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海绵城市建设背景下的道路绿地设计策略

发布时间:2016-09-14 14:27:33点击次数:919

随着城镇化的快速推进,我国城市的建成区面积持续扩大、城市体量不断增长,与此同时城市也面临着严峻的雨水问题:一方面城市的地下水位在不断下降,水资源变得越来越紧缺,另一方面洪涝灾害频繁发生。因此,如何充分利用雨水资源将成为未来城市生态建设的重要目标。

作者南京工业大学建筑学院讲师王祝根,南京工业大学建筑学院讲师李晓蕾,南京林业大学风景园林学院教授、副院长张青萍,南京林业大学风景园林学院硕士研究生李晓策在《规划师》2016年第8期撰文,文章结合海绵城市建设的理念,着重从排水分流控制、汇水径流引导和蓄水优化利用的角度构建了城市道路绿地设计策略,以期为海绵城市建设背景下的道路绿地建设提供借鉴。

一、道路绿地设计策略

1.目标与框架

当前,我国已有部分学者从雨水资源的角度开展了城市道路绿地的相关研究,但是所得的研究成果不多,主要侧重于雨水存储、利用等具体的技术方面,关于设计策略的研究成果较少。而随着海绵城市建设战略的提出,国内城市道路绿地未来几年内必将面临着大范围的改造、更新建设。在这一背景下,道路绿地设计策略的研究能够为即将展开的道路绿地更新、建设提供设计层面的参考,具有一定的实际应用价值。海绵城市建设背景下的道路绿地设计策略包括设置优化目标、提出基本原则与设计策略,以及系统地归纳生态道路绿地设计方法,目的是为生态道路设计提供一个相对完整的宏观设计体系参考(图1)。

2.原则

制定道路绿地设计策略的目的是为了提高雨水资源利用率、提升道路绿地的生态价值,在道路绿地层面落实海绵城市建设目标,而这一目标的实现需要设计原则与设计思路的引导(图2)。

二、设计策略引导

1.排水分流控制

作为城市排水的重要组成部分,道路排水与城市生态建设联系紧密。排水分流控制原则指的是在生态雨洪控制利用理论下,道路应遵循路面与绿地排水分流的设计原则。从雨洪控制的角度看,道路路面与道路绿地排水的分流是提升道路雨洪控制能力的前提。由于道路与绿地的基质截然不同,与道路相比,绿地内的雨水水质要明显优于道路,不但绿地本身具有雨水净化能力,而且结合了生态技术的绿地还能接纳周围的雨水径流,发挥调蓄与净化作用。因此,排水分流就是要从源头上对道路路面和道路绿地的雨水进行分流。

(1)纵向分流

道路雨水径流的控制主要由排水口与排水通道两部分组成。纵向分流指的是排水口分流,利用排水口的高差—将道路与绿地排水口设计为不同标高来引导分流。目前,国内大多数城市已建成道路的绿地标高多高于路面标高,且没有独立的排水口设计,无法实现雨水分流,对于这一类型的绿地应该通过排水口改造实现与道路排水的分流控制。然而,分流并不是说完全的分离,分流的目的是为了根据道路与绿地径流的水质、水量条件的差异,采取不同的设计方法与技术。例如,道路路面的渗透能力差,雨水径流量大,水质污染严重,在将雨水径流引入相对独立的绿地区域时,一方面需要配合一系列的沉淀、过滤和净化等方式处理水质污染的问题,另一方面需要设计适度的排水口、排水通道和足够容量的蓄水空间以适应其汇水速度快、径流量大的特点(图3)。

(2)横向分流

横向分流指的是排水通道分流,通过道路、绿地排水通道的分离实现分流。道路排水与绿地排水的特点不同,其排水通道的设计方法也不同。道路排水通道的设计应针对道路排水的特征,尽可能地延长排水径流时间、分散排水径流通道,以延缓暴雨进入城市管网的时间,有效减少雨洪流量(图4)。

综合上述分析可知,海绵城市建设背景下的道路绿地设计应首先实现道路路面与绿地排水的分离,再制定相应设计策略,引导市政排水管网与生态景观的排水分控。如此一来,既可以有效增加绿地蓄水量,减缓市政排水管网(尤其是在暴雨期)的排水压力,又能够根据道路与绿地雨水污染程度、滞蓄能力和径流特点制定相应的设计策略,选择合理的设计方法与技术,以高度优化、利用雨水资源。

