基于低沖擊開發(fā)模式的美國城市道路雨洪管理實踐與借鑒

楊琪瑤， 張建林， 王海洋

(西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，重慶 400715)

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基于低沖擊開發(fā)模式的美國城市道路雨洪管理實踐與借鑒

楊琪瑤， 張建林， 王海洋

(西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，重慶 400715)

從城市道路雨洪管理的角度出發(fā)，概述美國道路雨洪管理中低沖擊開發(fā)的發(fā)展演化，詳述美國道路的低沖擊開發(fā)核心工程技術(shù)，結(jié)合這些技術(shù)在道路雨洪管理中的實踐，得出不同城市功能區(qū)道路的低沖擊開發(fā)設(shè)計應(yīng)用形式。從道路現(xiàn)狀的利用、技術(shù)組合的拓展和滲水面積的擴(kuò)大3個層面淺析低沖擊開發(fā)模式對我國道路雨洪管理的啟示。

低沖擊開發(fā)；道路雨洪管理；工程技術(shù)；實踐與借鑒

隨著城市的快速發(fā)展，城市路網(wǎng)不斷擴(kuò)展。大面積不透水路面使道路徑流聚集時間縮短、徑流速度加快、徑流量增大。在雨洪期，這一現(xiàn)象既導(dǎo)致了道路排水設(shè)施瞬時排水量過大，引發(fā)城市內(nèi)澇；又加速了路面沉淀物的移動，有機(jī)、有毒物質(zhì)的擴(kuò)散，極大程度上降低了路面徑流的水體質(zhì)量，并污染道路末端匯水處水體。

低沖擊開發(fā)(Low Impact Development，簡稱LID)，源于20世紀(jì)90年代美國提出的“生態(tài)城市”規(guī)劃概念。其內(nèi)涵是通過分散的、小規(guī)模的源頭控制機(jī)制和技術(shù)措施達(dá)到對雨水所產(chǎn)生的徑流和污染的控制，使城市開發(fā)區(qū)域的水文功能盡量接近開發(fā)之前的狀況[1]。其以自然生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，是人與自然和諧發(fā)展的產(chǎn)物，在有效管理城市雨水的同時還可實現(xiàn)面源污染的控制、雨水資源的利用和城市生態(tài)的改善等目標(biāo)[2]。

道路的低沖擊開發(fā)是利用低沖擊開發(fā)的方法和工程技術(shù)，減少道路建設(shè)對城市環(huán)境，尤其對雨洪期城市水環(huán)境的影響。近年來，國內(nèi)學(xué)界日益關(guān)注低沖擊開發(fā)的研究和實踐，但系統(tǒng)介紹道路的低沖擊開發(fā)理論及其在國外道路雨洪管理中的應(yīng)用十分匱乏。該研究試圖從美國道路雨洪管理的發(fā)展演變及低沖擊開發(fā)核心工程技術(shù)入手，結(jié)合其在美國道路雨洪管理中的應(yīng)用實踐，以期為我國道路的雨洪管理提供參考。

1 美國道路雨洪管理的發(fā)展演變

1.1 末端控制：20世紀(jì)70年代到90年代早在20世紀(jì)70年代，美國已在聯(lián)邦層面對城市污染雨水進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)制，如美國聯(lián)邦環(huán)保局(The Federal Environmental Protection Agency)于1972年授予各州雨水管理許可豁免權(quán)；于1987年頒布雨水管理第一和第二階段許可證[3]。這一時期，末端控制，也稱傳統(tǒng)雨水管理，是美國道路雨洪管理的主要模式。其運行機(jī)制為利用中大型設(shè)備，將收集的道路徑流傳輸、轉(zhuǎn)移到道路末端匯水處水體中，再對匯水處污染水體進(jìn)行治理，完成其生態(tài)修復(fù)。這種方式，僅適用于小強度降水，對暴雨的排流十分有限；并屬于點源污染的末端治理模式，即將點源污染匯集成面源污染再進(jìn)行治理，存在著低效、難治理等弊端(表1)。

1.2 低沖擊開發(fā)：20世紀(jì)90年代至今20世紀(jì)80年代末90年代初，末端控制因低效而備受詬病，人們意識到須從源頭對道路徑流流量及其中的污染物進(jìn)行削減，低沖擊開發(fā)模式逐漸應(yīng)用到道路雨洪管理建設(shè)中。道路低沖擊開發(fā)是通過分散的、小規(guī)模的控制機(jī)制和技術(shù)措施，在減少道路徑流量同時對徑流中的污染物進(jìn)行過濾、滯留等處理，既減少匯入道路末端匯水區(qū)的雨水量，又降低該部分雨水中的污染物。

