海绵城市在城市更新条件制约下的实施路径探讨

海绵城市在城市更新条件制约下的实施路径探讨

迟军

（广州珠江实业集团有限公司，广东广州， 510060 ）

摘要：在城市更新改造中，除了改善老旧的环境，解决其内涝及污染问题更为重要。在今年，住建部明确规定在城市更新中不能大拆大建，要顺应城市发展规律，以内涵集约、绿色低碳发展为路径。这时，海绵城市在城市更新中应用的意义就被凸显出来。文章以实际工程为例，对受不同条件制约的项目设置不同的海绵城市设施进行了探讨。

关键词：海绵城市；城市更新；因地制宜；

0 引言

城市更新是将城市中不适应现代化城市社会的区域作必要的、有计划的改建活动，旨在改善城市中的不良环境。在追求可持续发展和低碳绿色的今天，以海绵城市建设为理念融入那些有着历史和文化积淀的社区成为了一种趋势。海绵城市措施的最终目的就是增加地块对于雨水径流量的削减能力，减少内涝和增加对污染物控制，同时也对城市环境的美化起改善作用。在我国应对全球气候变化所定下的碳达峰和碳中和的大目标背景下，海绵城市建设不仅能够恢复和改善城市中的自然栖息地和生态环境，更能为城市提供碳储存和碳中和的效果。在城市更新改造之中，改造条件会受到各方面的制约，比新建项目更为复杂，因此海绵城市的运用应考虑因地制宜，结合汇水区特征和设施的主要功能、经济性、适用性、景观效果等因素灵活选用低影响开发设施及其组合系统。

1 内涝成因分析

1.1下垫面改变

在城市化建设进程中，其原本的自然地貌和生态遭到了大规模的改变，人类建筑设施的急速增加使得地区中自然形成的雨水循环和吸收功能遭受严重破坏。在下垫面的分布比例上，硬地面积的比率急速上涨，下垫面的改变使得雨水无法通过常规的下渗快速吸收，只能大量的排至城市雨水管网，导致了许多城市排水系统不堪重负最终产生内涝灾害。城市中下垫面的改变还会对城市的温度、湿度、气流产生影响，使得城市污染问题日渐凸显。

1.2 气候改变

自20世纪50年代以来，全球气候变化使城市遭受更多更强的高温热浪威胁，全球气温每上升1℃，大气水汽增加约7%，从而导致极端降水增加。除了增强的水汽作用，与环流相关的动力过程改变也会影响极端降水。[1]

1.3 排水管网

目前我国排水管网的采用的设计标准较低，一般市政管网的设计重现期为2年，因此管网的排水能力不足，特别是许多旧城区域，仍然采用雨污合流的排水模式。当暴雨超过管网设计重现期时，管网无法排除多余的雨水，形成积水，从而形成城市内涝。

1.4 水质污染

由于大量硬地面积的存在，城市中大量的尘土、砂石和污染物并不能被地面附着和吸收，降雨过程中，雨水会夹杂各类来自城市的污染物直接进入排水系统，这些污染物使得雨水管网的排水功能受到削弱。许多旧城区的管网配套设施维护管理不到位，更是极大提升了雨水管网的堵塞几率，使旧城区的雨水管网“雪上加霜”。

2设置原则

2.1采用源头减排方式，从源头控制径流总量、径流污染、径流峰值等多个控制目标。

2.2遵循暴雨处理为主、景观设计为辅的方针，以优先解决城市内涝为主要目标。

2.3在满足控制目标的前提下、组合系统中各设施的总投资成本宜最低，并综合考虑设施的环境效益和社会效益，优先选用成本较低且景观效果较优的设施。组合系统中各设施的适用性应符合场地土壤渗透性、地下水位、地形等特点。[2]

3 城市更新改造海绵城市设施的选择

3.1 现状

（1）绿化率低硬地率高

以广州旧城区为例，老旧小区和生活区的绿化率一般极低，绿化率通常只有室外总地面的10%甚至更低，同时受空间的限制，绿化形式也比较单一，一般是以花坛的形式出现，图1为广州旧城区图片。

