多措施一體化城市道路輔助排水設(shè)計(jì)

王玉倉(cāng) 任恩慧 劉 婕 李 悅 扎西普拉 張 敏，2

（1.上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海 201499；2.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)這一問(wèn)題都采取了相關(guān)措施[1-3]。而海綿城市建設(shè)，則是新一代城市雨洪管理的概念，是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化以及應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面均具有良好的“彈性”[4-9]?！昂＞d城市”的建設(shè)材料具有優(yōu)秀的滲水、抗壓、耐磨、防滑以及環(huán)保美觀、舒適易維護(hù)等特點(diǎn)[10-13]。

本文是基于海綿城市的建設(shè)理念，選取上海市中心城區(qū)——老靜安區(qū)為研究區(qū)域，利用ArcGIS模型構(gòu)建器（model Builder）以及數(shù)學(xué)線性回歸模型（Linear Probability model）構(gòu)建出新型的城市道路排水體系[14]，利用道路自然引流，三層復(fù)合道路壁牙儲(chǔ)水模型與下沉式廣場(chǎng)的有機(jī)結(jié)合將城市降雨積水區(qū)的積水引入城市綠地，從而有效地緩解因降雨引起的道路積水狀況。

1 研究區(qū)概況

本研究所選取的研究區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ性o安區(qū)。該區(qū)東西長(zhǎng)約2.9 km，南北寬約2.7 km，總面積7.62 km2。具體研究區(qū)位圖如圖1所示。該區(qū)域文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，擁有著文化之區(qū)的美稱。該城區(qū)功能與品位都位于上海市前列[14]，此外，該區(qū)正在著力建設(shè)成一個(gè)高質(zhì)量現(xiàn)代化城市環(huán)境示范區(qū)。然而，該區(qū)地勢(shì)低洼，人口與建筑密集，城市雨島效應(yīng)顯著，由暴雨造成的道路大面積積水狀況頻發(fā)，對(duì)中心城區(qū)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害下的道路積水改善研究具有代表性[14]。

圖1 研究區(qū)位圖

2 研究方法

2.1 研究技術(shù)路線圖（見(jiàn)圖2）

圖2 研究技術(shù)路線圖

2.2 降雨模型選取與模擬

2.2.1 模型選取與介紹

本研究選取張敏，孟憲紅等[14]最新建立的城市內(nèi)澇暴雨模擬模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行降雨模擬，根據(jù)研究：在不同的重現(xiàn)期下，考慮到降雨歷時(shí)、強(qiáng)度以及雨型，設(shè)計(jì)降雨情景，測(cè)試內(nèi)澇程度。根據(jù)國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 142—87）定義的暴雨強(qiáng)度公式[15]，再結(jié)合上海市區(qū)（徐家匯站1949～2012年）降雨的觀測(cè)資料，采用年最大值法選樣和耿貝爾頻率分布曲線，經(jīng)最小二乘法擬合得到的研究區(qū)降雨歷時(shí)-重現(xiàn)期-暴雨強(qiáng)度（t-Te-ip）公式為[16]：短歷時(shí)（t=5～120 min），

長(zhǎng)歷時(shí)（t=180～1 440 min），

式中：ip——暴雨強(qiáng)度（mm/min）；te——重現(xiàn)期（年）；t——降水歷時(shí)（min）。

2.2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)矢量邊界道路等數(shù)據(jù)是根據(jù)2012年分辨率為0.25的衛(wèi)星航片矢量化得到[15]，地形數(shù)據(jù)來(lái)源于上海市測(cè)繪院測(cè)定的1：500數(shù)字地面模型（DTM）。進(jìn)行儲(chǔ)水壁牙模型建立時(shí)的磚體類型，磚體滲水系數(shù)，抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地調(diào)研、問(wèn)卷調(diào)查，以及相關(guān)文獻(xiàn)搜集對(duì)比。

2.2.3 研究區(qū)降雨模擬

根據(jù)所構(gòu)建的降雨模型，選取20年一遇60 min單峰在前型暴雨模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行暴雨模擬[17-23]。經(jīng)過(guò)模擬可知降雨從開(kāi)始到40 min的時(shí)段，研究區(qū)積水面積和積水量逐漸增加，40 min左右時(shí)達(dá)到峰值，研究區(qū)最大積水量如圖3所示，總積水量為293 697.672 5 m3，40 min之后由于地下管道排水，積水量逐漸下降。

