干旱區(qū)公路互通區(qū)雨水利用技術(shù)研究——以克拉瑪依—塔城和烏爾禾—阿勒泰高速公路為例

曹廣華，任 偉，李 元，張峻峰

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京100013）

0 引言

隨著地表水日漸匱乏、地下水水位下降，人們開(kāi)始研究雨水資源的合理利用，并受到國(guó)內(nèi)外廣泛重視[1]。日本、美國(guó)、新加坡、法國(guó)、瑞典等國(guó)都在開(kāi)發(fā)利用雨水[2]，將雨水利用范圍從生活用水?dāng)U展到城市用水和農(nóng)業(yè)用水。我國(guó)雨水利用方面的研究也逐漸得到發(fā)展。甘肅省水利廳聯(lián)合有關(guān)單位對(duì)集雨技術(shù)的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3]。中科院蘭州沙漠研究所在利用雨水集流技術(shù)改善干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境方面也做了部分工作[4]。

在我國(guó)，關(guān)于干旱區(qū)公路雨水利用技術(shù)方面的研究，目前大多僅限于理論上的分析探討或?qū)?guó)外技術(shù)的介紹[4-5]，如張艷杰和葉劍介紹了干旱半干旱區(qū)公路雨水集流、公路雨水蓄存、公路雨水利用的理論方法[6]。目前大多沒(méi)有對(duì)干旱區(qū)公路雨水利用技術(shù)做進(jìn)一步深入研究[7]，缺乏雨水利用技術(shù)應(yīng)用于西部干旱區(qū)的公路工程的具體實(shí)例[8]，特別是沒(méi)有開(kāi)展干旱區(qū)公路互通區(qū)雨水利用的技術(shù)研究。因此，本研究依托交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目課題，探索成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、實(shí)用耐久的雨水利用的技術(shù)，以期為干旱區(qū)公路互通區(qū)雨水利用技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 互通區(qū)雨水利用方案設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)理念

在西部干旱區(qū)，水尤為珍貴。然而對(duì)于公路而言，雨水既有有利的一面，也有不利的一面，妥善處理好公路和雨水的關(guān)系，對(duì)保證公路路域生態(tài)安全和公路路基安全至關(guān)重要。結(jié)合公路路基的設(shè)計(jì)規(guī)范，在滿足路基排水要求的前提下，采用滲透、滯留、貯存、利用的方法，完成對(duì)雨水的管理，依據(jù)互通區(qū)地理?xiàng)l件，因地制宜地開(kāi)展互通區(qū)雨水利用工程，實(shí)現(xiàn)造價(jià)額低、維護(hù)簡(jiǎn)單、實(shí)用耐久的目的。通過(guò)工程實(shí)踐，最大限度地發(fā)揮公路互通區(qū)天然降雨的生態(tài)效益。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的設(shè)計(jì)是一種實(shí)現(xiàn)公路互通區(qū)區(qū)域內(nèi)雨水收集、滯留、儲(chǔ)存、再利用的結(jié)構(gòu)工程，包括匯水邊溝、防滲層、種植土、單層卵石，配置鄉(xiāng)土植被。匯水邊溝是將路面、邊坡和互通區(qū)的降水匯聚到互通區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)雨水的匯流收集。防滲層是在互通區(qū)一定深度鋪設(shè)土工布，防止雨水滲入地下而流失。種植土可涵養(yǎng)雨水，是植被成活和生長(zhǎng)的載體。單層卵石壓覆種植土，可阻隔水分，避免其過(guò)度蒸發(fā)，同時(shí)起到吸熱保溫的作用。配置鄉(xiāng)土植被，容易成活，并形成互通區(qū)濕地景觀。整個(gè)結(jié)構(gòu)最大程度上實(shí)現(xiàn)了互通區(qū)內(nèi)天然降雨的生態(tài)效益。

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用互通區(qū)區(qū)域面積廣的特點(diǎn)，匯集雨水量大，結(jié)合已有工程設(shè)計(jì)，不用增加額外工程費(fèi)用，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，列入公路日常例行維護(hù)即可，一旦形成濕地景觀，配置的鄉(xiāng)土植被將長(zhǎng)期存在。

1.3 工程施工要點(diǎn)

互通區(qū)雨水利用要呈現(xiàn)生態(tài)效益，工程施工起著基礎(chǔ)性作用。工程施工過(guò)程中需要注意以下要點(diǎn)。

（1）匯水邊溝兩側(cè)的邊坡高度差保持在5～10cm。互通區(qū)路基和邊坡施工完畢，進(jìn)行互通區(qū)匯水邊溝和中部凹型施工。匯水邊溝施工時(shí)，靠近路基邊坡一側(cè)的匯水溝邊坡高度高于另一側(cè)邊坡高度5～10cm，以保證匯水溝雨量大時(shí)，雨水匯入互通區(qū)中部，而不會(huì)出現(xiàn)雨水流向路基一側(cè)，造成水毀路基的情況。