表1 道路雨洪管理中傳統(tǒng)雨水管理與低沖擊開發(fā)的比較

低沖擊開發(fā)模式下的道路雨洪管理，屬于源頭控制方式。這一模式模擬了自然水文模式，既有利于消減洪峰、降低徑流總量、消減點源及面源污染物含量，又可提高雨水的利用率，保護(hù)環(huán)境敏感區(qū)，如河流兩岸的緩沖區(qū)、濕地、斜坡、滯洪區(qū)等[4-5](表1)。

2 美國道路的低沖擊開發(fā)核心工程技術(shù)

美國道路的低沖擊開發(fā)是綜合利用入滲、滯留、蓄流等方式來減緩道路徑流流速、減少道路徑流流量，降低其中的污染物含量，達(dá)到雨洪的管理。目前，其相關(guān)工程技術(shù)有10余項，其中，最核心的工程措施有生物滯留池(Bioretention Cells)、生物洼地(Bioswales)、植物緩沖池(Vegetated Curb Extensions)、雨水種植箱(Stormwater Planters)及透水鋪裝(Permeable Paving)。

2.1 生物滯留池生物滯留池常用于城市文教區(qū)、行政區(qū)、住宅區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)等具有較大空間場地的道路節(jié)點處(不同技術(shù)的應(yīng)用范圍見表2)。其由草地緩沖帶、砂床、蓄水區(qū)、有機(jī)層或覆蓋層和鄉(xiāng)土植物所組成[6](圖1)。道路徑流從泄洪口進(jìn)入生物滯留池，部分徑流及所含的污染物被植物吸收，剩余徑流則通過砂床下滲，所含的大顆粒污染物被滯留于砂床中。若徑流量很大，過剩的徑流將通過溢水口進(jìn)入地下排水管，將雨水快速排出。

表2 道路的低沖擊開發(fā)核心工程的應(yīng)用范圍和主要作用

2.2 生物洼地生物洼地，也稱生物溝，多用于工業(yè)區(qū)、倉庫區(qū)、文教區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)道路和停車場，呈自然或規(guī)整布置[7]。其由草坡、砂層和植物組成。生物洼地的原理與生物滯留池十分相近，但不同的是，生物洼地是一種傳輸裝置，無地下排水管道；而生物滯留池是一種儲存裝置，有地下排水管道[8]。此外，因雨水在生物溝中靠重力流運輸，故生物溝縱向坡度非常重要。取值偏小，流速較慢，污染物的去除效果較好，但滲透量增大，易積水；取值偏大，流速增大，徑流排速加快，污染物處理效果下降，并引起沖蝕[9]。

此外，生物滯留池和生物洼地除了管理道路徑流，還能減緩城市熱島效應(yīng)，提高空氣質(zhì)量，提高鄰里美學(xué)。

2.3 植物緩沖池植物緩沖池常用于城市行政區(qū)、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)、文教區(qū)道路，尤其適合沒有較多空間設(shè)置生物滯留池的居住區(qū)或商業(yè)區(qū)主干道(圖2)。植物緩沖池是生物滯留池的微縮形式，一般由砂石層和植物組成。道路徑流進(jìn)入植物緩沖池后，由砂石層和植物滯留部分污染物，并涵養(yǎng)部分雨水。多余徑流量則通過地下排水管排出，以防道路積水。此外，植物緩沖池也常見于社區(qū)交叉路口，通過縮小路寬提高行人過街的安全性[8]。

2.4 雨水種植箱雨水種植箱主要安裝在中心區(qū)、商業(yè)區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)人行道上，是為管理人行道徑流而設(shè)計的矩形種植箱，常與樹池結(jié)合使用(圖3)[8]。其主要由砂礫、土壤和植物組成。種植箱頂部砂層略低于人行道，以引導(dǎo)徑流流入。人行道徑流在自然下滲和植物吸收后，過剩部分被引入溢水管(溢水管高度介于砂層和人行道高度之間)，通過地下排水管排出。

雨水種植箱除了管理人行道徑流，還提高了道路的植物覆蓋率。如美國馬里蘭州喬治王子鎮(zhèn)(Prince George’s County, Maryland)，由于增設(shè)了雨水種植箱，其道路植物覆蓋率在2002年總規(guī)中達(dá)到了26%[10]。

2.5 透水鋪裝透水鋪裝常用于城市商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)、文教區(qū)等低交通量的人行道路。其是基于現(xiàn)代工程技術(shù)，利用可持續(xù)材料制作的，可使道路徑流下滲入土，并滯留徑流中大顆粒的固體懸浮物和污染物的鋪裝材料[11]。透水鋪裝的種類很多，常見的有透水混凝土、多孔瀝青、多孔草坪、透水黏土磚、廢棄玻璃多孔鋪裝等。

