[分享]城市道路设计中的新型雨洪控制利用技术

发表于2018-12-21    590人浏览    1人跟帖    总热度:240  


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城市建设要保持基础设施与环境的协调,城市径流及其污染物排放总量要与生态承载力相适应,以维持城市良性水循环和健康的生态系统,构建优美、舒适和健康的人居环境,形成人与自然的和谐关系,实现资源节约型、环境友好型城市的目标。


道路在城市规划与建设中占有举足轻重的地位,快速城市化背景下,道路面积不断增加。目前,我国城市道路占建设用地的比例一般为10%~15%,国外有些城市甚至超过30%~40%。因此,为了协调城市发展中人和环境之间的矛盾,如何把握日益增加的道路与城市环境的关系,妥善处理道路建设对环境、水资源等带来的干扰和影响,就成为一个值得认真对待的重大问题,也由此提出道路雨洪的控制问题。


1、我国道路排水存在的一些主要问题


目前,我国城区道路排水设计还是以管道排水为主,在一些城郊或城乡结合部以沟渠排水为主,对雨水总的思想还是体现在一个“排”字上。城市化进程的加快使得传统城市道路排水的弊端日益明显,这种以简单排放为单一方式和目标的道路排水系统,暴露出以下一些主要问题。


(1)道路排洪压力大。


城市扩张过程中,大量自然地面逐步被包括道路在内的硬化面所取代,道路周边区域硬化率也日益增大。不透水面积的增加导致城市综合径流系数增大,暴雨汇流迅速,径流量和径流峰值成倍增加,道路排水系统还常常担负着周边汇水的排水任务,因此必然加大道路的排水压力,洪涝风险增加,道路安全系数也随之下降。我国许多城市每年的雨季由于道路洪涝造成巨大的损失和恶劣的影响,如2007年济南市的马路洪水灾害,安徽省、重庆市等地的洪涝,北京市近年多处道路、立交桥的严重积水等,给当地造成巨大的经济损失甚至人民生命财产的损失。


(2)路面径流污染严重。


路面径流污染是城市地表径流污染的主要来源,而城市地表径流污染是仅次于农业污染的第二大面污染源。占城市汇水面积约20%的道路,对受纳水体悬浮物和烃类污染的贡献分别为50%和30%。美国约有60%的河流和50%的湖泊污染与非点源污染有关,在已实现二级处理的城市,水体BOD年负荷约40%~80%来自雨水径流。


道路对沿线周边的水体污染十分严重。路面雨水径流中除含有重金属、碳氢化合物等对环境危害性大的污染物质以外,车辆运行带来的油类等污染物,行人抛弃的废物,从庭院和其他开阔地上冲刷到街道上的碎屑和污染物等,最终都将在雨水淋洗、冲刷作用下迁移至水环境中,并对这些水域产生很大危害。在周边有生态敏感保护区和重要水源保护区的地方,道路污染物对水质、生物及生物多样性的潜在威胁更需要认真对待。


(3)雨水资源流失。


我国是水资源较为贫乏的国家,城市年缺水量达60亿m3。由于地下水超采且得不到及时补充,产生了一系列严重问题。随着经济的发展和城市化加快,城市需水量日益增加,人们将面临更为严峻的缺水问题。与之形成鲜明对比的是,路面及周边区域的雨水从城市雨污水管网白白流走,这不仅浪费了大量宝贵的雨水资源,还使城市排水管网、污水处理厂及水环境不堪重负。据多年前的粗略统计,到2010年,我国城市雨水总量将达到110亿m3,而我国城市雨水利用率还不到10%。随着城市的发展,不透水面积增加,城市雨水流失量还将继续大幅增大。


