景观设计中暴雨水的可持续管理

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  摘要:伴随着城市化发展,土地已经不足以支撑环境改变带来的巨大压力。技术工程手段应成为帮助景观设计师进行分析和解决暴雨水问题的工具。景观设计中的暴雨水管理,应该将生态、人文以及技术的手段相结合并综合运用。
  关键词:景观设计暴雨水管理
  中图分类号:P901文献标识码: A
  
  众所周知,暴雨水的问题一直困扰着我们的生活。随着城市化进程的快速推进,建筑、停车场、道路及其他城市设施的构建正逐渐代替着原始的土地。都市化对现有的排水系统造成了重大的冲击,而地表的改变所引发的问题也不尽其数。已开发的土地丧失了许多先天自然的储存暴雨水的蓄含力,土地的重塑和切割改变了地表的性质。这些变化严重地影响了暴雨水径流的模式-地表径流量和径流速度的增加,进而造成洪水的泛滥和洪灾。解决这些发展带来的问题,人们习惯使用工程的手段,如用人工沟渠代替自然水道,构建边沟及地下排水管疏导径流等。这些工程的手段在一定程度上忽略了场地在水文系统和排水网络中的位置,忽略了流域的涵养水源以及洪水管理的作用。经过长时间的发展证明,这些变化会产生严重的环境后果,包括增加洪灾、减少水生生物栖息地、降低水质等等。人们逐渐意识到依靠工程技术不能解决这一严峻的问题,我们必须寻找新的方法。通过建立适宜的景观手法管理暴雨水成为解决之道。
  一、暴雨水系统和集水区
  要想建立适宜的景观手法管理暴雨水资源,首先需要了解暴雨水系统和暴雨水接收系统的生态特征,理解暴雨水的运作规律。
  1. 暴雨水问题本质
  降雨和融化的雪水是淡水的主要来源。部分在循环过程中被树和植物截留;部分渗入地表转化为地下水,汇聚后渗入河流或湖泊;部分被存储在水体中,如盆地、河流和湖泊;不能及时被吸收的部分则称为地表径流。传统的雨水治理主要针对地表径流和渗透。随着城市化进程的加剧,大量的裸露地表被硬质铺装所取代。这对现有的自然及人造的排水系统都造成了很大的冲击,土地失去了它先天所具有的储存暴雨水的能力。城市的发展导致不透水表面的增加,植被与有机物的减少使得土壤储存暴雨水的时间变短,大量的降雨急速的转变为径流水。暴雨水径流量的增加以及流速的加快,将导致土壤的侵蚀和淤积;道路上产生的径流带走了沉淀的污染物。土地暴雨水蓄积能力的减弱使得暴雨水排放量超出原有排水系统的负荷,在峰期将可能导致洪水的泛滥。
  2. 集水系统
  区域储存的暴雨水量大于系统的可存储量和吸收量之和时,洪水就可能发生了。集水系统包括集水区(溪流、河流、湿地和湖泊等)和地下水系统。溪流和河流为第一级集水系统,大约85%的城市径流通过各级小的支流流入河流。湖泊和湿地大约收集5%的城市径流。河口与海洋约占10%1。地下水吸收量主要由土地的吸水性决定。土地的吸水性主要取决于土壤类型、地形、植物种类以及铺装材料等因素。
  溪流和河流
  河流是暴雨水的主要容器,同时,他们也扮演着暴雨水运输渠道的角色。河流的流量主要有两个来源:地表径流和壤中流。地表徑流量受植被覆盖度的影响较大。而壤中流主要指地下水和土壤中的水流2。正常情况下,降雨水渗透进入地下乃至地表径流可以忽略不计。但是当暴雨水达到峰值时,土壤的吸水量趋于饱和,暴雨水就会以地表径流的形式流入河流,地表径流系数在短时间快速增加将最终造成洪水的发生。
  湖泊和湿地
  湖泊和湿地不仅是暴雨水的存储系统,更担负着净化的作用。值得注意的是湿地作为一个自我维持的净化系统的前提是它为另一个较大的水文系统的有机组成部分3。除了作为暴雨水的滞留池,湖泊和湿地还可以移除、净化大量有机和无机物质,包括有毒物和杂质(农药、生活污水和工业排放物)。
  地下水系统
