4)测定[2]。

有机质(g/kg)={[ (V0-V)N×3.0×10-3×1.33]/样品重×1 000}×1.724(6)

式中,N为标准硫酸亚铁浓度(mol/L),V 0为滴定空白液时所用去的硫酸亚铁毫升数(ml),V为滴定样品液时所用去的硫酸亚铁毫升数(ml),3.0×10-3为1mg当量碳的克数,1.33为氧化校正系数,1.724为土壤有机碳转化为有机质的平均转化率。

根据群落学调查结果,选取出现频率大于10%的园林植物种类约70种,进行植物叶片单位储水能力和叶面积指数的测定,通过浸水法及公式(7、8)估算单株植物冠层对雨水的截留能力。

S=LK (7)

K=(M2-M1)/A (8)

式中,S为植物冠层雨水截留容量(mm);L为植物叶面积指数(LAI);K为叶片单位面积蓄水量(g/m2);M1为植株鲜重(g);M2为植株浸水后重量(g);A为叶片面积(m2)。

采用Autocad Civil 3D(version 2015)中降雨径流模拟及分析平台(Storm & Sanitary Analysis, SSA),结合基于单个降雨事件或长期降水序列-径流模拟模型SWMM(Storm Water Management Model)[3],对现状绿地和优化后的绿色基础设施系统产生的降雨径流予以模拟分析[4],并在考虑时变降雨、地表蒸发、低影响开发设施等区域水文过程的基础上,模拟并演算子汇水区内地表径流、管道、蓄水设施、分流构筑物及与径流相关的污染物负荷情况[5],从而评价低影响开发设施降低地表径流水量的可能性和有效性。

2 调查结果及绿地特征分析2.1 降雨条件分析

根据上海市气象局资料,上海平均年降雨量约为1 150.6mm,2000年以后降水偏多,总体有增加趋势,1991—2014年,上海平均降水量比前30年降水平均值增加了11%[6]。就降雨分布情况而言,总体上呈现南多北少的特征[7]。此外,近年上海短时暴雨强度有所增大,年平均降水强度约9.2mm/d,比30年前增强12%,短时局部强降雨产生的大量地表径流易对城市交通、市政管网、水体水质等产生不利影响,增加灰色基础设施的负荷,加剧城市内涝风险,这已成为上海地区亟待解决的问题之一[8]。同时,相比近郊和远郊地区,上海市区的水生态环境恢复面临着更大的困难和挑战,对城市及社区尺度的绿色基础设施的建设需求也更加迫切。

2.2 土壤特征分析

土壤稳定入渗率的测定结果显示,在上海市现有的绿地中,不同类型及功能绿地的土壤入渗速率存在较大的差异性(图1)。例如,科教文卫和居住社区中的绿地,由于受人为活动的影响较小,其土壤入渗速率远大于其他功能性绿地,表现出良好的渗透性(5×10-3mm/s);而道路绿地则由于压实和踩踏等原因表现为容重增大、孔隙度、渗透性减弱等现象。土壤入渗能力将直接影响植物生长及绿地的调蓄能力,因此适当改良原有土壤的理化性质,使其达到理想的促渗型绿地的土壤要求(5.56×10-3~7.06×10-2mm/s),才能充分发挥绿地土壤对雨水的调蓄作用,这也是微观尺度绿地海绵体发挥雨洪管控功能的关键[9]。由图3可知,城市远郊的绿地土壤的自然含水量、饱和含水量均略高于城市近郊的绿地土壤,远高于城市中心区域,但就土壤的蓄水量而言,城市中心区绿地土壤的可蓄水空间高于近郊和远郊;其中,科教文卫绿地、街旁绿地和公园绿地的值相对较高;而由于踩踏及养护管理等原因,广场绿地、道路绿地和商务办公区绿地的土壤蓄水量相对较低,最低的是居住社区绿地。

通过添加土壤改良剂、秸秆、陶粒等有机物可以提高土壤的入渗功能,土壤有机质含量的高低也能反映出不同功能和类型的城市绿地的土壤改良目标,对于不同的植被类型,灌木下层土壤的有机质含量高于乔木和地被植物,对于不同类型绿地中植物群落下层土壤的有机质含量而言,社区绿地的含量最高,其次是广场和公园绿地,道路绿地相对较低。