图1 老城区现状（图片来源于网络）

（2）排水能力不足

老城区年代久远，在建设时期便缺乏整体性的规划，建筑及人口密度大，设计标准较低。在缺乏绿色建设和可持续发展的指导背景下，常有雨污混接、混流现象，缺乏规范的管理，导致管道淤积严重。各种因素的叠加，最终导致管道过水能力无法满足日益增长的需求量，造成严重的内涝，从而使管网改造迫在眉睫。排水系统混乱的现状加大了旧城区雨污管道改造的难度，使得管道无法快速的大面积的铺开改造。

（3）可改造程度低

城市更新的改造过程中应以不影响居民的正常生活为底线，应尽量保留、改造、利用既有的建筑，保持老城区的格局和肌理。同时老城区本身空间狭小，改造的空间也有限。对于老城区的改造，更要因地制宜的选择合适的海绵城市措施，需要通过与旧城建筑和其他设施的融合。在不使用大量土地的前提下，为缺乏空间的旧城区在绿色开发上提供全新的解决方案。

3.2海绵设施的选择

3.2.1对于改造条件特别恶劣，无法对室外大面积区域进行改造的小区或街道，要缓解内涝及初期雨水污染等问题，雨水池、雨水罐、雨水花坛等这些尽量不影响居民的小范围改造成为了比较合适的选择。

（1）雨水调蓄池

雨水调蓄池设置在雨水管网的末端，收集来自屋面及地面的雨水，在大雨超过管网设计重现期时将雨水暂时储存在雨水调蓄池中，在大雨过后再排至市政管网。在条件允许的情况下，可设置为雨水回用池，雨水经过弃流后存储在雨水回用池内，作为绿化灌溉或者道路冲洗使用。雨水调蓄池不仅可以有效的削减洪峰流量，减少内涝的风险，减轻城市排水系统的负荷，通过设置雨水回用设施还能实现城市雨水资源化利用，缓解一部分城市水资源紧缺的局面。

（2）雨水罐

受成本、场地等条件制约无法设置雨水调蓄池时，可灵活设置雨水罐，做到节能、环保、低成本。过滤后的雨水可用于绿化浇洒及道路冲洗用水，符合绿色低碳发展的路径。雨水罐在满足蓄水和二次利用的同时，也可以通过外形上的设计使其融入周边的景观，传承老城区的文化与内涵。

（3）雨水花坛

设置雨水调蓄池的同时，旧城区分散的绿化点可以就地改造为雨水花坛。屋面的雨水在进入雨水调蓄池之前，可以先排放至雨水花坛，进入雨水花坛的雨水经过植物的过滤，较大程度的降低了径流污染率。

3.3.2对于室外改造条件不受限制的小区，应该优先选择下沉绿地、雨水花园、透水铺装等海绵城市措施，在不影响地块日常使用和并增加美观性的基础上，最大化的利用其各自的优点削减雨水径流、过滤污染物质和重新构建地块的生态系统。

（1）下沉绿地

下沉式绿地是一种具有渗蓄雨水、削减洪峰流量、减轻地表径流污染等优点的生态型的雨水渗透设施。下沉式绿地应当低于周边的地面50mm至150 mm，周边的雨水通过竖向规划流入到下沉绿地中，通过土层和植物本身的蓄水性和吸水性进行自体吸收，当所收集的雨水量超出了其自身吸收和储备的能力时，多余的部分会通过位于砾土层顶部的导流软管排出进入市政管网。下沉绿地因其较为简易的施工方式和较高性价比的造价，非常适合应用于老旧小区的改造。[3]

2. 雨水花园

雨水花园通过利用植物、微生物和土壤的化学、生物及物理特性进行污染物的移除，从而达到水量和水质调控目的。相比起下沉绿地来说所布置的面积相对较小且单位造价更高，但是其在单位面积内拥有更强的蓄水能力和污染物过滤能力，加上对美观和绿化环境能起更大的作用，在老旧小区的改造中也非常推荐。[3]

