微循环理念下的城市雨水生态系统规划方法研究

摘要

近几年来我国多个城市连续遭遇了特大暴雨袭击,约2/3的国土面积正日益遭受不同类型和危害程度的洪涝灾害影响;但同时我国城市发展又普遍面临水资源短缺、干旱灾害频发和地下漏斗扩大的困扰,600座城市中约400座城市面临缺水问题,出现了日益严重的洪涝灾害频发与水资源紧缺并存的矛盾冲突。在这一背景下,学术界开始反思传统雨水基础设施规划中提高重现期以及增大雨水管径以期实现“快速排放”的雨水资源规划方法,并基本达成了“工业化割裂了雨水微循环模式从而引发洪涝与缺水并存”的共识。国内外据此展开了雨水资源化和雨洪利用的大量研究,提出了可持续城市排水、低冲击开发模式等相关理论,并建设了一批示范工程,雨水管理正在经历由“雨水疏浚”到“雨水利用”的过渡阶段。然而,我国目前采用的雨水基础设施规划方法并没有将这些先进的雨水利用技术结合进来统一考虑,雨水基础设施规划的雨洪“排放”、雨水回用的雨洪“削减”与景观水体的雨洪“蓄滞”处于各自分离状态,缺乏纳入统一系统进行协调规划的研究。
　　为此,本文首先基于微循环理念提出构建统一的“雨水生态系统”的规划思路,建立起一套微循环理念下的城市水资源规划方法。这一系统综合了雨水基础设施的排水功能、雨水回用设施的雨水利用功能、地下水补充的生态修复功能及城市防洪设施的减灾功能,是融合了环境、生态、可持续发展的雨水设计策略。与单独的雨水基础设施规划仅解决城市防洪排涝相比,雨水生态系统更强调将雨水作为一种系统资源进行循环利用的概念,能够综合解决水源短缺、水系污染、防洪减灾、生态环境恶化、地下水补充等多种城市问题。
　　其次,本文对雨水生态系统进行了架构,提出应由“集”流系统、“径”流系统、“渗”流系统、“储”流系统、“蓄”流系统和“净”流系统六个子系统要素构成,并对各个子系统的计算方法进行了梳理。其中:集流系统将屋面、铺装、植被和水体四种集雨面上降落的雨水汇集起来,提倡由屋顶花园代替防水屋面、由渗透铺装代替不透水硬质铺装、由凹式绿地代替传统花池型绿地并使水体增加调蓄容积;径流系统将集雨面汇集起来雨水通过植被浅沟等设施进行渗透与输送;汇集后的雨水通过雨水花园、渗透管沟、渗滤井等渗流系统入渗地下以补充地下水源和蓄滞雨洪;同时通过雨水樽、雨水储存池等储流系统将雨水储存起来以供冲厕、洗车、灌溉等雨水回用;为实现雨洪的削峰、错峰目的可增加池塘、人工湖面等容量较大的蓄流系统将暴雨径流量蓄存起来延迟排放;如需要提高水质环境,可选择人工湿地、稳定塘等净流系统对雨水进行净化。本文对每一个子系统的设施类型选择、适用范围及其计算方法进行了总结。
　　再次,本文从宏观区域、中观城市、微观社区三个层面提出雨水生态系统的不同规划模式。其中:在宏观区域层面上,各干湿分区应根据不同的降雨量条件采用不同的雨水基础设施规划模式的策略,即:湿润区域城市雨水设施规划应以雨水调峰模式为主,半湿润区域城市雨水设施规划应采用雨水回用模式,而干旱半干旱区域城市雨水设施规划则应鼓励雨水入渗模式。各干湿分区应突出各自区域特色,不应该统一对待。并在此基础上初步构建三种模式各自的设施体系及设计流程。在中观城市层面上,契合城市绿地系统的规模体系构建由小到大的雨水花园、暴雨公园及湿地公园的“层级式”雨水生态系统,将雨水从源头开始蓄滞、渗透等微循环利用,逐层消纳重现期较高的降雨;同时通过控制性详细规划中径流系数的指标控制将整个城市的雨洪量由全局至局部分摊至各个建设地块,实现整个城市的雨洪控制目标。在微观社区层面上,将整个城市分为居住区和道路两个不同特点的区域,分别构建各自的雨水设施规划模式,并尝试提出居住区和道路“雨水零排放”的新理念,对其所需要的环境和设施条件进行了探讨。
　　基于以上研究,本文最后以河南省驻马店石庄新社区规划为案例对文中提出的雨水生态系统规划方法进行了实证研究。在石庄新社区规划中通过“人车分流设计”、“竖向错层设计”、“庭院空间设计”等设计理念的运用,实践了将“规划”、“市政”、“景观”进行同步统一考虑的雨水生态系统规划方法,构建了由小至大的庭院级雨水花园、组团级雨水花园和社区级雨水花园三个层次设施系统组成的石庄新社区雨水生态系统。然后运用本文总结的子系统计算方法对石庄新社区中采用的植被浅沟、雨水花园、雨水樽等低冲击开发设施的关键因素进行了实证验算,并从雨水管道覆盖面、雨水流程设置、雨水资源化程度、径流污染程度和社区洪峰强度五个方面与运用传统方法编制的雨水基础设施规划进行了比较分析,使雨水生态系统规划方法的优势得以验证。据此本文还以世界范围内广泛采用SWMM模型软件为平台,建构了石庄新社区中的居住庭院和停车庭院雨水生态系统模型,对其相关参数进行了设定,剖析了其流程和特点,对模拟结果进行了评价分析,得出了一年一遇洪峰流量和径流总量可完全削减的结论,从而从模型模拟的角度实证了社区雨水生态系统的洪峰削减能力。

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3研究内容及方法

1.4相关概念界定

1.5论文研究框架

第二章城市雨水利用研究进展与相关理论综述

2.1国内外城市雨水利用研究评述

2.2微循环理念解析

2.3城市雨水生态系统规划理论依据

2.4本章小结

第三章传统城市雨水基础设施规划方法存在的问题

3.1城市水资源系统循环

3.2城市传统雨水基础设施规划方法

3.3传统规划方法对雨水资源微循环方式的影响

3.4本章小结

第四章微循环理念下城市雨水生态系统构成要素解析

4.1城市雨水生态系统架构

4.2“集”流子系统

4.3“径”流子系统

4.4 “渗”流子系统

4.5“储”流子系统

4.6“蓄”流子系统

4.7 “净”流子系统

4.8本章小结

第五章微循环理念下城市雨水生态系统规划模式研究

5.1宏观层面：区域雨水微循环系统规划模式

5.2中观层面：城市雨水微循环系统规划模式

5.3微观层面：社区雨水微循环系统规划模式

5.4本章小结

第六章微循环理念下社区雨水生态系统规划实证研究

6.1基于规划案例的社区雨水生态系统规划架构

6.2基于规划案例的社区雨水生态系统实证研究

6.3基于SWMM模型的社区雨水生态系统模拟评价分析

6.4本章小结

第七章结语与展望

7.1主要研究结论

7.2论文主要创新点

7.3研究局限与展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