多措施一体化城市道路辅助排水设计

王玉仓 任恩慧 刘 婕 李 悦 扎西普拉 张 敏，2

（1.上海师范大学环境与地理科学学院，上海 201499；2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

目前国内外针对这一问题都采取了相关措施[1-3]。而海绵城市建设，则是新一代城市雨洪管理的概念，是指城市在适应环境变化以及应对雨水带来的自然灾害等方面均具有良好的“弹性”[4-9]。“海绵城市”的建设材料具有优秀的渗水、抗压、耐磨、防滑以及环保美观、舒适易维护等特点[10-13]。

本文是基于海绵城市的建设理念，选取上海市中心城区——老静安区为研究区域，利用ArcGIS模型构建器（model Builder）以及数学线性回归模型（Linear Probability model）构建出新型的城市道路排水体系[14]，利用道路自然引流，三层复合道路壁牙储水模型与下沉式广场的有机结合将城市降雨积水区的积水引入城市绿地，从而有效地缓解因降雨引起的道路积水状况。

1 研究区概况

本研究所选取的研究区域为上海市原静安区。该区东西长约2.9 km，南北宽约2.7 km，总面积7.62 km2。具体研究区位图如图1所示。该区域文化源远流长，拥有着文化之区的美称。该城区功能与品位都位于上海市前列[14]，此外，该区正在着力建设成一个高质量现代化城市环境示范区。然而，该区地势低洼，人口与建筑密集，城市雨岛效应显著，由暴雨造成的道路大面积积水状况频发，对中心城区暴雨内涝灾害下的道路积水改善研究具有代表性[14]。

图1 研究区位图

2 研究方法

2.1 研究技术路线图（见图2）

图2 研究技术路线图

2.2 降雨模型选取与模拟

2.2.1 模型选取与介绍

本研究选取张敏，孟宪红等[14]最新建立的城市内涝暴雨模拟模型对研究区进行降雨模拟，根据研究：在不同的重现期下，考虑到降雨历时、强度以及雨型，设计降雨情景，测试内涝程度。根据国家计委批准的《室外排水设计规范》（GBJ 142—87）定义的暴雨强度公式[15]，再结合上海市区（徐家汇站1949～2012年）降雨的观测资料，采用年最大值法选样和耿贝尔频率分布曲线，经最小二乘法拟合得到的研究区降雨历时-重现期-暴雨强度（t-Te-ip）公式为[16]：短历时（t=5～120 min），

长历时（t=180～1 440 min），

式中：ip——暴雨强度（mm/min）；te——重现期（年）；t——降水历时（min）。

2.2.2 基础数据获取

研究区矢量边界道路等数据是根据2012年分辨率为0.25的卫星航片矢量化得到[15]，地形数据来源于上海市测绘院测定的1：500数字地面模型（DTM）。进行储水壁牙模型建立时的砖体类型，砖体渗水系数，抗压强度等数据来源于实地调研、问卷调查，以及相关文献搜集对比。

2.2.3 研究区降雨模拟

根据所构建的降雨模型，选取20年一遇60 min单峰在前型暴雨模型对研究区域进行暴雨模拟[17-23]。经过模拟可知降雨从开始到40 min的时段，研究区积水面积和积水量逐渐增加，40 min左右时达到峰值，研究区最大积水量如图3所示，总积水量为293 697.672 5 m3，40 min之后由于地下管道排水，积水量逐渐下降。

选取20年一遇60 min单峰在前型暴雨在研究区模拟达到最大积水量时提取道路积水量，经过ArcGIS栅格计算计算出该暴雨情况下道路最大积水量为93 733.606 45 m3，平均积水深度为0.13 m，积水面积可达721 027.742 m2。

图3 研究区积水覆盖图

2.3 三层复合道路壁牙储水模型构建（图4）

该模型一共分为三层，两侧两层为透水层，选用吸水透水性能较好且具有一定硬度的材料，主要用于将道路积水引入砖体内部，再从另一侧缓慢渗透到道路两旁的植被带中，为植物根茎供水。中间层为储水缓冲层，选用吸水性能强的材料从而起到短暂储水的目的，具体材料的选取在下文详细介绍。

图4 储水壁牙模型图解

2.3.1 储水壁牙模型需求分析

三层复合道路壁牙储水模型是该城市道路排水模型建设的重要举措之一，也是防止城市内涝的关键性工具。而该储水壁牙的制备材料选取和效果分析对比则是建设的最关键性一步，为了让储水壁牙在满足硬度和抗压力等限制因素允许范围之内，使得储水壁牙的吸水和储水效果达到最佳，本研究通过建立相关数学模型对不同吸水型材料和不同材料组合配比进行对比，最终通过模型分别选择出储水壁牙每一层最适合的材料及组合配比。