選取20年一遇60 min單峰在前型暴雨在研究區(qū)模擬達(dá)到最大積水量時(shí)提取道路積水量，經(jīng)過(guò)ArcGIS柵格計(jì)算計(jì)算出該暴雨情況下道路最大積水量為93 733.606 45 m3，平均積水深度為0.13 m，積水面積可達(dá)721 027.742 m2。

圖3 研究區(qū)積水覆蓋圖

2.3 三層復(fù)合道路壁牙儲(chǔ)水模型構(gòu)建（圖4）

該模型一共分為三層，兩側(cè)兩層為透水層，選用吸水透水性能較好且具有一定硬度的材料，主要用于將道路積水引入磚體內(nèi)部，再?gòu)牧硪粋?cè)緩慢滲透到道路兩旁的植被帶中，為植物根莖供水。中間層為儲(chǔ)水緩沖層，選用吸水性能強(qiáng)的材料從而起到短暫儲(chǔ)水的目的，具體材料的選取在下文詳細(xì)介紹。

圖4 儲(chǔ)水壁牙模型圖解

2.3.1 儲(chǔ)水壁牙模型需求分析

三層復(fù)合道路壁牙儲(chǔ)水模型是該城市道路排水模型建設(shè)的重要舉措之一，也是防止城市內(nèi)澇的關(guān)鍵性工具。而該儲(chǔ)水壁牙的制備材料選取和效果分析對(duì)比則是建設(shè)的最關(guān)鍵性一步，為了讓儲(chǔ)水壁牙在滿足硬度和抗壓力等限制因素允許范圍之內(nèi)，使得儲(chǔ)水壁牙的吸水和儲(chǔ)水效果達(dá)到最佳，本研究通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)不同吸水型材料和不同材料組合配比進(jìn)行對(duì)比，最終通過(guò)模型分別選擇出儲(chǔ)水壁牙每一層最適合的材料及組合配比。

儲(chǔ)水壁牙安放位置在設(shè)想中取代道路兩旁的道路壁牙，道路壁牙的結(jié)構(gòu)尺寸通常是990 mm×300 mm×60 mm，一般高出路面100 mm。傳統(tǒng)的路牙石是花崗巖材質(zhì)，透水性在0.13%左右，硬度在7左右，根據(jù)花崗巖組成成分不同稍有變化，本研究所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)水壁牙模型大小硬度均參照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2.3.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

本研究選取的數(shù)學(xué)模型是線性回歸模型（Linear Probability Model），該模型是指利用最小二乘法回歸得出表示各解釋變量與被解釋變量之間相關(guān)關(guān)系的回歸模型。然后利用模型選擇出吸水性和透水能力最佳的材料及組合配比。

磚體儲(chǔ)水總量的線性回歸模型為：

式中：y——儲(chǔ)水（吸水）總量（m3）；ai——第i層材料的儲(chǔ)水（吸水）系數(shù)（mm/s）；xi——吸水不同的時(shí)間（s）。

磚體每一層大?。w積）組合及分配模型為：

式中：Vi——指第i種分配方式下的磚體的總體積（m3）；b1——指第一層體積分配系數(shù)；b2——指第二層體積分配系數(shù)；b3——指第三層體積分配系數(shù)。

目標(biāo)值：選定一種磚體，使得y達(dá)到最大值。

3 新型城市道路積水排水體系構(gòu)建

該城市道路排水體系一共分為三部分，第一部分是以道路為排水渠，利用道路進(jìn)行積水導(dǎo)引。第二部分是創(chuàng)新壁牙儲(chǔ)水壁牙替換，采用新型道路壁牙模型，以壁牙為緩沖儲(chǔ)水區(qū)，實(shí)現(xiàn)道路積水快速吸收，第三部分是城市下沉式廣場(chǎng)，多余積水引導(dǎo)入城市下沉廣場(chǎng)統(tǒng)一處理。多措施一體化的城市自然排水設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 多措施一體化的城市自然排水設(shè)計(jì)示意圖