2.3 径流特征分析

影响植物群落雨水截留能力的因素包括植被类型、面积、镶嵌方式、复层结构、单株植物冠层降雨截留量等。单株植物冠层的降雨截留作用包括叶片的吸收和附着2个方面,其中叶片对雨水的附着作用影响较大。通过浸水实验可知,针叶植物平均冠层雨水截留量约为3.6mm,远大于常绿阔叶植物(2.2mm)、落叶阔叶植物(1.8mm)、灌木(2.1mm)及草本植物(1.3mm)。由于植物冠层对降雨时空分布和截留量的影响较小,故在径流模拟过程中忽略不计。

将上海黄浦瑞金社区、闵行莘城社区和松江方松社区分别作为汇水区整体考虑,选择2013—2014年间实测的9场降雨事件来测定并验证模型参数,通过Autodesk SSA软件对现状汇水分区进行SWMM模型演算,可得到现状汇水区的综合径流系数分别为0.83、0.76和0.68。

为验证系统分散性低影响开发设施的雨洪调节功效,在Autodesk SSA软件中调整绿地斑块的空间格局,以改变子汇水区内的用地和地表覆盖性质,并通过添加绿色屋顶、生态植草沟、雨水花园、可透水铺装等分散性源头控制的中观尺度低影响开发设施,最终达到降低上海城市社区地表径流系数的目的(图4~6)。此外,可根据美国马里兰州乔治王子郡的环境咨询部门建立的“5%~7%汇水区面积法”估算3处上海城市社区中分散性绿色基础设施的面积为87.5~114.8hm2,包括植被浅沟、雨水花园、多功能调蓄池、人工湿地等多种类型,并将屋顶载荷及坡度条件允许的建筑屋顶设置为绿色屋顶,非机动车道设置为渗透性铺装,并根据不同城市社区的场地条件设置适合的绿色基础设施组合[10]。对根据经验值设置的分散性绿色基础设施系统规模进行SWMM模拟演算,并根据结果反馈对绿色基础设施的规模进行持续调整,直至城市社区地表径流在控制目标范围以内。结果表明,欲使城市社区的地表径流接近场地开发前的径流系数0.37(水文资料),则理想状态下城市社区中发挥雨洪调节功能的绿色基础设施面积至少应占总汇流面积的11%~15%。

图2 上海市不同功能绿地土壤入渗率比较

图3 城市中心、近郊、远郊不同类型绿地土壤蓄水空间比较

3 绿地雨水调蓄能力的估算

结合乔木郁闭度、乔木类型、灌木类型、灌木面积、土壤质地和坡度等影响绿地群落雨水截留能力的因素,分别估算绿地群落地上植物冠层的降雨截留能力和土壤蓄水能力,以综合计算绿地的雨水调蓄能力。

植物群落降雨截留量Li的计算方法如下:

Li=(Ai×Bi×H+Ci×Bi×H+E)×Si (9)

式中,L i为第i类型群落的降雨截留总量(m3),Ai为第i类群落的乔木郁闭度所对应的全年平均降雨截留百分比(%),B为第i类群落的乔木类型所对应的全年平均降雨截留百分比(%),H为年平均降雨量(mm),Ci为第i类灌木覆盖率(%),Di为第i类群落的灌木类型所对应的全年平均降雨截留百分比(%),E为群落土壤的降雨截留量(mm),Si为第i类群落的面积(m2)。

Vt=∑L +W(10)

W=0.5×k1×S (11)

截流率R=Vt /(S×H)×100% (12)

式中,V t为全园每年截留雨量,L为绿地群落截留量, W为水体截留蓄积能力,k1为水体面积占比,S为全园总面积,H为年平均降雨量,R为总截留率。

根据上海不同功能和区位的城市绿地的现状雨水蓄留能力的计算方法[公式(9~13)],单位面积绿地的平均降雨截留能力及其占年平均降雨量的百分比如表3所示。由图7可知,位于近郊和远郊的城市绿地的单位面积蓄水能力相对接近,远高于位于城市中心区的现状绿地(约高10%)。其中,在市中心的现状绿地中,商务办公绿地的单位面积蓄水能力最强,公园和广场绿地次之,而社区绿地、道路绿地等蓄水能力最低;与之不同的是位于近郊和远郊的绿地功能,即公园绿地对雨水的蓄留能力最强,其次是道路绿地,能力最弱的是商务办公绿地。可见,就雨水管理功能而言,城市中心公园建设年代相对久远,群落更新速度较慢,游憩密度过高,可能导致其植物群落和土壤对雨水的调节功能较低,而社区绿地面积有限,也限制了其对径流的控制能力。对于近郊和远郊绿地,公园绿地的建设更完善,土壤改良和植物群落构建技术都有一定的提升,因此其绿地的雨水调节能力也相应有所提高,而道路、社区、广场、商务办公等绿地的雨水管理功能则可以通过低影响开发措施的适应性应用加以改善。

