市政道路下沉式綠地滲蓄性能探討

摘 要：本文以廈門市海滄區(qū)灌新路項(xiàng)目為例，探討了低滲透性土壤的滲蓄性能及改良方法、研究了土壤滲透性能、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比對(duì)綠地滲蓄性能的影響，提出了設(shè)計(jì)參數(shù)。在5年一遇重現(xiàn)期2h降雨條件下，粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比為1∶0.5時(shí)，綠地積水深度比原土減少1/2，滲透時(shí)間比原土減少3/4，當(dāng)配比為1∶1時(shí)，綠地?zé)o積水。綠地臨界蓄水深h0與土壤穩(wěn)定入滲率K呈線性減少關(guān)系，綠地下沉深度取0.1～0.25m，城市主干路下沉式綠地面積百分比f取15%～20%，次干路及支路f取10%，以期為下沉式綠地設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：海綿城市；下沉式綠地；雨水滲蓄；低滲透性土壤；Uwater-Drainage

中圖分類號(hào)：TU 98 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市的開發(fā)建設(shè)，城市下墊面變化越來越大，對(duì)水資源循環(huán)產(chǎn)生了較大的影響，1985—2018年，我國(guó)人工不透水面積增長(zhǎng)了11倍[1]。各地提倡海綿城市建設(shè)，通過建設(shè)低影響開發(fā)設(shè)施，對(duì)降雨及徑流進(jìn)行過程控制，使城市下墊面變化前后水文特征接近。城市道路的正常通行是城市發(fā)展及居民生活的基本保障，因此暴雨季節(jié)道路的順利排水至關(guān)重要。下沉式綠地因?qū)嵤┓奖?，生態(tài)效果好，在市政道路雨水調(diào)蓄方面應(yīng)用廣泛[2-3]。土壤滲透系數(shù)、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比等是影響下沉式綠地設(shè)計(jì)方案及滲蓄性能的關(guān)鍵因素，直接影響市政道路排水安全，本文結(jié)合廈門市海滄區(qū)灌新路市政道路項(xiàng)目，探討了低滲透性土壤的滲蓄性能及改良方法、計(jì)算分析了土壤滲透性能、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比對(duì)下沉式綠地滲蓄性能的影響，提出了設(shè)計(jì)過程的相關(guān)參數(shù)，用 Uwater-Drainage模型對(duì)研究對(duì)象的低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)效果進(jìn)行水文模擬計(jì)算與評(píng)價(jià)。

1 下沉式綠地的研究進(jìn)展

我國(guó)目前的下沉式綠地是基于生物滯留技術(shù)，通過增強(qiáng)雨水的地下滲透、凈化、蓄水、存儲(chǔ)等特征來維持下墊面開發(fā)前后的水文特征。下沉式綠地主要由地表蓄水層、種植層、下滲層、綠地植被等組成。任樹梅等[4]研究土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)0.3mm/min以上時(shí)，下沉式綠地調(diào)蓄能力、消減洪峰效果明顯，當(dāng)下沉深度為150mm，匯水區(qū)面積和綠地面積比為5時(shí)，不影響植物生長(zhǎng)。程江等[5]研究下沉綠地下沉深度為100～300mm，綠地面積比為10%～30%時(shí)，滲蓄效果較好。

2 實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

廈門市海滄區(qū)灌新路是廈門市“兩環(huán)八射”快速路網(wǎng)架構(gòu)的主要路段，道路等級(jí)為城市快速路，是廈門市海綿城市重要示范性道路。機(jī)動(dòng)車道寬為11.5m，輔道寬為7.5m，中央分隔帶寬為2.0m，人行道和非機(jī)動(dòng)車道寬均為2.5m。項(xiàng)目LID設(shè)施包括下沉式綠地及慢行系統(tǒng)的透水鋪裝。

排水組織如下。①車行道排水路徑：混凝土路面→路緣石開口→下沉式綠地。②人行道及非機(jī)動(dòng)車道排水途徑：透水鋪裝→土壤入滲→超量雨水徑流入下沉式綠地。③綠化帶排水途徑：綠化帶雨水→土壤下滲。④超量地表徑流→溢流井→雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。

本次選取100m路基標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段作為研究對(duì)象。排水組織分析如圖1所示。

2.2 土壤滲透性對(duì)下沉式綠地滲蓄的影響

廈門屬于沿海城市，根據(jù)土壤的結(jié)構(gòu)分布，一般為粉質(zhì)黏土、風(fēng)化花崗巖、砂土、粉砂等，土壤的滲透系數(shù)變化較大。研究項(xiàng)目原土為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)為4.16×10-6，滲透性較差。為了提高下沉式綠地的透水性，選取粒徑0.25mm左右的細(xì)砂，對(duì)下沉式綠地原土壤進(jìn)行改良，配置3種類型的下滲基質(zhì)：原土、粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比為1∶0.5、粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比為1∶1。根據(jù)改良方案，用雙環(huán)入滲法測(cè)定土壤下滲情況，測(cè)定結(jié)果用Horton 模型來分析土壤的滲透能力。經(jīng)過改良后土壤滲透系數(shù)為2.10×10-5～8.78×10-5，見表1。

