#头条创作挑战赛##郑州头条##云南头条#

雷云 彭余华 陈鸿毅 李壮

云南省交通发展投资有限责任公司 长安大学公路学院

摘 要： 为提高公路服务区雨水利用率,解决道路积水问题,提出了建设低影响开发方案的方法。基于低影响开发(LID)理论,以径流总量为控制目标,结合公路服务区功能分区与LID设施特点,提出海绵服务区的低影响开发方案的构建原则,以此拟定出多个服务区初步建设方案;采用层次分析法构建海绵服务区LID方案评价体系,从径流控制效能、经济效能、社会效能三方面评价海绵服务区建设方案的优劣,并以普洱隧道服务区为例,实现了海绵服务区建设方案的确定及优选。

关键词： 交通工程;公路服务区;低影响开发;LID设施;层次分析法;

基金： 云南省交通运输厅联合攻关科技项目(云交科教[2017]30号);

目前我国公路服务区排水遵循“快排为主”理念,忽略了雨水的生态作用和利用价值,雨水资源利用率低。如何借鉴海绵城市理念设计或改造公路服务区以提高雨水利用率成为行业的探索方向之一。

针对雨水的合理、高效利用,Carolyn等对2017年300余篇相关文献进行分析总结,指出LID(Low Impact Development)理念通过分散的小型雨水处理设施对雨水源头进行管理,是减轻雨水径流对区域环境负面影响的有效方式;Shafique&Kim对典型LID设施构造进行分析,提出了LID设施科学的建设位置及组合方案;2014年我国基于海绵城市建设理念,出台《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》),为海绵城市建设提供指导意见;郭佳香基于海绵城市理念设计了除涝工程规划方案,与传统方案相比,新规划方案内涝控制效果显著;王璐璐等通过对SWMM模型径流信息处理过程进行研究,指出SWMM可以较为精确地模拟出小规模区域的水文状况,是现阶段精度较高、应用最广的小尺度区域水文模拟软件。

公路服务区用地规模类似建筑小区,借鉴海绵城市建设理念与方法研究服务区LID设施的规划布局及应用尚处于探索阶段,LID方案的构建缺乏有效的理论与经验支撑。本文借鉴海绵城市建设思路,结合服务区功能分区与LID设施性能,拟定几种服务区低影响开发初步方案,采用层次分析法构建海绵服务区评价体系,实现对初拟方案的优选。

1 海绵服务区LID设施类型与功能

《指南》将LID设施分为渗透型、调节型、转输型、储蓄型以及截污净化型。结合场地条件及下垫面特征,公路服务区适宜采用的LID设施主要有以下7种。

1.1透水沥青路面

透水沥青路面设计需考虑透水、蓄水和排水功能对路面稳定性的影响,可有效削减地表径流。

1.2透水水泥混凝土路面

通常由多孔轻质混凝土铺筑。当路基土质透水能力较差时,需要在透水基层内安置排水管或排水板,一定程度上可以起到削减径流峰值、初步净化雨水的作用。

1.3透水砖铺面

渗透效果主要取决于透水砖渗透系数。在工程应用中应尽量选择渗透系数大于0.1mm/s的透水砖进行铺筑,可增加服务区雨水下渗量、减少地表积水。

1.4绿色屋顶

在建筑顶面建造的具有可持续性功能的特殊屋顶,绿化区域的规模需根据建筑屋顶的承载能力进行选择设计,可有效发挥滞留、吸收作用,降低径流总量,也具有较好的景观效果。

1.5下凹式绿地

绿地高程低于周边道路,下凹深度宜小于200mm,以草本植物为主,通过雨水下渗有效提高服务区雨水涵养水平,可实现短时间内雨水径流的储存,具有削峰、延峰及初步净化雨水作用。

1.6雨水花园

通常设置在服务区的高程较低区域,植被选取可多样化,对削减径流、净化水体发挥重要作用,造价低、管理维护方便。

1.7植草沟

种有植被的地表沟渠,连接LID设施与服务区的雨水管渠,也可作为下凹式绿地、雨水花园等设施的预处理设施,具有削减径流总量、初步净化雨水的作用。

2 海绵服务区LID初步方案拟定

2.1控制目标选取

海绵城市建设主要有四个控制目标,分别为径流总量控制、径流峰值控制、污染物控制、雨水利用率控制,在工程应用中可根据城市市情进行选取。海绵服务区建设的主要目的是提高雨水资源利用率,在初步确定LID方案时,将径流总量控制确定为控制目标,在进行方案评价时,兼顾服务区峰值控制及雨水利用情况。

