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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 游览区、文教区等低交通量的人行道路。其是基于现代工程技术,利用可持续材料制作的,可使道路径流下渗入土,并滞留径流中大颗粒的固体悬浮物和污染物的铺装材料。透水铺装的种类很多,常见的有透水混凝土、多孔沥青、多孔草坪、透水黏土砖、废弃玻璃多孔铺装等。透水铺装不仅有助于管理人行道径流,还可防止打滑。基于此,透水铺装开始应用于一些高交通量的道路。

3 美国道路的低冲击开发核心工程技术应用实践

       在美国道路雨洪管理实践中,常根据低冲击开发各项技术不同的应用范围进行不同功能区道路的低冲击建设。

3.1 城市文教区、行政区、风景游览区等道路或其节点低冲击开发方式

       在城市文教区、行政区、风景游览区等具有较大空间场地的道路节点,常设置生物洼地,再间隔一定距离设置由雨水种植箱与基础服务设施,如座凳等,并利用透水铺装,将生物滞留池和袖珍花园串联起来,形成具有生态通廊作用的整体绿色道路空间,最大限度发挥其管理道路雨洪的作用。如马里兰州国会山高地镇(Town of Capital Heights, Maryland)Chamber Ave的改造。Chamber Ave是国会山高地镇行政区主干道,路面较宽。在这一道路改造中,规划师通过合理缩减路宽并利用道路两侧空间,规划设计了多处生物滞留池和袖珍花园,再由透水道路将其连为整体。Chamber Ave的改造,除应对暴雨期道路雨洪外,还兼具提高人行空间的安全性,社区美化及缓解小镇热岛效应的作用。

3.2 城市中心区、商业区、住宅区等高密度区道路低冲击开发方式

       在城市中心区、商业区,由于历史规划、土地价值等 原因,土地利用度较高,道路空间狭小。在这些道路的低冲 击开发上,常利用空间节约型的植物缓冲池、雨水种植箱,结 合透水铺装,达到城市中心道路雨洪管理的目标。如华盛顿州雷尼尔山(Mount Rainier)小镇中心区道路规划。改造道路十分狭窄,并被不透水硬质铺装所覆盖。因此,在其规划中,规划师缩减了其车行道的宽度,以其差值补充人行道。在人行道上,增设了植物缓冲池和雨水种植箱,以提高街道对雨水的吸收及分流能力。同时,将人行道上不透水铺装替换为透水铺装,通过这些透水铺装,将植物缓冲池、雨水种植池连为整体,更好地发挥其效益。

3.3 城市工业区、仓库区、风景游览区等道路低冲击开发方式

       在城市工业区、仓库区、风景游览区等区域,常用不透水 铺装铺设道路和停车场。这使得暴雨期路面径流更为迅速 地积聚,并汇集更多污染物。因此,在这些场地的改造中,常 利用生物洼地( 或植物缓冲池) 和透水铺装的组合,通过引导 地表径流自然下渗、过滤和植物涵养,缓解雨洪压力,创建绿 色道路和生 态 停 车 场。如马里兰州伊斯顿 ( Easton,Mary- land) 道路停车场旁植物缓冲池和透水铺装的组合应用。这 一设计,主要在道路和停车场之间增设了连续的植物缓冲 池,以期通过自然下渗、滞留等方式,处理道路和停车场雨 水。同时,停车场的硬质铺装改成透水铺装,促进雨水下渗, 减少停车场污染物对水源的污染。

4 对我国道路雨洪管理建设的启示

       自低冲击开发引入我国后,国内城市均有所尝试,但真 正系统地引入这一规划思想并将其应用于道路雨洪管理实 践的尝试并不多。笔者通过总结美国道路雨洪管理中的低 冲击开发技术,提出其对未来我国道路雨洪管理的启示。

4.1 根据道路现状,因地制宜

       在建成区道路的低冲击开发上,尤其在降雨量大、密度高、没有为未来发展预留足够空 间的老城区道路,套用已有的道路低冲击开发案例并不适 合。在这些城区的道路雨洪管理建设时,需对道路的现状条 件进行评估总结,再进行合理开发。如可将已有城市排水管 改造成分段式排水管,即将整体的排水管按一定距离切分成 小段,在切口处引导雨水进入植物缓冲池、雨水种植箱等设 施中,进行雨水管理。此外,其还可引导雨水进入蓄水井,在 干旱时灌溉道路植物。
       在应用低冲击开发建设新城区道路时,需综合考虑各种 因素,如地区最大暴雨降雨量,地区径流污染物的迁移规律、 地区原水体网络、区域性植物对污染物的吸收能力等,通过 量化分析各项指标,提出切实可行的低冲击开发的雨洪管理 方法,推动新城道路低冲击构建。

4.2 拓展技术组合,系统应用

       尽管低冲击开发各项技术 均可独立形成完整的雨水管理系统,但在美国道路雨洪管理 的低冲击开发中,这些技术多组合应用,在整体上管理道路 径流。其中,常见的低冲击技术组合为: ①生物滞留池、植物 缓冲池及透水铺装的组合应用; ②植物缓冲池、雨水种植箱 与透水铺装的组合应用; ③生物洼地( 或植物缓冲池) 和透水铺装的组合应用。在我国未来道路低冲击开发改造或 建设中,可拓宽相关技术的组合模式,系统地应用于不同现 状条件的道路雨洪管理建设中。如将生物洼地与植被草沟结合利用,可扩大道路停车场的利用面积,并提高道路及停 车场的绿化率; 在空间密集度高的老城区道路雨洪管理改造 中,可综合利用植被草沟、透水铺装与城市排水管道,实现老 城区道路径流的有效管理; 在硬质铺装面积较大的城市商业 区道路,可将雨水种植箱和透水铺装组合使用。

4.3 扩大渗水面积,综合利用

       美国道路的低冲击开发工作原理之一便是扩大径流下渗面积,使一部分道路径流有效下渗,减少道路径流流量,从而缓解道路末端汇水区的压力。因此,在我国道路的低冲击开发建设中,可加大道路径流进入可下渗区域(生物滞留池、生物洼地及植物缓冲池等设施)的面积,从而增强这些区域对道路径流的管理。如可按一定距离打破生物洼地、植物缓冲池等设施旁道路道牙,将这些缺口设置为泄洪口,以增加道路径流进入这些设施的面积,更为有效地管理道路径流。

5 结论

       低冲击开发可有效降低城市道路的排水量,缓解道路径流污染,是目前城市道路雨洪管理的最佳措施。研究通过分析总结美国道路雨洪管理中低冲击开发的发展演化、核心技术和应用实践,初步预测低冲击开发模式在我国未来城市道路雨洪管理中的应用实践,以期为我国道路雨洪的管理提供方法和依据。

作者: 阿普贝思 日期 2015年01月26日

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