根據(jù)改良土壤滲透性能，分析5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時(shí)2h的綠地雨水滲蓄性能。本次采用芝加哥雨型分析計(jì)算，5年一遇重現(xiàn)期2h的降雨量為78mm，5min降雨量峰值為12.6mm。不考慮地下水位、蒸發(fā)、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)等因素的影響，不同基質(zhì)配比積水及下滲情況結(jié)果[6]見表2。

結(jié)果表明，當(dāng)粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比1∶0.5時(shí)，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時(shí)2h，下沉式綠地蓄水深度為原土的1/2，滲透時(shí)間比原土縮短約3/4，當(dāng)粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比1∶1時(shí)，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時(shí)2h，下沉式綠地?zé)o積水，改良后基質(zhì)下滲效果明顯提高。根據(jù)積水深度、滲透時(shí)間、植物耐淹性能及經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目設(shè)置粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配置比為1∶0.5。

2.3 綠地下沉深度對(duì)滲蓄的影響

下沉深度是影響下沉式綠地雨水滲蓄的重要因素，在一定程度上，下沉深度越大，下沉式綠地的蓄水能力越強(qiáng)，減少雨水徑流，消減洪峰能力越明顯，但下沉深度太大，會(huì)對(duì)景觀效果產(chǎn)生一定影響，且不利于植物生長(zhǎng)。合適的綠地下沉深度既可以滿足調(diào)蓄水量需求又可保證景觀效果。用η表示下沉式綠地滲蓄雨水量與匯水面積內(nèi)降雨量的百分比，根據(jù)雨量平衡分析，得出公式（1）、公式（2）。

（1）

式中：Wx為下沉綠地儲(chǔ)水量，m3；Wc為下沉綠地滲水量，m3；h為降雨量，mm；F0為下沉綠地面積，㎡；F1為剩余匯流面積（扣除下沉綠地面積）㎡；ψ為徑流系數(shù)。

Wc=3600β×K×J×As×ts "（2）

式中：β為安全系數(shù)；K為土壤滲透系數(shù)，m/s；J為水力坡降；As為滲水下墊面面積，㎡；ts為下滲時(shí)間，h。

當(dāng)η為100%時(shí)，雨水全部進(jìn)入下沉式綠地滲蓄，道路不產(chǎn)生徑流，將此時(shí)的下沉式綠地蓄水深度定義為臨界蓄水深h0，ts取2h，得出公式（3）。

（3）

式中：h0，m；f為下沉式綠地面積與總匯水面積百分比。

設(shè)定邊界條件f為16.5%（對(duì)應(yīng)道路綠化帶寬度為3m，側(cè)分帶寬度為2.0m），在不同的K值下，計(jì)算設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1a、3a、5a、10a下的臨界蓄水深，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)以上分析結(jié)果，得出下沉式綠地臨界蓄水深與雨水量呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，雨水量越大，h0越大。在相同雨水量條件下，下沉式綠地臨界蓄水深與土壤穩(wěn)定入滲率呈線性減少關(guān)系，K值越大，h0越小。研究下沉式綠地粉質(zhì)黏土與細(xì)砂1∶1配比條件下，小于5年一遇降雨的h0為0，雨水可全部下滲，與表2的計(jì)算結(jié)果一致。研究下沉式綠地粉質(zhì)黏土與細(xì)砂1∶0.5配比條件下，重現(xiàn)期為1a、3a、5a、10a對(duì)應(yīng)的h0分別為0.10m、0.17m、0.21m、0.66m。當(dāng)下沉式綠地面積百分比不小于16.5%，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不大于5年一遇時(shí)，結(jié)合地區(qū)下沉式綠地一般滲透速率，對(duì)應(yīng)綠地下沉深度可取0.1～0.25m，既可以保證一定的蓄水量，又可保證多類型植物的正常生長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果與廈門市海綿城市建設(shè)技術(shù)規(guī)范及目前的相關(guān)研究一致。

2.4 下沉式綠地面積百分比對(duì)滲蓄的影響

將下沉式綠地面積與流入綠地總匯面積比定義為下沉式綠地面積百分比f，土壤滲透系數(shù)一定，f越大，下沉式綠地的調(diào)蓄能力越強(qiáng)。設(shè)定邊界條件，土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)為2.10×10-5m/s，蓄水深度為0.2m，計(jì)算不同下沉式綠地面積百分比f條件下，下沉式綠地的滲蓄情況，見表3。

在設(shè)定的邊界條件下，對(duì)不大于3年一遇的降雨來說，當(dāng)f≥20%時(shí)，滲蓄率η大于100，此時(shí)降雨全部進(jìn)入綠地滲蓄。對(duì)5年一遇的降雨來說，當(dāng)f≥25%時(shí)，滲蓄率η大于100，此時(shí)降雨全部進(jìn)入綠地滲蓄。廈門地區(qū)城市主干路及快速路設(shè)計(jì)重現(xiàn)期一般取5a，道路徑流控制率一般要求不小于70%，次干路及支路設(shè)計(jì)重現(xiàn)期一般取1a～3a，道路徑流控制率一般要求不小于55%，因此城市主干路及快速路下沉式綠地面積百分比f為15%～20%，次干路及支路下沉式綠地面積百分比f為10%。結(jié)合廈門快速路布置特點(diǎn)，本研究項(xiàng)目f為16.5%，對(duì)應(yīng)道路綠化帶寬度為3m，側(cè)分帶寬度為2m。