根据《指南》对年径流总量控制率的要求,我国大陆地区共包含五个分级(图1),即I区(0.85≤α≤0.90)、II区(0.80≤α≤0.85)、III区(0.75≤α≤0.85)、IV区(0.70≤α≤0.85)、V区(0.60≤α≤0.85)。公路海绵服务区可参照此区间确定其年径流总量控制目标。

图1 中国大陆年径流总量控制目标分区图 *载下**原图

2.2 LID设施选取原则

场地条件和空间需求是LID设施选取的重要因素,根据服务区区域特征及径流流向,一般可大致划分为四个区域:行车道及停车场区域、人行步道及休闲广场区域、房屋建筑区域和传统绿地区域。

(1)透水沥青路面空隙率较大,承载能力较低,常应用于服务区荷载较小的小车停车区及小车行车道;

(2)透水水泥混凝土路面为多孔轻质混凝土铺设,承载能力低,可应用于小车停车区及人行广场区域;

(3)透水砖铺面径流总量控制效果好,但承载能力很低,适用于对路面结构强度要求较低的人行步道及休闲广场区域;

(4)绿色屋顶应用于建筑物屋顶等不透水区域,可削减径流、美化环境;

(5)下凹式绿地与雨水花园是服务区消纳吸收雨水的重要设施,采用绿地标高低于周边道路的形式;

(6)植草沟应用于服务区沟渠等排水通道,作为初步净化雨水的预处理设施。

2.3 LID设施规模确定

采用试算法确定LID设施规模:首先根据LID设施选取原则拟定几种LID初步方案,依据控制目标年径流总量控制率计算设计调蓄容积值,再根据LID设施规模及类型计算初步方案的实际调蓄容积。将实际调蓄容积与设计调蓄容积相比较,若前者数值大于后者,则满足径流总量控制目标要求;反之,则需要反复调整LID设施规模,直至满足控制目标要求。

(1)设计调蓄容积值

根据服务区所在地区的降雨数据资料确定年径流总量控制率对应的设计降雨量,代入公式(1)得出设计调蓄容积值。

V 控=10 HφF (1)

式中: V 控为设计调蓄容积,m3;

H 为设计降雨量,mm;

φ 为综合雨量径流系数;

其中,φ=∑φiAi∑Aiφ=∑φiAi∑Ai, φi 为汇水面径流系数(表1), Ai 为汇水面面积。

表1 常用雨量径流系数表 导出到EXCEL

(2)实际调蓄容积值

LID设施中,透水砖铺面、透水水泥混凝土路面、透水沥青路面、植草沟和绿色屋顶径流削减效果较弱,不计入实际调蓄容积;较大规模的下凹式绿地由于竖向坡度影响,实际调蓄容积大大减弱,也不计入实际调蓄容积。

对于面积较小的下凹式绿地与雨水花园,调蓄容积可采用下式进行粗略估算,其计算方法见公式(2)。

V 实= h · F 1 (2)

式中: V 实—实际调蓄容积,m3;

h —有效蓄水深度,m;

F 1—下凹式绿地或雨水花园设施面积,m2。

3 海绵服务区LID方案评价体系

满足服务区径流总量控制目标的LID初步方案可能有多个,确定海绵服务区建设方案还应综合考虑建设、养护费用与社会效能等方面。有必要构建LID方案评价体系,以确定最优的LID建设方案。

3.1评价指标选取

(1)径流控制效能

服务区海绵功能提升的主要目标是提高雨水利用率,LID设施组合方案的径流控制效果是海绵服务区建设方案的关键。服务区的径流控制效能可采用径流总量控制与径流峰值控制两个指标进行评价。

(2)经济效能

LID设施的经济效能包括建设过程中的成本投入及后续管理养护所需费用。为便于各方案经济效能的计算与比较,以单位面积LID设施所需费用为后续研究基础。

(3)社会效能

下凹式绿地、雨水花园、透水铺筑等LID设施提高了服务区雨水的利用率,对植物成长及其维护费用降低具有重要作用,可发挥较好的生态景观效应,有助于美丽服务区建设,具有良好的社会效能。

3.2评价指标权重确定

服务区LID方案评价属于典型的多目标、多准则、难以量化处理的决策问题,可采用层次分析法建立目标结构模型,并确定各评价指标权重,其一般步骤为:(1)建立目标层次结构模型;(2)构造判别矩阵;(3)计算权重值并进行一致性检验。

