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    相反相成:基于数字技术的城市道路海绵系统实践——以南京天保街生态路为例

    关键词:风景园林;旱涝问题;城市道路;海绵系统;海绵绩效;数字技术

    Key words:landscape architecture; drought and waterlogging problem; urban road; sponge system; sponge performance; digital technology

    摘要:聚焦城市道路水环境旱涝问题及其产生机制,探讨了系统解决城市道路水环境问题的策略及设计途径,提出基于多目标优化的城市道路海绵系统构建及绩效量化研究方法,结合南京天保街生态路系统实践以及3年来基于物联传感技术获取的监测数据,从地表径流控制、雨水利用、生境优化、经济效益4个方面综合定量分析研究。实践证明本系统运行稳定、综合绩效优异,对于海绵城市建设大有可为。

    Abstract:The study focused on the problems of drought and waterlogging of urbanroad water environment and their generation mechanism, discussed the strategy and approach to systematically solve the problems of urban road water environment, and based on multi-objective optimization, it put forward the research method of the construction of urban road sponge system and the quantification of performance. Based on the practice of Nanjing Tianbao Street ecological road system and the monitoring data of sponge performance supported by the internet of things (IoT) sensing technology of the last three years, the sponge performance was analyzed and evaluation from four aspects: surface runoff control, rainwater harvesting and resource utilization, system habitat optimization, and economic benefit. The practice has proved that the system is running stable, and the comprehensive performance is excellent.

    内容:

    1  旱涝问题凸显的城市道路水环境
    城市化过程中下垫面的改变带来了水环境的变化。道路作为城市建成区下垫面的重要组成部分(《城市道路交通规划设计规范》中规定200万以上大城市城市道路占城市建设用地比例宜为15%~20%[1]),由于其高不透水性、产、汇流速度快,常成为城市内涝发生高风险区,严重影响市民生活与安全。国内外暴雨洪灾中,城市道路往往首当其冲成为最危险的地段,如在2012年北京“7·21”特大暴雨中造成77人死亡,其中就有11人在道路上溺亡[2] 。以往,为应对城市道路内涝主要依靠城市市政排水管网为主的灰色基础设施,处理路面径流采取快速集中、快速排放的方式,即通过道路横坡将地表径流引导汇入道路两侧雨水口,然后再通过雨水口排入市政雨水管网。传统雨水“快排”方式不仅存在建设成本高、雨水资源被大量浪费等局限,且极大增加了城市排水压力。
    另一方面,由于不透水下垫面的阻隔以及传统排水设计模式,城市道路雨水资源被迅速集中于管网排出,相对于城市其他区域,城市道路绿地缺水问题显得尤为突出。为确保城市道路绿地植物的正常生长,每年需消耗大量淡水资源。以南京市为例,2015年南京市建成区面积为713km2,道路占建成区比例约为15%~17%,即106~121km2,而其中城市道路绿地约占道路用地的30%(依据《城市道路绿化规划与设计规范》),即32~36km2,以每平方米绿地每年绿化灌溉用水2t计算,除去自然降雨量,每年南京市仅城市道路绿化灌溉用水就需3 200万t,城市道路绿化灌溉的用水量的居高不下,给城市用水带来极大压力。
    积涝与极度缺水,已然成为城市道路水环境的基本特征,导致城市道路成为旱涝频发的重灾区,城市道路旱涝两极化矛盾已逐渐成为制约城市可持续发展的重要因素[3]。