2.5 Uwater-Drainage模型分析

根據(jù)以上研究結(jié)果，項(xiàng)目下沉式綠地下滲基質(zhì)選取粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比1∶0.5進(jìn)行改良，基質(zhì)厚度為60cm，綠地下沉深度取0.2m，下沉式綠地面積百分比f為16.5%，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇，采用Uwater-Drainage模型對(duì)研究對(duì)象的低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)效果進(jìn)行水文模擬計(jì)算與評(píng)價(jià)[7]。

2.5.1 下沉式綠地指標(biāo)分析

模型計(jì)算分析結(jié)果見表4，當(dāng)達(dá)到片區(qū)規(guī)劃控制降雨量目標(biāo)26.8mm時(shí)，粉質(zhì)黏土作為下沉式綠地基質(zhì)層，有效蓄水深度為0.14m，蓄水下滲時(shí)間為19.0h，經(jīng)過1∶0.5原土細(xì)砂改良的基質(zhì)層，有效蓄水深度為0.12m，蓄水下滲時(shí)間為3.7h，改良后蓄水下滲時(shí)間明顯縮短，調(diào)蓄雨水可穩(wěn)定快速下滲，綠地景觀效果好。

2.5.2 LID設(shè)施前后雨水徑流分析

本研究對(duì)象LID設(shè)施包括下沉式綠地及人行道非機(jī)動(dòng)車道的透水鋪裝，對(duì)無LID設(shè)施下墊面及實(shí)施LID設(shè)施后下墊面進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中雨水徑流量曲線可以看出，降雨30min時(shí)雨量最大，出現(xiàn)洪峰，實(shí)施LID設(shè)施前后洪峰徑流量分別為133L/s和52L/s，最大徑流削減量可達(dá)到86L/s，LID設(shè)施可大大消減洪峰徑流量，且使用LID設(shè)施后，整個(gè)降雨過程徑流量降低均較明顯。

2.5.3 LID設(shè)施調(diào)蓄下雨水管網(wǎng)流量變化分析

對(duì)研究對(duì)象在相同降雨條件下的兩種情況進(jìn)行模擬：不計(jì)周邊地塊雨水匯入無LID設(shè)施；不計(jì)周邊地塊雨水匯入有LID設(shè)施，模擬重現(xiàn)期均為5年一遇。結(jié)果表明，當(dāng)降雨歷時(shí)30min時(shí)，雨水管道內(nèi)的水深達(dá)到最大，在無LID設(shè)施情況下，降雨量最大時(shí)的管道最大充滿度為0.36～0.38，在設(shè)有LID設(shè)施情況下，管道最大充滿度為0.14～0.15，在LID設(shè)施的調(diào)蓄下，道路路面雨水流量減少約62%。

3 結(jié)論

當(dāng)下沉式綠地土壤基質(zhì)滲透能力較差時(shí)，應(yīng)對(duì)土壤基質(zhì)進(jìn)行改良提高滲透性。以研究項(xiàng)目粉質(zhì)黏土基質(zhì)為例，粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比改良后（1∶0.5），滲透系數(shù)比原土提高約5倍，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時(shí)2h，下沉式綠地積水深度比原土減少1/2，滲透時(shí)間比原土縮短約3/4，粉質(zhì)黏土與細(xì)砂配比改良后（1∶1），滲透系數(shù)比原土提高約20倍，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時(shí)2h，下沉式綠地?zé)o積水。根據(jù)模擬結(jié)果，項(xiàng)目下沉式綠地原土與細(xì)砂配比改良后（1∶0.5），年徑流總量控制率為70%，下沉式綠地需要蓄水深度為0.12m，比原土壤基質(zhì)減少0.2m，下滲時(shí)間為3.7h，比原土壤基質(zhì)縮短15.3h，改良后的土壤基質(zhì)可保證多類型植物正常生長(zhǎng)。

在相同雨水量條件下，下沉式綠地臨界蓄水深與土壤穩(wěn)定入滲率呈線性減少關(guān)系，K值越大，h0越小。下沉式綠地面積百分比不小于16.5%，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不大于5年一遇時(shí)，結(jié)合地區(qū)下沉式綠地一般滲透速率，對(duì)應(yīng)綠地下沉深度可取0.1～0.25m。

設(shè)定邊界條件，土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)K=2.10×10-5m/s，蓄水深度為0.2m，城市主干路及快速路下沉式綠地面積百分比f為15%～20%，次干路及支路下沉式綠地面積百分比f為10%。

灌新路（環(huán)灣大道至煙廠段）項(xiàng)目已實(shí)施，海綿設(shè)施運(yùn)行良好，本文研究可為后續(xù)工程提供參考。

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