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道路生态化排水与雨洪风险关系研究


【摘要】本课题选取典型三块板形式的道路——北汽大道,探讨道路生态化设计,不同年径流总量控制率(75%、80%和85%)与道路内涝重现期(30年、50年和100年)之间的关系。结果表明:相同暴雨重现期时,采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合年径流总量控制率越高,管道溢流量越小,传输型草沟和生态树池的LID设施组合管道溢流量与年径流总量控制率大小基本无关;传输型草沟→生态滞留草沟的LID设施组合削减的管道溢流量显著高于传输型草沟和生态树池的LID设施组合。采用生态化设计的总造价高于采用传统排水方式的总造价,但通对两种LID设施组合进行年径流总量控制率、暴雨重现期、管道溢流量以及造价等进行比较分析,可得出采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合最优。
 
【关键词】生态化排水;雨洪风险;年径流总量控制率;管道溢流量;造价
 
 
1 研究背景及意义
  排水防涝,是维系一个城市生存、发展的生命线,对每个城市来说,都是一个必须解决而又任重道远的命题。我国传统排水管道建设模式主要通过提高城市管道设计标准或增加灰色排水基础设施等措施来应对内涝洪灾。传统排水思路和灰色基础设施虽能有效缓解内涝灾害,但是建设成本较高,而且无法解决水资源浪费的问题。海绵城市是当下我国力推以解决城市雨洪管理难题的新建设模式。海绵城市的本质是改变“快排”的传统排水方式,实现与资源环境的协调发展。与传统雨水管理方法相比,海绵城市不仅能够降低管网造价、减轻地表径流污染、提高雨水利用率,更可以减少道路绿化用水,降低绿地养护成本。
  海绵城市作为新的城市建设模式,理论与实践依据相对缺乏,需要在工程实践中不断探索。本文选取工程实例,通过数学模型模拟评估,研究道路生态化设计采用传输型草沟、生态草沟和生态树池的组合形式时,年径流总量控制率与道路内涝重现期之间的关系,旨在为道路海绵城市设计提供理论依据,促进海绵城市建设。
 
2 工程概况及模型建立
  2.1 工程概况
  本文选取工程实例——北汽大道作为研究对象,北汽大道(镇荣公路-茅以升大道)设计采用城市主干路标准,红线宽40米,标准横断面采用三块板横断面型式:机动车道17.0米,机非分隔带2×3.5米,非机动车道2×4.0米,人行道2×4.0米。
  北汽大道沿线高层控制点主要有镇荣公路、旺北路、上河路、茅以升大道,道路最大纵坡0.5%,最小纵坡0.3%。
  2.2 SWMM模型建立
  将道路排水施工图中的管径、坡度、长度、标高等数据输入到SWMM模型中,形成数据模型,选取其中一段仅收集路面汇水的管段,作为数据分析研究的对象,如图1-3所示。
  本次研究采用镇江市典型暴雨过程,历时24小时,雨型及24h设计降雨量见图1-4和表1.1。
  2.3 LID设施
  北汽大道LID设施采用传输型草沟、生态草沟和生态树池的形式,将部分机非分隔带设置为传输型草沟或生态草沟,收集非机动车道和机动车道径流雨水。传输型草沟主要布置在机非分隔带起端入流,作用为传输径流。生态滞留草沟布置在传输型草沟下游,作用为净化雨水、滞蓄雨水。
  传输型草沟和生态草沟表层下凹30cm,纵向坡度和道路坡度一致;生态草沟主要布置在传输型草沟的下游,底部布设排水盲管,采用排水层(5-14mm砾石)、过渡层(砾石砂/粗砂)、过滤透水层(透水性土壤)分层回填。生态树池主要布置在人行道上,收集人行道的雨水径流,生态树池结构采用U型槽的形式,下凹30cm,种植土层厚40cm,碎石层厚40cm。生态草沟和生态树池大样分别如图1-5、1-6 所示。
 