    2  城市道路旱涝问题应对策略
    面对旱涝问题凸显的城市道路水环境,不应强调单一地以解决洪涝或雨水利用为导向,应统筹兼顾系统解决城市道路水环境矛盾,相反相成,从对立统一中寻求解决城市道路问题的根本出路,其主要设计策略如下。
    2.1  系统优化
    针对城市道路内涝及绿化缺水问题,应根据城市道路形式及结构特点,在保证城市道路交通安全前提下,提倡构建符合城市特定气候地理环境的“收水-用水”一体化雨水管理体系,将地表径流削减与雨水积存利用充分有机结合,形成一套行之有效的雨水路面收集处理、集中分配、传输净化、缓释灌溉等功能的雨水系统,使城市道路内涝及绿化缺水问题得到有效解决,实现城市道路雨水-景观-生态多设计目标的耦合。
    2.2  因地制宜
    不同地理区位的城市存在显著差异[4],对于城市道路海绵系统设计来说,降雨量、土壤性质、地形及周边水系等是确定海绵系统的前提,同时管理模式、审美习惯等因素也需兼顾。以目前国内在城市道路绿地应用较多的下凹式绿地技术为例,下凹式绿地具有补充地下水、调节径流、滞洪以及削减径流污染物等功能,但同时也存在受地下水位影响大、易汇集路面垃圾、绿化绿量较少、土壤基质难以更换等局限。因此,在高水位非冻土地区如何构建城市道路海绵系统必须因地制宜。
    2.3  自然做功
    海绵系统设计不应将问题复杂化,以低成本投入和低技术集成实现系统功能的高效化,让自然做功是海绵系统设计的重要策略。城市道路内涝问题的突出一定程度是由于传统排水设计过于注重径流集中处理,使矛盾集中化造成,而采用源头分散、化整为零的设计思路往往能达到事半功倍的效果,不仅部分缓解了城市道路排水压力,同时也解决了城市道路绿化带干旱缺水的问题,恢复了城市的自然水文循环过程。而“自然存积、自然渗透、自然净化”的3个“自然”原则充分体现了“让自然做功”的原理,具有深刻的生态科学意义。
    2.4  数字技术
    本系统建构与研究全过程基于数字技术,首先运用GIS与SWMM软件对城市道路竖向及水环境综合分析;通过定量研究,科学设计路面、雨水传输与存储系统;结合传感器、物联网、雨量计等自动化监测装置实时传输系统工况;编写专用计算机程序以及移动APP,通过智能终端设备实时监测系统运行。以定量研究成果支持城市道路水环境分析评价、海绵系统规模与设计、海绵设施确定及绩效评估等,提高了海绵城市建设的客观性、科学性和精准性,数字技术的应用对于海绵城市建设具有重要意义。