(4)生态环境破坏。


我国道路建设处于飞速发展阶段,到2004年年底,高速公路总里程已经位居世界第二,仅次于美国。公路的建设和运营不可避免地会带来一定程度的环境干扰和破坏,如城市热岛效应的增加,土地资源的占用与破坏,植被破坏,大气、噪声、土壤、水体污染,水土流失,生物多样性减少及对沿线居民的生活质量和自然、人文景观价值的影响。同时,地面硬化率的增加使得雨水对地下水的补充被阻隔,进而影响城市水循环系统。


道路排水作为城市排水的重要组成部分,与城市发展紧密联系。城市排水大致经历了沟渠排水、管道排水及与新型雨洪控制利用相结合的可持续排水3个发展阶段(表1)B2,133。随着传统道路排水弊端的日益明显,如何在我国城市道路排水设计中融入新的雨洪管理理念,处理好道路排水与环境保护、与雨水资源有效利用的关系问题,成为道路设计者要面临的重要任务。

城市道路设计中的新型雨洪控制利用技术_1

2、道路设计中的雨洪控制利用


2.1  城市雨洪控制利用在道路排水设计中的重要意义


道路建设所引发的一系列环境问题成为人们关注的热点。在城市道路排水设计中融入新型雨洪控制利用理念,并采用新的雨洪控制利用技术,不仅可以有效缓解目前道路排水面临的问题,还可以对道路建设所造成的生态环境破坏进行修复,对城市生态环境的改善和城市可持续发展具有重要意义。


2.2  城市雨洪控制利用体系概述


城市雨洪控制利用是涉及多学科的庞大而复杂的系统工程,到目前已经发展成为一个完整的体系,主要涵盖雨水资源化、径流污染控制以及洪涝控制等3个方面的内容。3个方面的内容又有着密切的关系,如图1所示。

城市道路设计中的新型雨洪控制利用技术_2

(1)雨水资源化。


雨水资源利用是一种新型的多目标的综合性技术,可实现节水、水资源涵养与保护、控制水土流失和水涝、减轻城市排水系统负荷、减少水污染和改善城市生态环境等目标。直接利用是指将汇水面的雨水收集、调蓄和净化后利用,包括屋面雨水、广场雨水、绿地雨水和污染较轻的路面雨水;间接利用是通过各种人工或自然渗透设施使雨水渗入地下,补充地下水资源,包括渗透路面、渗透管渠、渗透浅沟、渗透井、渗透池(塘)及一些综合渗透设施;综合利用是指通过综合性的技术措施实现雨水资源的多重目标和功能,包括雨水的集蓄利用、渗透、雨水净化、排洪减涝、水景、立体绿化等多种子系统的组合。


需要强调的是,本文涉及的雨水资源利用不限于狭义的收集、处理和回用部分雨水,而更多地是指广义上的雨水资源化。即通过各种人工生态化措施改善雨水径流的形成、组分、输送途径和储存方式等,尽量减少人类活动对水循环系统的破坏或干扰,维持更接近自然条件下的良性循环,改善城市水资源的赋存条件和生态系统。


(2)径流污染控制。


径流污染控制是城市雨洪控制利用的重要组成部分,对城市水体、生态环境以及地下水质量的改善有重大意义。非工程性措施主要是指通过政策、法规、管理等措施对径流污染控制进行引导和规范。工程性措施由各种源头控制、中途控制和终端控制技术措施组成。源头控制包括汇水面材料的合理选择、透水路面、雨水花园、渗透设施和雨水截污措施等;中途措施包括雨水池、格栅过滤设施等;终端控制包括雨水塘(干塘和湿塘)、湿地(天然湿地和人工湿地)、滞留设施(于式和湿式)、沉淀、过滤、植被过滤带等。


(3)洪涝控制。


随着近年来城市洪涝灾害的增加,洪涝控制成为城市雨洪管理中的重点内容。洪涝控制主要是通过湿地、渗透、生物滞留及调蓄等设施减少径流排放或对峰值流量进行调蓄,削减洪涝风险;提高城市防洪排涝标准。其中多功能调蓄就是以调蓄暴雨峰流量为核心,集排洪减涝、雨洪利用、城市的景观、生态环境、城市土地高效率利用等功能于一体的综合性雨洪控制利用设施。城市立交桥或高速公路绿化带、景观公园、绿地、停车场、运动场及其他可以利用的公共开放空间都是实施多功能调蓄的适宜场所。


