上海海绵城市生态植草沟的应用模式

根据人工降雨模拟实验的分析结论,筛选对降雨径流调蓄效应和径流污染物的削减效能较高的结构参数,上海城市社区中适用的生态植草沟的结构参数主要包括:20 cm种植土+40 cm砌块砖,20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石,30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石和10 cm种植土+10 cm砌块砖+10 cm碎石。以上述筛选的结构参数的生态植草沟对降雨径流调蓄效应和径流污染物的削减效应等雨洪调蓄功能为基础,针对上海城市社区中地面停车场、广场和道路等降雨径流的主要特征、面源污染的发生位置、生态植草沟的适用范围等,构建适用于上海城市中观尺度低影响开发设施之生态、植草沟的应用模式3种。

(1)地面停车场

上海地区由于经济发达,机动车数量增长速度快,导致停车场数量剧增。露天的地面停车场由于具有较大的硬化不透水地面具有较高的径流系数,在发生降雨事件时会迅速产生大量的降雨径流,对市政排水管网带来极大压力,增加了城市内涝灾害发生的风险。同时由于停车场内机动车辆的尾气排放和轮胎磨损,降雨冲刷停车场地面后,形成污染物浓度很高的降雨径流,严重影响收纳水体的水质,是面源、污染的重要组成部分。因此十分有必要在地面停车场附近设置生态植草沟,对其降雨径流进行调蓄并控制径流污染。

根据地面铺装情况,露天地面停车场进可大致分为两类:一类是不透水铺装的停车场;另一类则为较生态的采用透水铺装或植草地坪的停车场。前者需应用调蓄能力强、去污效果好的生态植草沟,而后者因综合径流系数较前者低,污染程度也较低,可应用调蓄和去污效果稍差的生态植草沟。

(2)广场

城市广场的类型多种多样,包括市政广场、商业广场、居住区广场和公园广场等,而广场最大的特性就是其地面主要以不透水铺装为主,导致其在降雨天气时容易产生较大的雨水径流。虽然部分广场已经采用了透水铺装的方式进行修建,但绝大部分的广场还是以传统的石材及混凝土材料为主。大面积的不透水铺装易产生较快速度的雨水径流,同时大面积的铺装上由于没有树木的遮挡,所富集的以颗粒物为主的污染物也是不透水铺装的一大问题。如果在广场的周边铺设生态植草沟,运用生态植草沟本身的渗滤功能,充分吸收大面积的硬质不透水铺装产生的降雨径流,减轻降雨径流对城市市政雨水管网的压力。因此,在广场周边布置一定量的生态植草沟意义重大。

针对广场的不同建设方法及材料,大致可将其分为两大类,包括可透水铺装和不透水铺装。针对不同类型的广场所设置的植草沟应有不同的侧重点,针对可透水铺装广场所设置的植草沟,应注意与广场风格、形式和景观上的契合,同时考虑其生态功能,防止可透水铺装在大雨或是大暴雨时期所产生的降雨径流;而针对不透水铺装的广场,生态植草沟的选择以雨洪调蓄和污染削减为主,这将在其自身的结构层中有所体现。

(3)道路

通过对道路的功能及形式进行界定,可将道路分为两大类:生活型和交通型。其中生活型主要以人行为主,周边的绿化建设相对比较完善,绿化率也比较高,通常这一类的道路受到污染的概率较小,其中主要污染物包括空气所带动的悬浮物的沉积,以及人们通行时所产生的少部分污染,而此类道路在降雨过程中所产生的雨水径流也较为容易被其周边的绿化所吸收;交通型的道路则受到各方面较大的影响,这一类道路自身的绿化配置较为简单或是较为单一,整体绿化量达不到对其污染削减的要求,其中城市交通主干道一般是受到污染最为严重的道路,这一类的道路过往车辆较多,大量的汽车尾气以及轮胎的磨损,在经历过降雨的冲刷后,受到严重污染的雨水径流将直接进入城市的排水系统,给城市水系带来了非常严重的污染。因此,针对这两类道路的具体功能性质,可设计出两种有所侧重点的生态植草沟进行功能完善。

