基于“海綿城市”理念的生態(tài)樹池對路面雨水排放的影響

胡國毅 王曉靜 王銀川

摘 要：我國許多城市暴雨內(nèi)澇頻發(fā)，通過引入生態(tài)樹池，可在一定程度上實現(xiàn)防治內(nèi)澇、水資源利用、景觀美化等多重效益。本文基于住房城鄉(xiāng)建設(shè)部《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，通過水量平衡法計算生態(tài)樹池相關(guān)設(shè)計參數(shù)，確定在一定匯水面積條件下，生態(tài)樹池的徑流削減率及不同重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)的峰流量削減量，并指出生態(tài)樹池能很好的改善區(qū)域管線綜合排水導(dǎo)流能力。

關(guān)鍵詞：海綿城市 生態(tài)樹池 年徑流體積削減率 峰流量削減量

Abstract：In many cities of China， the rainstorm waterlogging frequently， by introducing the ecological tree pool， can realize the multiple benefit waterlogging prevention， water resources utilization， landscaping in a certain extent. Based on the Ministry of housing and urban construction SpongeBob urban construction technology guide， low impact development of rainwater system construction "， by water balance method calculation ecological tree pool design parameters， determined under certain conditions of the catchment area， ecological tree pool of runoff reduction rate and different reproduce standard corresponding to the peak flow reductions， and points out that ecological tree pool can improve the regional Pipeline Comprehensive Drainage diversion ability.

Keywords：sponge city ecological tree pool Annual volume reduction rate Peak flow reduction

1 概述

目前，城市徑流雨水的排放大多采用“路面—雨水口—雨水口連接管—市政雨水管網(wǎng)”的傳統(tǒng)排水方式。暴雨時徑流量激增，并在匯入雨水口過程中沖刷起大量地表污染物，加大了雨水管網(wǎng)排水壓力并污染城市環(huán)境。依賴大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施和管網(wǎng)建設(shè)的傳統(tǒng)雨水排放思路已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代城市雨水排水排漬管理的要求。

為從源頭緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負(fù)荷、節(jié)約水資源、保護和改善城市生態(tài)環(huán)境，國家提出了建設(shè)“海綿城市”的新理念，提倡構(gòu)建低影響開發(fā)（LID） 雨水系統(tǒng)。“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。“海綿城市”強調(diào)以“慢排緩釋”和“源頭分散式”控制為主要規(guī)劃設(shè)計理念，為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供重要保障。

2 生態(tài)樹池基本工作原理及特點

生態(tài)樹池作為一種小型生物滯留設(shè)施，一般由種植土層、砂濾層、排水系統(tǒng)以及灌喬木組成[2]。生態(tài)樹池以其占地面積小、應(yīng)用靈活等優(yōu)點已成為國外街道普遍應(yīng)用的低影響開發(fā)設(shè)施，其收水口一般采用側(cè)篦形式，收集地表徑流后由土壤滲濾排入市政管道，是一種新型的道路生態(tài)雨水口。

生態(tài)樹池與原有雨水口的聯(lián)合應(yīng)用客觀上增加了道路排水口的數(shù)量，提高了路表排水設(shè)施的綜合排水能力，且相對于常規(guī)雨水口截污設(shè)施凈化效果更為理想，在一定程度上緩解了雨水口截污與快排的矛盾。徑流雨水經(jīng)樹池側(cè)壁集水口進入，流經(jīng)滲透系數(shù)較大的土壤過濾介質(zhì)，通過土壤中的微生物降解有機物、氮、石油類污染物等，同時沉淀和吸附有機污染物及重金屬。植物根系的存在起到了對營養(yǎng)物的吸收和蒸騰作用，樹池中多選用本地適應(yīng)性強且根系不太發(fā)達的植物[3]。經(jīng)土壤過濾后的雨水收集于底部穿孔管中排出，雨量大時超過蓄滲高度的雨水經(jīng)溢流管匯入雨水排水系統(tǒng)，同時可在樹池出水處設(shè)蓄水箱以收集雨水作綠地澆灑等用途[4]。

3 生態(tài)樹池設(shè)計參數(shù)

生態(tài)樹池系統(tǒng)的蓄水層厚度、滲透速率以及空隙儲水量決定了設(shè)施的徑流體積控制能力。在設(shè)施的蓄水層厚度、滲透系數(shù)、填料厚度等主要設(shè)計參數(shù)確定的情況下，單位面積的處理設(shè)施徑流體積控制能力確定，即固定面積場地內(nèi)處理設(shè)施面積率愈大，相應(yīng)雨水控制體積愈大。但考慮到建設(shè)經(jīng)濟性與場地規(guī)劃的實際可操作性，并非處理設(shè)施面積愈大愈好，應(yīng)結(jié)合設(shè)施造價與控制效率綜合考慮[5]。

