道路生態化排水與雨洪風險關系研究

文｜ 鎮江市規劃設計研究院 李馨

1 研究背景及意義

排水防澇，是維系一個城市生存、發展的生命線，對每個城市來說，都是一個必須解決而又任重道遠的命題。我國傳統排水管道建設模式主要通過提高城市管道設計標準或增加灰色排水基礎設施等措施來應對內澇洪災。傳統排水思路和灰色基礎設施雖能有效緩解內澇災害，但是建設成本較高，而且無法解決水資源浪費的問題。海綿城市是當下我國力推以解決城市雨洪管理難題的新建設模式。海綿城市的本質是改變“快排”的傳統排水方式，實現與資源環境的協調發展。與傳統雨水管理方法相比，海綿城市不僅能夠降低管網造價、減輕地表徑流污染、提高雨水利用率，更可以減少道路綠化用水，降低綠地養護成本。

海綿城市作為新的城市建設模式，理論與實踐依據相對缺乏，需要在工程實踐中不斷探索。本文選取工程實例，通過數學模型模擬評估，研究道路生態化設計采用傳輸型草溝、生態草溝和生態樹池的組合形式時，年徑流總量控制率與道路內澇重現期之間的關系，旨在為道路海綿城市設計提供理論依據，促進海綿城市建設。

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

本文選取工程實例——北汽大道作為研究對象，北汽大道（鎮榮公路-茅以升大道）設計采用城市主干路標準，紅線寬40米，標準橫斷面采用三塊板橫斷面型式：機動車道17.0米，機非分隔帶2×3.5米，非機動車道2×4.0米，人行道2×4.0米。

北汽大道沿線高層控制點主要有鎮榮公路、旺北路、上河路、茅以升大道，道路最大縱坡0.5%，最小縱坡0.3%。

2.2 SWMM模型建立

將道路排水施工圖中的管徑、坡度、長度、標高等數據輸入到SWMM模型中，形成數據模型，選取其中一段僅收集路面匯水的管段，作為數據分析研究的對象，如圖1-3所示。

本次研究采用鎮江市典型暴雨過程，歷時24小時，雨型及24h設計降雨量見圖1-4和表1.1。

2.3 LID設施

圖1-1 道路橫斷面布置圖

圖1-2 道路豎向圖

北汽大道LID設施采用傳輸型草溝、生態草溝和生態樹池的形式，將部分機非分隔帶設置為傳輸型草溝或生態草溝，收集非機動車道和機動車道徑流雨水。傳輸型草溝主要布置在機非分隔帶起端入流，作用為傳輸徑流。生態滯留草溝布置在傳輸型草溝下游，作用為凈化雨水、滯蓄雨水。

傳輸型草溝和生態草溝表層下凹30cm，縱向坡度和道路坡度一致；生態草溝主要布置在傳輸型草溝的下游，底部布設排水盲管，采用排水層（5-14mm礫石）、過渡層（礫石砂/粗砂）、過濾透水層(透水性土壤)分層回填。生態樹池主要布置在人行道上，收集人行道的雨水徑流，生態樹池結構采用U型槽的形式，下凹30cm，種植土層厚40cm，碎石層厚40cm。生態草溝和生態樹池大樣分別如圖1-5、1-6 所示。

3 主要技術成果

本研究主要探討道路采用生態化設計時，不同年徑流總量控制率（75%、80%和85%）與道路內澇重現期（30年、50年和100年）之間的關系。其中，道路生態化排水匯水范圍主要針對道路自身，不包括周邊地塊。道路生態化設計采用“傳輸型草溝→生態滯留草溝”和“傳輸型草溝+生態樹池”兩種組合形式，分析年徑流總量控制率與道路內澇重現期之間的關系，并進行經濟技術比較，分別得出各種年徑流總量控制率下的最優組合。

年徑流總量控制率75%時，方案一共設置傳輸型草溝2200m，生態滯留草溝1500m；方案二設置傳輸型草溝2440米，生態樹池154個；年徑流總量控制率80%時，方案一共設置傳輸型草溝1300m，生態滯留草溝2400m；方案二設置傳輸型草溝3035米，生態樹池205個；年徑流總量控制率85%時，方案一未設置傳輸型草溝，設置生態草溝3700m；方案二設置傳輸型草溝3700米，生態樹池308個。

