基于LID的天津市立交橋附屬空間雨水綜合利用研究
——以衛昆橋為例

范瀟瀟，姚雅

（河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300130）

一、引言

立交橋在解決城市交通擁堵、構建安全便捷的城市交通路網方面起著巨大的作用，但其大面積的不透水硬質路面造成降雨時雨水資源被大量浪費，下層也存在內澇的隱患。此外，橋面雨水徑流中的污染物也會對附屬綠地生態環境造成巨大負面影響。LID（low-impact development，低影響開發）作為海綿城市的核心理念和技術，具有靈活多樣、自然凈化、就近利用和回收的特點，結合立交橋立體結構建立綜合雨水管理系統，能夠輕松實現城市雨水的管控和再利用，也有利于構建城市完整的防洪防災體系，這將對解決城市內澇問題和城市水資源再利用研究具有巨大意義。

二、國內外研究現狀

國外在立交橋附屬綠地收集雨水資源并解決橋面雨水徑流污染方面的探索早在2010年左右就有了針對性的實踐項目，最具代表性的是2011年開放的位于美國西雅圖的Aurora大橋附近的層級式生物滯留設施群，通過生態雨水傳輸設施、雨水花園、坡度綠帶等LID設施對橋面和大橋兩側的“New Data 1 Building”和“Future Watershed Building”兩棟建筑的雨水徑流進行匯集、傳輸、過濾、凈化，使處理后的雨水中的污染物含量降低，并與University Bridge、Fremont Bridge、Ballard Bridge等幾座橋梁共同構筑雨水凈化網絡，最終使“Puget Sound”灣的水質得到明顯改善。同時，位于大橋北端的Troll 's Knoll公園不僅成為處理橋面雨水徑流的低影響開發場地，還吸引附近居民成為有活力的城市社區公園。該項目在雨水的收集和污染處理方面有著非常好的借鑒作用，但該項目初衷是解決排入附近水體的雨水污染問題，對于橋梁附屬綠地的雨水資源的再利用、附屬空間雨水綜合管理系統的開發等方面還存在一定欠缺。

我國的立交橋附屬空間的雨水再利用研究自海綿城市理念引入后也在逐步開展。目前的工作大多結合工程實踐，探索對立交橋雨水徑流的收集和過濾方法，如姜月等對沈陽市迎賓路立交橋下利用地埋模塊式蓄水池對雨水進行收集并簡單過濾后用于道路和綠化澆灑的方法進行了探討；費宇婷等探討了某城市快速路立交橋通過砂濾系統、雨水花園、地下儲水系統、自動噴灌四個部分解決橋下綠帶的澆灑問題；郝身群等則針對洛陽古城快速路的三種道路交通斷面形式中立交橋路段，提出通過落水管—生物滯留帶—溢流口的路徑解決雨水快排的問題等。諸多研究為立交橋的雨水收集和快排提供了技術方法和較為成熟的實踐經驗，但目前的研究大多只針對排水結構的設計或很簡單的收集過濾方法，對于開發立交橋附屬空間的綜合功能，并建立其雨水資源再利用系統的方法還不成熟。本研究以天津市立交橋為例，探索其雨水利用的可行性和附屬綠地的設計方法，為立交橋附屬綠地的雨水再利用系統設計提供思路。

>圖1 雨水綜合利用系統流程圖

三、天津市立交橋附屬空間雨洪現狀評析

（一）水資源現狀

天津市人均用水量182立方米，人均水資源量為113立方米，約為全國平均水平的5%，是典型的水源型缺水城市。根據2018年天津市水資源公報所示，天津市2018年平均降雨量為581.8毫米，夏季多雨，冬季少雨；水資源總量為17.58億立方米（不包括引灤、引江等外來水）各類用水總量為28.42億立方米；地下水開采過度，市區水位逐年下降，嚴重破壞周邊生態環境。

（二）立交橋附屬空間雨水資源潛力計算

立交橋附屬空間是城市交通系統中面積最大、最集中的綠地類型。充分利用該特點，結合LID措施把立交橋附屬空間建設成海綿體，構成城市雨水生態網絡的重要節點，將可以滯留并消納城市交通路網中的大量雨水。據國家統計局統計數據顯示，截至2018年，天津市共有城市橋梁1009座，其中立交橋374座。經統計，天津立交橋長度平均約為2000米，跨度一般在16～20米，立交橋附屬空間綠地的平均面積約為10公頃，根據數據可估算出，天津市立交橋總面積約為1496公頃，附屬空間綠地總面積約為3740公頃。根據容積法計算天津市立交橋附屬空間設計調蓄容積量：