參考生物滯留設(shè)施的“完全平衡水量體積削減法” [6]，樹池滲濾系統(tǒng)的單位時間內(nèi)可控制水量，見下式：

（1）

式中 V——計算時段內(nèi)進入生物滯留設(shè)施的雨水徑流量（m3）；

G——計算時段內(nèi)生物滯留設(shè)施填料層空隙的儲水量（m3）；

Vw——計算時段內(nèi)蓄水空間內(nèi)的儲水量（m3）；

S——計算時段內(nèi)雨水設(shè)施的下滲量（m3）。

（1）設(shè)施下滲量

計算時段內(nèi)設(shè)施的下滲量，如式

（2）

式中 K——設(shè)施滲透系數(shù)，因樹池底部設(shè)有排水管，該值取填料滲透系數(shù)即可（m/s）；

ht——蓄水層設(shè)計水深（m）；

df——種植土與填料層總厚度（m）；

Af——樹池滲濾系統(tǒng)的表面積（m2）；

T——計算時間，常按一場雨 120min 計算（min）。

（2）蓄水層儲水量

當(dāng)樹池滲濾設(shè)施的進水量大于土壤滲透量時，則會在樹池蓄水層中形成積水，則樹池表面最大積水量即為樹池蓄水高度與表面積乘積，如式（5-3）所示：

（3）

（3）空隙儲水量

（4）

式中 n——植土和填料層的平均空隙率，一般取0.3左右。

以武漢地區(qū)為例，種植土采用砂質(zhì)土壤，滲透系數(shù) K=5×10-6m/s；因樹池土一般需滿足小喬木根系的生長，現(xiàn)設(shè)計樹池種植土層厚度 df=0.8m；ht=0.2m。根據(jù)以上四式計算單位面積樹池的設(shè)計徑流總量為V=0.49m3。

4 全年削減的徑流體積和削減率計算

全年徑流體積削減量計算可以采用多年統(tǒng)計降雨量法。假定 Hmm 為雨水設(shè)施的設(shè)計降雨量，單次降雨能削減的徑流體積為 V1，V1對應(yīng)于 Hmm 的降雨量。根據(jù)多年降雨資料統(tǒng)計，年平均有 n 場雨，降雨量大于或等于 Hmm 的場數(shù)為 a，小于 Hmm 的場數(shù)為 b，則有 n=a+b，且 n 場雨對應(yīng)的降雨量為 Hi（i=1、2、…n），b 場雨對應(yīng)的降雨量為 Hi（i=1、2、…b）。則全年削減的徑流體積和削減率的計算式為：

（5）

（6）

式中：v——全年徑流體積削減量，m3；

η——體積削減率，%。

5 峰流量削減

由于匯流面內(nèi)的徑流雨水通過雨水貯存和滯留設(shè)施，致使徑流外排體積減少產(chǎn)流和峰值時間延后，進而達到削峰效果。當(dāng)未采用貯存及滯留設(shè)施時，峰值流量Qf （l /s）可按式傳統(tǒng)流量計算公式計算，其中集流時間Tc=t1+mt2+b。當(dāng)采用生物貯存或滯留設(shè)施時，假定匯集徑流雨水均匯集到設(shè)施中滯留，多余的雨水再流出，此時對下游來講，Tc值將不再僅是原來的t1 、t2和 b，還應(yīng)包括峰滯時間 t' ，即采用貯存設(shè)施和滯留設(shè)施后外排徑流較未采用這些設(shè)施的滯后時間，則有Tc=t1+mt2+b+ t'。其計算原理示意圖見圖 5.1所示， Td 使用設(shè)施后達到峰值流量的時間，則t'= Td-Tc，Te 為使用設(shè)施后下游開始產(chǎn)流的時間。假定下游從產(chǎn)流至達到峰值的時間仍為Tc，那么生物滯留設(shè)施對應(yīng)的設(shè)計規(guī)模應(yīng)為 0～ Te時間段，即峰滯時間 t' 產(chǎn)生的徑流體積。

（7）

式中：t1——地面集流時間，min；

m——管道折減系數(shù)；

t2——管道匯集時間，min；

A、C、n、b——地方參數(shù)。

圖5.1 峰流量削減原理圖

仍以生物滯留為例，采用上述原理計算設(shè)施一定規(guī)模條件下對不同實際降雨量的洪峰削減率，具體計算如下：

假定生物滯留設(shè)施的設(shè)計降雨量為 Hmm，當(dāng)重現(xiàn)期為 P 的降雨事件發(fā)生時，該規(guī)模對應(yīng)在 p 的降雨過程線的時間為tx，其值如下：

