基于模型的海绵型道路年径流总量控制率影响因素研究

1 引言

道路是城市汇水面的重要组成部分, 也是城市受纳水体面源污染的主要来源之一[1]。因此，道路雨水径流的控制是海绵城市建设工作的重要内容。2014 年10 月《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》发布以来，国内一些城市陆续制定了各自的技术指引，对包括道路在内的各类用地的年径流总量控制率等海绵城市建设目标提出要求。但是部分地区在制定目标时，没有研究道路本身的结构特点及水文特征，导致确定的目标过高，造成后期实施过程的一系列问题。

以笔者为主的团队承接了《佛山市交通基础设施海绵城市建设技术指引》的编制任务，在该技术指引编制过程中，采用水文模型模拟研究了道路长度、道路红线宽度、人行道及非机动车道透水铺装比例、人行道及非机动车道宽度、绿化带中生物滞留设施比例、生物滞留设施下沉深度、绿化带宽度、车行道宽度等8 个因素对海绵型道路年径流总量控制率的影响，以期为道路年径流总量控制率的合理确定提供依据，同时也为国内其他城市提供借鉴。

2 模型构建

2.1 模型选择

选取美国环境保护署（EPA）的SWMM 模型软件5.1 版本模拟计算海绵型道路的年径流总量控制率。SWMM 5.1 版本升级了LID 模块，可应用于道路低影响开发设施雨洪控制效果的模拟[2~4]。

2.2 径流组织

海绵型道路雨水径流组织如下：①中央分车绿带雨水径流直接进入雨水口；②人行道、非机动车道雨水径流横向流至行道树绿带；③机动车道的雨水径流横向流至两侧分车绿带（三幅路及四幅路）或行道树绿带（单幅路及双幅路）。不同横断面类型的道路雨水径流组织示意如下（图1 ～图4）。

2.3 海绵设施设计参数

根据道路各组成部分的特点，结合运行维护便利性的考虑，海绵型道路一般选择生物滞留设施和透水铺装这两类海绵设施。因此，在SWMM 模型中添加这两类海绵设施进行模拟研究。

海绵设施的设计参数分别见表1 和表2。

图1 单幅路径流组织示意图

图2 双幅路径流组织示意图

图3 三幅路径流组织示意图

图4 四幅路径流组织示意图

表1 生物滞留设施参数

表2 透水铺装设计参数

2.4 降雨数据

采用佛山市典型年的逐小时降雨数据作为降雨输入，全年总降雨量为2091.10 mm。

2.5 蒸发数据

蒸发量数据采用佛山市多年月平均蒸发量，如表3所示。

表3 蒸发数据

3 结果与讨论

3.1 道路长度的影响

分别选取单幅路、双幅路、三幅路和四幅路，模拟计算长度为10m、20m、30m、40m 和50 m 条件下道路的年径流总量控制率。道路各组成部分的宽度根据佛山市已建道路常见值设定，分别为：人行道及非机动车道5 m，行道树绿带1.5 m，辅道4.5 m，两侧分车绿带1.5m，机动车道7.5 m，中央分车绿带1.5 m。人行道及机动车道全部采用透水铺装，行道树绿带、两侧分车绿带全部采用下沉100 mm 的生物滞留设施，机动车道、辅道和中央分车绿带不建设海绵设施。模拟结果如表4 所示。

表4 不同长度道路的年径流总量控制率( %)

由表4 可知，在横断面固定的条件下，道路的年径流总量控制率不会随道路长度的变化而变化，即长度对道路的年径流总量控制率没有影响。基于此，模型模拟计算中道路长度可取任意值。在后文的模型模拟计算中，道路长度均取10 m。

3.2 道路红线宽度的影响

研究在道路各组成部分的比例一定的条件下，道路红线宽度对年径流总量控制率的影响。选取三幅路作为研究对象，人行道及非机动车道宽度：行道树绿带宽度：辅道宽度：两侧分车绿带宽度：机动车道宽度=6:3:8:3:15。人行道及非机动车道全部采用透水铺装，行道树绿带、两侧分车绿带全部采用下沉100 mm 的生物滞留设施，机动车道、辅道和中央分车绿带不建设海绵设施。

