结合城市立交体系的雨水生态收集利用系统设计——以合肥金寨路高架为例

陈庆泽，茅炜梃，李骏豪

（合肥工业大学建筑与艺术学院，安徽 合肥 230601）



结合城市立交体系的雨水生态收集利用系统设计
——以合肥金寨路高架为例

陈庆泽，茅炜梃，李骏豪

（合肥工业大学建筑与艺术学院，安徽 合肥 230601）

文章试图将城市中典型的“灰空间”——高架桥下空间与雨水生态收集利用设施结合起来，构建线型生态基础设施，在我国海绵城市建设领域探索新的有益的形式。

海绵城市；高架桥下空间；雨水生态循环系统；植物选择

1　绪论

1.1研究现状

水这种看似廉价的资源，如今却因局部区域的持续性干旱和灾难性洪水成为日益严重的问题根源。特别是自然降水异常和城市水循环系统不完善所造成的城市内旱和内涝，成为制约城市发展、影响居民生活的重要因素。

现如今，针对上述的城市水问题，欧美等地区提出了“雨水园”这个全新的概念，其关键在于如何利用园林景观降低公共排水系统中雨水的流失率。

国内之前虽然有一些相关的论文文献，但鲜有具体实践。2015初，中央发出“建设海绵城市”的号召，这要求我们更加重视城市基础设施与雨水生态处理的结合。

1.2研究方法及创新点

①通过先进合理的技术解决大城市建设中出现汇水排水问题，实现水资源的可持续利用；②改变以往城市雨水直接管道排水的方式，采用更为生态自然的方式进行雨水的处理；③城市水系统引入雨水花园的新概念，通过设计方案，为“海绵城市”的建设贡献自己的力量；④雨水花园与城市立体交通绿化带的结合，丰富了交通绿化与交通雨水相关设施建设的思路；⑤雨水花园的对于周边区域的气候的调节，有利于减缓城市“热岛效应”；⑥立交桥“灰空间”的利用新思路。

2　实地考察选址探讨

金寨路高架桥南起312国道匝道跨线桥的北侧，全长7.5km。桥梁标准宽度双向6车道25.5m，是合肥市第一座高架桥。

经实地考察，将本次设计选取高架桥段从312国道高架桥入口开始，北至十五里河结束，长约1.4km（图1）。

图1　本次研究选取高架桥段

3　雨水生态收集处理系统的构建模式探讨

我们试图构建一个高架桥下的雨水收集、净化、存储的循环系统，它无需耗费太多能源，只需对现有的道路、排水设施进行适度适量的改造，城市雨涝时期吸收、收集雨水，旱期时则反补桥下绿色空间与河流。

根据构想，系统可分为高架桥雨水收集设施、地表雨水链、地下雨水链、新能源辅助提水泵这四个方面。高架桥周边的雨水经收集进入地表雨水链，进行较长时间的流动、下渗、蒸发、净化、滞留，再进入地下雨水链实现存储和排放，旱期时则通过提水泵将存储的雨水提上来对桥下绿地进行反补（图2）。

3.1高架桥雨水收集设施——虹吸式主动集水设施

虹吸式雨水排水系统是一套主动排水系统，从对它的结构特点分析中可以看出：新型排水系统较传统排水系统的优势在于强降雨条件下能够形成满流状态，产生虹吸作用，加大排水管道对高架桥面汇水的抽吸作用，提高排水系统的泄流能力（图3）。

图2　系统循环过程示意

图3　虹吸集水系统示意

3.2地表雨水链——高架桥下绿地改造

地表雨水链可大致分为桥墩底部种植池、层级式落水带、桥下绿地渗透带、滞留池四个部分，所承担的任务主要是雨水的流动、净化、自然下渗、补充地下水。

①雨水沿着落水管首先落入桥墩底部种植池。该部分承受的雨水冲击力最大，因此种植土表面应该覆盖较厚的砾石以防水土流失、促进雨水下渗；且种植的植物根系应较深，具有较好的固土能力，且具备一定耐阴耐湿性。

②层级式落水带的功能为促进雨水自然下渗、进一步净化雨水、降低水速。带状结构以便将各个桥墩底部种植池连接起来，使得雨水能在其中进行较长时间的自然流动，从而实现更多的下渗。层级式则增强了对雨水的净化作用。该部分种植土表面也应覆盖一定厚度的粗颗粒，且植物应具备良好的净水效果和较强的耐阴耐湿性。

③桥下绿地渗透带为整个地表雨水链的主要组成部分，也是关键性部分，其形态类似于小型的湿地。经过桥墩底部种植池、层级式落水带进行减速和初步净化的雨水最终都自然溢流进入该部分。它的意义有以下几点：第一，使雨水更长时间、更大面积地与土壤接触，通过自然下渗而补充地下水；第二，使雨水得到更多的蒸发与蒸腾，调节整条道路的微气候；第三，使雨水再进一步得到净化，达到能够回收利用的标准。为了增强下渗与净化的效果，我们建议将表层约十公分厚的原土用混合土代替——50%的砂砾、20%的有机质、30%的壤土（图4）。

