树箱过滤器在海绵城市的应用潜力(马晓宇, 唐双成等)

南水北调与水利科技2019-01-29 09:22:31


    微信号:nsbdqk

长按识别二维码关注我们


树箱过滤器在海绵城市的应用潜力


马晓宇, 唐双成,罗纨,贾忠华,许青,

吴舒然,邵正宵
(扬州大学 水利与能源动力工程学院,江苏 扬州 225009)


作者简介

马晓宇(1995- ),女,江苏人,主要从事城市雨洪与环境保护方面研究。

通讯作者: 

唐双成(1987- ),男,陕西人,讲师,博士,主要从事城市雨水利用与环境保护方面研究。


摘要


城市道路多为不透水路面,降雨后道路积水量较大且水中污染物较多,因此城市道路排水历来是一个较为复杂的问题。树箱过滤器是在行道树下方建造的排水建筑物,能够滞留和净化道路雨水径流,是海绵城市建设的基础设施之一。为了研究城市不同功能区建设树箱过滤器的效果,本文根据扬州市暴雨资料分析,得出了树箱在不同功能区的道路径流削减效果。结果显示:树箱过滤器在教育区应用效果最为明显,对于一年一遇的 120 min 暴雨,采用 1.5 ×1.5×1.0 m 规格的树箱,道路径流削减率为 65.4%;在工业区的应用效果次之,道路径流削减率为 53.6%;商业区的应用效果最差,道路径流削减率只有 1.4%。研究成果可为树箱过滤器在海绵城市建设中的推广应用提供理论依据。

关键词

树箱过滤器;不同城市功能区;道路径流削减;设计暴雨重现期;低影响开发

The application potential of treebox filters in sponge city construction

MA Xiaoyu, TANG Shuangcheng, LUO Wan, JIA Zhonghua, XU Qing, WU Shuran, SHAO Zhengxiao
(College of Hydraulic and Energy Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

Urban roads are mostly impervious and the quickly formed surface runoff collects different pollutants during rainfall events. Urban road drainage has always been a complex issue. A tree box filter is a drainage facility built with a tree, it can retain and purify the road runoff, thus is considered as one of the green infrastructure for sponge city construction. Based on the analysis of the rainfall data in Yangzhou, China, this paper examined the effect of tree boxes in retaining road runoff in different urban functional areas, and compared the similarities and differences between the tree cases and other LID measures for studying the effect of building tree box filters in different functional areas of the city. The results show that the application of tree box filter in teaching area is most obvious. For the 120min rainstorm that meets once a year, the tree box with 1.5 * 1.5 * 1.0m specification is adopted, and the cut rate of road runoff is 65.4%.The rate of road runoff was reduced by 53.6 per cent in the industrial zone; The business district had the worst application, with only 1.4% reduction in road runoff. The research results can provide theoretical basis for the application of tree box filter in sponge city construction.

Key words

treebox filter; different city functional areas; road runoff reduction; design rainstorm recurrence period; low impact development

基金项目

国家自然科学基金项目(51279159);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)



随着我国城市化进程的加快,不透水地面面积迅速增加,尤其是道路和硬化广场地面[1-2] 。不透水地面破坏了城市原有的自然入渗系统,导致城市雨水径流量大幅增加;为防止内涝,只能通过城市雨水管道直接排除,造成了大量的雨水资源被浪费。与此同时,随着雨水冲刷城市不透水地面,地表径流将大量的污染物带入接纳水体,威胁水生态环境的安全[3-4] 。


对城市雨洪径流形成的面源污染治理是一项十分困难和艰巨的任务。近年来,国际上大力提倡低影响开发(LID)措施,通过城市小型绿色基础设施的建设,促进城市自然排水过程,实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化[5] ,最终达成保护和改善水资源,恢复城市良好生态功能的目标。我国则提出了“海绵城市”建设的理念,使城市在适应环境变化和应对暴雨径流带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”或韧性。海绵城市建设的核心是城市水安全,即通过海绵体的建设,提高城市防洪能力、改善水环境、提升水资源的保障能力[5-6] 。车伍等[7-8] 在参考国外的 LID 理念与措施的同时,提出了以滞、渗、蓄、净、用、排为核心理念的城市雨洪管理体系。城市雨洪管理体系有径流总量和污染控制、雨水利用、排水防涝峰值控制等不同功能的各种调蓄设施所组成,也包括源头 LID 控制系统、小排水系统、大排水系统等。通过调蓄系统和管渠排放系统的有机组合,为构建城市良性水文循环和“海绵”城市发挥关键作用[9,10].