其中,针对生活型道路的生态植草沟设计,主要重心放在生态功能的同时,也要注重其对景观的贡献。而针对交通型道路,生态植草沟的设计就要以功能为主,针对严重的污染径流进行结构的选择和植物的配植。

针对上海地区降雨径流和面源污染的现状,同时根据应用位置场所的实际需求,结合本文对生态植草沟结构功能的研究,构建功能型和景观型的生态植草沟应用模式。

功能型生态植草沟模式是根据应用地点的降雨径流水量水质控制需求提出的,以功能为导向、以调蓄降雨径流和削减径流污染物为目标的生态植草沟。其优点是对降雨径流有较好的调蓄效果和净化效果,可以适用于大多数地点,减少相应区域的内涝灾害风险,缓解面源污染等问题。其不足之处是形式单一导致景观性较一般,不能满足应用地点周边使用人群的景观需求。

景观型生态植草沟模式是兼顾降雨径流水量水质控制需求和周边使用人群景观需求的生态植草沟。其优点是功能与形式的有机结合,功能上满足对降雨径流的调蓄和对径流污染物的削减,形式上通过布局和植物造景满足周边使用人群的景观美学需求。可能的不足之处是相对削弱了生态植草沟对雨洪调蓄和污染物净化的能力,对特殊降雨事件的应对能力较差,适用范围存在一定的局限性。

功能型和景观型的生态植草沟在地面停车场、广场和道路的应用具有不同的侧重点:地面停车场主要应用功能型的生态植草沟,景观型的植草沟在局部按具体需要应用;广场主要应用景观型生态植草沟,功能型的植草沟在广场重点污染位置进行应用;道路按使用类型进行应用,交通型道路主要应用功能型生态植草沟,生活型道路主要应用景观型生态植草沟。

1．适用于地面停车场的功能型生态植草沟模式

由于位于上海城市社区中的地面停车场的在降雨过程中产生的地表径流量和污染物含量均较高,并且对其径流调蓄和污染控制的环境功能要求较高,对其景观功能及休闲游憩、等社会文化功能要求较低。因此,雨洪调蓄功能型生态植草沟为上海城市社区地面停车场主要的应用模式(图4-37、表4-36)。

图4-37　适用于地面停车场的功能型生态植草沟设计模式效果

(1)结构参数

根据前文的模拟实验结果,生态植草沟的种植土层厚度和滤料层厚度对降雨径流的调蓄效应有较大影响,生态植草沟的砌块砖层厚度和碎石层厚度对降雨径流的污染物削减效应有重要影响。不同地面类型的停车场产生的降雨径流的水量和水质情况有一定差异,不透水铺装的停车场,其径流系数约为0．9,产生降雨径流量大,降雨径流中的TSS和COD污染严重。因此,适用的生态植草沟结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖和20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石;另一类采用透水铺装或植草地坪的停车场,径流系数较小为0．6,由于地面材质的影响,降雨径流污染物浓度较全硬质地面的停车场低,适用的生态植草沟结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。

表4-36　适用于地面停车场的功能型生态植草沟模式

(2)适用规模

根据生态植草沟的水力负荷能力生态植草沟可以处理自身面积4倍以上的汇水面积的降雨径流。针对不透水铺装的地面停车场,若地面停车场较小,可沿着停车场四周布置宽度为1．5～2 m的生态植草沟;若地面停车场较大,停车位超过100个或面积超过2 000 m2的较大型地面停车场,可在每两个停车位之间设置2 m宽的生态植草沟。若停车场为透水性铺装或植草地坪,可将中小型停车场的生态植草沟的宽度减至0．6～1 m,将较大型停车场的生态植草沟宽度设为1 m。或者,利用停车场地面的排水坡度对降雨径流进行设计引导,以此减少生态植草沟的数量或缩短生态植草沟长度,将生态植草沟的总面积减少到停车场总面积的1/8～1/10。