图4　层级式落水带、桥下绿地渗透带示意

④地表雨水链每隔一段应设置一个滞留池，作为一段的末端以及与地下相连接的部分。它能够有效地对雨水进行存储、净化与吸收，且其周边丰富蓬勃的植物给灰色的桥下空间增添活力。在其中设置一定高度的溢水口，通过管道与地下排水管相连。当滞留池中水位达到一定高度，水就会自然进入地下雨水链，实现进一步的运输、存储或排放（图5）。

图5　滞留池示意

3.3地下雨水链——结合现有排水管道

地下雨水链以高架桥地下现有排水管道为骨架。以本研究所选场地为例，地下排水管道将雨水直接排入北部的十五里河。因此为了便于雨水的存储，改造的要点在于在合适的位置建设地下蓄水池，使雨水不至于全部进入河道，能够重新利用。

3.4提水泵——太阳能风能综合发电的试应用

我们希望结合高架桥现有的条件，利用新能源产生设备，为水泵提供能源支持，维持系统的良性运转。新能源产生设备具体分为风力发电设施组与太阳能发电设施组。太阳能电池板和风能发电机同时工作，使得供电系统的可靠性有明显提高。

桥下的较快的车流，以及穿行的城市气流，也可以作为能源加以利用。利用双向相行的车辆形成环状的涡流，安装风力发电机组加以应用。

4　关键技术问题探讨

4.1设施规模计算

根据有关部门在2014年10月公布的《海绵城市建设技术指南》，我们对关键过程中的设施规模进行了估算。

低影响开发设施以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时，设施具有的调蓄容积一般应满足“单位面积控制容积”的要求。设计调蓄容积一般采用容积法进行计算，公式为：V=10Hφ F

式中：V为设计调蓄容积（m3）；H为设计降雨量（mm）；φ为综合雨量径流系数，混凝土路面中该数值约为0.85；F为汇水面积（m2）。

我们希望设施实现年径流总量控制率达到85%的目标，在此条件下设计降雨量H=31.3mm（合肥市一年一遇一小时降水量），再结合之前实测设计段桥面投影面积F=35466.5 m2，由以上公式可以算出调蓄容积V=9435.9m3。

若将地上雨水链设施的横截面近似看作一个梯形，最终算出地上雨水链设施的高度约1.0m（从层级式落水带最顶部到绿地渗透带最底部）。

对于生物滞留设施、渗透塘、渗井等顶部或结构内部有蓄水空间的渗透设施，其有效调蓄容积按下式进行计算：Vs=V-Wp

式中：Vs为渗透设施的有效调蓄容积，包括设施顶部和结构内部蓄水空间的容积（m3）；V为渗透设施进水量（m3）；Wp为渗透量，(m3）。

渗透设施渗透量按下式进行计算：Wp=KJAsts

式中：Wp为渗透量（m3）；K为土壤（原土）渗透系数（m/s），此处混合土K=2.5×10∧（-5）m/s；J为水力坡降，一般可取 J=1；As为有效渗透面积（m2）；ts为渗透时间，指降雨过程中设施的渗透历时，一般可取2h。

经计算，渗透量Wp=2001.6 m3，有效调蓄容积Vs=7434.3m3，滞留池中与地下部分相连的溢水口高度约0.36m（同样以横截面近似看作梯形的方法进行估算）。如果地下蓄水池每个容积为1000m3，则数量不应超过7个。

4.2植物选取标准与品种

PAR（光合有效辐射）指太阳辐射中能够为绿色植物所利用的能量，是研究光环境的重要数值。

高架桥下环境的较为特殊，对植物的影响很大，借助Autodesk EcotectAnalysis软件，我们建立研究中的高架桥的实测模型，对其进行光环境分析（图6）。

图6　光合有效辐射（PAR）分析结果（单位：MJ/m2d）

从软件对模型的分析可以得出，桥下最大PAR可达5.00，但绿地范围（中间8m宽度）最大PAR不过2.50，属典型阴生环境。

根据各个设施的环境对所选植物的要求，我们选取了本地相应符合其环境特点并能发挥功能的植物（表1）。

植物分类推荐表　表1

5　结语

根据以上研究，我们有理由认为——城市高架桥下空间与雨水生态收集利用设施的结合是可行的，且对于减缓城市内涝、补充地下水、调节地区微气候、美化城市环境具有不可忽视的作用。相信未来还有更多的手段和形式值得我们去探索。

[1]GB50318－2000，城市排水工程规划规范[S].

[2]住房城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）[S].2014.

[3]殷利华.基于光环境的城市高架桥下桥阴绿地景观研究——以武汉城区高架桥为例[D].武汉：华中科技大学，2012.

[4]胡鼎培.合肥市金寨路高架工程[J].城市道桥与防洪，2009（11）：10-13.

[5]侯翠婷.城市高架桥桥面雨水排水系统研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[6]王继芳.太阳能风能综合发电系统在高速公路中的应用[J].山西建筑，2008（21）：159-160.

TU823.6

A

1007-7359(2016)03-00

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.079217-03

合肥工业大学2015年国家大学生创新创业训练计划项目（编号：2015CX CYS073）。

陈庆泽（1994-），男，山东济宁人，合肥工业大学建筑与艺术学院本科在读，专业：景观学。