3.2.1建立目标层次结构模型

根据LID方案评价指标与层次分析法原理,建立的层次结构模型见图2。

3.2.2构造判别矩阵

比较同一层次的两个指标对上一层次指标的重要程度,以此构造出判别矩阵,用 dij 表示指标 Ci 相对于 Cj 对准则层 Bk 的重要程度, dij 的赋值采用1-9标度法。邀请多位专家对 dij 赋值,计算专家赋值结果的平均数构造矩阵,构成判别矩阵D=(d ij ) n × n 。

图2 目标层次结构模型 *载下**原图

D=(dij)n×n=⎛⎝⎜⎜⎜d11d21⋯dn1d12d22⋯dn2⋯⋯⋯⋯d1nd2n⋯dnn⎞⎠⎟⎟⎟D=(dij)n×n=(d11d12⋯d1nd21d22⋯d2n⋯⋯⋯⋯dn1dn2⋯dnn)

3.2.3权重值计算及一致性检验

为减小主观判断的差异性对评价结果的影响,首先需对判别矩阵进行一致性检验。

①根据公式(3)计算一致性指标CI

CI=λmax−nn−1CΙ=λmax-nn-1 (3)

式中: λmax —判别矩阵最大特征根;

n —评价指标的数量。

②查找判别矩阵平均随机一致性指标RI

根据评价指标数量 n ,参照表2确定对应的 RI 值。

表2 判别矩阵 RI 值 导出到EXCEL

③计算判别矩阵一致性比率CR,见公式(4)。

CR=CIRICR=CΙRΙ (4)

当 CR <0.1时,则判别矩阵有较好的一致性;反之则需调整判别矩阵,对专家赋值差异较大的指标重新赋值,直到一致性检验结果合格。

构造出合格的判别矩阵后,可采用和积法计算判别矩阵的最大特征根 λmax 及对应的特征向量,将特征向量进行归一化后即为权重向量W。

3.3指标评分准则

LID方案评价体系中的径流控制效能与经济效能为定量指标,社会效能则为定性指标。为使评价结果更客观,将定量指标进行度量计分,定性指标由层次分析法得出单项LID设施单位面积权重值,结合设施规模计算得分。

(1)径流控制效能

构建海绵服务区地表径流仿真模型是量化服务区径流控制效果的主要途径之一,SWMM是最适宜小尺度区域地表径流的仿真模型,通过SWMM模型对目标服务区进行径流仿真,获得其径流总量与径流峰值,依据公式(5)计算各方案的径流总量削减率及径流峰值削减率。两个指标可直接反映各方案的径流控制效果,因此将其分别作为径流总量削减及径流峰值削减指标评分值。

LZi=Zi−ZZ,LFi=Fi−FFLΖi=Ζi-ΖΖ,LFi=Fi-FF (5)

式中: LZi — i 方案径流总量削减率; Zi — i 方案作用下服务区径流总量;

Z —传统开发情境下服务区径流总量;

LFi — i 方案径流峰值削减率; Fi — i 方案作用下服务区径流峰值;

F —传统开发情境下服务区径流峰值。

(2)经济效能

调研目标服务区LID设施材料及管理养护费用,计算出各方案的建设费用及年均管理维护费用。由于LID方案需要的费用越高,表明此方案的经济效能越低,因此分别取建设费用及管养费用的倒数作为各方案的建设成本及管养费用指标评分值。

(3)社会效能

邀请专家对LID设施两两之间的社会效能对比程度打分,打分采用1-9标度法(见表2),以此构建判别矩阵,按照公式(3)、(4)对判别矩阵进行一致性检验后,计算判别矩阵的特征向量并归一化处理,即可得到单位面积下各LID设施的社会效能权重值。

结合初拟方案中LID设施规模,将单位面积LID设施社会效能权重值与对应的设施规模相乘,将结果累加,以此作为各方案的社会效能指标评分值。

3.4方案评价方法

采用多指标进行服务区LID方案评价时,由于指标值有不同的量纲及数量级,不能直接比较,采用线性归一法对不同方案的同一指标评分进行处理,见公式(6)。

Yki=Xki∑k=1nXkiYki=Xki∑k=1nXki (6)

式中: Yki —方案 K 中指标 i 得分值;

Xki —第 i 种指标对于方案 k 的评分值;

n —初拟方案数目。

根据上述公式得出各方案指标得分,结合服务区低影响开发目标层次结构模型图和各指标权重,确定多个初拟方案的综合得分,计算分值最高的方案即为最优方案,见公式(7)、(8)。

Zku=∑i=12Yki⋅CuiΖku=∑i=12Yki⋅Cui (7)

λk=∑u=13Zku⋅Buλk=∑u=13Ζku⋅Bu (8)