  降水被土壤吸收,汇集进入地下水系统的过程是渗透。土壤的渗透力受很多因素的制约。土地利用方式的改变,农田、定居地的建立,大量不透水铺装材料的应用,都会导致地表的渗水量减弱,地表径流量和径流速度增加,河流产生更快更强的洪峰,造成洪水的泛滥和洪灾,对水生环境造成破坏。
  二、主要控制因素
  随着城市化进程的加剧,暴雨水系统中地表径流和渗透所占的比例发生了很大的变化。当大量的植被覆盖被农业、住宅和商业等土地利用所取代时,地表径流就占据了较为重要的地位。控制地表径流和渗透的主要因素有:土壤质地和结构,地表覆盖,地形等。
  土壤
  降水的渗透过程受土壤组成和质地的影响。因此,土壤是建立暴雨水管理系统时重要的考虑因素,其中,土壤的质地和结构是两个主要影响因子。土壤的质地主要分为沙土、泥沙、粘土等。土壤的颗粒性和粗糙度越高,降水的渗透性越强;反之,水的渗透作用会被土壤层阻隔,大量的地表径流就产生了。土壤结构指各种土壤成分的排列方式。在暴雨水管理中,土壤结构比土壤质地对土壤的渗透性影响更大。土壤中的孔隙空间可以决定土壤保持和渗透水的能力4。
  地表覆盖
  地表植物可以有效地减少暴雨水径流,防止土壤侵蚀,甚至净化水体。降水的径流速度很大程度上取决于地表覆盖物。植物覆盖度较高时,水流速度可以有效地降低,更多的降水可以渗透进土壤。同时,植物的根系也影响降雨的渗透性。随着城市的发展,植物和土地被道路和建筑等所取代,土壤的渗透性降低,植物的吸收减少导致更多的地表径流产生。地表植被覆盖不仅可以影响雨水的径流量,也可以防止土壤的侵蚀。植被保护土壤免收雨滴的冲击,同时通过增加地表摩擦,地表覆盖可以有效地减缓降水的径流速度。最后,植生草沟和湿地是净化暴雨水的主要生态途径。其中污染物的移除主要依靠植物的过滤5。
  地形
  暴雨水沿斜坡流动是一个自然过程。流速和流量主要受坡度和坡长度两个因素的影响。随着坡度的增加,暴雨水径流速度也会增加。同时随着坡长度的增加,降水汇集量相应增加。这个自然过程易导致土壤侵蚀。通常情况下,土壤侵蚀是一个易被忽视的缓慢的过程,但是随着暴雨的产生,它可能快速带走大量的表层土壤,产生较为严重的土壤侵蚀甚至地质灾害。
  三、暴雨水管理策略
  暴雨水的有效管理应在不同景观规划尺度下展开。从流域尺度,以集水区为基础进行暴雨水管理,要做好规划上的预防;在场地尺度上,要对开发后的景观采取纠正性的措施进行恢复2。
  (一)、流域内的暴雨水管理
  任何的开发场地都处于一个排水系统中。要想有效的进行暴雨水管理,需要从全流域系统出发。首先应该了解该水文区的水文状况,确定场地在排水系统中的位置、径流流经状况,及其对应的相关条件6。流域的水文系统主要分为三个主要的水文区:水源区、汇水区和输导区。其中,水源区的控制在暴雨水的管理中尤为重要,其占据流域面积的大部分,并提供最多减轻暴雨水量的机会。对流域水源区的研究分析,可以确定流域适合哪种类型的土地利用方式,以及适当的土地利用密度、混合度及构造形式。
  其次,在流域土地规划时,雨林、湿地、自然渗透池和洪水漫滩等在水文生态系统的保持中起到重要作用的景观构造应予以保护。它们可以有效地降低地表水的流速,增加地表水的渗透量,净化水体并提供一定的暴雨水存储空间。
  同时,在土地利用规划中,结合自然的手段削减雨水冲刷,运用绿色基础设施理念,对径流的源头加以控制。
  1. 减少不透水铺装面积
  城市发展中大量不透水铺装导致雨水径流量和速度的增加,水质的下降,并且对长期的水文系统健康产生影响。谨慎的场地规划可以通过保持开发土地和开放空间的平衡严格控制不透水铺装面积。具体做法包括:
  a. 保护自然缓冲区和排水渠;
  b. 尽可能使用透水性较好的材料;
  c. 尽可能避免在土壤渗透性较好的区域或易侵蚀的区域布置城市设施或道路;