储水壁牙安放位置在设想中取代道路两旁的道路壁牙，道路壁牙的结构尺寸通常是990 mm×300 mm×60 mm，一般高出路面100 mm。传统的路牙石是花岗岩材质，透水性在0.13%左右，硬度在7左右，根据花岗岩组成成分不同稍有变化，本研究所设计的储水壁牙模型大小硬度均参照该标准设计。

2.3.2 数学模型构建

本研究选取的数学模型是线性回归模型（Linear Probability Model），该模型是指利用最小二乘法回归得出表示各解释变量与被解释变量之间相关关系的回归模型。然后利用模型选择出吸水性和透水能力最佳的材料及组合配比。

砖体储水总量的线性回归模型为：

式中：y——储水（吸水）总量（m3）；ai——第i层材料的储水（吸水）系数（mm/s）；xi——吸水不同的时间（s）。

砖体每一层大小（体积）组合及分配模型为：

式中：Vi——指第i种分配方式下的砖体的总体积（m3）；b1——指第一层体积分配系数；b2——指第二层体积分配系数；b3——指第三层体积分配系数。

目标值：选定一种砖体，使得y达到最大值。

3 新型城市道路积水排水体系构建

该城市道路排水体系一共分为三部分，第一部分是以道路为排水渠，利用道路进行积水导引。第二部分是创新壁牙储水壁牙替换，采用新型道路壁牙模型，以壁牙为缓冲储水区，实现道路积水快速吸收，第三部分是城市下沉式广场，多余积水引导入城市下沉广场统一处理。多措施一体化的城市自然排水设计示意图如图5所示。

图5 多措施一体化的城市自然排水设计示意图

3.1 三层复合道路壁牙储水模型数据分析

砖体类型如表1所示，砖体体积分配如表2所示。

表1 砖体类型 /mm

表2 砖体体积分配 /%

储水壁牙体第一层与第三层考虑吸水能力强的材料，渗水是其最主要的作用，而第二层设计考虑的是储水能力强的材料，确保整个砖体在能够大量吸水的同时不会影响到壁牙另一边的人行道、草地等。渗水能力材料选择如表3所示，储水能力材料选择如表4所示，模型材料特点总结如表5所示。

表3 渗水能力材料选择

表4 储水能力材料选择

表5 模型材料特点总结

根据表3、表4和表5进行组合分配材料，列出表6所示组合。在进行计算整个透水壁牙最终吸水（储水）量之前，由于第二层材料吸水膨大的特殊性，需要考虑第二层砖体体积的大小，使其需要满足不能吸完水后空间还有剩余，也不能使其吸水过多导致砖体破裂。最终经过MATLAB计算分析与材料结合得出砖体3为最佳砖体大小，组合二为最佳材料体积分配。

表6 储水壁牙组合配比

3.2 数据结果分析

最终不同组合在不同时间尺度下吸（储）水量如表7所示。

表7 单块储水壁牙最大储水量 /m3

由表7可知，最大值在组合B，0.478 72 m3处。将现道路壁牙全部替换三层复合道路储水壁牙。由此可计算出在40 min吸水量为30 111.488 m3，在20年一遇60 min单峰在前型暴雨最大积水情况下可减少32.12%的道路积水，平均积水深度降低到0.09 m（准确数值是0.088 238 1），效果显著。

3.3 道路引流与城市下沉式广场

下沉式广场的左右两侧均设置有人行道，通过道路的引流作用，可以将积水引入到下沉式广场中。因市区绿地面积较少，可以在郊区低洼地区设置引入下沉式绿地，将地面积水引入到郊区下沉式绿地以及市区下沉式广场中[24]。由于将水泥地面改为由鹅卵石及其他碎石组成的具有较大空隙的地面，使得积水更容易下渗，这样可以高效地，快速地吸水，储水，排水，有效地规避了传统地面广场由于暴雨造成的路面积水问题[25-26]。此外，将下沉式绿地与广场相结合的设计，不仅保证了水土的透水性，可以促进树木草植的生长，将多余的积水有效利用起来，也提高了树木对于生态环境的适应能力，有助于城市生态建设的发展。

4 城市道路积水排水体系的应用展望

根据本文的研究表明，在现有的城市排水系统的基础之下，将创新设计的多措施一体化的城市自然排水系统应用于城市排水建设中去，可以有效地改善城市道路积水问题。由于市中心没有大量绿地，因此在近郊开辟下沉式绿地的方法，以道路本身的自然排水引流为基石，配合道路引流，将市中心大量路面积水引至郊区下沉式绿地或下沉式广场。此外，通过20年一遇60分钟单峰在前型暴雨数据模拟，新型三层复合结构的道路储水壁牙可以减少约30%的道路积水，三者的有机结合将在城市未来规划，创建绿色生态文明城市等方面起到重要作用。