透水鋪裝不僅有助于管理人行道徑流，還可防止打滑?；诖耍杆佈b開始應(yīng)用于一些高交通量的道路[8]。

3 美國道路的低沖擊開發(fā)核心工程技術(shù)應(yīng)用實踐

在美國道路雨洪管理實踐中，常根據(jù)低沖擊開發(fā)各項技術(shù)不同的應(yīng)用范圍進(jìn)行不同功能區(qū)道路的低沖擊建設(shè)。

3.1 城市文教區(qū)、行政區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)等道路或其節(jié)點低沖擊開發(fā)方式在城市文教區(qū)、行政區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)等具有較大空間場地的道路節(jié)點，常設(shè)置生物洼地，再間隔一定距離設(shè)置由雨水種植箱與基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，如座凳等，并利用透水鋪裝，將生物滯留池和袖珍花園串聯(lián)起來，形成具有生態(tài)通廊作用的整體綠色道路空間，最大限度發(fā)揮其管理道路雨洪的作用。如馬里蘭州國會山高地鎮(zhèn)(Town of Capital Heights, Maryland)Chamber Ave的改造。Chamber Ave是國會山高地鎮(zhèn)行政區(qū)主干道，路面較寬。在這一道路改造中，規(guī)劃師通過合理縮減路寬并利用道路兩側(cè)空間，規(guī)劃設(shè)計了多處生物滯留池和袖珍花園，再由透水道路將其連為整體。Chamber Ave的改造，除應(yīng)對暴雨期道路雨洪外，還兼具提高人行空間的安全性，社區(qū)美化及緩解小鎮(zhèn)熱島效應(yīng)的作用[8]。

3.2 城市中心區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等高密度區(qū)道路低沖擊開發(fā)方式在城市中心區(qū)、商業(yè)區(qū)，由于歷史規(guī)劃、土地價值等原因，土地利用度較高，道路空間狹小。在這些道路的低沖擊開發(fā)上，常利用空間節(jié)約型的植物緩沖池、雨水種植箱，結(jié)合透水鋪裝，達(dá)到城市中心道路雨洪管理的目標(biāo)。如華盛頓州雷尼爾山(Mount Rainier)小鎮(zhèn)中心區(qū)道路規(guī)劃。改造道路十分狹窄，并被不透水硬質(zhì)鋪裝所覆蓋。因此，在其規(guī)劃中，規(guī)劃師縮減了其車行道的寬度，以其差值補充人行道。在人行道上，增設(shè)了植物緩沖池和雨水種植箱，以提高街道對雨水的吸收及分流能力。同時，將人行道上不透水鋪裝替換為透水鋪裝，通過這些透水鋪裝，將植物緩沖池、雨水種植池連為整體，更好地發(fā)揮其效益[12]。

3.3 城市工業(yè)區(qū)、倉庫區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)等道路低沖擊開發(fā)方式在城市工業(yè)區(qū)、倉庫區(qū)、風(fēng)景游覽區(qū)等區(qū)域，常用不透水鋪裝鋪設(shè)道路和停車場。這使得暴雨期路面徑流更為迅速地積聚，并匯集更多污染物。因此，在這些場地的改造中，常利用生物洼地(或植物緩沖池)和透水鋪裝的組合，通過引導(dǎo)地表徑流自然下滲、過濾和植物涵養(yǎng)，緩解雨洪壓力，創(chuàng)建綠色道路和生態(tài)停車場。如馬里蘭州伊斯頓(Easton, Maryland)道路停車場旁植物緩沖池和透水鋪裝的組合應(yīng)用。這一設(shè)計，主要在道路和停車場之間增設(shè)了連續(xù)的植物緩沖池，以期通過自然下滲、滯留等方式，處理道路和停車場雨水。同時，停車場的硬質(zhì)鋪裝改成透水鋪裝，促進(jìn)雨水下滲，減少停車場污染物對水源的污染。

4 對我國道路雨洪管理建設(shè)的啟示

自低沖擊開發(fā)引入我國后，國內(nèi)城市均有所嘗試，但真正系統(tǒng)地引入這一規(guī)劃思想并將其應(yīng)用于道路雨洪管理實踐的嘗試并不多。筆者通過總結(jié)美國道路雨洪管理中的低沖擊開發(fā)技術(shù)，提出其對未來我國道路雨洪管理的啟示。