3 主要技术成果
  本研究主要探讨道路采用生态化设计时,不同年径流总量控制率(75%、80%和85%)与道路内涝重现期(30年、50年和100年)之间的关系。其中,道路生态化排水汇水范围主要针对道路自身,不包括周边地块。道路生态化设计采用“传输型草沟→生态滞留草沟”和“传输型草沟+生态树池”两种组合形式,分析年径流总量控制率与道路内涝重现期之间的关系,并进行经济技术比较,分别得出各种年径流总量控制率下的最优组合。
  年径流总量控制率75%时,方案一共设置传输型草沟2200m,生态滞留草沟1500m;方案二设置传输型草沟2440米,生态树池154个;年径流总量控制率80%时,方案一共设置传输型草沟1300m,生态滞留草沟2400m;方案二设置传输型草沟3035米,生态树池205个;年径流总量控制率85%时,方案一未设置传输型草沟,设置生态草沟3700m;方案二设置传输型草沟3700米,生态树池308个。
  根据SWMM模型模拟结果,在暴雨重现期、LID设施组合和年径流总量控制率三个影响因素影响下,对管道溢流量和削减的变化情况进行比较分析,得出道路选用哪种LID设施组合,能达到较高的年径流总量控制率,抵御较高的内涝风险,同时造价更低,性价比更高。
  3.1 不同暴雨重现期下,年径流总量控制率与管道溢流量之间的关系
  由图1-7可得出,30年一遇暴雨重现期下,道路采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合时,年径流总量控制率85%对应的管道溢流量最小,80%时次之,75%时最大;道路采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合时,不同的年径流总量控制率对应的管道溢流量基本无变化。传输型草沟和生态树池的LID设施组合的管道溢流量整体大于传输型草沟→生态滞留草沟的LID设施组合。
  在50年一遇暴雨重现期下,道路采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合时,年径流总量控制率85%对应的管道溢流量最小,80%时次之,75%时最大;道路采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合时,不同的年径流总量控制率对应的管道溢流量基本无变化。传输型草沟和生态树池的LID设施组合的管道溢流量整体大于传输型草沟→生态滞留草沟的LID设施组合。
  由图1-7可得出,100年一遇暴雨重现期下,道路采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合时,年径流总量控制率85%对应的管道溢流量最小,80%时次之,75%时最大;道路采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合时,不同的年径流总量控制率对应的管道溢流量基本无变化。传输型草沟和生态树池的LID设施组合的管道溢流量整体大于传输型草沟→生态滞留草沟的LID设施组合。
  3.2相同年径流总量控制率下,传统排水方式、生态化排水方式与管道溢流量之间的关系
  道路年径流总量控制率75%时,采用LID组合生态化设计的道路管道溢流量,低于传统管道设计的管道溢流量。道路年径流总量控制率80%时,采用LID设施组合生态化设计的道路管道溢流量,低于传统管道设计的管道溢流量。道路年径流总量控制率85%时,采用LID组合生态化设计的道路管道溢流量,低于传统管道设计的管道溢流量。
  3.3相同年径流总量控制率下,传统排水方式、生态化排水方式与管道溢流量削减情况之间的关系
  道路年径流总量控制率75%时,在30年、50年和100年一遇暴雨重现期下,采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合形式削减的管道溢流量最大;道路年径流总量控制率80%时,在30年、50年和100年一遇暴雨重现期下,采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合形式削减的管道溢流量最大;道路年径流总量控制率85%时,在30年、50年和100年一遇暴雨重现期下,采用传输型草沟→生态草沟LID设施组合形式削减的管道溢流量最大。
  3.4传统排水方式与两种生态化设施组合的经济性能比较
  根据道路传统管道与生态化设计布置方案,以及雨水管道和LID设施各工程量单价,得出传统排水做法和两种LID设施组合的主要工程总造价。
  由上表可得出,采用生态化设计的道路工程总造价高于传统排水方式的工程总造价。年径流总量控制率越高,工程总造价越高。采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合的工程总造价,略高于采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合的工程总造价。
 
4 结论与分析 
  本课题选取典型道路北汽大道进行管道模拟,分别对传统排水方式,传输型草沟→生态草沟以及传输型草沟和生态树池的LID设施组合的模拟结果进行分析、对比,同时对传统排水方式和两种LID设施组合的总造价进行对比,得出以下结论:
  (1)当发生30年、50年或100年一遇暴雨重现期的降雨时,采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合年径流总量控制率越高,管道溢流量越小;采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合管道溢流量与年径流总量控制率大小基本无关,即生态树池基本不能削减管道溢流量。因此,在发生同一暴雨重现期降雨时,采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合优于采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合。
  (2)采用生态化设计的道路管道溢流量,低于传统管道设计的管道溢流量。当年径流总量控制率一定时,暴雨重现期越大,可削减的管道溢流量越大;相同暴雨重现期时,传输型草沟→生态滞留草沟的LID设施组合削减的管道溢流量显著高于传输型草沟和生态树池的LID设施组合。因此,在年径流总量控制率一定时,道路生态化设计采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合优于采用传输型草沟和生态树池的LID设施组合。
  (3)对传统排水方式和两种LID设施组合进行经济性能比较,采用生态化设计的总造价高于采用传统排水方式的总造价;采用两种LID设施组合的总造价相差不多。
  (4)通过对两种LID设施组合进行年径流总量控制率、暴雨重现期和管道溢流量三者之间的比较,同时两者造价相差不多,可得出采用传输型草沟→生态草沟的LID设施组合最优。
 


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