由此可見，天津市立交橋附屬空間的調蓄容量非常可觀，充分利用該空間收集雨水使其自然下滲或處理后再利用，將對天津市水環境和水資源開發有著重要的積極作用。

四、立交橋附屬空間雨水綜合利用系統的構建

立交橋附屬空間雨水綜合利用系統是結合立交橋自身特點，采用LID技術，小規模、分散式設置LID設施來達到對雨水資源回收再利用的目的，按照雨水降落、徑流和匯集的特點把該系統分為雨水收集、雨水處理和雨水利用三部分。

（一）雨水收集

立交橋附屬空間雨水承接面包括橋面、綠地、建筑屋頂、路面、廣場、停車場和水面，從雨水下滲和徑流角度考慮可分為不透水承接面（橋面和建筑屋頂）、透水承接面（綠地、路面、廣場、停車場）和水面。

不透水承接面利用虹吸式集水系統主動收集雨水，該系統由虹吸式雨水斗、連接管、懸吊管和立管組成。特殊設計的虹吸式雨水斗讓排水管在降雨量很小時也能形成滿流狀態，系統利用橋面或屋面與地面高度差勢能在立管中造成局部的真空，待到屋頂與懸吊管的抽吸作用，產生虹吸效果，快速排出雨水，下接雨水桶或高位花壇收集雨水。

透水承接面一方面讓雨水下滲，利用地下穿孔滲水管道收集雨水，另一方面通過地表雨水徑流進入低于路面標高的的下沉式綠地，最終匯入蓄水池。水面則自然承接降落的雨水，蓄積于水體中。

（二）雨水處理

雨水處理系統分為落水消能、綠地滲透、雨水蓄存和水質調節四個部分，該系統主要實現對雨水的傳輸、滯留、下滲、蓄存和凈化的目的。

1.落水消能

在建筑和橋墩底部周圍設置高位花壇作為雨落水消能裝置來消納和凈化建筑屋頂與橋面的雨水。高位花壇表面采用生態蜂格作為蓋板，保護土壤結構和植物生長，下填人工混合種植土、沸石和陶粒分層布置，促進雨水下滲和凈化，底部安裝排水暗管。

2.綠地滲透

附屬空間中綠地滲透設施是整個雨水綜合利用系統中面積最大的部分，其中包括植草溝、下沉式綠地、雨水花園、植被緩沖帶和種植池等，是實現雨水傳輸、過濾、下滲的主要設施。進入綠地的雨水，不僅可以大面積與土壤接觸，長時間滯留于綠地，自然下滲從而補充地下水，還可以調節立交橋環島內的微氣候，營造舒適的環境。

3.多功能蓄水池

為了有效存儲和利用收集的雨水，采用抗壓和儲水能力強、便于施工和維護的PP儲水模塊，并建設沉淀池、消毒池和清水池對雨水進行處理，保證雨水質量能達到回用標準的要求。多雨季節降雨時將雨水存儲起來，待到少雨季節需要水資源時再用水泵提升加以利用。

4.水質調節

在高位花壇周圍設置層級落水種植池，其主要功能是為了降低雨水流速，進一步促進雨水下滲和凈化，調節水質。為保護落水帶內種植土不流失，并具有一定的凈化水質作用，應該在表面覆蓋較厚的礫石，并選用根系深且具有固土能力的耐陰耐濕植物。當雨量較大時，雨水自然溢流至綠地范圍內，通過植物和土壤中微生物共同作用來凈化雨水。蓄水池的雨水，根據雨水回用目的的不同，可采用地埋式一體機雨水凈化裝置。

（三）雨水利用

雨水利用系統一方面是經過綠地自然下滲回補地下水，另一方面是利用太陽能安裝光伏發電板為蓄水池中的抽水泵提供電源，將經過處理的雨水資源用于立交橋附屬空間內綠化澆灌、道路沖刷，也可以作為市政灑水車水源補給點。

五、天津市衛昆橋雨水綜合利用應用研究

（一）雨水綜合利用系統

衛昆橋是天津市第一座四層全互通樞紐式立交橋，總占地面積約30公頃，主線南北長1.6千米、東西長1.4千米，橋梁總面積8.6公頃，月牙河從橋下穿過。衛昆橋附屬空間雨水承接面包括橋面、綠地、建筑屋頂、路面、廣場、停車場和水面。根據雨水徑流在立交橋上的匯聚特點，立交橋附屬空間的景觀構成要素組合條件下的雨水利用系統流程圖如圖1所示。

系統中考慮到了所有雨水的承接面的流向，主要采用重力流自然匯集和下滲，經過兩至三次過濾凈化最終實現雨水的回收再利用，整體過程中保證各個環節的無縫銜接與通暢，實現立交橋雨水的循環再利用體系的完整性。