图4 上海黄浦区瑞金社区地表径流分时图(现状与优化对比)(注:LPS为公制流量单位L/S)

图5 上海闵行区莘城社区地表径流分时图(现状与优化对比)

图6 上海松江区方松社区地表径流分时图(现状与优化对比)住建部颁布的《海绵城市建设技术指南》中上海地区的径流控制目标为75%~85%,而根据现状绿地雨水截留能力的估算结果,仅远郊绿地能达到年度径流调控目标,中心城区绿地和近郊绿地的雨水截留能力较弱。为达到上海地区的径流控制目标,建议在宏观尺度上调整绿色基础设施格局的系统性,添加适宜的低影响开发设施,构建具有较高雨水截留能力的绿地植物群落并改良土壤,提升入渗率。

4 结论与展望

综上所述,根据最大1h降雨强度的分析结果表明,上海90%的降雨事件强度不超过10mm/h,但随着短历时降雨强度出现频率的升高,城市中心区、近郊和远郊的水生态环境都面临着更大的挑战。影响土壤对雨水蓄积能力的要素包括稳定入渗率、饱和含水量、容重、孔隙度、有机质含量、土壤质地及坡度等;径流特征包括流量、峰值和水质等。根据实地踏勘、样本测试分析、降雨模拟实验和SWMM模型演算确定影响因素的参数,综合计算上海不同区位和功能的现状绿地对雨水的调蓄能力,结果表明,上海城市绿地因功能和区位不同,其土壤入渗能力、植物冠层截留能力、绿地产汇流特征及综合雨水调蓄能力具有显著差异。例如,公园绿地、街旁绿地和科教文卫区绿地土壤表现出良好的渗透性;针叶植物的单株冠层雨水截留能力远大于阔叶植物、灌木及草本植物;中心城区社区绿地的现状径流系数约为0.83,高于近郊(0.76)和远郊(0.68)的社区绿地;而近郊和远郊的绿地综合雨水调蓄能力高于城市中心区。为达到国家海绵城市建设的目标,提升上海城市绿地的雨水调蓄能力,使径流系数接近场地开发前的径流系数,上海城市绿地建设的有效对策包括:建立系统性的绿色基础设施网络(发挥具有雨水管理功能的绿色基础设施的面积占总汇水区面积的11%~15%)、建设适宜的低影响开发设施、构建具有较高雨水调蓄能力的植物群落、添加土壤改良剂等。

绿地综合雨水蓄留能力估算过程中,植物群落的截流能力的计算仅以单株植物冠层的雨水截留能力、植被类型、植被镶嵌方式为依据,浸水实验存在一定的局限性,植物群落的截留能力还包含茎干截留、小枝截留等过程,因此研究将通过对植物叶表面张力与雨水附着能力的关系分析及对植物茎干及小枝雨水截留量的测定,完善绿地雨水蓄留能力估算的方法,提升科学性和准确度。

图7 不同类型现状绿地对雨水蓄留能力的评估比较

注:文中图片均由作者绘制。

参考文献:

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(编辑/李旻)

作者简介:

于冰沁/1983年生/女/辽宁人/北京林业大学博士/上海交通大学讲师/研究方向为风景园林生态规划(上海 200240)

车生泉/1968年生/男/山东人/博士/上海交通大学农业与生物学院副院长,教授,博士生导师/研究方向为风景园林生态规划/本刊编委(上海 200240)

严 巍/1972年生/女/上海人/上海市绿化管理指导站站长/研究方向为城市生态学(上海 200240)

郭健康/1985年生/男/河南人/上海交通大学农业与生物学院在读博士研究生/研究方向为城市生态学(上海 200240)

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