（2）推進(jìn)式鋪設(shè)土工布施工，保證土工布的完整。在鋪設(shè)土工布時(shí)，禁止機(jī)械直接在土工布上面采用倒退式施工方式覆設(shè)種植土，以免機(jī)械壓裂土工布，造成雨水漏失。建議采用推進(jìn)式施工，邊鋪設(shè)土工布邊覆設(shè)種植土，機(jī)械在種植土上施工，避免機(jī)械直接碾壓土工布，保證土工布的完整性。

（3）合理選擇撒播植物種時(shí)間，確保植物種生長(zhǎng)成活。在西部干旱區(qū)，植物物種撒播最佳時(shí)間是每年的6月中旬至7月中旬，該季節(jié)水熱條件達(dá)到最佳，建議在6月初撒播草籽，隨著雨季的出現(xiàn)，植物種子吸收水分和光熱，保證了植物物種的發(fā)芽率和成活率。

2 實(shí)例分析

G3014克拉瑪依—塔城高速公路的額敏東互通區(qū)，占地4 550m2，烏爾禾—阿勒泰高速公路的豐慶湖互通區(qū)，占地2 778m2，均屬于溫帶大陸性氣候，寒暑差異懸殊，干燥少雨，春秋季風(fēng)多，年平均氣溫8.6℃，最冷月份（1月）平均氣溫為-15.4℃。年平均降水量為108.9mm，蒸發(fā)量為2 692.1mm，是同期降水量的24.7 倍。全年無(wú)霜期232.3d。地貌類(lèi)型為綠洲荒漠區(qū)。本區(qū)野生荒漠植物主要有梭梭、紅柳、胡楊、半灌木的沙棗、枸杞、蘆葦?shù)取?/p>

由于兩處互通區(qū)均為平緩荒漠，依據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 018—97），結(jié)合路基橫斷面中邊坡坡比和高度，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)徑流量和降雨歷時(shí)，確定匯水邊溝與坡腳的安全距離為50cm，寬度為150cm，深度為50cm，在邊溝底部鋪設(shè)土工布。從互通區(qū)雨水收集邊溝向互通區(qū)中心位置，各個(gè)方向向中心位置流線形坡降設(shè)計(jì)，最大深度為80cm，最底層鋪設(shè)土工布。土工布上面覆蓋40cm 種植土，種植土上面覆設(shè)單層直徑為5～8cm的卵石。土木工程結(jié)束后，選擇適合耐旱灌草植被和叢生植被，如早熟禾、紫羊茅、黑麥草、蘆葦、駱駝刺和紅柳等，共同組成生態(tài)型雨水集流工程，隨著雨水條件成熟，植被生根發(fā)芽成長(zhǎng)，在互通區(qū)形成濕地生態(tài)景觀。

互通區(qū)雨水集流標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 互通區(qū)雨水集流工程標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)G3014克拉瑪依—塔城高速公路的額敏東互通區(qū)和烏爾禾—阿勒泰高速公路的豐慶湖互通區(qū)的實(shí)例研究，對(duì)干旱區(qū)雨水資源的利用進(jìn)行了理論探索和技術(shù)研究，在保障公路路基安全、滿足排水規(guī)范要求的情況下，為公路互通區(qū)雨水利用提供了一種的新型技術(shù)。本設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，造價(jià)低，維護(hù)簡(jiǎn)單，實(shí)用耐久，最大程度上實(shí)現(xiàn)了互通區(qū)內(nèi)天然降雨的生態(tài)效益。隨著項(xiàng)目研究的深入，將進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，提高干旱區(qū)雨水資源的利用效率，對(duì)西部干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善起到積極作用，實(shí)現(xiàn)西部地區(qū)交通建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 李小雁，龔家棟.半干旱區(qū)雨水集流研究進(jìn)展及其現(xiàn)狀[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，22（1）：88-92。

[2] 李鋒瑞.干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[3] 李小雁，龔家棟，高前兆.人工集水面臨界產(chǎn)流降雨量確定實(shí)驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2001,4（12）：516-522。

[4] 張艷杰，葉劍.干旱半干旱地區(qū)公路雨水集蓄利用[J].中國(guó)水土保持，2005（7）：12-13.

[5] 董濱，劉輝，張寶林，等.濱州北互通立交區(qū)邊坡綠化用水的集蓄利用[J].給水排水，2010（36）：165-168.

[6] 趙春愛(ài).對(duì)青海省高等級(jí)公路水資源資源利用技術(shù)的思考[J].青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（4）：77-81.

[7] 寧樊龍.黃土高原地區(qū)高速公路雨水集蓄利用[J].調(diào)查研究，2008（9）：33-34.

[8] 劉利，甄曉云.云南省農(nóng)村公路雨水收集潛力分析與收集利用探討[J].環(huán)境工程，2013（1）：230-232.