市政道路下沉式綠地滲蓄性能探討

摘 要：本文以廈門市海滄區(qū)灌新路項目為例，探討了低滲透性土壤的滲蓄性能及改良方法、研究了土壤滲透性能、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比對綠地滲蓄性能的影響，提出了設計參數(shù)。在5年一遇重現(xiàn)期2h降雨條件下，粉質(zhì)黏土與細砂配比為1∶0.5時，綠地積水深度比原土減少1/2，滲透時間比原土減少3/4，當配比為1∶1時，綠地無積水。綠地臨界蓄水深h0與土壤穩(wěn)定入滲率K呈線性減少關系，綠地下沉深度取0.1～0.25m，城市主干路下沉式綠地面積百分比f取15%～20%，次干路及支路f取10%，以期為下沉式綠地設計提供參考。

關鍵詞：海綿城市；下沉式綠地；雨水滲蓄；低滲透性土壤；Uwater-Drainage

中圖分類號：TU 98 " 文獻標志碼：A

隨著城市的開發(fā)建設，城市下墊面變化越來越大，對水資源循環(huán)產(chǎn)生了較大的影響，1985—2018年，我國人工不透水面積增長了11倍[1]。各地提倡海綿城市建設，通過建設低影響開發(fā)設施，對降雨及徑流進行過程控制，使城市下墊面變化前后水文特征接近。城市道路的正常通行是城市發(fā)展及居民生活的基本保障，因此暴雨季節(jié)道路的順利排水至關重要。下沉式綠地因?qū)嵤┓奖?，生態(tài)效果好，在市政道路雨水調(diào)蓄方面應用廣泛[2-3]。土壤滲透系數(shù)、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比等是影響下沉式綠地設計方案及滲蓄性能的關鍵因素，直接影響市政道路排水安全，本文結(jié)合廈門市海滄區(qū)灌新路市政道路項目，探討了低滲透性土壤的滲蓄性能及改良方法、計算分析了土壤滲透性能、綠地下沉深度及下沉綠地面積百分比對下沉式綠地滲蓄性能的影響，提出了設計過程的相關參數(shù)，用 Uwater-Drainage模型對研究對象的低影響開發(fā)設施設計效果進行水文模擬計算與評價。

1 下沉式綠地的研究進展

我國目前的下沉式綠地是基于生物滯留技術，通過增強雨水的地下滲透、凈化、蓄水、存儲等特征來維持下墊面開發(fā)前后的水文特征。下沉式綠地主要由地表蓄水層、種植層、下滲層、綠地植被等組成。任樹梅等[4]研究土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)0.3mm/min以上時，下沉式綠地調(diào)蓄能力、消減洪峰效果明顯，當下沉深度為150mm，匯水區(qū)面積和綠地面積比為5時，不影響植物生長。程江等[5]研究下沉綠地下沉深度為100～300mm，綠地面積比為10%～30%時，滲蓄效果較好。

2 實例分析

2.1 項目概況

廈門市海滄區(qū)灌新路是廈門市“兩環(huán)八射”快速路網(wǎng)架構(gòu)的主要路段，道路等級為城市快速路，是廈門市海綿城市重要示范性道路。機動車道寬為11.5m，輔道寬為7.5m，中央分隔帶寬為2.0m，人行道和非機動車道寬均為2.5m。項目LID設施包括下沉式綠地及慢行系統(tǒng)的透水鋪裝。

排水組織如下。①車行道排水路徑：混凝土路面→路緣石開口→下沉式綠地。②人行道及非機動車道排水途徑：透水鋪裝→土壤入滲→超量雨水徑流入下沉式綠地。③綠化帶排水途徑：綠化帶雨水→土壤下滲。④超量地表徑流→溢流井→雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。

本次選取100m路基標準區(qū)段作為研究對象。排水組織分析如圖1所示。

2.2 土壤滲透性對下沉式綠地滲蓄的影響

廈門屬于沿海城市，根據(jù)土壤的結(jié)構(gòu)分布，一般為粉質(zhì)黏土、風化花崗巖、砂土、粉砂等，土壤的滲透系數(shù)變化較大。研究項目原土為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)為4.16×10-6，滲透性較差。為了提高下沉式綠地的透水性，選取粒徑0.25mm左右的細砂，對下沉式綠地原土壤進行改良，配置3種類型的下滲基質(zhì)：原土、粉質(zhì)黏土與細砂配比為1∶0.5、粉質(zhì)黏土與細砂配比為1∶1。根據(jù)改良方案，用雙環(huán)入滲法測定土壤下滲情況，測定結(jié)果用Horton 模型來分析土壤的滲透能力。經(jīng)過改良后土壤滲透系數(shù)為2.10×10-5～8.78×10-5，見表1。