    3  城市道路海绵系统构建
    天保街生态路系统试验段位于南京河西新城南部,为新建城市次干道,道路标段横断面宽45m,双向四车道,中分带绿化宽5~8m,下部满铺综合管廊,覆土深度4.0m,侧分带绿化宽2m。西起扬子江大道,东至恒河路,全长近600m。
    系统以解决城市道路旱涝问题为目标,统筹改善城市道路水环境。根据南京地区地理气候基础数据(图1),运用GIS与SWMM分析竖向、确定海绵设施规模、模拟设计前后道路水环境状况,结合海绵绩效监测平台对建成后道路地表径流控制、雨水收集利用、生境优化等绩效进行监测。基于国家海绵城市设计相关设计规范要求,在满足国家海绵城市地表径流控制率等指标基础上,本工程针对机动车道、非机动车道、人行道分别采取不同设计策略,透水路面、集水边沟、自然渗透蓄水模块等系统技术,旨在构建完整的城市道路雨水管理系统,实现场地地表径流控制、雨水收集及资源化利用、生境优化等多重目标[5],系统解决城市道路旱涝问题。本系统不仅在中等规模降雨条件下具有完整调蓄作用,即使在暴雨、大暴雨等灾害天气下也能发挥较好的削峰及减灾作用。
    南京天保街生态路具有以下4个基本特征:1)将路面的排水、集水和绿化灌溉用水有机结合,构建了一套适用于江南高水位、无冻土地区的城市道路海绵系统;2)系统具有低成本、免维护、无能耗、易实施推广,通过缓释与渗透技术,实现了对道路绿化自动灌溉;3)基于物联网及传感器技术构建海绵绩效监测平台,实现对系统海绵绩效的全天候实时定量监测;4)改善道路中侧分带立地条件,优化生境,促进了植物生长,降低了道路绿地的管护费用约30%~40%。
    南京天保街生态路系统由路面雨水渗透系统、雨水收集分配系统、雨水储利用系统及海绵绩效监测系统四部分组成(图2~4)。
    3.1  路面雨水渗透系统
    传统城市道路路面主要采用雨水口点式集中排水方式,当降雨量较大时,地表径流若无法及时汇入雨水口并顺利排出,则易于在路面形成积水,影响车辆及行人交通安全,且在低洼地段极易形成内涝。南京天保街生态路系统将传统点式收集排水改成面式渗透,极大地提升了路面排水效率。机动车道为保证道重载车辆行车安全,路面雨水渗透系统采用面层40mm透水沥青,透水沥青面层下为普通沥青层和水稳层,与普通沥青道路做法一致,确保道路强度及承载能力(图2)。当雨水渗入面层透水沥青后,在道路横坡的作用下向边沟流动,经过特殊设计的边沟盖板相互拼接后,在侧面形成过水槽口,雨水可通过该槽口进入边沟(图3)。机动车道的整个排水和收水过程均在路面层内完成,不会形成地表积水与径流。非机动车道采用道路面层、基层全透水方式,雨水降落非机动车道后可直接渗透土壤;人行道为保证行人行交通舒适采用面层不透水,基层透水的做法,雨水通过面层露骨料混凝土铺装自然拼缝渗透到垫层及土壤中。
    3.2  雨水收集分配系统
    雨水收集分配系统由机动车两侧集水边沟及集水井构成(图3),以实现对雨水的高效收集及有序调节。机动车道集水边沟内每隔20~30m设跌水井,再通过汇水管将初步沉淀的雨水导入集水井中。集水井设置在侧分带内,是雨水收集、分配的枢纽,井深约1.3m,上层为进水管,包括连接集水边沟的汇水管和收集非机动车道下渗水的收集管;底层为出水管,包括预埋在侧分带土壤中的渗透管和向中分带储水模块输水的过路管;中间是与市政排水管网相接的溢流管。集水井收集到的雨水首先分配给渗透管和储水模块,当雨量较大时,储水模块注满,集水井水位上升,可由溢流管将过量雨水排出。(过去3年间仅有1d存在外溢记录,即2015年6月27日,当日降雨量达247.4mm)另外,集水井底部打有数个直径10mm的小孔,使一部分收集的雨水直接渗透至土层。
    3.3  雨水储存利用系统
    南京天保街生态路雨水存储空间由三部分构成:道路中分带储水模块、两侧集水边沟、集水井、雨水管道以及路面40mm透水沥青。当场地降雨量较少时,透水沥青及集水边沟和集水井可将雨水收集消纳,当雨量较大时则通过过路输水管将雨水传输到埋设在中分带内的储水模块进行存储。储水模块为PP材料,即聚丙烯,是一种半结晶的热塑性塑料,具有较高的耐冲击性,机械性质强韧,抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。储水模块外侧包裹有滤水土工布和碎石层,可将储存的雨水缓释至周围土壤,满足中分带植被对水分的需求(图3)。另外,预埋在侧分带内的渗透管,外部也用土工布和碎石层包裹,可使部分雨水渗透至侧分带土壤中,同样起到灌溉植被的作用。本生态路系统试验段采用的储水模块分段排列成条状,埋设在中分带内,每段长度约30m,覆土深度0.9~1.0m,横截面面积为1.3m×0.8m。
    3.4  海绵绩效监测系统
    1)海绵绩效监测系统架构。
    南京天保街生态路绩效监测系统由数据采集存储、数据远程传输及绩效监测平台终端三部分组成(图4)。基于物联网及传感器技术,绩效监测系统可实现对生态路海绵绩效24h实时监测,设计及管理人员可通过电脑、手机APP客户端实时掌握区域降雨量、雨水收集量、中侧分带土壤含水量等雨水管理绩效数据。同时,在天保街生态路周边未采用雨水生态系统路段设立绩效监测对照组,对照组采用与生态路相同的土壤含水量设备和参数,对其绩效进行实测验证。通过与对比段监测数据比较,能够客观反映试验段生态路系统对土壤水分变化的影响。
    2)海绵绩效监测平台。
    海绵城市绩效监测平台是由东南大学数字景观实验室(江苏省城乡与景观数字技术工程中心)开发,用于海绵城市系统绩效评价及展示的客户端工具。监测平台基于海绵城市系统绩效数据集及B/S架构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)构建,可对海绵项目绩效进行实时监测、评价分析及可视化展示,由移动APP和电脑web在线客户端构成。移动APP包括地图监测、数据可视化、数据查询、数据分析、报警管理及评价分析等9个工具模块(图5),web在线客户端则具有更强大的数据管理、分析及智能控制功能。