（二）衛昆橋附屬空間各構成要素的LID設計方法

1.橋面及下部空間

橋梁的建設出于安全性考慮，主體部分不能采用透水材料，所以橋面雨水徑流可采用具有虹吸作用的集水系統，增強排水管道對橋面雨水的抽吸作用。匯集的雨水在設有雨水篦子和沉砂槽的雨水口經過初步過濾后流入落水管。隨后對雨水進行收集利用，可通過兩種方式實現：一種是多點分散式在落水管末端直接連接雨水桶。雨水桶內置過濾設施，外置取用設施，雖然單個雨水桶容量少，但是比較容易安裝和修繕。另一種是雨水經落水管排入橋墩底部的高位花壇，在落水管口處敷設較厚的礫石，植物選擇耐陰耐濕并具有固土能力的品種。為進一步促進雨水自然下滲和過濾，高位花壇下設層級落水種植帶。

2.建筑屋頂

衛昆橋附屬空間內的建筑類型主要為管理用房、活動室和公共廁所，在LID設計中充分考慮屋頂的荷載、防水能力以及自身特點進行屋頂綠化。由于建筑規模大多較小，簡單型覆草屋頂綠化為佳，目的是為了減少雨水徑流，增加雨水留存時間以增加蒸發面積。無屋頂綠化的建筑在落水管上端口設置初期棄流裝置，棄流后的雨水經落水管流入雨水桶中。屋頂進行綠化的建筑在落水管末端安裝雨水桶。落水管與種植池相結合，雨落水跌落處敷設卵石層。

3.道路、廣場和停車場

衛昆橋附屬空間內的道路主路是采用抗壓能力強的透水瀝青混凝土材料鋪設的機動車道。橋下停車場采用不透水鋪裝，而支路和廣場主要采用透水瀝青、透水磚、碎石和卵石。不同的鋪裝材料相互穿插組合在一起，一方面能夠滿足地面鋪裝的功能和物理性質要求，另一方面還能解決雨水下滲和徑流問題，鋪裝效果上也有著豐富的平面形式。為保證雨水徑流的匯集流向，需綜合考慮道路、廣場和停車場縱橫方向坡度設計，使雨水快速匯集，同時在綠地邊沿側石位置設置等距離豁口或開孔，方便雨水向周邊綠地排放。

4.綠地與植物

為保證建筑基礎的安全和穩定性，附屬空間內的建筑物周邊近距離范圍不設置生物滯留設施，而利用種植池對建筑雨水立管落水進行消能。道路、廣場和停車場綜合利用植草溝、透水鋪裝、帶狀綠地等設施進行雨水的滲透和傳輸。中心區域設置下沉式綠地和雨水花園，綠地和花園中的植物吸收雨水中的碳氮有機元素凈化初期雨水污染。綠地和花園中設置截污型雨水口，一方面將經過預處理的雨水用雨水管排入多功能蓄水池中，另一方面將超標的雨水排放至市政雨水管網中。

立交橋附屬空間內各生物滯留設施的植物在選取時，首先要根據其物理性質和結構特點，選取喜濕耐旱、適應北方氣候和天津鹽堿地條件、耐污染性強的植物，除此之外還要考慮立交橋遮擋位置采光不足的情況，選取耐陰易生長的植物。此外，立體綠化中常用的攀爬類植物對雨水下落速度有減緩效果，有助于雨水消能，且通常耐陰性強，可在適當位置種植。衛昆橋附屬空間推薦植物見表1。

5.水體

衛昆橋下的月牙河具有水位高差變化，降雨時當水位上漲達到設計的最高水位時，超標雨水溢流排入市政雨水管網；當水位小于設計的最高水位時，雨水存儲在景觀水體中。排入水體的雨水最重要的是污染物質是否超標，為減少雨水中的有害成分，在有雨水徑流匯入的地方設置前置塘或卵石溝，種植喜濕耐旱的緩坡自然生草本花卉植物，并根據調蓄水位的變化合理搭配植物。該方法一方面能夠截留污染物，另一方面可減緩流速，起到保護駁岸的作用。這一方法是基于物理作用下的LID措施。但該方法僅能夠解決雨水中的垃圾污染物，對水質成分有影響的有害物質無有效過濾效果，對此可以綜合采用其他生物和化學方式以使水質達標。

>表1 推薦植物表

六、總結

文章以天津市為例，以水資源狀況為基礎計算立交橋附屬空間雨水資源再利用的潛力，結果表明，立交橋附屬空間雨水綜合利用開發具有良好的發展前景。立交橋附屬空間景觀構成要素各不相同，本文選取景觀構成要素包含種類較多的衛昆橋為具體案例，通過優選組合不同功能的LID設施對雨水綜合利用系統流程進行詳細說明，該系統對雨水源頭、中途、末端進行有效的處理和回收并再利用，使立交橋附屬空間充分發揮海綿體的功能，構建城市交通系統的雨水資源再利用網絡，增進城市生態網絡的連通性與閉合度，對緩解城市水問題、改善城市生態環境有著不可忽視的積極作用。