城市小型绿色基础设施包括雨水花园、下凹式绿地以及植草沟等生物滞留系统,雨水径流在土壤和植被的综合作用下, 水量减少、 水质提高。 唐双成等[11-12]对雨水花园暴雨径流削减效果的研究表明,雨水花园对于中小型降雨径流的削减率为 96.8%,说明其对于中小型降雨的削减效果尤为明显。王闪等[13] 对下凹式绿地的研究表明,下凹式绿地对径流雨水中总磷(TP)、溶解性磷(DP)、溶解性无机磷(DIP)的平均负荷去除率分别为 86.28%、77.02%和 78.17%;设计暴雨重现期和蓄水深度对磷的削减效果有影响,重现期越短,蓄水深度越大,磷的削减效果越好。黄俊杰等[14-15] 对植草沟的研究发现,普通植草沟对道路径流量的削减率为 31.1%,且滞峰削峰效果显著。



城市的地貌情况十分复杂,在车流、人流密集的城市道路和广场等地段,一般缺乏滞留雨水径流的地面空间,路面径流直接排入城市管网。为此,国外学者提出,利用树木根部土壤空间建设一种微型的生物滞留系统-树箱过滤器, 处理路面雨水径流, 同时可改善树木生长的水土环境, 增强美观效果。如图 1 所示,树箱过滤器是一种位于地下的、栽有乔木的雨水收集和过滤设施,可将路面径流引入其中,达到削减道路径流水量和净化水质的目的。净化后的雨水径流可就地收集利用或排入城市雨水管网。对于较大暴雨期间过多的水量,则可通过溢流管直接排入雨洪管道。树箱过滤器一般由种植箱(填充种植土)、排水管、溢流管、水篦子等部分组成,其具体尺寸和容量可结合场地大小调整,根据地下建筑情况,可做成入渗和防渗两种类型;其中树木应选择能够承担周期性水淹的品种,同时考虑其根系发展,选择慢生树种,以免对土壤的过滤能力及过滤设施造成不利影响[16] 。



树箱过滤器的水质改善效果主要是通过树木根部土壤的过滤作用实现的。 近期, Franz Kevin 等[17]通过观测试验发现, 树箱过滤器对雨水径流中总悬浮物(TSS)及可溶重金属的去除率分别为 91%和 70%。Geronimo 等研究[18] 发现,树箱过滤器对城市雨水径流中总固体悬浮物( TSS)的去除率高达 95%,重金属去除率均高于 70%。 Joo[19] 等研究指出,将树箱过滤器应用到城市四车道的道路上,径流水量的削减率可达到 65%。但城市不同功能区的道路分布及类型相差很大[20] ,如教育区一般绿化较好,树木分布较广,污染物较少,雨水径流相对干净;工厂分布较多的产业园区一般位于城市边缘,绿化程度一般,但区内污染物较多,雨水径流水质较差;位于城市中心地段的商业区则建筑物密集,人口密度大,绿化程度较低,地表污染物最多,雨水径流水质最差。因此,树箱过滤器在城市不同功能区海绵城市建设中的应用效果可能存在差异,其应用潜力受到城市功能区的特点以及降雨规律制约。


为了探讨海绵城市建设中,不同城市功能区利用树箱过滤器处理暴雨径流的效果,本文以江苏省扬州市为例,研究了不同暴雨强度下,不同城市功能区树箱过滤器的蓄水率,分析了树箱过滤器这一绿色基础设施在海绵城市建设中的应用潜力,成果可为推进海绵城市建设提供理论依据。


1

材料与方法


1.1

研究区域概况


扬州市位于长江北岸,江淮平原南段,属于亚热带季风性湿润气候向温带季风气候的过渡区;多年平均降雨量为 1027.1mm,年最大降雨量 2013.3mm,最小降雨量 389.2mm;年内降雨量分布不均,60%以上集中在 5-9 月,且中小型降雨事件占多数。扬州市暴雨频率关系可由下式表示[21] :




鉴于城市不同功能区在土地利用上存在显著的差别,为了较为全面地评价树箱过滤器的应用效果,本文根据扬州市的区划以及调查研究的便利性,选择了 3 种具有代表性的功能区,分别是绿化空间相对较大的教育区,不透水面积非常集中的商业区,以及处在两者之间的工业区。图 2 显示所选取的功能区分布以及各区不同宽度道路的分布情况;其中,教育区的道路宽度包括 3m、5m、7m、10m 和 20m,绿化面积较大,树木间距约 6m,排列较为规整;工业区场地呈矩形分布,道路宽度包括 8m 和 22m 两种,行道树约每隔 8m 一棵,绿化程度一般;商业区道路宽度包括 4m 和 8m 两种,绿化面积最少,行道树也较少,每隔 6m 一棵。



