陳慶澤，茅煒梃，李駿豪

（合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

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結(jié)合城市立交體系的雨水生態(tài)收集利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以合肥金寨路高架為例

陳慶澤，茅煒梃，李駿豪

（合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)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(tài)收集利用設(shè)施結(jié)合起來，構(gòu)建線型生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)海綿城市建設(shè)領(lǐng)域探索新的有益的形式。

海綿城市；高架橋下空間；雨水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)；植物選擇

1　緒論

1.1研究現(xiàn)狀

水這種看似廉價(jià)的資源，如今卻因局部區(qū)域的持續(xù)性干旱和災(zāi)難性洪水成為日益嚴(yán)重的問題根源。特別是自然降水異常和城市水循環(huán)系統(tǒng)不完善所造成的城市內(nèi)旱和內(nèi)澇，成為制約城市發(fā)展、影響居民生活的重要因素。

現(xiàn)如今，針對(duì)上述的城市水問題，歐美等地區(qū)提出了“雨水園”這個(gè)全新的概念，其關(guān)鍵在于如何利用園林景觀降低公共排水系統(tǒng)中雨水的流失率。

國(guó)內(nèi)之前雖然有一些相關(guān)的論文文獻(xiàn)，但鮮有具體實(shí)踐。2015初，中央發(fā)出“建設(shè)海綿城市”的號(hào)召，這要求我們更加重視城市基礎(chǔ)設(shè)施與雨水生態(tài)處理的結(jié)合。

1.2研究方法及創(chuàng)新點(diǎn)

①通過先進(jìn)合理的技術(shù)解決大城市建設(shè)中出現(xiàn)匯水排水問題，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)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(tài)自然的方式進(jìn)行雨水的處理；③城市水系統(tǒng)引入雨水花園的新概念，通過設(shè)計(jì)方案，為“海綿城市”的建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量；④雨水花園與城市立體交通綠化帶的結(jié)合，豐富了交通綠化與交通雨水相關(guān)設(shè)施建設(shè)的思路；⑤雨水花園的對(duì)于周邊區(qū)域的氣候的調(diào)節(jié)，有利于減緩城市“熱島效應(yīng)”；⑥立交橋“灰空間”的利用新思路。

2　實(shí)地考察選址探討

金寨路高架橋南起312國(guó)道匝道跨線橋的北側(cè)，全長(zhǎng)7.5km。橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度雙向6車道25.5m，是合肥市第一座高架橋。

經(jīng)實(shí)地考察，將本次設(shè)計(jì)選取高架橋段從312國(guó)道高架橋入口開始，北至十五里河結(jié)束，長(zhǎng)約1.4km（圖1）。

圖1　本次研究選取高架橋段

3　雨水生態(tài)收集處理系統(tǒng)的構(gòu)建模式探討

我們?cè)噲D構(gòu)建一個(gè)高架橋下的雨水收集、凈化、存儲(chǔ)的循環(huán)系統(tǒng)，它無需耗費(fèi)太多能源，只需對(duì)現(xiàn)有的道路、排水設(shè)施進(jìn)行適度適量的改造，城市雨澇時(shí)期吸收、收集雨水，旱期時(shí)則反補(bǔ)橋下綠色空間與河流。

根據(jù)構(gòu)想，系統(tǒng)可分為高架橋雨水收集設(shè)施、地表雨水鏈、地下雨水鏈、新能源輔助提水泵這四個(gè)方面。高架橋周邊的雨水經(jīng)收集進(jìn)入地表雨水鏈，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)、下滲、蒸發(fā)、凈化、滯留，再進(jìn)入地下雨水鏈實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和排放，旱期時(shí)則通過提水泵將存儲(chǔ)的雨水提上來對(duì)橋下綠地進(jìn)行反補(bǔ)（圖2）。

3.1高架橋雨水收集設(shè)施——虹吸式主動(dòng)集水設(shè)施

虹吸式雨水排水系統(tǒng)是一套主動(dòng)排水系統(tǒng)，從對(duì)它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析中可以看出：新型排水系統(tǒng)較傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)降雨條件下能夠形成滿流狀態(tài)，產(chǎn)生虹吸作用，加大排水管道對(duì)高架橋面匯水的抽吸作用，提高排水系統(tǒng)的泄流能力（圖3）。

圖2　系統(tǒng)循環(huán)過程示意

圖3　虹吸集水系統(tǒng)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(jí)式落水帶、橋下綠地滲透帶、滯留池四個(gè)部分，所承擔(dān)的任務(wù)主要是雨水的流動(dòng)、凈化、自然下滲、補(bǔ)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(yīng)該覆蓋較厚的礫石以防水土流失、促進(jìn)雨水下滲；且種植的植物根系應(yīng)較深，具有較好的固土能力，且具備一定耐陰耐濕性。

②層級(jí)式落水帶的功能為促進(jìn)雨水自然下滲、進(jìn)一步凈化雨水、降低水速。帶狀結(jié)構(gòu)以便將各個(gè)橋墩底部種植池連接起來，使得雨水能在其中進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的自然流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更多的下滲。層級(jí)式則增強(qiáng)了對(duì)雨水的凈化作用。該部分種植土表面也應(yīng)覆蓋一定厚度的粗顆粒，且植物應(yīng)具備良好的凈水效果和較強(qiáng)的耐陰耐濕性。

③橋下綠地滲透帶為整個(gè)地表雨水鏈的主要組成部分，也是關(guān)鍵性部分，其形態(tài)類似于小型的濕地。經(jīng)過橋墩底部種植池、層級(jí)式落水帶進(jìn)行減速和初步凈化的雨水最終都自然溢流進(jìn)入該部分。它的意義有以下幾點(diǎn)：第一，使雨水更長(zhǎng)時(shí)間、更大面積地與土壤接觸，通過自然下滲而補(bǔ)充地下水；第二，使雨水得到更多的蒸發(fā)與蒸騰，調(diào)節(jié)整條道路的微氣候；第三，使雨水再進(jìn)一步得到凈化，達(dá)到能夠回收利用的標(biāo)準(zhǔn)。為了增強(qiáng)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(jī)質(zhì)、30%的壤土（圖4）。