总之,新型城市雨洪控制利用是解决雨水资源流失、控制径流污染、减少城市洪涝灾害的有效途径,也是改善城市生态环境的重要举措,应该在道路设计与建设中推广应用。


2.3  发达国家道路设计中新型雨洪控制利用技术的应用


一些发达国家对道路中的新型雨洪控制利用技术做了大量研究,并有大量的工程应用。


(1)美国道路建设中的雨洪控制。


美国道路建设一直位居世界首位。全美公路里程约650万km,是世界上拥有高速公路最多的国家(约9万km)。在道路建设过程中,对道路雨洪控制利用也非常重视。美国国家环保局于20世纪70年代初期开始以城市地表径流为重点研究对象,对包括城市道路和高速公路在内的路面径流予以关注,至今路面径流污染及其控制已成为一个热点的研究课题。


美国联邦公路管理局(FHWA)也充分认识到为公众提供安全、高效的交通运输服务的同时,保护环境、自然风景、人文历史及社会资源是一个巨大挑战,提出了“公路设计的灵活性”,要求公路设计者在运输功能和安全与周围自然和社会环境之间寻求平衡与和谐。


新型雨洪控制利用技术在美国道路设计手册中已有明确体现,如纽约公路设计手册第八章的道路排水设计部分指出,雨水滞留、储存设施是道路排水系统的组成部分,用以储存调节径流、控制初期污染、回补地下水等。纽约公路设计手册对道路周边湿地的保护和利用也做了相关规定:任何工程活动都要持有纽约州环境保护部门颁发的淡水湿地许可证(NYSDEC)。


在宾夕法尼亚州的最佳暴雨管理手册中,有章节专门提出对道路雨洪进行管理,考虑用最适宜的BMPs(综合性雨洪最佳管理措施——笔者注)来管理道路径流,根据道路的设计、建设和维护来选择控制措施,实现径流量的削减以及路面径流水质的提高。手册明确指出很多BMPs措施都适于管理路面径流,包括植草沟、植被缓冲带、生物滞留设施、渗透沟渠、渗透铺装、雨水塘或湿地等。


(2)可持续排水系统。


英国的可持续城市排水系统(SUDS, Sustainable Urban Drainage System)是在英国被广泛推广使用的一种新型的排水理念和工程技术体系。该系统引入可持续发展理念,将城市排水与资源、环境统筹考虑。与传统排水系统相比,SUDS综合考虑了雨水水量及水质控制、生态环境和生物多样性保护等因素,通过适当措施削减径流,降低洪涝风险;降低径流污染物浓度,减少对城市水体的污染;强化地下水的自然回补,改善地下水状况等,可以大幅降低城市雨水径流对环境的负面效应。


英国的可持续排水系统与美国的暴雨管理BMP体系及低影响开发(LID)体系类似,主要包括植被过滤带、沟渠、滞留设施、雨水花园、雨水塘/湿地、透水路面等一系列技术措施。这些措施很大一部分都要结合道路实施,已成为城市道路排水设计的组成部分。


城市可持续排水理念在法国也已被广泛接受。法国自1992年以来,城市道路和停车场面积增加了10%,道路雨洪问题日益引起重视。1992年在水法中规定必须在道路周围修建雨水塘以保护水源免受交通污染,同时对路面径流进行控制。Oliver等人对法国南部公路周围的6个雨水塘进行了为期1年的研究,结果表明:雨水塘可以有效地削减路面径流中的污染物,同时对生物多样性的营造有显著效果。资料显示,在过去的50年里,法国修建了许多人工雨水塘,其中很大一部分是建在道路周围。