道路红线宽度取17.5m、26.25 m、35 m 分别进行模拟。结果如表5 所示。

由表5 可知，在道路各组成部分的比例一定的条件下，年径流总量控制率随道路红线宽度的增大而增大。随着道路红线宽度的增大，辅道、机动车道等不透水路面的面积变大，不透水表面的雨水径流量增加；同时，生物滞留设施的面积也随红线宽度的增加而增加，生物滞留设施对雨水径流的滞留能力也得到提高。因此，可以推断，雨水径流滞蓄空间的增加程度大于雨水径流量的增加程度。

3.3 人行道、非机动车道宽度及透水铺装比例的影响

研究在道路的其他组成部分的尺寸和结构不变的情况下，人行道、非机动车道宽度及透水铺装比例对年径流总量控制率的影响。选取三幅路作为研究对象，行道树绿带、辅道、两侧分车绿带、机动车道的宽度分别取1.5 m、4 m、1.5 m、7.5 m，行道树绿带、两侧分车绿带全部采用下沉100 mm 的生物滞留设施，辅道、机动车道不建设海绵设施。

人行道/ 非机动车道宽度分别取2.5 m、5 m、10m，人行道、非机动车道中透水铺装比例分别取50%、60%、70%、80%、90%、100%。模拟结果如表6 所示。

表5 不同宽度道路的年径流总量控制率

表6 不同人行道、机动车道条件的年径流总量控制率( %)

由表6 可知，人行道、非机动车道宽度及透水铺装比例均会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，人行道、非机动车道宽度越大，则道路的年径流总量控制率越低；人行道、非机动车道宽度的透水铺装比例越大，则道路的年径流总量控制率越高。

产生表6 结果的原因分析如下：人行道、非机动车道宽度越大，则人行道、非机动车道产生的雨水径流越多，整条道路的年径流总量控制率越低；人行道、非机动车道宽度的透水铺装比例越大，则人行道、非机动车道产生的雨水径流越少，整条道路的年径流总量控制率越高。

3.4 绿化带中生物滞留设施比例的影响

道路中可以应用生物滞留设施的绿化带包括行道树绿带和两侧分车绿带。为控制变量的数量，选取双辐路作为研究对象，即道路中的绿化带仅有行道树绿带。

人行道及非机动车道、行道树绿带、机动车道的宽度分别取3 m、1.5 m、7.5 m，人行道及机动车道全部采用透水铺装，机动车道不建设海绵城市设施。

生物滞留设施的比例分别取50%、60%、70%、80%、90%、100%，下沉深度均取100 mm。模拟结果如表7 所示。

表7 不同生物滞留设施比例条件下的年径流总量控制率

表7 显示，随着生物滞留设施比例的增大，道路的年径流总量控制率逐渐提高。原因是随着生物滞留设施的规模逐渐增大，其对雨水径流的滞蓄和入渗能力也不断提高。

3.5 生物滞留设施下沉深度的影响

研究在道路的其他组成部分的尺寸和结构不变的情况下，生物滞留设施下沉深度对年径流总量控制率的影响。选取双幅路作为研究对象，人行道及非机动车道、行道树绿带、机动车道的宽度分别取3 m、1.5 m、7.5 m，人行道及机动车道全部采用透水铺装，行道树绿带全部采用生物滞留设施，机动车道不建设海绵城市设施。

根据经验，生物滞留设施的下沉深度一般为100~200 mm。因此，生物滞留设施的下沉深度分别取100 mm、150 mm、200 mm 进行模拟。模拟结果如表8 所示。

表8 不同生物滞留设施下沉深度条件下的年径流总量控制率

由表8 可知，随着下沉深度的增加，生物滞留设施对雨水径流的滞蓄能力增大，因此年径流总量控制率随之提高。

3.6 绿化带宽度的影响

研究在道路的其他组成部分的尺寸和结构不变的情况下，绿化带宽度对年径流总量控制率的影响。选取双幅路作为研究对象，人行道及非机动车道、机动车道的宽度分别取3 m、7.5 m，人行道及机动车道全部采用透水铺装，行道树绿带全部采用下沉100 mm 的生物滞留设施，机动车道不建设海绵城市设施。行道树绿化带的宽度分别取1.5 m、2 m、3 m 进行模拟。模拟结果如表9 所示。