（8）

計算得出tx值，則該時間即為使用該規(guī)模的設(shè)施后的峰滯時間 t'。則t=tx+ Tc，峰值流量變?yōu)椋ù朔ǔ蔀榧鲿r間滯后法）：

（9）

假定重現(xiàn)期 P 對應(yīng)的峰值流量為Qmax ，則有該設(shè)施的削峰率為：

（10）

式中： Qmax ——洪峰流量，m3；

Qz ——經(jīng)生態(tài)樹池削減后的流量，m3；

γ——洪峰削減量，%。

假定匯水面積 F=700m2（即100m 四車道半寬面積，行車道寬3.5m）范圍內(nèi)，植株間距5m的 1.5m×1.5m正方形生態(tài)樹池[7]，在 100m 四車道的一側(cè)生態(tài)樹池面積為 45 m2。根據(jù)武漢市 1977—2006的降雨統(tǒng)計資料確定，道路徑流系數(shù)取 0.7，計算其對應(yīng)的年徑流體積削減率為48.6%。

根據(jù)2000年修編的漢口暴雨強度公式： （11），不同暴雨重現(xiàn)期對應(yīng)的洪峰削減量，見表1，

不同暴雨重現(xiàn)期樹池對徑流峰流量削減率 表1

暴雨重現(xiàn)期P 洪峰削減量γ

1 36.27%

2 32.5%

3 27.73%

一般雨水管道設(shè)計時均按照設(shè)計重現(xiàn)期的峰值流量進行設(shè)計。由于樹池的雨水蓄滲作用，道路徑流峰流量大大降低，即雨水管道所承擔(dān)的排放流量也相應(yīng)降低。

6 生態(tài)樹池與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的銜接設(shè)計

城區(qū)道路路表以雨水口泄水為主要排水途徑，在與樹池排水銜接設(shè)計時，可將樹池布置于雨水口上游，路面雨水沿橫坡匯至路側(cè)偏溝時，樹池進水口先于道路雨水口截留偏溝中徑流。當(dāng)樹池進水流量大于樹池處理能力，將從設(shè)施中溢流管排出，或偏溝縱坡較大時流速較快，在樹池進口處發(fā)生超越，只能由下游雨水口截留排除。假設(shè)生態(tài)樹池系統(tǒng)的進水口截留率為 100%時，當(dāng)降雨厚度不大于樹池設(shè)計規(guī)模時，理論上樹池將處理偏溝中所有流量；但當(dāng)降雨厚度超過樹池設(shè)計規(guī)模或降雨強度較大時，在樹池進水口時將產(chǎn)生超越流量，下游雨水口可截獲該部分流量。若偏溝流量超過樹池排水能力或偏溝中流速較大時，溢流或超越流量再由雨水口排放。該布置方法在降低市政管網(wǎng)排水負(fù)荷的同時，也保證了道路排水安全。

圖6.1 滲濾樹池-雨水口排水模式示意圖

生態(tài)樹池系統(tǒng)的排水管一般直接與市政管網(wǎng)相接，然而在老城區(qū)改造工程中，一些市政干管可能覆于人行道或行車道下，為避免道路的開挖影響正常社會生活，可通過樹池之間的相互連接，排至傳統(tǒng)雨水口中，由連接管排至市政干管。

7 結(jié)語

生態(tài)樹池作為一種生態(tài)排水設(shè)施，對于改善區(qū)域管線綜合排放能力，提高管線的綜合重現(xiàn)期十分有效。相對于下凹綠地、植被淺溝、雨水花園等低影響開發(fā)措施，生態(tài)樹池占地面積較小，應(yīng)用靈活性強，可分散設(shè)置，適用于用地較緊張的場地建設(shè)，如城市道路分隔帶、人行步道、停車場，以及公園、廣場等[8]。生態(tài)樹池也可在原有傳統(tǒng)樹池的設(shè)計上加以改造，無需額外規(guī)劃用地，很大程度上減小了因排水管徑的擴充或另外鋪設(shè)雨水管線所需耗費的人力、物力和財力，同時能夠?qū)崿F(xiàn)就地消納雨水徑流、減少外排雨水量、雨水資源化利用、改善生態(tài)環(huán)境等多種目標(biāo)。故生態(tài)樹池在我國“海綿城市”建設(shè)中具有很大優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]李俊奇、車伍、張雅君等.海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建. 北京：北京建筑大學(xué)，2014.10.

[2]Natural Resources Defense Council， 2001： Stormwater Strategies： Community Responses to Runoff Pollution.

[3]趙慧芳. 城市道路雨水就地利用技術(shù)研究. 北京：北京林業(yè)大學(xué)， 2008 .

[4]CRWA. A Comparative Analysis of Conventional Street Tree Pits and Stormwater Tree Pits for Stormwater Management in Ultra Urban Environments， 2009，3

[5]王文亮.雨水生物滯留技術(shù)實驗與應(yīng)用研究.北京：北京建筑大學(xué)， 2010.

[6]向璐璐. 雨水生物滯留技術(shù)設(shè)計方法與應(yīng)用研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué)， 2009.

[7]王文哲， 朱文倩， 梁青. 樹池在園林中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)技服務(wù)， 2010.

[8]USEPA. Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development （ LID） Strateg ies and Practices.

作者簡介

胡國毅（1988-），男，湖北武漢人，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事市政給水排水工程設(shè)計工作。