根據(jù)改良土壤滲透性能，分析5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時2h的綠地雨水滲蓄性能。本次采用芝加哥雨型分析計算，5年一遇重現(xiàn)期2h的降雨量為78mm，5min降雨量峰值為12.6mm。不考慮地下水位、蒸發(fā)、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)等因素的影響，不同基質(zhì)配比積水及下滲情況結(jié)果[6]見表2。

結(jié)果表明，當粉質(zhì)黏土與細砂配比1∶0.5時，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時2h，下沉式綠地蓄水深度為原土的1/2，滲透時間比原土縮短約3/4，當粉質(zhì)黏土與細砂配比1∶1時，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時2h，下沉式綠地無積水，改良后基質(zhì)下滲效果明顯提高。根據(jù)積水深度、滲透時間、植物耐淹性能及經(jīng)濟效益，項目設置粉質(zhì)黏土與細砂配置比為1∶0.5。

2.3 綠地下沉深度對滲蓄的影響

下沉深度是影響下沉式綠地雨水滲蓄的重要因素，在一定程度上，下沉深度越大，下沉式綠地的蓄水能力越強，減少雨水徑流，消減洪峰能力越明顯，但下沉深度太大，會對景觀效果產(chǎn)生一定影響，且不利于植物生長。合適的綠地下沉深度既可以滿足調(diào)蓄水量需求又可保證景觀效果。用η表示下沉式綠地滲蓄雨水量與匯水面積內(nèi)降雨量的百分比，根據(jù)雨量平衡分析，得出公式（1）、公式（2）。

（1）

式中：Wx為下沉綠地儲水量，m3；Wc為下沉綠地滲水量，m3；h為降雨量，mm；F0為下沉綠地面積，㎡；F1為剩余匯流面積（扣除下沉綠地面積）㎡；ψ為徑流系數(shù)。

Wc=3600β×K×J×As×ts "（2）

式中：β為安全系數(shù)；K為土壤滲透系數(shù)，m/s；J為水力坡降；As為滲水下墊面面積，㎡；ts為下滲時間，h。

當η為100%時，雨水全部進入下沉式綠地滲蓄，道路不產(chǎn)生徑流，將此時的下沉式綠地蓄水深度定義為臨界蓄水深h0，ts取2h，得出公式（3）。

（3）

式中：h0，m；f為下沉式綠地面積與總匯水面積百分比。

設定邊界條件f為16.5%（對應道路綠化帶寬度為3m，側(cè)分帶寬度為2.0m），在不同的K值下，計算設計重現(xiàn)期為1a、3a、5a、10a下的臨界蓄水深，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)以上分析結(jié)果，得出下沉式綠地臨界蓄水深與雨水量呈線性增長關系，雨水量越大，h0越大。在相同雨水量條件下，下沉式綠地臨界蓄水深與土壤穩(wěn)定入滲率呈線性減少關系，K值越大，h0越小。研究下沉式綠地粉質(zhì)黏土與細砂1∶1配比條件下，小于5年一遇降雨的h0為0，雨水可全部下滲，與表2的計算結(jié)果一致。研究下沉式綠地粉質(zhì)黏土與細砂1∶0.5配比條件下，重現(xiàn)期為1a、3a、5a、10a對應的h0分別為0.10m、0.17m、0.21m、0.66m。當下沉式綠地面積百分比不小于16.5%，設計重現(xiàn)期不大于5年一遇時，結(jié)合地區(qū)下沉式綠地一般滲透速率，對應綠地下沉深度可取0.1～0.25m，既可以保證一定的蓄水量，又可保證多類型植物的正常生長。計算結(jié)果與廈門市海綿城市建設技術規(guī)范及目前的相關研究一致。

2.4 下沉式綠地面積百分比對滲蓄的影響

將下沉式綠地面積與流入綠地總匯面積比定義為下沉式綠地面積百分比f，土壤滲透系數(shù)一定，f越大，下沉式綠地的調(diào)蓄能力越強。設定邊界條件，土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)為2.10×10-5m/s，蓄水深度為0.2m，計算不同下沉式綠地面積百分比f條件下，下沉式綠地的滲蓄情況，見表3。

