道路生態(tài)化排水與雨洪風(fēng)險關(guān)系研究

文｜ 鎮(zhèn)江市規(guī)劃設(shè)計研究院 李馨

1 研究背景及意義

排水防澇，是維系一個城市生存、發(fā)展的生命線，對每個城市來說，都是一個必須解決而又任重道遠(yuǎn)的命題。我國傳統(tǒng)排水管道建設(shè)模式主要通過提高城市管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或增加灰色排水基礎(chǔ)設(shè)施等措施來應(yīng)對內(nèi)澇洪災(zāi)。傳統(tǒng)排水思路和灰色基礎(chǔ)設(shè)施雖能有效緩解內(nèi)澇災(zāi)害，但是建設(shè)成本較高，而且無法解決水資源浪費的問題。海綿城市是當(dāng)下我國力推以解決城市雨洪管理難題的新建設(shè)模式。海綿城市的本質(zhì)是改變“快排”的傳統(tǒng)排水方式，實現(xiàn)與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。與傳統(tǒng)雨水管理方法相比，海綿城市不僅能夠降低管網(wǎng)造價、減輕地表徑流污染、提高雨水利用率，更可以減少道路綠化用水，降低綠地養(yǎng)護成本。

海綿城市作為新的城市建設(shè)模式，理論與實踐依據(jù)相對缺乏，需要在工程實踐中不斷探索。本文選取工程實例，通過數(shù)學(xué)模型模擬評估，研究道路生態(tài)化設(shè)計采用傳輸型草溝、生態(tài)草溝和生態(tài)樹池的組合形式時，年徑流總量控制率與道路內(nèi)澇重現(xiàn)期之間的關(guān)系，旨在為道路海綿城市設(shè)計提供理論依據(jù)，促進海綿城市建設(shè)。

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

本文選取工程實例——北汽大道作為研究對象，北汽大道（鎮(zhèn)榮公路-茅以升大道）設(shè)計采用城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，紅線寬40米，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面采用三塊板橫斷面型式：機動車道17.0米，機非分隔帶2×3.5米，非機動車道2×4.0米，人行道2×4.0米。

北汽大道沿線高層控制點主要有鎮(zhèn)榮公路、旺北路、上河路、茅以升大道，道路最大縱坡0.5%，最小縱坡0.3%。

2.2 SWMM模型建立

將道路排水施工圖中的管徑、坡度、長度、標(biāo)高等數(shù)據(jù)輸入到SWMM模型中，形成數(shù)據(jù)模型，選取其中一段僅收集路面匯水的管段，作為數(shù)據(jù)分析研究的對象，如圖1-3所示。

本次研究采用鎮(zhèn)江市典型暴雨過程，歷時24小時，雨型及24h設(shè)計降雨量見圖1-4和表1.1。

2.3 LID設(shè)施

圖1-1 道路橫斷面布置圖

圖1-2 道路豎向圖

北汽大道LID設(shè)施采用傳輸型草溝、生態(tài)草溝和生態(tài)樹池的形式，將部分機非分隔帶設(shè)置為傳輸型草溝或生態(tài)草溝，收集非機動車道和機動車道徑流雨水。傳輸型草溝主要布置在機非分隔帶起端入流，作用為傳輸徑流。生態(tài)滯留草溝布置在傳輸型草溝下游，作用為凈化雨水、滯蓄雨水。

傳輸型草溝和生態(tài)草溝表層下凹30cm，縱向坡度和道路坡度一致；生態(tài)草溝主要布置在傳輸型草溝的下游，底部布設(shè)排水盲管，采用排水層（5-14mm礫石）、過渡層（礫石砂/粗砂）、過濾透水層(透水性土壤)分層回填。生態(tài)樹池主要布置在人行道上，收集人行道的雨水徑流，生態(tài)樹池結(jié)構(gòu)采用U型槽的形式，下凹30cm，種植土層厚40cm，碎石層厚40cm。生態(tài)草溝和生態(tài)樹池大樣分別如圖1-5、1-6 所示。

3 主要技術(shù)成果

本研究主要探討道路采用生態(tài)化設(shè)計時，不同年徑流總量控制率（75%、80%和85%）與道路內(nèi)澇重現(xiàn)期（30年、50年和100年）之間的關(guān)系。其中，道路生態(tài)化排水匯水范圍主要針對道路自身，不包括周邊地塊。道路生態(tài)化設(shè)計采用“傳輸型草溝→生態(tài)滯留草溝”和“傳輸型草溝+生態(tài)樹池”兩種組合形式，分析年徑流總量控制率與道路內(nèi)澇重現(xiàn)期之間的關(guān)系，并進行經(jīng)濟技術(shù)比較，分別得出各種年徑流總量控制率下的最優(yōu)組合。

年徑流總量控制率75%時，方案一共設(shè)置傳輸型草溝2200m，生態(tài)滯留草溝1500m；方案二設(shè)置傳輸型草溝2440米，生態(tài)樹池154個；年徑流總量控制率80%時，方案一共設(shè)置傳輸型草溝1300m，生態(tài)滯留草溝2400m；方案二設(shè)置傳輸型草溝3035米，生態(tài)樹池205個；年徑流總量控制率85%時，方案一未設(shè)置傳輸型草溝，設(shè)置生態(tài)草溝3700m；方案二設(shè)置傳輸型草溝3700米，生態(tài)樹池308個。