    4  南京天保街生态路海绵绩效实证研究
    2013年11月,南京天保街生态路海绵系统试验段的建设与道路施工同时展开,并于2014年7月建成运行。2014年11月生态监测系统开始收集数据,除去设备调试及1次人为损坏3个月期间无法收集数据,其余均运行正常。截至2017年7月17日,共收集有效传感器数据142 805条。
    4.1  地表径流控制绩效
    基于南京天保街生态路海绵绩效监测平台2个完整自然年(2015年1—12月及2016年7月—2017年7月)24h日降雨量、蓄水模块液位变化数据统计(图7、8),结果显示,当天保街设计区域24h降雨量≤116.6mm时,生态路海绵系统能够实现100%就地消纳降雨,不生成地表径流。当24h降雨量>116.6mm,结合灰色系统可以迅速将过量雨水排出。(附:中华人民共和国住房和城乡建设部《海绵城市建设技术指南》规定南京地区85%地表径流控制率对应设计降雨量为36.6mm[6])
    1)小到大雨量情况下生态路地表径流控制绩效。
    依据国家降雨强度等级划分,当24h日降雨量小于10mm时,降雨强度等级为小雨;当24h日降雨量为10~24.9mm时,降雨强度等级为中雨;24h日降雨量25~49.9mm时;降雨强度等级为大雨。基于南京天保街生态路海绵绩效监测平台数据分析,当降雨强度为小雨时,南京天保街生态路多孔路面透水沥青及集水边沟基本能将雨水就地消纳,蓄水模块不产生水位上升;当降雨强度为中雨时,雨水模块水位上升量平均为0.1m。当降雨强度等级为大雨时,蓄水模块上升水位平均为0.2~0.3m。在小到大雨降雨强度等级下,生态路能够实现降雨的全部就地消纳,地表径流控制率达100%。
    2)暴雨及大暴雨下生态路地表径流控制绩效。
    依据国家降雨强度等级划分,当24h累积降雨量为50~99.9mm时为暴雨降雨强度,当24h累积降雨量为降雨量100~199.9mm时为大暴雨降雨强度。基于南京天保街生态路海绵绩效监测平台数据分析,南京天保街生态路能够实现对暴雨强度降雨的就地消纳,当出现大暴雨降雨情况也能对较好发挥径流峰值消减效果,使道路内不积水、不内涝,同时极大减轻城市排水系统压力。
    3)特大暴雨、极端天气状况下生态路地表径流控制绩效。
    依据国家降雨强度等级划分,当24h日降雨量>200mm时,即为特大暴雨降雨强度。2016年7月7日凌晨,南京突发特大暴雨,河西地区3h累计降雨量达到235.5mm,1h最大降雨量达到129.2mm,这是南京有气象记录以来最大小时雨量。河西地区多条城市道路因遭遇强降雨严重积水出现交通中断,城市道路内涝灾害严重。天保街生态路试验段相邻江东南路、邺城路等城市道路路面均出现不同程度积水,经7月7日13:45及14:00作者于周边道路及生态路现场观测,生态路路面并无积水现象(图6)。实践证明,南京天保街生态路在应对特大暴雨等极端灾害性天气下也能发挥较好的地表径流控制效益,路面雨水能在短时间内排空,使路面不积水、不内涝。
    4.2  雨水收集及资源化利用绩效
    基于南京天保街生态路建设至今3年的定量监测数据,生态路系统示范段(长约600m)机动车道年均收集利用雨水4 836m3,年均雨水资源利用率为46%。
    1)年雨水收集及资源化利用量。
    2015年1—12月南京天保街生态路区域总降雨量1 312.2mm,路面范围内年总水量11 808m3,海绵设施年雨水收集量4 807m3,年雨水收集及资源化利用率41%;2016年7月—2017年7月南京天保街生态路区域总降雨量     1 052mm,路面范围内年总水量9 468m3,海绵设施年雨水收集量4 865m3,年雨水收集及资源化利用率为51%(图9)。
    2)雨水资源化利用供需分析。