表 1 列出了各功能区道路分布统计结果;其中,教育区道路宽度一般小于 20m 宽,行道树每隔 6m一棵乔木,较为规整;工业区外围行道树分布比较规则,每隔 8m 一棵乔木,每隔 6m 一棵灌木,工业区内部几乎没有行道树;商业区位于市中心,面积较大,但是树木比较少,只有在商业区的主干道上种植了几棵树,道路少而窄。可见,上述三个区域中教育区树箱过滤器的可建造率最高,商业区最低。各个区域的道路面积所占研究区面积为道路密度,其中教育区的道路密度为 15.5%;工业区的道路密度为 14.8%;商业区的道路密度为 17.1%。



1.2

树箱过滤器处理能力

评价方法


1.2.1 树箱过滤器对雨水径流

的处理能力



若按照树箱在道路两侧布置的安排,如图 3,则每个树箱控制的道路面积(S, m2)相当于:

若树箱的入流设施能够保证其在暴雨期间充满, 则在上述布局条件下, 树箱对于径流的削减率为:


对于一个特定的区域和一定的树箱设计条件,道路径流系数以及树箱的储蓄能力基本不变,则径流削减率与道路宽度和树箱间距成反比。因此,对于一个包括不同形式道路的城市功能区,树箱的综合削减率(ηT )是不同宽度道路的集成:

1.2.2 树箱过滤器对应的

暴雨设计重现期


按照上述方法,可以求出树箱过滤器能够接纳的道路雨水径流。根据扬州市暴雨频率公式,则可反推求得对应于处理水量的暴雨强度:



2

结果与讨论


2.1

树箱过滤器对雨水

径流的削减效果


扬州市绿化带多采用砂壤土, 假定其孔隙率约为 35%, 田间持水量约为 10%, 则其蓄水率为 25%。若在砂土中掺入 25%的煤渣或碎木屑等有机物使其成为有机填料,则蓄水率可提高为 35%。以树箱体积 1.5×1.5×1.0m 为例,表 2 列出了上述两种介质对应的树箱储水体积计算结果。



根据三个功能区道路及树木分布情况,表 3 列出了一年一遇、120min 历时降雨条件下,单个树箱在不同道路宽度和不同介质下对雨水径流的削减率计算结果;可见,随着介质孔隙率的增加,树箱的蓄水率增大,即单个树箱对道路径流的削减率增加,但削减率随着道路宽度增加而减少,沙土填料削减率随着道路宽度的增加而降低的效果更为明显。介质孔隙率影响树箱过滤器蓄水率,因此可根据道路径流情况来确定树箱过滤器内的介质。




由于功能区的特点不同,教育区有较多可用绿化土地,对绿化景观等要求较高,绿化带分布在教育区各个地方,绿化面积所占总面积比最大,故而树木最多;工业区硬化地面较多,绿化带多处于厂房边缘,绿化较少,绿化面积占总面积的比例较低,可设置树箱数量较少;商业区多位于城市中心,建筑物高大稠密,硬化比例高,绿化带面积较小且分布零散,树木数量最少。根据上述不同功能区的特点,可设置树箱过滤器的数量不同,下面计算得出不同功能区中树箱过滤器对道路径流的削减率。针对表 1 中 3 个功能区道路的分布情况,用公式(10)计算得到各功能区树箱过滤器对暴雨径流的削减效果,结果列于表 4;可见,一年一遇 120min 历时降雨条件下,树箱过滤器对道路径流的削减率最高值为教育区的 65.4%,其次为工业区 的 53.6%,最低值是商业区的 1.4%。两年一遇,120min 历时降雨条件下,树箱过滤器对道路径流的削减率最高值为教育区的 54.9%,其次为工业区的 45.0%,最低值是商业区的 1.1%。其中,教育区和商业区的树箱过滤器间距为 6m,工业区树箱过滤器间距为 8m。




表 4 的结果显示,由于不同频率降雨所产生的径流深度不同,树箱过滤器对道路雨水径流削减比率也不同;其对两年一遇 120min 降雨径流的削减率小于一年一遇的降雨,其减少幅度在教育区最大,工业区次之,商业区最小。

2.2

树箱过滤器最大蓄水能力

对应的暴雨设计重现期


根据扬州市暴雨径流公式[22] 推求结果,表 5 列出了 1.5×1.5×1.0m 树箱对道路雨水径流削减效果的影响。



其中,1.5×1.5×1.0m 树箱过滤器在教育区的设计重现期为 0.29 年,是三个区域中标准最高的区域,商业区的设计标准为 0.03 年,设计标准最低。商业区设计重现期最低原因是商业区树木较少,可设置树箱过滤器更少,而道路较宽,甚至很多道路两侧并没有种植行道树,以至于树箱过滤器的储水体积相对于整个商业区的道路径流而言量太小。如果增加商业区的行道树,也就是增加树箱的个数,树箱对应的储水体积增加,对应的暴雨设计重现期也会相应增加。


