建筑中級工程師論文城市建筑土壤積蓄雨水能力研究

　　這篇建筑中級工程師論文發表了城市建筑土壤積蓄雨水能力研究，隨著城市化的不斷發展，雨水自然深入地下的通道越來越少，作為小區建筑，如何充分利用有限資源來解決雨水蓄留問題，是本篇論文討論的重點。

　　【摘要】針對城市大底盤開挖小區綠化土壤的雨水蓄水可能性進行了研究，并提出了相對合理的大底盤頂板上的土壤厚度參考值，以期在微觀上尋找出“海綿城市”發展的一個技術方向。

　　【關鍵詞】建筑中級工程師論文,建筑小區,降雨入滲,回填土壤厚度,雨水積蓄

　　中國城市化的迅速發展，使得有限的土地資源顯得非常稀缺，逼使建筑小區的建設朝著高大上方向發展，小區的土地利用率幾乎到達了極限。很多小區地面幾乎被建筑整體占用完了，沒能留下一點點的空隙。最常見的情況是地下建筑空間將小區用地全部占盡。近年來，每年到了雨季，城市內澇的現象比比皆是。城市內澇除了自然氣候條件逐年變壞、暴雨更加集中的情況以外，城市雨水的出路是最大的問題。我們知道，雨水的出路不外乎是排和蓄的問題。城市越大，其匯水區域越大，匯水量必然增加，排放量也會大大增加。再加上底面硬化區域增大，雨水徑流系數增加，雨水排水峰值形成更快。海綿城市概念的提出，就是充分利用現有資源，用時間換空間來解決雨水蓄和排的問題。雨水入滲地下，利用大地來存蓄雨水是一個有效的解決方案，只是城市提供雨水自然入滲地下的通道是越來越少。建設城市綠地、下凹場所、地下雨水調蓄池、地下蓄水池等等，是城市規劃建設要解決的問題。

　　1小區回填土壤蓄存雨水的提出

　　現今的建筑小區為了爭取最大的建筑面積，一般情況下是將整個小區的用地面積全部開挖后建成地下室。地面雨水除了按規劃要求設置的雨水調節池能接收部分調節雨水量外，其余大部分是由雨水管網系統排入市政雨水管網，雨水入滲地下，幾乎沒有條件。為了減輕小區排入市政雨水管網的雨水排水量，還有沒有其他可供儲蓄雨水的地方呢?筆者將目光投向到小區的綠化區域。對于建筑小區綠地率(居住區用地范圍內各類綠地面積的總和占居住區用地面積的比率)的規定，《城市居住區規劃設計規范》要求為:新區建設綠地率不應低于30%，舊區改建綠地率不宜低于25%;《成都市規劃管理技術規定(2014)》對住宅用地、住宅兼容商業服務業設施用地的綠地率規劃控制指標按為:第一分區≥25%，第二分區≥25%，第三分區≥30%，第四分區≥30%。以成都市建筑設計研究院的三個實際工程為例，印證小區的綠地情況:案例一，位于成都市金牛區金牛鄉金牛村的成都頤園項目，規劃建設凈用地面積73573.26m2，項目總容積率約0.719，建筑密度約22.79%，總規劃建筑面積約為88274.9m2，綠地率30.21%。案例二，成都正基一期項目，地上建筑面積58779.39m2，建筑層數為14～18層，建筑高度為54.3～78.7m，綠地率35.2%。案例三，位于成都市雙流縣的成都新鴻洋公司星空花園，規劃建設凈用地約56667.1m2。綠地率35%。對以上設計的典型建筑小區進行分析后，發現綠地率通常在30%～35%左右。建筑小區既然有一定比例的綠地，但它們有沒有蓄存雨水的能力呢?為此做進一步的研討分析。

　　2小區綠地土壤現狀分析

　　成都地區建筑小區內綠地土壤主要用于小區內花卉、草坪、地被、灌木、喬木等植物的種植。其綠地土壤多采用自然土，主要為酸性紫色土，母質為石灰性紫色砂頁巖，全剖面呈均一的紫色或紫紅色，結構較為松散，總孔隙度在40%左右。建筑小區綠地根據植被類型不同，對土壤厚度要求是不一樣的。對本文案例三個小區的調查結果如表1所示。根據表1結果，建筑小區土壤厚度通常在0.2～1.0m之間。小區中土壤的含水率隨季節是變化的，而且變化很大。調查結果顯示，成都建筑小區內，降雨間隙期內的土壤含水率通常在15%～20%左右。另外，有一個問題值得引起重視，就是在建筑小區內覆土層中，實際的下層回填土并沒有按設計要求進行回填，回填土中含有大量的建筑垃圾。因此，小區內綠地回填土的孔隙率和含水率還值得作進一步的探討和研究。

