城市建筑小区内土壤积蓄雨水能力的研究

时间：2024-07-28

廖楷

(成都市建筑设计研究院，四川成都610015)

城市建筑小区内土壤积蓄雨水能力的研究

廖楷

(成都市建筑设计研究院，四川成都610015)

针对城市大底盘开挖小区绿化土壤的雨水蓄水可能性进行了研究，并提出了相对合理的大底盘顶板上的土壤厚度参考值，以期在微观上寻找出“海绵城市”发展的一个技术方向。

建筑小区；降雨入渗；回填土壤厚度；雨水积蓄

中国城市化的迅速发展，使得有限的土地资源显得非常稀缺，逼使建筑小区的建设朝着高大上方向发展，小区的土地利用率几乎到达了极限。很多小区地面几乎被建筑整体占用完了，没能留下一点点的空隙。最常见的情况是地下建筑空间将小区用地全部占尽。

近年来，每年到了雨季，城市内涝的现象比比皆是。城市内涝除了自然气候条件逐年变坏、暴雨更加集中的情况以外，城市雨水的出路是最大的问题。我们知道，雨水的出路不外乎是排和蓄的问题。城市越大，其汇水区域越大，汇水量必然增加，排放量也会大大增加。再加上底面硬化区域增大，雨水径流系数增加，雨水排水峰值形成更快。

海绵城市概念的提出，就是充分利用现有资源，用时间换空间来解决雨水蓄和排的问题。雨水入渗地下，利用大地来存蓄雨水是一个有效的解决方案，只是城市提供雨水自然入渗地下的通道是越来越少。建设城市绿地、下凹场所、地下雨水调蓄池、地下蓄水池等等，是城市规划建设要解决的问题。作为小区建筑，如何充分利用有限资源来解决雨水蓄留问题，是本篇文章讨论的重点。

1 小区回填土壤蓄存雨水的提出

现今的建筑小区为了争取最大的建筑面积，一般情况下是将整个小区的用地面积全部开挖后建成地下室。地面雨水除了按规划要求设置的雨水调节池能接收部分调节雨水量外，其余大部分是由雨水管网系统排入市政雨水管网，雨水入渗地下，几乎没有条件。为了减轻小区排入市政雨水管网的雨水排水量，还有没有其他可供储蓄雨水的地方呢？笔者将目光投向到小区的绿化区域。

对于建筑小区绿地率(居住区用地范围内各类绿地面积的总和占居住区用地面积的比率)的规定，《城市居住区规划设计规范》要求为：新区建设绿地率不应低于30 %，旧区改建绿地率不宜低于25 %；《成都市规划管理技术规定(2014)》对住宅用地、住宅兼容商业服务业设施用地的绿地率规划控制指标按为：第一分区≥25 %，第二分区≥25 %，第三分区≥30 %，第四分区≥30 %。

以成都市建筑设计研究院的三个实际工程为例，印证小区的绿地情况：

案例一，位于成都市金牛区金牛乡金牛村的成都颐园项目，规划建设净用地面积73 573.26 m2，项目总容积率约0.719，建筑密度约22.79%，总规划建筑面积约为88 274.9 m2，绿地率30.21 %。

案例二，成都正基一期项目，地上建筑面积58 779.39 m2，建筑层数为14～18层，建筑高度为54.3～78.7 m，绿地率35.2 %。

案例三，位于成都市双流县的成都新鸿洋公司星空花园，规划建设净用地约56 667.1 m2。绿地率35 %。

对以上设计的典型建筑小区进行分析后，发现绿地率通常在30 %～35 %左右。

建筑小区既然有一定比例的绿地，但它们有没有蓄存雨水的能力呢？为此做进一步的研讨分析。

2 小区绿地土壤现状分析

成都地区建筑小区内绿地土壤主要用于小区内花卉、草坪、地被、灌木、乔木等植物的种植。其绿地土壤多采用自然土，主要为酸性紫色土，母质为石灰性紫色砂页岩，全剖面呈均一的紫色或紫红色，结构较为松散，总孔隙度在40 %左右。

建筑小区绿地根据植被类型不同，对土壤厚度要求是不一样的。对本文案例三个小区的调查结果如表1所示。

表1 不同植被的覆土深度 m

根据表1结果，建筑小区土壤厚度通常在0.2～1.0 m之间。小区中土壤的含水率随季节是变化的，而且变化很大。调查结果显示，成都建筑小区内，降雨间隙期内的土壤含水率通常在15 %～20 %左右。

另外，有一个问题值得引起重视，就是在建筑小区内覆土层中，实际的下层回填土并没有按设计要求进行回填,回填土中含有大量的建筑垃圾。因此，小区内绿地回填土的孔隙率和含水率还值得作进一步的探讨和研究。

3 降雨入渗过程中土壤含水率变化情况的理论分析

降雨入渗是降雨渗入土体形成土壤水的基本水文过程。降雨经植被层的截流损失后降落入土壤表面，在土壤界面发生水分的分配和转化，部分水分通过土壤孔隙入渗，部分水分在土壤表面蒸发，其余水分将沿坡面流动汇集形成地表径流。

对于一次降雨过程来说，降雨期间地表水汽含量近于饱和，土壤表面蒸发量可以忽略不计，而地表径流是在降雨强度超出土壤下渗容量时产生的，故土壤积蓄雨水的能力决定了降雨雨量的分配。