2. 透水地面

相比于传统的硬化地面，透水铺装具有一定的雨水渗透能力，虽然不能够如同下沉绿地和雨水花园一样能够进行雨水的调蓄存储雨水，但是其较低的径流系数能够较好的削减地面雨水径流量，并降低径流污染率。透水铺装也具有一定装饰和艺术价值。其多变的做法和材质非常适用于硬地率极高的老城区，其不仅能为老城区提供在雨水径流和污染物径流削减方面的功能性需求，也能满足在老城区中进行艺术装饰的需求。

4 海绵设施规划建设参数与案例

广州作为海绵城市示范城市，在旧城改造的过程中除了选用合适的海绵设施，还需要根据地块的规模、地块内各下垫面所占比值、开发资金等因素来选择各设施的占比，来满足海绵城市构建系统的各类指标，包括年径流总量控制率、年径流污染控制率、建设前后径流对比、下沉绿地率等。

4.1 径流系数计算

在改造设计前期对地块下垫面的面积进行统计，并通过加权平均计算获取地块块内各汇水分区的综合雨量径流系数取值（公式1）：

（1）

式中：ΨZ为综合径流系数；F为汇水面积（㎡）； Fi为汇水面上各类下垫面面积（㎡）；

Ψi为各类下垫面的径流系数。

径流系数的的大小与各下垫面所占总面积的比例有极大的关系。若不透水地面面积和硬质屋顶的面积占汇水分区总面积比例高，径流系数则越大，地块内所需要的海绵化设施的面积和容积则相对越大。反之，若绿化屋面、绿化地面和透水铺装建设比例较高，所需要的雨水调蓄海绵设施的面积和容积则越低。根据各下垫面种类的加权平均计算，旧城区的雨水径流系数可能会高达0.7-0.9。因此为降低旧城区地块的雨水径流系数，设置一定数量的绿色屋面和透水铺装可将雨水径流系数控制在相对较低0.5左右甚至更低。

4.2 设计调蓄容积计算

为满足地区的年径流总量控制率和年径流污染控制率，雨水花园和下凹绿地等绿色雨水滞留措施，需利用容积法获得需要设置的面积。调蓄容积可按公式2计算：

（2）

式中：V 为设计调蓄容积（m³）；F为汇水分区总面积（㎡）；Ψ为径流系数； H为设计降雨量（mm）。

4.3 海绵调蓄设施建设后的设计降雨量：

在设计调蓄型海绵设施后，地块的年径流总量控制率应大于调蓄之前，其具体计算方式公式3如下： h=V/10 F （3）

式中：V为设计调蓄容积（m³）； 为综合雨量径流系数；h为设计降雨量（mm）；F为汇水面积（ha）。

通过内插法，将设计降雨量结果带入年径流总控制率所对应设计降雨量一表中，可得出所对应的控制率。广州市年径流总量控制率见表2。

表2 年径流总控制率所对应设计降雨量

4.4 污染物平均去除率

所有海绵设施包括透水地面、绿色屋面、下沉绿地和雨水花园等都具有削减污染物径流的能力。在《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》（试行）中，可查询到各项措施对于污染物的去除能力，并且可通过公式4计算出地块中的海绵设施对于污染物的平均去除率：

低影响开发设施对SS的平均去除率=∑｛（1-Ψi）Fi/∑[(1-Ψi) Fi]•单项设施去除率｝

（4）

4.5 暴雨强度与建设前后雨水径流量

海绵措施设计的目的就是要让建设后的地块在拥有海绵措施后的雨水径流量低于建设前，计算雨水径流量前，应先确定地块的暴雨强度，广州市的暴雨强度见公式5：

（5）

式中：q为设计暴雨强度 [L/（s·hm²）]；t为降雨历时（min）；P为设计重现期（a）。

在确定地块的暴雨强度后，再确定地块设置建设海绵设施前的径流系数，和建设非调蓄型海绵设施后的地块径流系数，以计算雨水径流量，其计算公式6为：

Qs=qΨF （6）

式中： Qs为雨水设计流量（L/s）；q为设计暴雨强度[L/（s·hm²）]；Ψ为综合径流系数；F为汇水面积（ha）。

使用公式6仅能计算出非调蓄型海绵设施的径流量。建设海绵设施后的雨水径流量，还需要减去调蓄型海绵设施所能削减掉的雨水径流量。调蓄型海绵措施削减量计算公式7如下：

（7）

式中：Qxd为调蓄型海绵设施雨水径流削减量（L/s）；Sx为调蓄型海绵设施下渗量（L/s）；Ux为调蓄型海绵设施蓄水量（L）；t为降雨历时（s）；Tx为调蓄型海绵设施蓄水量排空时间（s）。