圖4　層級(jí)式落水帶、橋下綠地滲透帶示意

④地表雨水鏈每隔一段應(yīng)設(shè)置一個(gè)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(duì)雨水進(jìn)行存儲(chǔ)、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(shè)置一定高度的溢水口，通過管道與地下排水管相連。當(dāng)滯留池中水位達(dá)到一定高度，水就會(huì)自然進(jìn)入地下雨水鏈，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的運(yùn)輸、存儲(chǔ)或排放（圖5）。

圖5　滯留池示意

3.3地下雨水鏈——結(jié)合現(xiàn)有排水管道

地下雨水鏈以高架橋地下現(xiàn)有排水管道為骨架。以本研究所選場(chǎng)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(chǔ)，改造的要點(diǎn)在于在合適的位置建設(shè)地下蓄水池，使雨水不至于全部進(jìn)入河道，能夠重新利用。

3.4提水泵——太陽能風(fēng)能綜合發(fā)電的試應(yīng)用

我們希望結(jié)合高架橋現(xiàn)有的條件，利用新能源產(chǎn)生設(shè)備，為水泵提供能源支持，維持系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。新能源產(chǎn)生設(shè)備具體分為風(fēng)力發(fā)電設(shè)施組與太陽能發(fā)電設(shè)施組。太陽能電池板和風(fēng)能發(fā)電機(jī)同時(shí)工作，使得供電系統(tǒng)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(huán)狀的渦流，安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加以應(yīng)用。

4　關(guān)鍵技術(shù)問題探討

4.1設(shè)施規(guī)模計(jì)算

根據(jù)有關(guān)部門在2014年10月公布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，我們對(duì)關(guān)鍵過程中的設(shè)施規(guī)模進(jìn)行了估算。

低影響開發(fā)設(shè)施以徑流總量和徑流污染為控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)施具有的調(diào)蓄容積一般應(yīng)滿足“單位面積控制容積”的要求。設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積一般采用容積法進(jìn)行計(jì)算，公式為：V=10Hφ F

式中：V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積（m3）；H為設(shè)計(jì)降雨量（mm）；φ為綜合雨量徑流系數(shù)，混凝土路面中該數(shù)值約為0.85；F為匯水面積（m2）。

我們希望設(shè)施實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率達(dá)到85%的目標(biāo)，在此條件下設(shè)計(jì)降雨量H=31.3mm（合肥市一年一遇一小時(shí)降水量），再結(jié)合之前實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)段橋面投影面積F=35466.5 m2，由以上公式可以算出調(diào)蓄容積V=9435.9m3。

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

對(duì)于生物滯留設(shè)施、滲透塘、滲井等頂部或結(jié)構(gòu)內(nèi)部有蓄水空間的滲透設(shè)施，其有效調(diào)蓄容積按下式進(jìn)行計(jì)算：Vs=V-Wp

式中：Vs為滲透設(shè)施的有效調(diào)蓄容積，包括設(shè)施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積（m3）；V為滲透設(shè)施進(jìn)水量（m3）；Wp為滲透量，(m3）。

滲透設(shè)施滲透量按下式進(jìn)行計(jì)算：Wp=KJAsts

式中：Wp為滲透量（m3）；K為土壤（原土）滲透系數(shù)（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(shí)間，指降雨過程中設(shè)施的滲透歷時(shí)，一般可取2h。

經(jīng)計(jì)算，滲透量Wp=2001.6 m3，有效調(diào)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(jìn)行估算）。如果地下蓄水池每個(gè)容積為1000m3，則數(shù)量不應(yīng)超過7個(gè)。

4.2植物選取標(biāo)準(zhǔn)與品種

PAR（光合有效輻射）指太陽輻射中能夠?yàn)榫G色植物所利用的能量，是研究光環(huán)境的重要數(shù)值。

高架橋下環(huán)境的較為特殊，對(duì)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(shí)測(cè)模型，對(duì)其進(jìn)行光環(huán)境分析（圖6）。

圖6　光合有效輻射（PAR）分析結(jié)果（單位：MJ/m2d）

從軟件對(duì)模型的分析可以得出，橋下最大PAR可達(dá)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(huán)境。

根據(jù)各個(gè)設(shè)施的環(huán)境對(duì)所選植物的要求，我們選取了本地相應(yīng)符合其環(huán)境特點(diǎn)并能發(fā)揮功能的植物（表1）。

植物分類推薦表　表1

5　結(jié)語

根據(jù)以上研究，我們有理由認(rèn)為——城市高架橋下空間與雨水生態(tài)收集利用設(shè)施的結(jié)合是可行的，且對(duì)于減緩城市內(nèi)澇、補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)地區(qū)微氣候、美化城市環(huán)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?nèi)ヌ剿鳌?/p>

[1]GB50318－2000，城市排水工程規(guī)劃規(guī)范[S].

[2]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（試行）[S].2014.

[3]殷利華.基于光環(huán)境的城市高架橋下橋陰綠地景觀研究——以武漢城區(qū)高架橋?yàn)槔齕D].武漢：華中科技大學(xué)，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(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6]王繼芳.太陽能風(fēng)能綜合發(fā)電系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)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(yè)大學(xué)2015年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2015CX CYS073）。

陳慶澤（1994-），男，山東濟(jì)寧人，合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院本科在讀，專業(yè)：景觀學(xué)。