在設定的邊界條件下，對不大于3年一遇的降雨來說，當f≥20%時，滲蓄率η大于100，此時降雨全部進入綠地滲蓄。對5年一遇的降雨來說，當f≥25%時，滲蓄率η大于100，此時降雨全部進入綠地滲蓄。廈門地區(qū)城市主干路及快速路設計重現(xiàn)期一般取5a，道路徑流控制率一般要求不小于70%，次干路及支路設計重現(xiàn)期一般取1a～3a，道路徑流控制率一般要求不小于55%，因此城市主干路及快速路下沉式綠地面積百分比f為15%～20%，次干路及支路下沉式綠地面積百分比f為10%。結(jié)合廈門快速路布置特點，本研究項目f為16.5%，對應道路綠化帶寬度為3m，側(cè)分帶寬度為2m。

2.5 Uwater-Drainage模型分析

根據(jù)以上研究結(jié)果，項目下沉式綠地下滲基質(zhì)選取粉質(zhì)黏土與細砂配比1∶0.5進行改良，基質(zhì)厚度為60cm，綠地下沉深度取0.2m，下沉式綠地面積百分比f為16.5%，設計重現(xiàn)期5年一遇，采用Uwater-Drainage模型對研究對象的低影響開發(fā)設施設計效果進行水文模擬計算與評價[7]。

2.5.1 下沉式綠地指標分析

模型計算分析結(jié)果見表4，當達到片區(qū)規(guī)劃控制降雨量目標26.8mm時，粉質(zhì)黏土作為下沉式綠地基質(zhì)層，有效蓄水深度為0.14m，蓄水下滲時間為19.0h，經(jīng)過1∶0.5原土細砂改良的基質(zhì)層，有效蓄水深度為0.12m，蓄水下滲時間為3.7h，改良后蓄水下滲時間明顯縮短，調(diào)蓄雨水可穩(wěn)定快速下滲，綠地景觀效果好。

2.5.2 LID設施前后雨水徑流分析

本研究對象LID設施包括下沉式綠地及人行道非機動車道的透水鋪裝，對無LID設施下墊面及實施LID設施后下墊面進行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中雨水徑流量曲線可以看出，降雨30min時雨量最大，出現(xiàn)洪峰，實施LID設施前后洪峰徑流量分別為133L/s和52L/s，最大徑流削減量可達到86L/s，LID設施可大大消減洪峰徑流量，且使用LID設施后，整個降雨過程徑流量降低均較明顯。

2.5.3 LID設施調(diào)蓄下雨水管網(wǎng)流量變化分析

對研究對象在相同降雨條件下的兩種情況進行模擬：不計周邊地塊雨水匯入無LID設施；不計周邊地塊雨水匯入有LID設施，模擬重現(xiàn)期均為5年一遇。結(jié)果表明，當降雨歷時30min時，雨水管道內(nèi)的水深達到最大，在無LID設施情況下，降雨量最大時的管道最大充滿度為0.36～0.38，在設有LID設施情況下，管道最大充滿度為0.14～0.15，在LID設施的調(diào)蓄下，道路路面雨水流量減少約62%。

3 結(jié)論

當下沉式綠地土壤基質(zhì)滲透能力較差時，應對土壤基質(zhì)進行改良提高滲透性。以研究項目粉質(zhì)黏土基質(zhì)為例，粉質(zhì)黏土與細砂配比改良后（1∶0.5），滲透系數(shù)比原土提高約5倍，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時2h，下沉式綠地積水深度比原土減少1/2，滲透時間比原土縮短約3/4，粉質(zhì)黏土與細砂配比改良后（1∶1），滲透系數(shù)比原土提高約20倍，5年一遇重現(xiàn)期降雨歷時2h，下沉式綠地無積水。根據(jù)模擬結(jié)果，項目下沉式綠地原土與細砂配比改良后（1∶0.5），年徑流總量控制率為70%，下沉式綠地需要蓄水深度為0.12m，比原土壤基質(zhì)減少0.2m，下滲時間為3.7h，比原土壤基質(zhì)縮短15.3h，改良后的土壤基質(zhì)可保證多類型植物正常生長。

在相同雨水量條件下，下沉式綠地臨界蓄水深與土壤穩(wěn)定入滲率呈線性減少關系，K值越大，h0越小。下沉式綠地面積百分比不小于16.5%，設計重現(xiàn)期不大于5年一遇時，結(jié)合地區(qū)下沉式綠地一般滲透速率，對應綠地下沉深度可取0.1～0.25m。

設定邊界條件，土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)K=2.10×10-5m/s，蓄水深度為0.2m，城市主干路及快速路下沉式綠地面積百分比f為15%～20%，次干路及支路下沉式綠地面積百分比f為10%。

灌新路（環(huán)灣大道至煙廠段）項目已實施，海綿設施運行良好，本文研究可為后續(xù)工程提供參考。

參考文獻

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