　　3降雨入滲過程中土壤含水率變化情況的理論分析

　　降雨入滲是降雨滲入土體形成土壤水的基本水文過程。降雨經植被層的截流損失后降落入土壤表面，在土壤界面發生水分的分配和轉化，部分水分通過土壤孔隙入滲，部分水分在土壤表面蒸發，其余水分將沿坡面流動匯集形成地表徑流。對于一次降雨過程來說，降雨期間地表水汽含量近于飽和，土壤表面蒸發量可以忽略不計，而地表徑流是在降雨強度超出土壤下滲容量時產生的，故土壤積蓄雨水的能力決定了降雨雨量的分配。通常情況下，土壤含水率沿深度方向變化。1943年，貝德曼(Bedman)和科爾曼(Colman)在考察均質土層下滲過程中土壤水分剖面變化情況時發現，不同的土壤，盡管它們在下滲過程中，土壤水分剖面的具體變化不完全相同，但都可以劃分為四個有明顯區別的水分帶(圖1)[2]。最上層為飽和帶，這一帶厚度不大，一般不到1.5cm，而且隨著降水時間的增長，這一厚度變化緩慢。飽和帶以下為水分傳遞帶，這是一個土壤含水量沿深度分布比較均勻、厚度較大的非飽和土層，其厚度隨供水時間的增長不斷增加，土壤含水量介于田間持水量和飽和含水量之間，約為飽和含水量的60%～80%。水分傳遞帶以下為濕潤帶，它是連接水分傳遞帶和濕潤鋒的水分帶。在這一帶中，土壤含水量沿深度迅速減小，并且在下滲過程中不斷下移。這一帶的平均厚度也大體保持不變。濕潤帶與下滲水尚未涉及到的土壤的交界面稱為濕潤鋒。在濕潤鋒處，土壤含水量梯度很大，因此在該處將有很大的土壤水分作用力來驅使濕潤鋒繼續下移。濕潤鋒是一個土壤間的接觸面，故又稱為濕潤鋒面或下滲鋒面。降雨入滲的過程就是土壤中含水率動態變化的過程。

　　4不同厚度、不同初始含水率的土壤積蓄雨水能力理論測算結果

　　由于氣候條件的影響，土壤中的含水量是不一樣的。那么，初始含水量不同的土壤，其蓄水狀況又是如何的呢?依據周春華等研究的理論模型[3]，對深度在0.60～1.80m，初始含水率在12%～24%范圍內的土壤積蓄能力進行了理論計算，結果如表2所示。從表2可以看出，土壤積蓄雨水的能力與土壤厚度成正比，土壤厚度越大，其積蓄雨水的能力越強;土壤積蓄雨水的能力與土壤初始含水率成反比，土壤初始含水率越高，其積蓄雨水的能力越弱。以覆土厚度1.20m為例，在初始含水率為15%時，其土壤積水量可達177.8mm;而在初始含水率為21%時，其土壤積水量則減少到106.7mm。

　　5不同重現期暴雨過程累計入滲量的理論計算結果

　　以草地植被為例，參照劉目興等建立的計算模型[4]，按成都市降雨雨型對不同重現期暴雨過程的累計入滲量進行理論計算，結果如表3所示。根據以上數據的分析，可以得出以下結論:(1)隨初始含水率的增大，累計入滲量增大。這主要是由于初始含水率由土壤結構決定，初始含水率越大，土壤的孔隙度和孔隙率越大，入滲速度越大。(2)暴雨重現期增大，累計入滲量也增大，但增幅變小。這主要是由于土壤積蓄雨水的能力受降雨強度影響，隨暴雨強度的增大，土壤積蓄能力受限。根據以上結果，可見當初始含水率為15%的草地，在3a重現期的成都暴雨雨型下，可以入滲量233.86mm的雨水量。

　　6建筑小區土壤厚度變化的經濟性分析

　　由于用地緊張，建筑小區地上部分主要用于居住建筑、道路，通過地下車庫的建設來滿足車位要求，并在地下室頂板覆土層實施景觀、綠化。在這樣的條件下，設計建筑小區土壤厚度時，應結合地下室頂板結構條件進行經濟性分析。以標準柱網為例(8m×8m，柱截面600mm×600mm)，頂板板厚180mm，主梁截面400mm×800mm、450mm×900mm，次梁采用井字梁250mm×600mm、250mm×700mm;頂板上覆土厚度分別取0.6m、0.9m、1.2m、1.5m;活荷載考慮景觀取8kN/m2(因消防車道分部范圍有限，不具代表性，本次研究未作考慮)。根據PKPM計算結果，對不同覆土厚度的混凝土、鋼筋用量統計見表4。由表4可知，土壤厚度從0.9m增加到1.2m時，鋼筋增量為8%;而土壤厚度從1.2m增加到1.5m時，鋼筋增量為13%。土壤厚度變大，經濟性變差。地下室頂板覆土厚度控制在0.9～1.2m的厚度較為合適。

　　7結論

　　城市建筑小區內土壤具有一定的積蓄雨水能力。通過以上的探討，可以認為在城市建筑小區內，土壤厚度越大，其蓄水能力越強。但是，城市建筑小區由于受工程建設特定性質的約束，土壤厚度是有一定的限制的。經粗略研究，認為城市建筑小區內土壤厚度設置在1.0～1.2m，基本滿足常用的雨水設計重現期要求，而且，對于土壤中的積水排放也是合理的。影響土壤積蓄雨水能力的外界條件太多，還有很多的問題值得更加深入地進行研究探討。

　　參考文獻

　　[1]芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

　　[2]周春華.大埋深條件下降雨入滲補給過程分析[D].長安大學，2007.

　　[3]劉目興，聶艷，于婧.不同初始含水率下粘質土壤的入滲過程[J].生態學報，2012(2):871-878.

　　作者：廖楷 單位：成都市建筑設計研究院

　　推薦期刊：《建筑工程技術與設計》本刊將采用圖文聲像多種形式，介紹建筑工程領域新技術、新工藝，反映建筑工程領域新成果、新進展，促進建筑工程行業交流，為推動我國建筑科學技術發展服務。