  d. 限制密度比,实现聚集开发:通过聚集城市住宅区和相应设施有效减少场地内不透水地面的比例;
  e. 尽可能减少开发对原有植物资源的破坏,利用植物有效地涵养水源,减少暴雨水地表径流。
  2. 根据集水区内的地形设计
  道路布局应因地制宜,保证自然排水系统被最大程度的保护。植物草沟、过滤带等植栽措施可以沿道路优先布置或在不改变场地地势的情况下设置地块的排水系统。
  3. 保护和利用现有的排水系统
  现代城市发展中通常使用雨水管道代替自然排水系统,将流经街道、建筑、露天停车场和相关设施的地表水,利用重力作用通过地下管道排泄到河道中。雨水管道代替自然排水系统对流域内的雨水排放会产生很多影响。第一,为了增加雨水排放的有效性,雨水管道通常被设计在区域地势较低的地方。这种设计破坏了场地原有的排水体系,以及区域固有的过滤和渗透能力。第二,由于城市内地表的渗透率低,暴雨水汇聚时间变短、径流量增加,导致暴雨水高峰时流量的增加。据研究表明,在城市化的地区,雨水管道和不透水的地表共同导致河道洪水的发生频率增加了将近6倍2。第三,水质下降。大量沉降在硬质铺装上的大气污染物被雨水冲刷进入排水管道,并最终进入蓄水系统。雨水径流通过雨水管道排放,无法与植物根系和土壤表面接触,导致污染沉淀物快速、大量的排入湖泊,溪流,江口和湿地中。
  (二)场地上的暴雨水管理
  场地内的暴雨水管理,重点在于如何全面、整合的对区域内的暴雨水径流进行管理,不仅考虑径流速度和径流量的问题,更不可忽视对水质的处理。其关键在于就地处理径流,而非将问题转移到他处。场地上暴雨水管理的目标在于最大可能地维护与保持开发前的排水模式,将场地内的水文问题减少到最低限度。
  最佳管理措施BMPs(best management practices)指为了减少洪水、排除污染物及提高环境质量等目的,而采取的针对已开发地区的暴雨水径流控制、蓄积与处理等一系列措施与方法7。BMPs可以控制非点源污染,并提供有效的暴雨水管理,同时,利用谨慎的规划和良好的设计,BMPs还应能提供多重的使用、增进环境的舒适度和美感,整合自然和人造的景观。
  场地内的暴雨水系统主要由三个相关联的过程构成:(1)暴雨水的产生阶段;(2)暴雨水向场地外的迁移与释放;(3)暴雨雨水传输进入接收系统。
  1. 暴雨水产生段的BMP措施
  暴雨水产生段的BMP措施用来减少现场产生的暴雨水径流量和污染物2。暴雨雨水产生段的BMP措施包括:
  限制不透水铺装面积:包括缩小停车场大小、限制道路宽度,减少屋顶面积等。
  自然湿地和林地:尽量保留场地内的林地和湿地。
  滞流设施:滞流设施或干井,通过暂时地存储暴雨水径流来控制雨水峰期排放率。滞流设施主要包括:水池、多孔性铺装、干井、多孔性填料及加大尺寸的排水构造物等。滞流设施在设计中,可以与草地、开放空间、草沟、停车场等相结合。
  人工湿地:人工濕地可处理点源或非点源污染以及控制暴雨雨水径流。通过构建更佳的水流模式,较长的水流时间等,人工湿地可达到比自然湿地更好的暴雨水控制效果。
  2. 暴雨水迁移段BMP措施
  暴雨水迁移段BMP的主要目的是控制中小型的地表径流,阻断暴雨水源地与流域排水系统的连接,进而减少雨水及污染物进入河流的可能性8。可以由以下方式实现:
  暴雨水花园和洼地:暴雨水花园和洼地存储可以有效拦截暴雨水的径流,增加暴雨水渗透,截断并处理暴雨水污染。
  入渗沟:是以坝体筑成或挖掘而成的储水区域。入渗沟可以存储径流并令其渗入土中,增强土壤涵养地表水的能力。
  入渗池:由粗糙石块或多孔性材料回填的挖掘沟渠,可以储存暴雨径流,并延缓径流速度。该方法可以被灵活的运用于道路边缘或场地内未被充分利用的地方。
  植物草沟:是一种普遍应用的暴雨水管理方法,常应用于密度较低的住宅区。使用草沟的好处是表面磨擦力增加、流速降低,从而延长了暴雨水径流的集流时间。