(3)植物配植

由于功能型生态植草沟以调蓄降雨径流和削减径流污染物为主要目标,相应的生态植草沟结构中种植土层厚度较薄,且景观和游憩、需求不高。因此,选择根系较浅较、去污能力强的乡土植物,以地被和低矮灌木为主。由于停车场的降雨径流量较大,对生态植草沟的表面有一定冲蚀,因此还需筛选对土壤固着能力强、覆盖较高的根系发达、茎叶繁茂的灌木和草本植物,且在粗放管理的情况下抗逆性和耐贫瘠能力均较高的植物。综上所述,适用于停车场的功能型生态植草沟的植物有马蹄金、狗牙根、细叶麦冬、瓜子黄杨、龟甲冬青和小叶栀子等。

(4)环境效能

根据前文的模拟实验结果,对适用于停车场的功能型生态植草沟的径流调蓄效果和污染物削减效果进行估算。上海市的平均年降雨量约为1 120 mm,而不透水铺装的地面停车场的径流系数为0．85～0．95,1 m2停车场1年约产生1 m3的降雨径流,其径流中TSS污染浓度约600～900 mg/L,CDD浓度为400～800 mg/L,—N浓度为2．0～2．5 mg/L,TP浓度为0．5～1．0 mg/L。

根据上海城市的降雨径流情况,在不透水铺装停车场中,应用的生态植草沟结构为20 cm种植土+10 m砌块砖和20 cm种植土+30 cm砌块砖+10 cm碎石,1 m2生态植草沟平均1年可处理3～3．5 m3的降雨径流,大雨(8～16 mm/h)情况下对降雨径流削减率分别为30%～35%和20%～25%,暴雨(＞16 mm/h)情况下降雨径流削减率分别为27%～29%和28%～30%。在设计的应用规模下,预计可处理整个汇水面积内70%～85%的降雨径流,超出的部分径流通过溢流排出。对该浓度范围的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的削减率分别为95%～97%、55%～60%、67%～78%、86%～90%。

采用透水铺装或植草地坪地面停车场的径流系数为0．35～0．5,1 m2停车场1年约产生0．5 m3的降雨径流,估算其径流中TSS污染浓度约为400 mg/L,COD浓度为200～400 mg/L,—N浓度为1．0～1．5 mg/L,TP浓度为0．5～0．8 mg/L。适宜的生态植草沟的应用结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石的生态植草沟,1 m2生态植草沟平均1年处理1．5～2 m3的降雨径流,对降雨径流的削减率为20%～28%。在设计的应用规模下,预计可处理整个汇水面积内80%～90%的降雨径流,超出的径流通过溢流排出。对该浓度范围的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的削减率分别为90%～95%、75%～78%、75%～80%、88%～92%。(www.xing528.com)

2．适用于广场的功能型生态植草沟模式

城市中广场的主要功能为居民提供集会、游憩、休闲等活动的场所,不透水铺装面积偏大,一般设置在交通干道的交汇处,便于交通集中和疏散,既承担集散等灰色基础设施功能,也承担社会服务功能。适合上海城市广场的生态植草沟的结构参数、适用规模、植物配植和环境效能见表4-37。

表4-37　适用于广场的功能型生态植草沟

(1)结构参数

不同覆盖方式的广场产生的降雨径流的水量和水质情况有一定差异,如不透水铺装广场的径流系数约为0．9,产生径流量大,由于休闲游憩、活动的影响,其降雨径流中的TSS、COD和—N污染严重。因此,适用的生态植草沟结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。而透水铺装广场的径流系数较小(0．35～0．5),降雨径流污染物浓度相对较低,且由于广场的游憩、休闲活动功能,对生态植草沟的景观性要求较高。因此,适用的生态植草沟结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。