通常情况下，土壤含水率沿深度方向变化。1943年，贝德曼(Bedman)和科尔曼(Colman)在考察均质土层下渗过程中土壤水分剖面变化情况时发现，不同的土壤，尽管它们在下渗过程中，土壤水分剖面的具体变化不完全相同，但都可以划分为四个有明显区别的水分带(图1)[2]。

图1 降雨入渗过程

最上层为饱和带，这一带厚度不大，一般不到1.5 cm，而且随着降水时间的增长，这一厚度变化缓慢。饱和带以下为水分传递带，这是一个土壤含水量沿深度分布比较均匀、厚度较大的非饱和土层，其厚度随供水时间的增长不断增加，土壤含水量介于田间持水量和饱和含水量之间，约为饱和含水量的60 %～80 %。水分传递带以下为湿润带，它是连接水分传递带和湿润锋的水分带。在这一带中，土壤含水量沿深度迅速减小，并且在下渗过程中不断下移。这一带的平均厚度也大体保持不变。湿润带与下渗水尚未涉及到的土壤的交界面称为湿润锋。在湿润锋处，土壤含水量梯度很大，因此在该处将有很大的土壤水分作用力来驱使湿润锋继续下移。湿润锋是一个土壤间的接触面，故又称为湿润锋面或下渗锋面。降雨入渗的过程就是土壤中含水率动态变化的过程。

4 不同厚度、不同初始含水率的土壤积蓄雨水能力理论测算结果

由于气候条件的影响，土壤中的含水量是不一样的。那么，初始含水量不同的土壤，其蓄水状况又是如何的呢？

依据周春华等研究的理论模型[3]，对深度在0.60～1.80 m，初始含水率在12 %～24 %范围内的土壤积蓄能力进行了理论计算，结果如表2所示。

从表2可以看出，土壤积蓄雨水的能力与土壤厚度成正比，土壤厚度越大，其积蓄雨水的能力越强；土壤积蓄雨水的能力与土壤初始含水率成反比，土壤初始含水率越高，其积蓄雨水的能力越弱。

表2 不同初始含水率、土壤厚度与积蓄雨水量 mm

以覆土厚度1.20 m为例，在初始含水率为15 %时，其土壤积水量可达177.8 mm；而在初始含水率为21 %时，其土壤积水量则减少到106.7 mm。

5 不同重现期暴雨过程累计入渗量的理论计算结果

以草地植被为例，参照刘目兴等建立的计算模型[4]，按成都市降雨雨型对不同重现期暴雨过程的累计入渗量进行理论计算，结果如表3所示。

表3 不同初始含水率、重现期的累积入渗量 mm

根据以上数据的分析，可以得出以下结论：

(1)随初始含水率的增大，累计入渗量增大。这主要是由于初始含水率由土壤结构决定，初始含水率越大，土壤的孔隙度和孔隙率越大，入渗速度越大。

(2)暴雨重现期增大，累计入渗量也增大，但增幅变小。这主要是由于土壤积蓄雨水的能力受降雨强度影响，随暴雨强度的增大，土壤积蓄能力受限。

根据以上结果，可见当初始含水率为15 %的草地，在3 a重现期的成都暴雨雨型下，可以入渗量233.86 mm的雨水量。

6 建筑小区土壤厚度变化的经济性分析

由于用地紧张，建筑小区地上部分主要用于居住建筑、道路，通过地下车库的建设来满足车位要求，并在地下室顶板覆土层实施景观、绿化。在这样的条件下，设计建筑小区土壤厚度时，应结合地下室顶板结构条件进行经济性分析。

以标准柱网为例(8 m×8 m，柱截面600 mm×600 mm)，顶板板厚180 mm，主梁截面400 mm×800 mm、450 mm×900 mm，次梁采用井字梁250 mm×600 mm、250 mm×700 mm；顶板上覆土厚度分别取0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m；活荷载考虑景观取8 kN/m2(因消防车道分部范围有限，不具代表性，本次研究未作考虑)。根据PKPM计算结果，对不同覆土厚度的混凝土、钢筋用量统计见表4。

表4 不同覆土厚度下的顶板结构混凝土、钢筋用量

指标土壤厚度0.6m0.8m1.0m1.1m1.2m1.4m1.6m1.8m混凝土用量/(m3·m-2)0.370.370.370.370.410.410.410.41板钢筋用量/(kg·m-2)14.3514.3514.3514.3514.3514.3514.3514.35梁钢筋用量/(kg·m-2)31.9335.7039.4140.7942.2045.9450.6455.60柱钢筋用量/(kg·m-2)3.533.764.024.134.284.464.745.12钢筋总用量/(kg·m-2)49.8153.8157.7859.2760.8364.7569.7375.07钢筋增量A1.08A1.16A1.19A1.22A1.30A1.40A1.51A

注：①覆土厚度为0.6～1.1 m时，主梁截面400 mm×800 mm，次梁采用井字梁250 mm×600 mm；

②覆土厚度为1.2～1.8 m时，主梁截面450 mm×900 mm，次梁采用井字梁250 mm×700 mm；

③所有结构构件采用C30混凝土，主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

由表4可知，土壤厚度从0.9 m增加到1.2 m时，钢筋增量为8 %；而土壤厚度从1.2 m增加到1.5 m时，钢筋增量为13 %。土壤厚度变大，经济性变差。地下室顶板覆土厚度控制在0.9～1.2 m的厚度较为合适。