  过滤带:通常紧邻不透水表面设置,主要用于截断漫地的层状薄流。它可以有效降低流速、增加集流时间、增进入渗效果,并促进地下水的回灌。常被应用于入渗沟的上方截取沉淀物,保护入渗沟的性能。
  3.暴雨水传输段BMP措施
  传输段BMP是对暴雨水径流和污染物进入接收水体前进行控制的最后一道措施2。传输段暴雨水管理措施主要通过增加渠道的粗糙度和延长径流流经时间达到减缓暴雨水迁移速度的目的。传输段BMP包括:
  渗透性排水沟渠:用可渗透介质填充的沟渠,用于收集暴雨水并使之缓慢渗入地下。
  开放式排水沼泽: 建立无限制物和排水沟的开放式排水方式,减缓暴雨水径流流速。
  导流渠:选择性设置导流渠,将蓄积在有价值的栖息地和水体中的暴雨水导走。
  构建储水盆地和湿地:在适宜的地点建立储水盆地和湿地可达到保留和滞留暴雨水的功能,进一步减少洪水的威胁。
  四、总结
  事实证明,在解决和使用暴雨水的问题上,景观和生态手法在长远看来比技术手段效果更好。将土地作为暴雨水管理的基础设施进行管理的意识应该得到提高,特别是对于景观设计师们。但是,伴随着城市化发展,土地已经不足以支撑环境改变带来的巨大压力。技术工程手段应成为帮助景观设计师进行分析和解决暴雨水问题的工具。景观设计中的暴雨水管理,应该将生态、人文以及技术的手段相结合并综合运用。
  参考文献:
  1.A context for understanding stormwater effects in receiving systems, Edwin E.Herricks 1995 CRC Press,Ind
  2.景观设计的环境学途径,作者:威廉·M·马什,翻译:朱强、黄丽玲、俞孔坚,中国建筑工业出版社
  3.Urban run-off in an integrated landscape context. John Cairns,Jr. Stormwater runoff and receiving systems: impact, monitoring and assessment
  4.Water conservation in Landscape design and management, Gary O. Robinette, ,Van Nostrand Reinhold Company, 1984
  5.Field test of grassed-swale performance in removing runoff pollution, Journal of Water Resources Planning and Management,,Shaw L. Yu, 2001
  6.Site engineering for landscape architects,Steven Strom, Kurt Nathan, Jake Woland, , John Wiley & Sons,Inc, 2009
  7.Stormwater management:Volume Two:Stormwater Technical Handbook,MADepartment of Environmental Protection,1997
  8.Alternative Stormwater Best Management Practices, Public Works and Utilities Department Watershed Management Division, City of Lincoln,2006
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