在美国、德国、加拿大和新西兰,笔者也注意到沿道路周边经常看到各类雨水湿地/水塘、雨水花园等雨洪滞蓄净化设施,尤其在新建或新开发区,这些已经成为道路和区域内的一道靓丽的风景。


3、启示


发达国家长期以来对城市雨洪的科学管理进行了系统的研究,在运用新型雨洪控制利用技术控制道路雨洪方面开展了大量的工作,并取得显著成效,已形成较完善的适合其本国的技术和政策、法规、管理体系。这些国家的先进经验对我国如何有效实施新型雨洪控制利用技术对城市道路雨洪进行管理,解决我国道路排水存在的诸多问题有重要的启示。


(1)转变我国城市道路排水设计的相关理念。


从以上分析可知,已经有很多国家将新型城市雨洪控制利用技术用于道路雨洪的控制,并融入道路排水设计中。但目前我国道路排水设计理念主要还是通过明渠、暗沟、管道等设施简单而迅速地排除道路雨水,没有充分考虑对道路径流的控污、截流、减排、利用及其与生态环境的关系,和国际上通行、先进的主流理念严重脱节,导致在城市道路设计中很少采用新型雨洪控制利用技术,并由此带来一系列隐患。因此,当务之急是转变我国城市道路排水设计的相关理念,实现将道路排水和径流的水质、水量控制与资源化和生态环境保护等融为一体的综合体系(图2)。

城市道路设计中的新型雨洪控制利用技术_3

(2)实现道路设计者角色的转变。


新型道路排水设计是对传统道路排水体系的完善和补充。将新型城市雨洪控制利用技术用于道路设计是一个跨学科、跨专业的问题,这就需要道路设计者实现角色的转变,接纳相关专业新的理念、方法和技术,并能够将其融入道路规划、设计中,实现学科间的渗透、融合,从而实现道路的通行功能与环境、资源功能的结合,并提高其安全性。


(3)政策、法规的制定。


国外对新型城市雨洪控制利用的研究已持续了近40年,并建立了配套的法规、政策。由于发展、认识及研究上的落后,我国近年只出台了一些雨水利用的技术规范,北京等城市发布了雨水利用的政策或规定,缺乏适应新的城市雨洪控制总体的法规与政策体系。因此,应尽快通过系统性研究,建立现代城市雨洪控制利用的相关政策与法规,将新型城市雨洪控制利用纳入我国城市与道路建设规划,为城市雨洪控制利用与道路设计的结合提供政策支持,引导其在我国道路工程中的实旋,以解决我国城市道路雨洪带来的一系列环境难题。


(4)新的道路排水设计手册和规范的制定。


一些发达国家已经将新型城市雨洪控制利用的理念和技术融入道路设计规范,如美国纽约道路设计手册、英国的可持续城市排水系统等,对实际工程的实施起到了很好的指导作用。我国道路设计手册或规范中还没有新型城市雨洪控制利用理念和工程技术的体现,应借鉴发达国家的经验,将新型城市雨洪控制利用技术纳入我国道路设计手册和规范中,规范其在实际工程中的应用,避免或减少因缺乏系统的技术资料和规范标准带来的困惑和失误,促进我国的新型道路排水技术稳步健康地发展。


(5)加强研究与推广新型道路排水系统。


综上所述,在道路设计和建设中应用薪型雨洪控制利用设施在我国显得日益迫切,但又缺乏系统性研究。因此,需要加大研究力度,结合我国及各地的具体条件,因地制宜,综合考虑经济效益、生态环境效益,研发适宜的道路雨洪控制利用技术体系,真正实现我国道路建设与可持续发展的排水系统的有机结合。


显然,上述启示或建议的落实需要以长期、系统和跨学科的研究和工程应用为基础,借鉴发达国家或国内相关领域已有的科技成果和工程应用经验,通过学科间的交叉融合可大大缩短时间、差距和节约投入,实现高效率的跨越式发展。



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 发表于2018-12-21   |  只看该作者      

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