其中，下渗量计算公式： S=1000αKJFa （8）

式中：α为综合安全系数，一般可取0.5～0.6；K为土壤渗透速率（m/s），取1*10^-5；J为水力坡度，垂直下渗时，J=1；Fxa为调蓄型海绵设施面积（m²）。

建设后雨水径流量计算公式9：

Q=Qs-Qxd (9)

4.6采取海绵措施后径流系数计算公式：

在计算建设所有海绵设施后的径流系数时，需根据公式10计算地块的雨水总量：

w=10 Fh/10000 （10）

式中：w——雨水总量（m³）；

——径流系数；

F——地块面积（m²）；

h——设计暴雨强度（mm/H）。

通过公式10所计算出的雨水总量，计算调蓄型海绵措施所调蓄的雨水容积占总雨水量的比例：

外排量所占雨水量比例=（w-调蓄型海绵措施容积）/ w*100% （11）

通过公式10所算出的比例，根据公式11得出采取措施后的径流系数：

s = *外排量所占雨水量比例 (12)

4.7老旧小区的海绵设施布置案例

在大多数新建项目的调蓄型海绵城市设施布置中，一般方案是以下沉绿地为主，雨水花园为辅的设计方案，这种方案不仅满足了规范中所提出的约束性要求，同时也是较高性价比的设计方式。但是在旧城改造的案例中，受场地面积限制且需要的调蓄容积较大，使得新建项目的调蓄方案可能不符合旧城改造的情况。以某案例为例说明：

表3径流系数表

由于受地块改造条件和项目具体情况所限，无法设置绿色屋面和较大面积的透水铺装。根据各下垫面种类的加权平均计算见表3，其径流系数高达0.7。根据《广州市海绵城市专项规划》的要求，此地块年径流总控制率为70%，对应其设计降雨量25.8 mm。根据通过公式2计算出此地块的调蓄型海绵设施容积大于185.37 m³。

根据《广州市建设项目雨水径流控制办法》，海绵设施面积应占至少50%的绿地面积,布置海绵设施后地块的污染物去除率应达到至少40%，且在海绵设施建设后的雨水径流量应当小于建设前的雨水径流量，采取海绵措施后径流系数不大于0.5。

根据设计需求，此项目室外雨水量按五年一遇重现期进行设计，同时降雨历时间为15分钟，代入公式5，可得出此地块暴雨强度为407.43 L/（s·hm²）。通过查询地块建设前下垫面信息，地块在建设前为硬质地面，径流系数为0.9，根据公式6，可得出此地块建设前雨水径流量为375.16L/s。通过设置470 m²的透水铺装，地块径流系数可降低为0.702，根据公式6可得到此地块在未设置调蓄型海绵设施之前，雨水径流量为292.62L/s。

根据以上条件，共有三种方案可供原则：

1. 仅在地块内布置下沉绿地

下沉绿地在通常情况下的有效深度为100mm，若想满足此地块的雨水调蓄需求，则需要布置1900 m²的下沉绿地，共190m³的调蓄容积，占81.9%的绿地面积。将数据带入公式3可得出，可控制降雨量达到26.4mm,通过内插法得出削减率达到70.7%。满足规范要求。

根据公式4的计算，若布置1900 m²的下沉绿地，地面污染削减率可达到58.74%。满足规范需求。具体数据如表4：

表4径流污染削减率

设施类型	面积（m2）	污染物去除率（%）	地面污染总削减率（%）
下沉绿地	1900	80	58.74
普通绿地	421	75
透水铺装	470	90

根据公式7公式8的计算，若设置1900 m²的下沉绿地，可提供52.78L/s的雨水削减量。将此结果带入公式9，可得出此方案在建设后可将雨水径流量削减至239.84L/s。结果满足建设后雨水径流量小于建设前雨水径流量的要求。