2.汇水径流引导

道路是城市雨水径流产生、汇集与排放的主要区域,根据美国环境保护署(U.S.EPA)的测算,当降雨发生时,在自然地表只有10%的雨量形成地表径流,50%的雨量形成下渗;而在城市建成区,同强度的降雨有55%的雨量形成地表径流、15%的雨量形成下渗。因此,合理引导城市道路雨水径流对发挥道路“雨水管理”功能具有重要的现实意义,处理好道路与绿地排水径流的关系也成为生态道路绿地设计面临的重要任务。基于雨水存储利用的汇水径流引导策略是根据绿地汇水过程与道路用地差别而构建的,该策略包含两个部分:

(1)根据汇水过程实施源头—汇流—终端的过程引导。该引导主要是根据雨水径流的产生过程,对雨水径流实施从源头到终端的过程引导。以美国波特兰12号大街为例,当降雨发生时,12号大街可汇集道路范围内的雨水径流,并由进水口将其导入4个连续的雨水种植池中,雨水在种植池中完成吸收、滞留、净化和下渗等过程,不能消纳的多余雨水通过溢流口流出并进入城市排水系统。针对雨水径流不同阶段的不同特点,12号大街采用不同的设计方法与技术手段成功地将雨水径流从道路引入绿地并排入城市管网,实现了对雨水径流的过程引导控制。

(2)从用地差别的角度出发,对人行道、车行道与绿地分流进行空间引导。人行道、车行道与绿地上的雨水径流的汇水量、水质、径流速度与径流特点均有很大差别,如采用透水铺装的人行道,其透水性要优于车行道,而绿地的透水性又优于人行道。

因此,在源头—汇流—终端的过程引导的基础上,未来的道路排水设计应进一步根据人行道、车行道及绿地的雨水污染情况、雨水径流量与径流速度制定相应的设计方法,以指导不同环境下汇水径流的优化处理。

3.蓄水优化利用

基于雨水存储利用的道路绿地设计应从以下两个方向构建其蓄水优化利用的指导框架:

(1)基于渗透的设计。通过道路绿地进行雨水渗透,是雨水就地存储消化的有效途径。雨水通过地表土壤或者辅助设施渗透到地表以下重新参与到自然的水循环当中,可有效补充道路用地范围内的地下水源,促进水资源的再循环[6]。

因此,基于雨水利用的渗透设计首先应从雨水渗透存储的角度出发,对用地范围内的降雨量和降雨特征进行分析,该分析是制定道路绿地雨水渗透设计的前提与基础;其次应根据降雨量及降雨特征确定土壤基质的配置、铺装材料的选择,同时根据植物的吸水性、耐水性特点进行植物配置;最后在综合分析渗透特征的基础上,选择合理的设计模式以及渗透与过滤技术。

(2)基于存储的设计。在渗透策略的引导下,一部分道路雨水资源实现了就地消纳。但是道路绿地也需要结合相应的存储设计策略(如建设雨水花园、生态蓄水池等)储蓄一定量的雨水,用于道路景观水体的补给、绿化,以节约城市水资源。因此,基于雨水利用的存储设计首先应根据场地的地理环境、降雨特征与空间条件,对汇水特征、蓄水量和下渗量进行分析,以合理地划分汇水区,实现对雨水存储的科学规划布局;其次应分析场地形态、高程、坡度和面积等相关特征,以确定可采用的设计手段与存储模式;最后根据上述分析的结果,选择合理的存贮模式与净化技术,确定相应的物理、植被土壤净化技术。

道路绿地收集雨水的功能体现了它在重建水循环和补充城市水源方面的作用,这也符合当下我国海绵城市建设的需求,具有积极的生态意义。因此,充分发挥道路绿地的雨水渗透与存储功能,增强道路绿地对雨水资源的消纳与利用水平应该成为海绵城市建设背景下道路绿地设计的重要支撑点。

三、设计方法与技术引导

1.排水设计

(1)道路绿地自身的排水设计

根据道路绿地的特点,宜采用生态排水的方式,并充分利用道路及绿地空间形成科学的排水与调蓄设计。目前道路绿地的生态排水主要有两种方式:一是将道路与绿地边界的局部或全部打开,把径流分配到临近的下沉式绿地中,并设置连续的雨水滞纳设施,通过绿地滞纳一定量的雨水,缓解排水管网的排水压力。二是设置浅草沟、渗透渠等设施,并结合相关生态景观技术发挥绿地对雨水的吸收、滞留、减速和渗透作用,从而达到缓解排水管网压力的目的(图5)。