式中: Zku —方案 K 中准则 u 得分值(准则层中径流控制效能、经济效能得分按照公式(7)计算得出;社会效能评分过程详见本文3.3中(3)部分,按照公式(6)归一化处理后即为方案社会效能得分值);

Yki —方案 K 中指标 i 得分值;

Cui —指标 i 对准则 u 的权重值;

λk —方案 K 的综合得分;

Bu —准则 u 对目标层的权重值。

4 实例分析

4.1服务区概况

云南省磨思高速公路(G8511)普洱隧道服务区改造工程位于普洱市,属于亚热带高原季风气候,夏季湿润多雨,冬季干旱少雨,年平均降雨量为1476mm,改造前的服务区布置见图3。

图3 普洱隧道服务区建设示意图 *载下**原图

4.2 LID方案控制目标确定

根据《指南》对于年径流总量控制目标的分级(图1)可知,普洱隧道服务区所在地区处于II区,即80%≤α≤85%,考虑到改造工程施工难度较大,初定普洱隧道服务区的年径流总量控制率为80%。根据普洱市多年降雨数据可得,普洱隧道服务区年径流总量控制率80%对应的设计降雨量为22.83mm。

4.3 LID初步方案拟定

普洱隧道服务区行车道及大车停车区重载车辆较多,不宜采用透水沥青路面;径流控制效果相似情况下,考虑透水水泥混凝土路面需设置较多接缝,透水沥青路面施工相对简易,因此小车停车位选用透水沥青路面进行铺筑;相对透水水泥混凝土路面,透水砖铺面强度较低,但设计更为灵活多变,易于凸显服务区特色与美感,普洱隧道服务区人行广场行人流量较小,综合考虑选用透水装铺面改造服务区人行广场区域;建筑屋顶可改造为绿色屋顶;绿化区域可改造为下凹式绿地与雨水花园;考虑普洱隧道服务区卫生管理完善,对径流污染控制需求不高,因此不采用植草沟改造现有排水渠。初步选取透水砖铺面、下凹式绿地、雨水花园、透水沥青路面、绿色屋顶等LID设施,参数采用《指南》推荐值及普洱隧道服务区特征进行设置。

4.3.1低影响开发方案一

(1)方案设计

方案一设计以降低建设成本与改造规模为目标,选取下凹式绿地、透水沥青路面、雨水花园、透水砖铺面四种建设费用较低的LID设施进行普洱隧道服务区改造,见图4。

图4 普洱隧道海绵服务区建设方案一 *载下**原图

(2)设计方案调蓄容积检验

研究地区各区块规模F及区域的雨量径流系数,如表3所示。

表3 方案一服务区各区块面积及雨量径流系数 导出到EXCEL

根据公式(1)计算普洱隧道服务区综合径流系数及设计调蓄容积:

φ=∑Fi×φiF=0.6276φ=∑Fi×φiF=0.6276, V =10 HφF =467.07 m 3

结合《指南》推荐值及普洱隧道服务区特征,下凹式绿地及雨水花园设施参数见表4。受汇水区域竖向条件限制,仅分散于建筑四周及停车区的小规模下凹式绿地参与调蓄容积计算,面积为2006m2。根据公式(2),计算LID设施实际调蓄容积为506.36m3,符合年径流总量控制率80%对LID设施调蓄容积的要求值467.07m3。

表4 下凹式绿地及雨水花园设施参数 导出到EXCEL

4.3.2低影响开发方案二

(1)方案设计

方案二以增大径流控制效果及社会效能为设计目标,选取绿色屋顶、下凹式绿地、透水沥青路面、雨水花园、透水砖铺面作为普洱隧道服务区LID的设计方案,见图5。

图5 普洱隧道海绵服务区建设方案二 *载下**原图

(2)设计方案调蓄容积检验

普洱隧道服务区各区块面积及对应的雨量径流系数,如表5所示,计算LID设施实际调蓄容积为509.43m3,符合径流总量控制目标80%对LID设施调蓄容积的要求值425.39m3。

表5 方案二服务区各区块面积及雨量径流系数 导出到EXCEL

4.4服务区LID方案优选

4.4.1评价指标权重确定

邀请10位从事海绵城市建设方面的专家根据本文3.2内容分别判断准则层对目标层及指标层对准则层的重要程度,以此判别矩阵进行(见表6～8),并计算各评价指标的权重值。