根據SWMM模型模擬結果，在暴雨重現期、LID設施組合和年徑流總量控制率三個影響因素影響下，對管道溢流量和削減的變化情況進行比較分析，得出道路選用哪種LID設施組合，能達到較高的年徑流總量控制率，抵御較高的內澇風險，同時造價更低，性價比更高。

3.1 不同暴雨重現期下，年徑流總量控制率與管道溢流量之間的關系

由圖1-7可得出，30年一遇暴雨重現期下，道路采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合時，年徑流總量控制率85%對應的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合時，不同的年徑流總量控制率對應的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態滯留草溝的LID設施組合。

在50年一遇暴雨重現期下，道路采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合時，年徑流總量控制率85%對應的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合時，不同的年徑流總量控制率對應的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態滯留草溝的LID設施組合。

由圖1-7可得出，100年一遇暴雨重現期下，道路采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合時，年徑流總量控制率85%對應的管道溢流量最小，80%時次之，75%時最大；道路采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合時，不同的年徑流總量控制率對應的管道溢流量基本無變化。傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合的管道溢流量整體大于傳輸型草溝→生態滯留草溝的LID設施組合。

3.2 相同年徑流總量控制率下，傳統排水方式、生態化排水方式與管道溢流量之間的關系

道路年徑流總量控制率75%時，采用LID組合生態化設計的道路管道溢流量，低于傳統管道設計的管道溢流量。道路年徑流總量控制率80%時，采用LID設施組合生態化設計的道路管道溢流量，低于傳統管道設計的管道溢流量。道路年徑流總量控制率85%時，采用LID組合生態化設計的道路管道溢流量，低于傳統管道設計的管道溢流量。

3.3 相同年徑流總量控制率下，傳統排水方式、生態化排水方式與管道溢流量削減情況之間的關系

道路年徑流總量控制率75%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現期下，采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合形式削減的管道溢流量最大；道路年徑流總量控制率80%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現期下，采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合形式削減的管道溢流量最大；道路年徑流總量控制率85%時，在30年、50年和100年一遇暴雨重現期下，采用傳輸型草溝→生態草溝LID設施組合形式削減的管道溢流量最大。

3.4 傳統排水方式與兩種生態化設施組合的經濟性能比較

根據道路傳統管道與生態化設計布置方案，以及雨水管道和LID設施各工程量單價，得出傳統排水做法和兩種LID設施組合的主要工程總造價。

傳統管道與兩種LID設施總造價表

由上表可得出，采用生態化設計的道路工程總造價高于傳統排水方式的工程總造價。年徑流總量控制率越高，工程總造價越高。采用傳輸型草溝→生態草溝的LID設施組合的工程總造價，略高于采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合的工程總造價。

4 結論與分析

本課題選取典型道路北汽大道進行管道模擬，分別對傳統排水方式，傳輸型草溝→生態草溝以及傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合的模擬結果進行分析、對比，同時對傳統排水方式和兩種LID設施組合的總造價進行對比，得出以下結論：

（1）當發生30年、50年或100年一遇暴雨重現期的降雨時，采用傳輸型草溝→生態草溝的LID設施組合年徑流總量控制率越高，管道溢流量越小；采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合管道溢流量與年徑流總量控制率大小基本無關，即生態樹池基本不能削減管道溢流量。因此，在發生同一暴雨重現期降雨時，采用傳輸型草溝→生態草溝的LID設施組合優于采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合。

（2）采用生態化設計的道路管道溢流量，低于傳統管道設計的管道溢流量。當年徑流總量控制率一定時，暴雨重現期越大，可削減的管道溢流量越大；相同暴雨重現期時，傳輸型草溝→生態滯留草溝的LID設施組合削減的管道溢流量顯著高于傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合。因此，在年徑流總量控制率一定時，道路生態化設計采用傳輸型草溝→生態草溝的LID設施組合優于采用傳輸型草溝和生態樹池的LID設施組合。

（3）對傳統排水方式和兩種LID設施組合進行經濟性能比較，采用生態化設計的總造價高于采用傳統排水方式的總造價；采用兩種LID設施組合的總造價相差不多。

（4）通過對兩種LID設施組合進行年徑流總量控制率、暴雨重現期和管道溢流量三者之間的比較，同時兩者造價相差不多，可得出采用傳輸型草溝→生態草溝的LID設施組合最優。