基于“海绵城市”理念的生态树池对路面雨水排放的影响

胡国毅 王晓静 王银川

摘 要：我国许多城市暴雨内涝频发，通过引入生态树池，可在一定程度上实现防治内涝、水资源利用、景观美化等多重效益。本文基于住房城乡建设部《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，通过水量平衡法计算生态树池相关设计参数，确定在一定汇水面积条件下，生态树池的径流削减率及不同重现期标准下对应的峰流量削减量，并指出生态树池能很好的改善区域管线综合排水导流能力。

关键词：海绵城市 生态树池 年径流体积削减率 峰流量削减量

Abstract：In many cities of China， the rainstorm waterlogging frequently， by introducing the ecological tree pool， can realize the multiple benefit waterlogging prevention， water resources utilization， landscaping in a certain extent. Based on the Ministry of housing and urban construction SpongeBob urban construction technology guide， low impact development of rainwater system construction "， by water balance method calculation ecological tree pool design parameters， determined under certain conditions of the catchment area， ecological tree pool of runoff reduction rate and different reproduce standard corresponding to the peak flow reductions， and points out that ecological tree pool can improve the regional Pipeline Comprehensive Drainage diversion ability.

Keywords：sponge city ecological tree pool Annual volume reduction rate Peak flow reduction

1 概述

目前，城市徑流雨水的排放大多采用“路面—雨水口—雨水口连接管—市政雨水管网”的传统排水方式。暴雨时径流量激增，并在汇入雨水口过程中冲刷起大量地表污染物，加大了雨水管网排水压力并污染城市环境。依赖大规模基础设施和管网建设的传统雨水排放思路已经难以满足现代城市雨水排水排渍管理的要求。

为从源头缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境，国家提出了建设“海绵城市”的新理念，提倡构建低影响开发（LID） 雨水系统。“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。“海绵城市”强调以“慢排缓释”和“源头分散式”控制为主要规划设计理念，为新型城镇化建设提供重要保障。

2 生态树池基本工作原理及特点

生态树池作为一种小型生物滞留设施，一般由种植土层、砂滤层、排水系统以及灌乔木组成[2]。生态树池以其占地面积小、应用灵活等优点已成为国外街道普遍应用的低影响开发设施，其收水口一般采用侧篦形式，收集地表径流后由土壤渗滤排入市政管道，是一种新型的道路生态雨水口。

生态树池与原有雨水口的联合应用客观上增加了道路排水口的数量，提高了路表排水设施的综合排水能力，且相对于常规雨水口截污设施净化效果更为理想，在一定程度上缓解了雨水口截污与快排的矛盾。径流雨水经树池侧壁集水口进入，流经渗透系数较大的土壤过滤介质，通过土壤中的微生物降解有机物、氮、石油类污染物等，同时沉淀和吸附有机污染物及重金属。植物根系的存在起到了对营养物的吸收和蒸腾作用，树池中多选用本地适应性强且根系不太发达的植物[3]。经土壤过滤后的雨水收集于底部穿孔管中排出，雨量大时超过蓄渗高度的雨水经溢流管汇入雨水排水系统，同时可在树池出水处设蓄水箱以收集雨水作绿地浇洒等用途[4]。

3 生态树池设计参数

生态树池系统的蓄水层厚度、渗透速率以及空隙储水量决定了设施的径流体积控制能力。在设施的蓄水层厚度、渗透系数、填料厚度等主要设计参数确定的情况下，单位面积的处理设施径流体积控制能力确定，即固定面积场地内处理设施面积率愈大，相应雨水控制体积愈大。但考虑到建设经济性与场地规划的实际可操作性，并非处理设施面积愈大愈好，应结合设施造价与控制效率综合考虑[5]。

