結合城市立交體系的雨水生態收集利用系統設計
——以合肥金寨路高架為例

陳慶澤，茅煒梃，李駿豪

（合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230601）

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結合城市立交體系的雨水生態收集利用系統設計
——以合肥金寨路高架為例

陳慶澤，茅煒梃，李駿豪

（合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230601）

文章試圖將城市中典型的“灰空間”——高架橋下空間與雨水生態收集利用設施結合起來，構建線型生態基礎設施，在我國海綿城市建設領域探索新的有益的形式。

海綿城市；高架橋下空間；雨水生態循環系統；植物選擇

1　緒論

1.1研究現狀

水這種看似廉價的資源，如今卻因局部區域的持續性干旱和災難性洪水成為日益嚴重的問題根源。特別是自然降水異常和城市水循環系統不完善所造成的城市內旱和內澇，成為制約城市發展、影響居民生活的重要因素。

現如今，針對上述的城市水問題，歐美等地區提出了“雨水園”這個全新的概念，其關鍵在于如何利用園林景觀降低公共排水系統中雨水的流失率。

國內之前雖然有一些相關的論文文獻，但鮮有具體實踐。2015初，中央發出“建設海綿城市”的號召，這要求我們更加重視城市基礎設施與雨水生態處理的結合。

1.2研究方法及創新點

①通過先進合理的技術解決大城市建設中出現匯水排水問題，實現水資源的可持續利用；②改變以往城市雨水直接管道排水的方式，采用更為生態自然的方式進行雨水的處理；③城市水系統引入雨水花園的新概念，通過設計方案，為“海綿城市”的建設貢獻自己的力量；④雨水花園與城市立體交通綠化帶的結合，豐富了交通綠化與交通雨水相關設施建設的思路；⑤雨水花園的對于周邊區域的氣候的調節，有利于減緩城市“熱島效應”；⑥立交橋“灰空間”的利用新思路。

2　實地考察選址探討

金寨路高架橋南起312國道匝道跨線橋的北側，全長7.5km。橋梁標準寬度雙向6車道25.5m，是合肥市第一座高架橋。

經實地考察，將本次設計選取高架橋段從312國道高架橋入口開始，北至十五里河結束，長約1.4km（圖1）。

圖1　本次研究選取高架橋段

3　雨水生態收集處理系統的構建模式探討

我們試圖構建一個高架橋下的雨水收集、凈化、存儲的循環系統，它無需耗費太多能源，只需對現有的道路、排水設施進行適度適量的改造，城市雨澇時期吸收、收集雨水，旱期時則反補橋下綠色空間與河流。

根據構想，系統可分為高架橋雨水收集設施、地表雨水鏈、地下雨水鏈、新能源輔助提水泵這四個方面。高架橋周邊的雨水經收集進入地表雨水鏈，進行較長時間的流動、下滲、蒸發、凈化、滯留，再進入地下雨水鏈實現存儲和排放，旱期時則通過提水泵將存儲的雨水提上來對橋下綠地進行反補（圖2）。

3.1高架橋雨水收集設施——虹吸式主動集水設施

虹吸式雨水排水系統是一套主動排水系統，從對它的結構特點分析中可以看出：新型排水系統較傳統排水系統的優勢在于強降雨條件下能夠形成滿流狀態，產生虹吸作用，加大排水管道對高架橋面匯水的抽吸作用，提高排水系統的泄流能力（圖3）。

圖2　系統循環過程示意

圖3　虹吸集水系統示意

3.2地表雨水鏈——高架橋下綠地改造

地表雨水鏈可大致分為橋墩底部種植池、層級式落水帶、橋下綠地滲透帶、滯留池四個部分，所承擔的任務主要是雨水的流動、凈化、自然下滲、補充地下水。

①雨水沿著落水管首先落入橋墩底部種植池。該部分承受的雨水沖擊力最大，因此種植土表面應該覆蓋較厚的礫石以防水土流失、促進雨水下滲；且種植的植物根系應較深，具有較好的固土能力，且具備一定耐陰耐濕性。

②層級式落水帶的功能為促進雨水自然下滲、進一步凈化雨水、降低水速。帶狀結構以便將各個橋墩底部種植池連接起來，使得雨水能在其中進行較長時間的自然流動，從而實現更多的下滲。層級式則增強了對雨水的凈化作用。該部分種植土表面也應覆蓋一定厚度的粗顆粒，且植物應具備良好的凈水效果和較強的耐陰耐濕性。

③橋下綠地滲透帶為整個地表雨水鏈的主要組成部分，也是關鍵性部分，其形態類似于小型的濕地。經過橋墩底部種植池、層級式落水帶進行減速和初步凈化的雨水最終都自然溢流進入該部分。它的意義有以下幾點：第一，使雨水更長時間、更大面積地與土壤接觸，通過自然下滲而補充地下水；第二，使雨水得到更多的蒸發與蒸騰，調節整條道路的微氣候；第三，使雨水再進一步得到凈化，達到能夠回收利用的標準。為了增強下滲與凈化的效果，我們建議將表層約十公分厚的原土用混合土代替——50%的砂礫、20%的有機質、30%的壤土（圖4）。