3.1 三層復(fù)合道路壁牙儲(chǔ)水模型數(shù)據(jù)分析

磚體類型如表1所示，磚體體積分配如表2所示。

表1 磚體類型 /mm

表2 磚體體積分配 /%

儲(chǔ)水壁牙體第一層與第三層考慮吸水能力強(qiáng)的材料，滲水是其最主要的作用，而第二層設(shè)計(jì)考慮的是儲(chǔ)水能力強(qiáng)的材料，確保整個(gè)磚體在能夠大量吸水的同時(shí)不會(huì)影響到壁牙另一邊的人行道、草地等。滲水能力材料選擇如表3所示，儲(chǔ)水能力材料選擇如表4所示，模型材料特點(diǎn)總結(jié)如表5所示。

表3 滲水能力材料選擇

表4 儲(chǔ)水能力材料選擇

表5 模型材料特點(diǎn)總結(jié)

根據(jù)表3、表4和表5進(jìn)行組合分配材料，列出表6所示組合。在進(jìn)行計(jì)算整個(gè)透水壁牙最終吸水（儲(chǔ)水）量之前，由于第二層材料吸水膨大的特殊性，需要考慮第二層磚體體積的大小，使其需要滿足不能吸完水后空間還有剩余，也不能使其吸水過(guò)多導(dǎo)致磚體破裂。最終經(jīng)過(guò)MATLAB計(jì)算分析與材料結(jié)合得出磚體3為最佳磚體大小，組合二為最佳材料體積分配。

表6 儲(chǔ)水壁牙組合配比

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

最終不同組合在不同時(shí)間尺度下吸（儲(chǔ)）水量如表7所示。

表7 單塊儲(chǔ)水壁牙最大儲(chǔ)水量 /m3

由表7可知，最大值在組合B，0.478 72 m3處。將現(xiàn)道路壁牙全部替換三層復(fù)合道路儲(chǔ)水壁牙。由此可計(jì)算出在40 min吸水量為30 111.488 m3，在20年一遇60 min單峰在前型暴雨最大積水情況下可減少32.12%的道路積水，平均積水深度降低到0.09 m（準(zhǔn)確數(shù)值是0.088 238 1），效果顯著。

3.3 道路引流與城市下沉式廣場(chǎng)

下沉式廣場(chǎng)的左右兩側(cè)均設(shè)置有人行道，通過(guò)道路的引流作用，可以將積水引入到下沉式廣場(chǎng)中。因市區(qū)綠地面積較少，可以在郊區(qū)低洼地區(qū)設(shè)置引入下沉式綠地，將地面積水引入到郊區(qū)下沉式綠地以及市區(qū)下沉式廣場(chǎng)中[24]。由于將水泥地面改為由鵝卵石及其他碎石組成的具有較大空隙的地面，使得積水更容易下滲，這樣可以高效地，快速地吸水，儲(chǔ)水，排水，有效地規(guī)避了傳統(tǒng)地面廣場(chǎng)由于暴雨造成的路面積水問(wèn)題[25-26]。此外，將下沉式綠地與廣場(chǎng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，不僅保證了水土的透水性，可以促進(jìn)樹(shù)木草植的生長(zhǎng)，將多余的積水有效利用起來(lái)，也提高了樹(shù)木對(duì)于生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力，有助于城市生態(tài)建設(shè)的發(fā)展。

4 城市道路積水排水體系的應(yīng)用展望

根據(jù)本文的研究表明，在現(xiàn)有的城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)之下，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的多措施一體化的城市自然排水系統(tǒng)應(yīng)用于城市排水建設(shè)中去，可以有效地改善城市道路積水問(wèn)題。由于市中心沒(méi)有大量綠地，因此在近郊開(kāi)辟下沉式綠地的方法，以道路本身的自然排水引流為基石，配合道路引流，將市中心大量路面積水引至郊區(qū)下沉式綠地或下沉式廣場(chǎng)。此外，通過(guò)20年一遇60分鐘單峰在前型暴雨數(shù)據(jù)模擬，新型三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的道路儲(chǔ)水壁牙可以減少約30%的道路積水，三者的有機(jī)結(jié)合將在城市未來(lái)規(guī)劃，創(chuàng)建綠色生態(tài)文明城市等方面起到重要作用。