参考生物滞留设施的“完全平衡水量体积削减法” [6]，树池渗滤系统的单位时间内可控制水量，见下式：

（1）

式中 V——计算时段内进入生物滞留设施的雨水径流量（m3）；

G——计算时段内生物滞留设施填料层空隙的储水量（m3）；

Vw——计算时段内蓄水空间内的储水量（m3）；

S——计算时段内雨水设施的下渗量（m3）。

（1）设施下渗量

计算时段内设施的下渗量，如式

（2）

式中 K——设施渗透系数，因树池底部设有排水管，该值取填料渗透系数即可（m/s）；

ht——蓄水层设计水深（m）；

df——种植土与填料层总厚度（m）；

Af——树池渗滤系统的表面积（m2）；

T——计算时间，常按一场雨 120min 计算（min）。

（2）蓄水层储水量

当树池渗滤设施的进水量大于土壤渗透量时，则会在树池蓄水层中形成积水，则树池表面最大积水量即为树池蓄水高度与表面积乘积，如式（5-3）所示：

（3）

（3）空隙储水量

（4）

式中 n——植土和填料层的平均空隙率，一般取0.3左右。

以武汉地区为例，种植土采用砂质土壤，渗透系数 K=5×10-6m/s；因树池土一般需满足小乔木根系的生长，现设计树池种植土层厚度 df=0.8m；ht=0.2m。根据以上四式计算单位面积树池的设计径流总量为V=0.49m3。

4 全年削减的径流体积和削减率计算

全年径流体积削减量计算可以采用多年统计降雨量法。假定 Hmm 为雨水设施的设计降雨量，单次降雨能削减的径流体积为 V1，V1对应于 Hmm 的降雨量。根据多年降雨资料统计，年平均有 n 场雨，降雨量大于或等于 Hmm 的场数为 a，小于 Hmm 的场数为 b，则有 n=a+b，且 n 场雨对应的降雨量为 Hi（i=1、2、…n），b 场雨对应的降雨量为 Hi（i=1、2、…b）。则全年削减的径流体积和削减率的计算式为：

（5）

（6）

式中：v——全年径流体积削减量，m3；

η——体积削减率，%。

5 峰流量削减

由于汇流面内的径流雨水通过雨水贮存和滞留设施，致使径流外排体积减少产流和峰值时间延后，进而达到削峰效果。当未采用贮存及滞留设施时，峰值流量Qf （l /s）可按式传统流量计算公式计算，其中集流时间Tc=t1+mt2+b。当采用生物贮存或滞留设施时，假定汇集径流雨水均汇集到设施中滞留，多余的雨水再流出，此時对下游来讲，Tc值将不再仅是原来的t1 、t2和 b，还应包括峰滞时间 t' ，即采用贮存设施和滞留设施后外排径流较未采用这些设施的滞后时间，则有Tc=t1+mt2+b+ t'。其计算原理示意图见图 5.1所示， Td 使用设施后达到峰值流量的时间，则t'= Td-Tc，Te 为使用设施后下游开始产流的时间。假定下游从产流至达到峰值的时间仍为Tc，那么生物滞留设施对应的设计规模应为 0～ Te时间段，即峰滞时间 t' 产生的径流体积。

（7）

式中：t1——地面集流时间，min；

m——管道折减系数；

t2——管道汇集时间，min；

A、C、n、b——地方参数。

图5.1 峰流量削减原理图

仍以生物滞留为例，采用上述原理计算设施一定规模条件下对不同实际降雨量的洪峰削减率，具体计算如下：

假定生物滞留设施的设计降雨量为 Hmm，当重现期为 P 的降雨事件发生时，该规模对应在 p 的降雨过程线的时间为tx，其值如下：

（8）

计算得出tx值，则该时间即为使用该规模的设施后的峰滞时间 t'。则t=tx+ Tc，峰值流量变为（此法成为集流时间滞后法）：

（9）

假定重现期 P 对应的峰值流量为Qmax ，则有该设施的削峰率为：

（10）

式中： Qmax ——洪峰流量，m3；

Qz ——经生态树池削减后的流量，m3；

γ——洪峰削减量，%。

假定汇水面积 F=700m2（即100m 四车道半宽面积，行车道宽3.5m）范围内，植株间距5m的 1.5m×1.5m正方形生态树池[7]，在 100m 四车道的一侧生态树池面积为 45 m2。根据武汉市 1977—2006的降雨统计资料确定，道路径流系数取 0.7，计算其对应的年径流体积削减率为48.6%。