表9 不同绿化带宽度条件下的年径流总量控制率

由表9 可知，随着绿化带宽度的增加，生物滞留设施的滞蓄空间增大，道路的年径流总量控制率逐渐提高。

3.7 车行道宽度的影响

道路中的车行道包括辅道和机动车道。为控制变量的数量，选取双辐路作为研究对象，即道路中的车行道仅有机动车道。

人行道及非机动车道、行道树绿带的宽度分别取3 m、2 m，人行道及机动车道全部采用透水铺装，行道树绿带全部采用下沉100 mm 的生物滞留设施，机动车道不建设海绵城市设施。

根据佛山实际道路常见的机动车道宽度情况，机动车道宽度分别取3.5 m、7.5 m、11.25 m 进行模拟。模拟结果如表10 所示。

表10 不同绿化带宽度条件下的年径流总量控制率

表10 显示，道路的年径流总量控制率随机动车道宽度的增加而降低。这是由于机动车道宽度增大后，道路产生的雨水径流量增大。

3.8 主要影响因素讨论

由前述可知，除了道路长度以外，其他7 个因素均会对道路的年径流总量控制率产生影响。这么多因素如果都要考虑，将会使海绵型道路的建设过于复杂化。因此，需要进行进一步分析，抓住主要影响因素。

首先，部分影响因素可以通过人为地合理设定定值来消除其影响，包括透水铺装比例、生物滞留设施比例、生物滞留设施下沉深度。

道路红线宽度的变化会导致其各组成部分的宽度均出现变化，是不可忽视的影响因素。

剩下的3 个影响因素，通过比较表6、表9、表10可知，绿化带宽度、车行道宽度对道路年径流总量控制率的影响远大于人行道及非机动车道宽度的影响。特别是当人行道及非机动车道中透水铺装比例达到90% 以上时，人行道及非机动车道宽度对道路年径流总量控制率的影响已经较小。

因此，在透水铺装、生物滞留设施等海绵设施设计参数和设置比例一定的情况下，影响道路年径流总量控制率的主要因素是道路红线宽度、绿化带宽度和车行道宽度。

4 结论与建议

4.1 结论

1）道路长度不会影响道路的年径流总量控制率。2）道路红线宽度会影响道路的年径流总量控制率。3）人行道及非机动车道透水铺装比例会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，人行道/ 非机动车道透水铺装比例越高，则道路的年径流总量控制率越高。4）人行道及非机动车道宽度会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，人行道及非机动车道宽度越大，则道路的年径流总量控制率越低。5）绿化带中生物滞留设施比例会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，绿化带中生物滞留设施比例越高，则道路的年径流总量控制率越高。6）生物滞留设施下沉深度会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，生物滞留设施下沉深度越大，则道路的年径流总量控制率越高。7）绿化带和车行道宽度会影响道路的年径流总量控制率。在其他条件不变的情况下，绿化带越宽、车行道越窄，则道路的年径流总量控制率越大。8）在透水铺装、生物滞留设施等海绵设施设计参数和设置比例一定的情况下，影响道路年径流总量控制率的主要因素是道路红线宽度、绿化带宽度和车行道宽度。

4.2 建议

由上述研究结论可知，影响道路年径流总量控制率的主要因素是道路红线宽度、绿化带宽度和车行道宽度。由于车行道的雨水径流会进入相邻的绿化带进行消纳，可以推断，在红线宽度一定的条件下，绿化带面积与车行道面积的比值（即绿化带面积及车行道面积）便成为影响海绵型道路年径流总量控制率的最主要因素。

因此，建议各地制定道路的年径流总量控制率目标时，先根据红线宽度对道路进行分级，再根据绿化带面积与车行道面积比值的大小设定道路的年径流总量控制率目标。有条件的地区可采用水文模型模拟不同条件下海绵型道路的径流控制效果，为道路年径流总量控制率目标的制定提供定量依据。笔者正是在本文研究结论的启发下，编制了佛山市海绵型道路年径流总量控制率速查表，既为佛山市海绵型道路年径流总量控制率目标的制定提供了依据，又大大降低了佛山市道路海绵城市方案设计和审查的难度[5]。

参考文献

[1] 申丽勤，车伍，李海燕等．我国城市道路雨水径流污染状况及控制措施[J]．中国给水排水，2009，25（4）：23-28．

[2] 胡爱兵，任心欣，裴古中．采用SWMM 模拟LID 市政道路的雨洪控制效果[J]．中国给水排水，2015，31（23）：130-133．