(2)绿地与排水管网的对接设计

道路绿地与排水系统的对接设计能够科学合理地引导道路排水,是生态道路设计的重点,其基本原则是建立绿地与排水管网的间接联系,缓解排水管网的排水压力。因此,在土壤渗透能力有限的情况下,道路绿地应将无法下渗的雨水引入收集池,待排水高峰期过后再排入城市排水管网中。此外,为防止道路绿地雨水收集池的集雨量超过其容量,应设计与排水管网相对应的溢水口和溢流井,以实现对道路绿地的弹性排水控制(图6)。

(3)道路绿地与外部空间的排水协同设计

近年来国内城市由于排水系统设计标准偏低、管网容量较小,尤其是在排水高峰期时,地势低洼的节点地区排水压力负荷较重,道路积水呈现出特定地点发生率高、排水引流不畅的特征。而道路绿地与外部空间的排水协同设计对缓解道路内涝节点的排水压力有积极的作用。因此,在年降雨量和暴雨期雨水径流量较大的地区,当道路绿地不能明显发挥排水作用时,应选择径流引导的方式,将雨水引导至道路周边的广场、绿地内,通过外部雨水收集设施缓解道路绿地的排水压力。这一类型的道路绿地设计应注意对径流的引导设计,如其坡度选择应满足排水速度的要求,场地高差应注意与周边广场、绿地的衔接等(图7)。

2.蓄水设计

(1)蓄水方式

道路绿地的雨水蓄存不但能用于雨水调蓄、景观水体和景观绿化,而且可以减小径流对道路的侵蚀、削减道路雨水径流的洪峰流量,具有多方面的生态价值。道路绿地的优点在于不仅可以收集到对应绿地上的雨水,还能收集到周围硬地集水面积上的汇流,因此可在降雨的全过程中加大道路整体的雨水入渗系数。

道路绿地的蓄水方式主要有两种:一是通过种植基质层和植物吸收储蓄雨水。在基质层方面,种植的植物种类及土壤的选择是关键,应选择低密度、高空隙率、耐冲刷的土壤材料以及耐水性好、吸水性强的景观植物。二是通过专门设计的蓄水空间储蓄雨水。道路绿地常用的蓄水设施有植草沟、生物滞留带、雨水花园、人工湿地、生态蓄水池和生态截污池等多种形式。道路绿地应将基质层和蓄水空间结合起来,充分利用场地内部或周边道路、建筑绿地收集雨水。

此外,利用道路绿地开发蓄水空间不仅要满足增加雨水存储量的需求,还应建立弹性的蓄水和排水联系。例如,美国波特兰12号大街的道路绿地蓄水设计便通过模拟实验表明:蓄水与径流结合的引导设计可显著提升景观对雨洪的控制能力,使25年一遇暴雨产生的径流强度降低约70%。因此,道路绿地的蓄水设计不应只是开发蓄水空间,还需依托蓄水空间进行多种形式的排蓄组合设计,通过弹性蓄水与排水的结合,实现雨水的弹性存储与弹性排放。

(2)蓄水技术

降雨在道路路面形成的径流会冲刷路面附着的污染物,造成各种径流污染。国内外大量研究成果表明,路面雨水径流污染主要是由重金属和有机物的污染造成的。而绿地可通过土壤基质、植物及微生物的吸附、过滤、离子交换等作用净化径流中的污染物,将大部分的固体污染物沉积下来并转化为植物的营养物质。由此可见,道路绿地蓄水在减少径流污染和净化雨水水质方面具有明显优势。

基于上述分析,道路绿地的雨水净化设计应与蓄水充分结合,通过渗透、存储、调节、传输与净化等过程实现对雨水的净化处理;道路绿地应结合用地性质与场地条件(降雨量大小、径流量大小、污染程度、汇水区位置及面积、土壤类型及结构、绿地空间形态及结构等)进行雨水资源利用的需求分析,并确定适宜的净化技术,有效利用生物滞留设施、渗透塘、湿塘、雨水湿地、调节塘、植草沟和植被缓冲带等设计方法与技术,实现对雨洪净化和利用的有效管控(表2)。

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