根据公式10，11，12的计算，此方案可使雨水径流系数降低至0.55。

2. 以下沉绿地为主，雨水花园为辅

此方案在设置下沉绿地的基础上，加入雨水花园。下沉绿地的建设工艺为100 mm的有效深度，雨水花园的建设工艺为 200 mm的有效深度。为满足此地块的雨水调蓄需求，需要布置1300 m²的下沉绿地和300 m²的雨水花园，共计190m³的调蓄容积，占68.9%的绿地面积。将数据带入公式3得出，可控制降雨量达到26.4 mm,通过内插法得出削减率达到70.7%。满足规范要求。

根据公式4的计算，此方案施工，地面污染削减率可达到58.74%。满足规范要求。具体数据如表5：

表5径流污染削减率

设施类型	面积（m2）	污染物去除率（%）	地面污染总削减率（%）
下沉绿地	1300	80	58.74
雨水花园	300	85
普通绿地	721	75
透水铺装	470	90

根据公式7公式8的计算，按此方案布置海绵设施，可提供52.78L/s的雨水削减量。将此结果带入公式9，可得出此方案在建设后可将雨水径流量削减至239.84L/s。结果满足建设后雨水径流量小于建设前雨水径流量的要求。

根据公式10，11，12的计算，此方案可使雨水径流系数降低至0.55。

此方案使用了较少的绿地面积却获得了与a方案同样的削减能力。

3. 仅使用雨水花园

雨水花园采用有效深度为200 mm的建设工艺，若想满足此地块的雨水调蓄需求，则需要布置1165 m²的雨水花园，共233m³的调蓄容积，占50.2%的绿地面积。将数据带入公式3可得出，可控制降雨量达到32.4 mm,通过内插法得出削减率达到76.8%。满足规范要求。

根据公式4的计算，以此方案进行布置，地面污染削减率可达到59.30%。满足规范需求。具体数据如表6：

表6径流污染削减率

设施类型	面积（m2）	污染物去除率（%）	地面污染总削减率（%）
雨水花园	1165	85	59.3
普通绿地	1156	75
透水铺装	470	90

根据公式7公式8的计算，设置1165 m²的雨水花园，可提供64.72L/s的雨水削减量。将此结果带入公式9，可得出此方案在建设后可将雨水径流量削减至227.9L/s。结果满足建设后雨水径流量小于建设前雨水径流量的要求。

根据公式10，11，12的计算，此方案可使雨水径流系数降低至0.52。

c方案最终作为真正设计方案提出。因为若采取a和b的设计方式，通过各项数据的比较，虽然满足各项指标，但所需要的绿地面积比例会远远多于c方案，这不仅使得建设的造价上升，同时也可能影响整体的园林设计。对于可建设面积稀缺的地块来说，更少的用地更高的单位调蓄容积，或许才是最适合他们的方案。

5 结论

海绵城市在城市更新中，其根本是能贯彻海绵城市“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭”的理念，解决内涝及污染的问题。同时海绵化建设也是对于城市绿色化和低碳城市的践行，和对于生态恢复以及应对气候变化上的实际行动。在进行老旧城区海绵化设施布置和设计的过程中，应充分考虑各个地块的具体情况，因地制宜，充分考虑其可建设用地少和旧有建筑不可拆除和变更的限制条件，并提出适合于该地块解决方案。海绵城市建设应当充分尊重和考虑老城区既有的文化和习俗，在为老城区输入绿色设计的理念时仍能够保留其原有的风骨，让其不仅能够逐渐适应现代城市需求的同时，也能够将其深厚悠久的历史传承下去，使得传统不成为历史，而是永远的现在进行时。

参考文献

[1] 《气候变化2021：自然科学基础》IPCC气候科学报告 [EB/OL]. 政府间气候变化专门委员会（IPCC）.2021.

[2] 《广州市海绵城市建设技术指引及图集》[EB/OL].广州市水务局.2017.

[3] 《广州市海绵城市规划设计导则》[EB/OL].广州市水务局.2017.