4.1 根據(jù)道路現(xiàn)狀，因地制宜在建成區(qū)道路的低沖擊開發(fā)上，尤其在降雨量大、密度高、沒有為未來發(fā)展預(yù)留足夠空間的老城區(qū)道路，套用已有的道路低沖擊開發(fā)案例并不適合。在這些城區(qū)的道路雨洪管理建設(shè)時，需對道路的現(xiàn)狀條件進(jìn)行評估總結(jié)，再進(jìn)行合理開發(fā)。如可將已有城市排水管改造成分段式排水管，即將整體的排水管按一定距離切分成小段，在切口處引導(dǎo)雨水進(jìn)入植物緩沖池、雨水種植箱等設(shè)施中，進(jìn)行雨水管理。此外，其還可引導(dǎo)雨水進(jìn)入蓄水井，在干旱時灌溉道路植物[13]。

在應(yīng)用低沖擊開發(fā)建設(shè)新城區(qū)道路時，需綜合考慮各種因素，如地區(qū)最大暴雨降雨量，地區(qū)徑流污染物的遷移規(guī)律、地區(qū)原水體網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域性植物對污染物的吸收能力等，通過量化分析各項指標(biāo)，提出切實可行的低沖擊開發(fā)的雨洪管理方法，推動新城道路低沖擊構(gòu)建。

4.2 拓展技術(shù)組合，系統(tǒng)應(yīng)用盡管低沖擊開發(fā)各項技術(shù)均可獨立形成完整的雨水管理系統(tǒng)，但在美國道路雨洪管理的低沖擊開發(fā)中，這些技術(shù)多組合應(yīng)用，在整體上管理道路徑流。其中，常見的低沖擊技術(shù)組合為：①生物滯留池、植物緩沖池及透水鋪裝的組合應(yīng)用；②植物緩沖池、雨水種植箱與透水鋪裝的組合應(yīng)用；③生物洼地(或植物緩沖池)和透水鋪裝的組合應(yīng)用[8，13]。在我國未來道路低沖擊開發(fā)改造或建設(shè)中，可拓寬相關(guān)技術(shù)的組合模式，系統(tǒng)地應(yīng)用于不同現(xiàn)狀條件的道路雨洪管理建設(shè)中。如將生物洼地與植被草溝結(jié)合利用，可擴(kuò)大道路停車場的利用面積，并提高道路及停車場的綠化率；在空間密集度高的老城區(qū)道路雨洪管理改造中，可綜合利用植被草溝、透水鋪裝與城市排水管道，實現(xiàn)老城區(qū)道路徑流的有效管理；在硬質(zhì)鋪裝面積較大的城市商業(yè)區(qū)道路，可將雨水種植箱和透水鋪裝組合使用。

4.3 擴(kuò)大滲水面積，綜合利用美國道路的低沖擊開發(fā)工作原理之一便是擴(kuò)大徑流下滲面積，使一部分道路徑流有效下滲，減少道路徑流流量，從而緩解道路末端匯水區(qū)的壓力。因此，在我國道路的低沖擊開發(fā)建設(shè)中，可加大道路徑流進(jìn)入可下滲區(qū)域(生物滯留池、生物洼地及植物緩沖池等設(shè)施)的面積，從而增強這些區(qū)域?qū)Φ缆窂搅鞯墓芾?。如可按一定距離打破生物洼地、植物緩沖池等設(shè)施旁道路道牙，將這些缺口設(shè)置為泄洪口，以增加道路徑流進(jìn)入這些設(shè)施的面積，更為有效地管理道路徑流。

5 結(jié)論

低沖擊開發(fā)可有效降低城市道路的排水量，緩解道路徑流污染，是目前城市道路雨洪管理的最佳措施。研究通過分析總結(jié)美國道路雨洪管理中低沖擊開發(fā)的發(fā)展演化、核心技術(shù)和應(yīng)用實踐，初步預(yù)測低沖擊開發(fā)模式在我國未來城市道路雨洪管理中的應(yīng)用實踐，以期為我國道路雨洪的管理提供方法和依據(jù)。

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The Practice and Reference of Low Impact Development in American Road Rainwater Management Design

YANG Qi-yao, ZHANG Jian-lin, WANG Hai-yang

(College of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400715)

From the perspective of urban road rainwater management, the development of LID in American urban road rainwater management was reviewed. Then, through analyzing the five core technical projects of LID and their practices in American road rainwater management, it was concluded that there are different forms in different urban functions. The use of LID in Chinese urban road rainwater management was explored from three aspects, including the usage of road condition, the exploration of techniques and the expansion of area for seepage.

LID; Road rainwater management; Techniques; Practice and reference

楊琪瑤(1990- )，女，浙江諸暨人，碩士研究生，研究方向：中外園林史，風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計。

2014-11-19

S 26

A

0517-6611(2015)01-127-03