根据2000年修编的汉口暴雨强度公式： （11），不同暴雨重现期对应的洪峰削减量，见表1，

不同暴雨重现期树池对径流峰流量削减率 表1

暴雨重现期P 洪峰削减量γ

1 36.27%

2 32.5%

3 27.73%

一般雨水管道设计时均按照设计重现期的峰值流量进行设计。由于树池的雨水蓄渗作用，道路径流峰流量大大降低，即雨水管道所承担的排放流量也相应降低。

6 生态树池与传统排水系统的衔接设计

城区道路路表以雨水口泄水为主要排水途径，在与树池排水衔接设计时，可将树池布置于雨水口上游，路面雨水沿横坡汇至路侧偏沟时，树池进水口先于道路雨水口截留偏沟中径流。当树池进水流量大于树池处理能力，将从设施中溢流管排出，或偏沟纵坡较大时流速较快，在树池进口处发生超越，只能由下游雨水口截留排除。假设生态树池系统的进水口截留率为 100%时，当降雨厚度不大于树池设计规模时，理论上树池将处理偏沟中所有流量；但当降雨厚度超过树池设计规模或降雨强度较大时，在树池进水口时将产生超越流量，下游雨水口可截获该部分流量。若偏沟流量超过树池排水能力或偏沟中流速较大时，溢流或超越流量再由雨水口排放。该布置方法在降低市政管网排水负荷的同时，也保证了道路排水安全。

图6.1 渗滤树池-雨水口排水模式示意图

生态树池系统的排水管一般直接与市政管网相接，然而在老城区改造工程中，一些市政干管可能覆于人行道或行车道下，为避免道路的开挖影响正常社会生活，可通过树池之间的相互连接，排至传统雨水口中，由连接管排至市政干管。

7 结语

生态树池作为一种生态排水设施，对于改善区域管线综合排放能力，提高管线的综合重现期十分有效。相对于下凹绿地、植被浅沟、雨水花园等低影响开发措施，生态树池占地面积较小，应用灵活性强，可分散设置，适用于用地较紧张的场地建设，如城市道路分隔带、人行步道、停车场，以及公园、广场等[8]。生态树池也可在原有传统树池的设计上加以改造，无需额外规划用地，很大程度上减小了因排水管径的扩充或另外铺设雨水管线所需耗费的人力、物力和财力，同时能够实现就地消纳雨水径流、减少外排雨水量、雨水资源化利用、改善生态环境等多种目标。故生态树池在我国“海绵城市”建设中具有很大优势。

参考文献：

[1]李俊奇、车伍、张雅君等.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建. 北京：北京建筑大学，2014.10.

[2]Natural Resources Defense Council， 2001： Stormwater Strategies： Community Responses to Runoff Pollution.

[3]赵慧芳. 城市道路雨水就地利用技术研究. 北京：北京林业大学， 2008 .

[4]CRWA. A Comparative Analysis of Conventional Street Tree Pits and Stormwater Tree Pits for Stormwater Management in Ultra Urban Environments， 2009，3

[5]王文亮.雨水生物滞留技术实验与应用研究.北京：北京建筑大学， 2010.

[6]向璐璐. 雨水生物滞留技术设计方法与应用研究[D]. 北京：北京建筑大学， 2009.

[7]王文哲， 朱文倩， 梁青. 树池在园林中的应用[J]. 农技服务， 2010.

[8]USEPA. Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development （ LID） Strateg ies and Practices.

作者简介

胡国毅（1988-），男，湖北武汉人，硕士学位，现从事市政给水排水工程设计工作。