表6 准则层对目标层的判别矩阵 导出到EXCEL

表7 各指标对径流控制效能的判别矩阵 导出到EXCEL

表8 单位面积设施各指标对经济效能的判别矩阵 导出到EXCEL

根据公式(3)、(4)分别对以上判别矩阵进行一致性检验,结果均满足一致性要求。整理的各指标对服务区低影响开发方案的权重值见表9。

表9 低影响开发方案指标权重值 导出到EXCEL

4.4.2服务区LID方案综合得分计算

(1)LID方案径流控制效能评价

基于SWMM分别模拟服务区两种LID方案,提取在设计重现期0.1a、2a、5a、15a时的径流总量与径流峰值数据见表10。为反映LID方案的径流控制效果,构建改造前的服务区SWMM仿真模型,得到的服务区径流总量与径流峰值见表10。结合表10按照公式(5)计算LID方案径流削减率,分别计算各方案径流总量控制率平均值与径流峰值削减率平均值作为方案评分,按照公式(6)归一化处理后作为方案径流控制效能的得分值,见表11。

表10 不同降雨重现期下服务区径流状况 导出到EXCEL

表11 各方案径流控制效能值 导出到EXCEL

(2)LID方案经济效能评价

通过对云南地区LID设施造价及管养费用的调研,得到表12,以此计算服务区建设及管养费用,采用倒数的形式进行逆处理,经过归一化处理后作为方案的经济效能评分值,见表13。

表12 LID设施单价及方案规模 导出到EXCEL

表13 各方案经济效能值 导出到EXCEL

(3)LID方案社会效能评价

邀请10位从事海绵城市建设方面的专家对单位面积LID设施的社会效能进行重要性判断,构造判别矩阵得出各LID设施的社会效能权重值见表14。结合方案中LID设施规模,将单位面积LID设施社会效能权重值与对应的设施规模相乘,将结果累加,以此作为各方案社会效能指标评分值,经归一化处理后作为方案的社会效能评分值,见表15。

表14 LID设施社会效能权重及方案规模 导出到EXCEL

表15 单项LID设施社会效能值 导出到EXCEL

(4)LID方案综合得分

针对研究服务区两种开发方案,结合表11、13、15与表9,根据公式(7)、(8)计算的LID方案综合得分见表16。

表16 各方案综合得分 导出到EXCEL

由上表,LID方案二的综合得分高于LID方案一,因此选择方案二作为普洱隧道服务区的LID建设方案。

5 结语

(1)将径流总量作为海绵服务区建设的主要控制目标,有利于LID设施的规模控制,避免出现布设设施不足或过量等问题;

(2)根据服务区各功能分区特征与LID设施适建特点,提出了LID设施选取原则,可为海绵服务区LID设施的科学布设提供参考;

(3)基于层次分析法建立一套服务区LID方案评价体系,可量化服务区LID初步方案的优劣,为确定服务区LID最优方案提供方法支撑;

(4)将海绵城市建设理念融于传统的公路服务区,提出的公路海绵服务区的构建方法可实现公路海绵服务区LID设施的选型与建设方案的优选,丰富了公路服务区设计与管理的内涵。

参考文献

[1] Carolyn M Rodak,Trisha L Moore,Ray David,Anand D Jayakaran,Jason R Vogel.Urban stormwater characterization,control,and treatment.Water Environment Research,2019,91(10).

[2] Shafique M ,Kim R .Retrofitting the Low Impact Development Practices into Developed Urban areas Including Barriers and Potential Solution.Open Geosciences,2017,9(1):240-254.

[3] 中华人民共和国住房城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行) 2014.

[4] 郭佳香.海绵城市理念及在城市除涝规划中的研究应用.扬州大学,2017.PH

[5] 王璐璐,陈康,谭秀娟,司绍明.SWMM模型在海绵城市规划中的应用.给水排水,2019,55(S1):20-22.

[6] CJJ/T135-2009,透水水泥混凝土路面技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7] CJJ/T188-2012,透水砖路面技术章程.北京:中国建筑工业出版社,2012.

[8] 杨柳.那柯里海绵服务区建设方案研究.长安大学,2019.

[9] 《昆明市海绵城市建设工程设计指南(试行)》[EB/OL].2016.http://zfjs.km.gov.cn/c/2017-02-22/1710345.shtml.

[10] *志洪**国,李焱.层次分析法中高阶平均随机一致性指标(RI)的计算.计算机工程与应用,2002,38(12):45-47.

[11] 李玲娟,豆坤.层次分析法中判断矩阵的一致性研究.计算机技术与发展,2009,19(10):131-133.

[12] 陆昕.海绵城市理念下高速公路服务区低影响开发技术研究.长安大学,2019.

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。