(2)适用规模

针对不透水铺装地面的广场,可沿着广场四周布置宽度为1．5～2 m的功能型生态植草沟,也可以在整个广场条带状散布生态植草沟,宽度为1．5～2 m,生态植草沟的总面积要求约为广场的1/4。对于透水性铺装的广场,可根据广场的综合净流系数,按比例适当缩小生态植草沟的面积,但为确保生态植草沟功能的完整性,其宽度不宜小于0．6 m。同时,由于广场的休闲游憩、功能,生态植草沟的坡度可偏平缓,并设立相应的警示标志,防止意外及人为活动的影响。

(3)植物配植

适用于广场的功能型生态植草沟需要兼顾降雨径流水量水质控制需求和景观及游憩、需求。因此,可在选择去污能力强、根系发达、茎叶繁茂的灌木和草本地被的基础上,增加植物物种的丰富度和层次,适当配植宿根花卉和开花灌木。适于广场的功能型生态植草沟的植物在抗逆性和耐贫穷能力上相对较差,需要较多的养护和管理。可适用于停车场的功能型生态植草沟的植物有:狗牙根、葱兰、细叶麦冬、金叶苔草、细茎针茅、血草、花叶蔓长春、鸢尾、紫娇花、杜鹃和千屈菜等。

(4)环境效能

对于不透水铺装和透水铺装广场,均可应用结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石的生态植草沟,其1 m2生态植草沟平均1年均可处理1～1．5 m3的降雨径流,对降雨径流削减率分别为20%～28%和23%～30%。对不透水铺装的广场的总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的削减率分别为90%～95%、75%～78%、80%～85%、90%～92%。对透水铺装的广场的4种污染物削减率分别为90%～95%、75%～78%、75%～80%、88%～92%。

3．适用于道路的功能型生态植草沟模式

根据道路降雨径流的特征和污染物控制标准,提出适用于绿色道路(greenstreet)构建的生态植草沟模式,以削减道路径流中较高的污染物含量,同时营造良好的景观效果(图4-38)。

表4-38　适用于道路的功能型生态植草沟模式

续表

图4-38　适用于交通型道路的生态植草沟设计模式效果

(1)结构参数

由于交通型道路(机动车道)产生的降雨径流量大,降雨径流中的TSS和COD污染极其严重,而砌块砖对TSS浓度的削减效果最好,因此适用的生态植草沟结构为20 cm种植土+40 cm砌块砖。而生活型道路(非机动车道)的径流系数较小,降雨径流污染物浓度较低,除雨洪功能还要求景观功能。因此,适用的生态植草沟结构为30 cm种植土+20 cm砌块砖+10 cm碎石。

(2)适用规模

对于交通型道路,生态植草沟可沿道路布局,通过道路的两侧排水收集处理降雨径流。生态植草沟的宽度为汇水道路宽度的1/4,每段的长度为6～15 m。生活型道路相对交通型道路较窄,可设置单侧排水进入生态植草沟中,生态植草沟面积为道路面积的1/4。生态植草沟可沿道路布局,其宽度即为道路宽度的1/4,且不小于0．4 m。

(3)植物配植

适用于交通型道路的功能型生态植草沟的植物有狗牙根、葱兰、细叶麦冬、细叶芒、中华常春藤和络石等。适用于生活型道路的功能型生态植草沟的植物有马蹄金、葱兰、金叶苔草、葱兰、八宝景天、花叶蔓长春、鸢尾、小叶栀子和茶梅等。

(4)环境效能

根据上海市的降雨径流情况,在交通型道路中,1 m2生态植草沟平均1年可处理4～5 m3的降雨径流,在大雨和暴雨强度下的降雨径流削减率分别为30%～35%和27%～29%,对径流中总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(—N)和总磷(TP)的削减率分别为90%～95%、75%～78%、80%～85%、90%～92%。对于生活道路,1 m2生态植草沟平均1年可处理2～3 m3的降雨径流,在大雨和暴雨强度下降雨径流削减率分别为25%～30%和17%～19%,对径流污染物削减率分别为90%～95%、75%～78%、75%～80%、88%～92%。