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基于LID的美国道路雨洪管理实践与借鉴

       随着城市的快速发展,城市路网不断扩展。大面积不透水路面使道路径流聚集时间缩短、径流速度加快、径流量增大。在雨洪期,这一现象既导致了道路排水设施瞬时排水量过大,引发城市内涝; 又加速了路面沉淀物的移动,有机、有毒物质的扩散,极大程度上降低了路面径流的水体质量,并污染道路末端汇水处水体。
       低冲击开发(Low Impact Development,简称LID),源于20世纪90年代美国提出的“生态城市”规划概念。其内涵 是通过分散的、小规模的源头控制机制和技术措施达到对雨水所产生的径流和污染的控制,使城市开发区域的水文功能尽量接近开发之前的状况。其以自然生态系统为基础,是人与自然和谐发展的产物,在有效管理城市雨水的同时还可实现面源污染的控制、雨水资源的利用和城市生态的改善等目标。
       道路的低冲击开发是利用低冲击开发的方法和工程技术,减少道路建设对城市环境,尤其对雨洪期城市水环境的影响。近年来,国内学界日益关注低冲击开发的研究和实践,但系统介绍道路的低冲击开发理论及其在国外道路雨洪 管理中的应用十分匮乏。该研究试图从美国道路雨洪管理的发展演变及低冲击开发核心工程技术入手,结合其在美国道路雨洪管理中的应用实践,以期为我国道路的雨洪管理提供参考。

1 美国道路雨洪管理的发展演变

1.1 末端控制:20世纪70年代到90年代

       早在20世纪70年代,美国已在联邦层面对城市污染雨水进行相应的规制,如美国联邦环保局(The Federal Environmental Protection Agency) 于1972年授予各州雨水管理许可豁免权; 于1987年颁布雨水管理第一和第二阶段许可证。这一时期,末端控制,也称传统雨水管理,是美国道路雨洪管理的主要模式。其运行机制为利用中大型设备,将收集的道路径流传输、转移到道路末端汇水处水体中,再对汇水处污染水体进行治理,完成其生态修复。这种方式,仅适用于小强度降水,对暴雨的排流十分有限; 并属于点源污染的末端治理模式,即将点源污染汇集成面源污染再进行治理,存在着低效、难治理 等弊端(表1) 。

1.2 低冲击开发:20世纪90年代至今

       20世纪80年代末,90年代初,末端控制因低效而备受诟病,人们意识到须从源 头对道路径流流量及其中的污染物进行削减,低冲击开发模 式逐渐应用到道路雨洪管理建设中。道路低冲击开发是通过分散的、小规模的控制机制和技术措施,在减少道路径流量同时对径流中的污染物进行过滤、滞留等处理,既减少汇入道路 末端汇水区的雨水量,又降低该部分雨水中的污染物。
       低冲击开发模式下的道路雨洪管理,属于源头控制方式。这一模式模拟了自然水文模式,既有利于消减洪峰、降 低径流总量、消减点源及面源污染物含量,又可提高雨水的利用率,保护环境敏感区,如河流两岸的缓冲区、湿地、斜坡、滞洪区等 (表1) 。

2 美国道路的低冲击开发核心工程技术

       美国道路的低冲击开发是综合利用入渗、滞留、蓄流等 方式来减缓道路径流流速、减少道路径流流量,降低其中的 污染物含量,达到雨洪的管理。目前,其相关工程技术有10余项,其 中,最核心的工程措施有生物滞留池(Bioretention Cells)、生物洼地(Bioswales)、植物缓冲池(Vegetated  Curb Extensions)、雨水种植箱(Stormwater Planters )及透水铺装(Permeable Paving)。

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2.1 生物滞留池

       生物滞留池常用于城市文教区、行政区、 住宅区、风景游览区等具有较大空间场地的道路节点处(不同技术的应用范围见表2)。其由草地缓冲带、砂床、蓄水区、有机层或覆盖层和乡土植物所组成(图1)。道路径流从泄洪口进入生物滞留池,部分径流及所含的污染物被植物吸收,剩余径流则通过砂床下渗,所含的大颗粒污染物被滞留于砂床中。若径流量很大,过剩的径流将通过溢水口进入地下排水管,将雨水快速排出。

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2.2 生物洼地

       生物洼地,也称生物沟,多用于工业区、仓库区、文教区、风景游览区道路和停车场,呈自然或规整布置。其由草坡、砂层和植物组成。生物洼地的原理与生物滞留池十分相近,但不同的是,生物洼地是一种传输装置,无地下排水管道; 而生物滞留池是一种储存装置,有地下排水管道。此外,因雨水在生物沟中靠重力流运输,故生物沟纵向坡度非常重要。取值偏小,流速较慢,污染物的去除效果较好,但渗透量增大,易积水; 取值偏大,流速增大,径流排速加快,污染物处理效果下降,并引起冲蚀。此外,生物滞留池和生物洼地除了管理道路径流,还能减缓城市热岛效应,提高空气质量,提高邻里美学。

2.3 植物缓冲池

       植物缓冲池常用于城市行政区、住宅区、商业区、风景游览区、文教区道路,尤其适合没有较多空间设 置生物滞留池的居住区或商业区主干道(图2)。植物缓冲池是生物滞留池的微缩形式,一般由砂石层和植物组成。道路径流进入植物缓冲池后,由砂石层和植物滞留部分污染物,并涵养部分雨水。多余径流量则通过地下排水管排出,以防道路积水。此外,植物缓冲池也常见于社区交叉路口,通过缩小路宽提高行人过街的安全性。

2.4 雨水种植箱

       雨水种植箱主要安装在中心区、商业区、风景游览区人行道上,是为管理人行道径流而设计的矩形种 植箱,常与树池结合使用(图3)。其主要由砂砾、土壤和植物组成。种植箱顶部砂层略低于人行道,以引导径流流入。人行道径流在自然下渗和植物吸收后,过剩部分被引入溢水管(溢水管高度介于砂层和人行道高度之间),通过地下排水管排出。雨水种植箱除了管理人行道径流,还提高了道路的植物覆盖率。如美国马里兰州乔治王子镇(Prince George’s Country,Maryland),由于增设了雨水种植箱,其道路植物覆盖率在2002 年总规中达到了26%。

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2.5 透水铺装

       透水铺装常用于城市商业区、居住区、风景