    南京天保街生态路试验段中分带绿地面积3 384.8m2,年灌溉需用水约6 768t(2t/m2·年),以南京市年平均降雨量1 047mm计算,除去降雨灌溉外,每年仍需3 224m3年灌溉用水,生态路海绵系统试验段600m海绵模块年均收水量约为4 334m3,基本可满足试验段中侧分带绿化灌溉用水需求。
    4.3  系统生境优化绩效
    从图9可以看出,蓄水模块雨水缓释效应基本能够持续全年,秋季为植物较为缺水季节,试验段2.4m处土壤含水量仍能保持30%以上,在对比段保持人工绿化灌溉情况下,试验段土壤含水率与对比段相比仍平均高10%以上。
    城市道路绿化带乔木的根系主要分布在1~2m深度,灌木根系主要在0.45~0.60m深度,考虑到蓄水模块埋设深度,2.4m土层维持较高的含水量对植物根系呼吸作用影响不大,不会形成积水烂根现象。由于毛细作用,当土壤干燥时,一部分水会上升至上层土壤供植物根系吸收。通过蓄水模块雨水对土壤的缓释作用,优化了土壤生境,使其更适合植物生长。生态路试验段、对比段均采用相同规格、同种类植物,2017年春季,经人工测量对比,试验段植物生长量平均比对比段高30%。同时,生态路系统采用传统道路绿化堆栽形式,在满足海绵城市建设要求同时不影响景观绿化效果,植物品种选择及景观绿化种植方式更为多样化。
    4.4  系统经济绩效
    基于3年完整实验数据,南京天保街生态路试验段每600m给排水费用每年可节约8.12万元、人工及机械费用每年可节约1.3万元,总计每年节约9.42万元。其中节约灌溉用水费3.15万元(以年均雨水资源化利用率46%统计,年均资源化用水量为1.05万m3,以南京市工业用水价3元/m3计算,则实际节约水费3.15万元);节约排水费4.97万元(天保街试验段道路硬质总面积为17 400m2,以2015年降水量1 312mm计,实际道路收水量为22 828.8m3,以2014年南京市排水费2.18元/m3计算,则排水费总计4.97万)。人工及机械费参考南京市城市道路园林绿化养护管理价格(灌木及地被每平方米8.23元/年,乔木每株50元/年,其中人工、机械浇水费用约占30%~40%,试验段绿地面积3 384m2,乔木株172株)每年共计节约人工及机械费1.3万元。

    5  结语
    针对高水位、无冻土地区城市道路水环境特征,基于系统优化目标构建的城市道路海绵系统及基于物联传感网络监测绩效定量研究为解决城市道路水环境问题提供了新的途径。实践证明,海绵城市大有可为,必须坚持因天、地制宜的根本策略,辨证施治,基于系统法则,统筹解决城市道路水患顽疾,将城市道路引向生态化,促进人居环境的可持续发展。

    注:文中图片均由作者拍摄或绘制。

    参考文献:
    [1] GB 50220-95 城市道路交通规划设计规范[S].1995.
    [2] 人民日报社.北京“7·21”灾害遇难人数升至77人,66名遇难者身份公布[N].人民日报,2012-07-27(2).
    [3] 成玉宁,袁旸洋.让自然做功事半功倍:正确理解“自然积存、自然渗透、自然净化”[J].生态学报,2016,36(16):4943.
    [4] 成玉宁,周盼,谢明坤.因地制宜的海绵城市理论与实践探讨[J].江苏建设,2016(15):96.
    [5] 成实.结合雨洪管理的城市设计探析[J].中国园林,2016(11):57.
    [6] 住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南:低影响开发雨水系统构建(试行)[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

    (编辑/徐传语  王媛媛)