2.3

不同尺寸的树箱过滤器

对应的设计标准变化


以树木数量较多的教育区为例,根据不同树箱体积计算得出不同的设计重现期,见表 6,并根据表 6 绘制出图 4。图 4 显示树箱过滤器对应的设计暴雨随树箱体积增加的变化趋势。可见,单个树箱体积增加时,其承受的暴雨设计标准也随之增加;即随着树箱体积的增加,其可滞留雨水径流能力的设计重现期也随之增加,但增长幅度逐渐减小,增长到一定体积后,继续增加树箱体积对暴雨设计标准影响几乎为零。故实际建设过程中,可根据经济成本和工艺流程来选择较为合理的树箱尺寸




2.4

树箱过滤器水质净化

能力分析


表 7 列出了扬州市 1954-2014 年的降雨资料统计值。 60 年中,日降雨小于 10mm 的占到降雨总场次的 72%,日降雨在 10-25mm 的中型降雨场次占 60 年总降雨次数的 18%。可见,扬州市降雨多为中小型降雨, 其场次比例高达 90%。 关于雨水径流水质的研究结果显示, 中小雨或初期降雨水质较差。如果针对这部分降雨进行滞留和水质净化,则可有效降低城市雨洪非点源污染对地表水体的不利影响。



现有研究表明,树箱过滤器对地表径流中的污染物去除效果明显。如 Geronimo 等研究发现,树箱过滤器对雨水径流中总悬浮物(TSS)及可溶重金属的削减率分别为 91%和 70%。根据上述表 6 中对水量滞留效果的分析,针对扬州市中小型降雨较多的情况来计算,以上述教育区为例,可得不同尺寸树箱过滤器可达到的水质净化效果,计算结果列于表 8。研究区 90%以上为小到中雨(≤25mm),设计重现期为 0.12 年,若设置 1.5×1.5×1.0 m 的树箱,设计重现期为 0.29 年,大于中小型降雨的重现期,则道路径流可处理量达 100%,而径流中所携带的污染物的总悬浮物(TSS)及可溶重金属可经树箱过滤器得到有效净化。



3

结论


树箱过滤器是海绵城市建设中的小型绿色基础设施之一。与其他设施相比,树箱具有不占地表面积的优点,可以根据绿化特点灵活布置,同样具有降低地面径流和净化水质的功能。本文结合扬州市暴雨径流及城市功能区特点,通过对树箱过滤器应用效果的理论分析得出以下结论:


(1)一年一遇的 120 min 降雨, 1.5×1.5×1.0 m 的树箱,对于教育区,工业区,商业区三个区域的道路径流削减率分别为 65.4%, 53.6%, 1.4%。说明行道树较多的教育区利用树箱过滤器可以达到较好的径流削减效果。



(2)以 1.5×1.5×1.0 m 尺寸树箱过滤器为例,能接纳径流量所对应的暴雨设计重现期在为教育区 0.29 年,工业区为 0.19 年,商业区为 0.03 年。所研究的商业区可通过增加树箱个数或树箱体积来提高对地表径流的处理能力。树箱收集径流的能力随其体积的增加而增大,但体积增大到一定程度后不再变化。考虑经济成本,研究区适宜树箱尺寸为 1.5×1.5×1.0 m。



(3)对于研究区中小型降雨场次占 90%的情况,以树木较多的教育区为例,设置树箱过滤器可有效削减径流以及降低径流污染物, 1.5×1.5×1.0 m 的树箱过滤器可以 100%滞纳中小型降雨(≤25mm)。



树箱过滤器具有不影响地面景观建设,节约占地面积却又可以有效的降低城市雨洪压力的优点,对其合理建设可促进城市节水净水,缓解城市化对区域水生态环境造成的不利影响。缺点是在植物超过树箱容量后,需要进行更换,防止堵塞,水篦子需要定期清理维护。





参考文献略


本文内容为录用首发版,定稿请参见《南水北调与水利科技》刊文。

本期编辑: 阿丹、海超、檬檬               


免责声明:遵循微信公众平台关于保护原创的各项举措。推送文章可能未能事先与原作者取得联系,或无法查证真实原作者,若涉及版权问题,请原作者留言联系我们。经核实后,我们会及时删除或者注明原作者及出处。

《南水北调与水利科技》

共筑学术交流新天地 同谱人水和谐新篇章

电话:0311-85020507

微信号:nsbdqk

Copyright © 松原古典音乐社区@2017