圖4　層級式落水帶、橋下綠地滲透帶示意

④地表雨水鏈每隔一段應設置一個滯留池，作為一段的末端以及與地下相連接的部分。它能夠有效地對雨水進行存儲、凈化與吸收，且其周邊豐富蓬勃的植物給灰色的橋下空間增添活力。在其中設置一定高度的溢水口，通過管道與地下排水管相連。當滯留池中水位達到一定高度，水就會自然進入地下雨水鏈，實現進一步的運輸、存儲或排放（圖5）。

圖5　滯留池示意

3.3地下雨水鏈——結合現有排水管道

地下雨水鏈以高架橋地下現有排水管道為骨架。以本研究所選場地為例，地下排水管道將雨水直接排入北部的十五里河。因此為了便于雨水的存儲，改造的要點在于在合適的位置建設地下蓄水池，使雨水不至于全部進入河道，能夠重新利用。

3.4提水泵——太陽能風能綜合發電的試應用

我們希望結合高架橋現有的條件，利用新能源產生設備，為水泵提供能源支持，維持系統的良性運轉。新能源產生設備具體分為風力發電設施組與太陽能發電設施組。太陽能電池板和風能發電機同時工作，使得供電系統的可靠性有明顯提高。

橋下的較快的車流，以及穿行的城市氣流，也可以作為能源加以利用。利用雙向相行的車輛形成環狀的渦流，安裝風力發電機組加以應用。

4　關鍵技術問題探討

4.1設施規模計算

根據有關部門在2014年10月公布的《海綿城市建設技術指南》，我們對關鍵過程中的設施規模進行了估算。

低影響開發設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時，設施具有的調蓄容積一般應滿足“單位面積控制容積”的要求。設計調蓄容積一般采用容積法進行計算，公式為：V=10Hφ F

式中：V為設計調蓄容積（m3）；H為設計降雨量（mm）；φ為綜合雨量徑流系數，混凝土路面中該數值約為0.85；F為匯水面積（m2）。

我們希望設施實現年徑流總量控制率達到85%的目標，在此條件下設計降雨量H=31.3mm（合肥市一年一遇一小時降水量），再結合之前實測設計段橋面投影面積F=35466.5 m2，由以上公式可以算出調蓄容積V=9435.9m3。

若將地上雨水鏈設施的橫截面近似看作一個梯形，最終算出地上雨水鏈設施的高度約1.0m（從層級式落水帶最頂部到綠地滲透帶最底部）。

對于生物滯留設施、滲透塘、滲井等頂部或結構內部有蓄水空間的滲透設施，其有效調蓄容積按下式進行計算：Vs=V-Wp

式中：Vs為滲透設施的有效調蓄容積，包括設施頂部和結構內部蓄水空間的容積（m3）；V為滲透設施進水量（m3）；Wp為滲透量，(m3）。

滲透設施滲透量按下式進行計算：Wp=KJAsts

式中：Wp為滲透量（m3）；K為土壤（原土）滲透系數（m/s），此處混合土K=2.5×10∧（-5）m/s；J為水力坡降，一般可取 J=1；As為有效滲透面積（m2）；ts為滲透時間，指降雨過程中設施的滲透歷時，一般可取2h。

經計算，滲透量Wp=2001.6 m3，有效調蓄容積Vs=7434.3m3，滯留池中與地下部分相連的溢水口高度約0.36m（同樣以橫截面近似看作梯形的方法進行估算）。如果地下蓄水池每個容積為1000m3，則數量不應超過7個。

4.2植物選取標準與品種

PAR（光合有效輻射）指太陽輻射中能夠為綠色植物所利用的能量，是研究光環境的重要數值。

高架橋下環境的較為特殊，對植物的影響很大，借助Autodesk EcotectAnalysis軟件，我們建立研究中的高架橋的實測模型，對其進行光環境分析（圖6）。

圖6　光合有效輻射（PAR）分析結果（單位：MJ/m2d）

從軟件對模型的分析可以得出，橋下最大PAR可達5.00，但綠地范圍（中間8m寬度）最大PAR不過2.50，屬典型陰生環境。

根據各個設施的環境對所選植物的要求，我們選取了本地相應符合其環境特點并能發揮功能的植物（表1）。

植物分類推薦表　表1

5　結語

根據以上研究，我們有理由認為——城市高架橋下空間與雨水生態收集利用設施的結合是可行的，且對于減緩城市內澇、補充地下水、調節地區微氣候、美化城市環境具有不可忽視的作用。相信未來還有更多的手段和形式值得我們去探索。

[1]GB50318－2000，城市排水工程規劃規范[S].

[2]住房城鄉建設部.海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）[S].2014.

[3]殷利華.基于光環境的城市高架橋下橋陰綠地景觀研究——以武漢城區高架橋為例[D].武漢：華中科技大學，2012.

[4]胡鼎培.合肥市金寨路高架工程[J].城市道橋與防洪，2009（11）：10-13.

[5]侯翠婷.城市高架橋橋面雨水排水系統研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[6]王繼芳.太陽能風能綜合發電系統在高速公路中的應用[J].山西建筑，2008（21）：159-160.

TU823.6

A

1007-7359(2016)03-00

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.079217-03

合肥工業大學2015年國家大學生創新創業訓練計劃項目（編號：2015CX CYS073）。

陳慶澤（1994-），男，山東濟寧人，合肥工業大學建筑與藝術學院本科在讀，專業：景觀學。