根據(jù)SWMM模型模擬結(jié)果，在暴雨重現(xiàn)期、LID設(shè)施組合和年徑流總量控制率三個影響因素影響下，對管道溢流量和削減的變化情況進行比較分析，得出道路選用哪種LID設(shè)施組合，能達(dá)到較高的年徑流總量控制率，抵御較高的內(nèi)澇風(fēng)險，同時造價更低，性價比更高。

3.1 不同暴雨重現(xiàn)期下，年徑流總量控制率與管道溢流量之間的關(guān)系

由圖1-7可得出，30年一遇暴雨重現(xiàn)期下，道路采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合時，年徑流總量控制率85%對應(yīng)的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合時，不同的年徑流總量控制率對應(yīng)的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態(tài)滯留草溝的LID設(shè)施組合。

在50年一遇暴雨重現(xiàn)期下，道路采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合時，年徑流總量控制率85%對應(yīng)的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合時，不同的年徑流總量控制率對應(yīng)的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態(tài)滯留草溝的LID設(shè)施組合。

由圖1-7可得出，100年一遇暴雨重現(xiàn)期下，道路采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合時，年徑流總量控制率85%對應(yīng)的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合時，不同的年徑流總量控制率對應(yīng)的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態(tài)滯留草溝的LID設(shè)施組合。

3.2 相同年徑流總量控制率下，傳統(tǒng)排水方式、生態(tài)化排水方式與管道溢流量之間的關(guān)系

道路年徑流總量控制率75%時，采用LID組合生態(tài)化設(shè)計的道路管道溢流量，低于傳統(tǒng)管道設(shè)計的管道溢流量。道路年徑流總量控制率80%時，采用LID設(shè)施組合生態(tài)化設(shè)計的道路管道溢流量，低于傳統(tǒng)管道設(shè)計的管道溢流量。道路年徑流總量控制率85%時，采用LID組合生態(tài)化設(shè)計的道路管道溢流量，低于傳統(tǒng)管道設(shè)計的管道溢流量。

3.3 相同年徑流總量控制率下，傳統(tǒng)排水方式、生態(tài)化排水方式與管道溢流量削減情況之間的關(guān)系

道路年徑流總量控制率75%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現(xiàn)期下，采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合形式削減的管道溢流量最大；道路年徑流總量控制率80%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現(xiàn)期下，采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合形式削減的管道溢流量最大；道路年徑流總量控制率85%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現(xiàn)期下，采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝LID設(shè)施組合形式削減的管道溢流量最大。

3.4 傳統(tǒng)排水方式與兩種生態(tài)化設(shè)施組合的經(jīng)濟性能比較

根據(jù)道路傳統(tǒng)管道與生態(tài)化設(shè)計布置方案，以及雨水管道和LID設(shè)施各工程量單價，得出傳統(tǒng)排水做法和兩種LID設(shè)施組合的主要工程總造價。

傳統(tǒng)管道與兩種LID設(shè)施總造價表

由上表可得出，采用生態(tài)化設(shè)計的道路工程總造價高于傳統(tǒng)排水方式的工程總造價。年徑流總量控制率越高，工程總造價越高。采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝的LID設(shè)施組合的工程總造價，略高于采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合的工程總造價。

4 結(jié)論與分析

本課題選取典型道路北汽大道進行管道模擬，分別對傳統(tǒng)排水方式，傳輸型草溝→生態(tài)草溝以及傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合的模擬結(jié)果進行分析、對比，同時對傳統(tǒng)排水方式和兩種LID設(shè)施組合的總造價進行對比，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)發(fā)生30年、50年或100年一遇暴雨重現(xiàn)期的降雨時，采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝的LID設(shè)施組合年徑流總量控制率越高，管道溢流量越?。徊捎脗鬏斝筒轀虾蜕鷳B(tài)樹池的LID設(shè)施組合管道溢流量與年徑流總量控制率大小基本無關(guān)，即生態(tài)樹池基本不能削減管道溢流量。因此，在發(fā)生同一暴雨重現(xiàn)期降雨時，采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝的LID設(shè)施組合優(yōu)于采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合。

（2）采用生態(tài)化設(shè)計的道路管道溢流量，低于傳統(tǒng)管道設(shè)計的管道溢流量。當(dāng)年徑流總量控制率一定時，暴雨重現(xiàn)期越大，可削減的管道溢流量越大；相同暴雨重現(xiàn)期時，傳輸型草溝→生態(tài)滯留草溝的LID設(shè)施組合削減的管道溢流量顯著高于傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合。因此，在年徑流總量控制率一定時，道路生態(tài)化設(shè)計采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝的LID設(shè)施組合優(yōu)于采用傳輸型草溝和生態(tài)樹池的LID設(shè)施組合。

（3）對傳統(tǒng)排水方式和兩種LID設(shè)施組合進行經(jīng)濟性能比較，采用生態(tài)化設(shè)計的總造價高于采用傳統(tǒng)排水方式的總造價；采用兩種LID設(shè)施組合的總造價相差不多。

（4）通過對兩種LID設(shè)施組合進行年徑流總量控制率、暴雨重現(xiàn)期和管道溢流量三者之間的比較，同時兩者造價相差不多，可得出采用傳輸型草溝→生態(tài)草溝的LID設(shè)施組合最優(yōu)。