0 引 言
城市道路用地一般占城市建设总用地的10%～15%，但其产生的雨水径流污染负荷却占城市雨水径流污染总负荷的50%～60%，城市道路雨水径流污染已成为城市水环境污染物的主要污染来源之一[1-3]。与此同时，城市道路一旦发生内涝灾害，常常造成交通堵塞，影响日常出行，甚至危及生命财产安全。因此，传统城市道路采取“路面-雨水口-管道”模式的直排方式已经难以适应城市化发展的需求。随着近年来水环境治理及海绵城市建设的快速发展，以场地源头分散式控制为指导思想的低影响开发(low impact development，LID)道路在国内外得到大量工程应用[4-6]。
近几年，国内外学者对传统市政道路-生物滞留带联用模式下的LID道路水文效应开展了大量研究。Lin等[7]通过SWMM模型研究了台湾地区新建LID高架公路雨水径流控制效果，结果表明，年雨水径流量削减率为43.5%～54.5%，同时长历时降雨的雨水径流控制效果高于短历时的暴雨。Shrestha等[8]研究了佛蒙特州伯灵顿8条LID道路，结果表明，雨水径流外排总量和峰值流量平均削减率分别为75%、91%，且降雨量<24.5 mm的降雨事件可全部被生物滞留带控制。陈世杰等[9]采用InfoWorks ICM模型对南方某段LID道路进行雨水蓄渗效果模拟，发现LID道路场次径流总量削减率达到60%以上。江淑卉[10]采用SWMM模型研究了武汉市青山示范区LID组合道路的水量控制效果，结果表明，重现期从0.5 a到10 a，雨水径流总量削减率从44.2%降低到34.8%，峰值流量削减率从83.6%降低到66%。陈宏亮[11]采用SWMM模型研究了嘉兴市区某道路LID改造后的雨水径流削减效果，结果表明，重现期为3a时雨水径流总量削减率达到62.54%。马越等[12]模拟陕西西咸新区LID 改造后的秦皇大道发现，当道路纵坡为0.35%～0.75%、横坡为1.5%的情况下，年径流总量控制率可达87%, 50年一遇峰值削减率可达15.2%。王文亮等[13]模拟乌鲁木齐LID道路发现，当道路纵坡为1.9%～2.8%、横坡为1.5%时，年均降水收集率约为85%。李胜海等[14]研究重庆悦来新城某LID道路发现，当道路纵坡为0.5%～3.3%时，可满足年径流总量控制率为80%。黄静岩等[15]监测深圳光明新区2条LID改造后的道路发现，当道路横坡均为1.5%，道路纵坡分别为2.8%和0.23%时，峰值削减率分别为73.4%和93.1%以上。综上所述，坡度和重现期对低影响开发道路雨水控制利用效果具有重要影响。目前关于LID道路研究大部分集中在坡度较小的平原城市，而坡度较大的山地城市如何进行低影响开发城市道路建设尚缺乏系统研究。因此，通过在实验室搭建1∶1物理模型，采用人工模拟降雨的方法，系统研究了不同道路坡度组合以及不同重现期条件下，坡度对低影响开发道路在雨水径流总量削减、峰值削减以及径流系数等水文参数方面的影响，以期为城市低影响开发道路建设提供依据。
1 研究方法
1.1 实验装置及主要设备
根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[16]中市政道路铺装结构和方法，在人工模拟降雨大厅铺设了1∶1单车道城市道路物理模型，道路实验平台平面和剖面图分别见图1—2。LID道路路面尺寸为L×B=18 m×4 m，雨水口尺寸为L×B=750 mm×450 mm，道路豁口位于雨水口上游0.5 m处，开口长度为0.3 m，生物滞留带尺寸为L×B=10 m×1 m，实验道路由上至下依次铺设沥青、防渗膜、二灰和夯实基土，其中路面铺设所用沥青混凝土的标号为AC-13C细粒式密级配沥青混凝土，其厚度为5 cm。生物滞留带由上至下依次铺设种植土层(20 cm，种植植物为马莲);透水土工布，粒径为8～10 mm的砾石层(30 cm)；透水土工布渗透膜和基层(5 cm)。为研究不同坡度组合条件对实验结果的影响，在每次实验后按照新的实验坡度对路面重新铺设，其中生物滞留带坡度保持不变。道路实验平台实景见图3，主要仪器设备见表1。
—流量计；Q1—路面径流量；Q2—豁口入流量；Q3—绿化带渗流量；Q4—绿化带溢流量；Q5—雨水口进水量。
图1 道路实验平台平面
Fig.1 Road experimental platform (plan)
图2 道路实验平台剖面
Fig.2 Road experimental platform (cross section)
图3 道路实验平台实景
Fig.3 Outward appearance of the road experiment platform
表1 实验仪器及型号
Table 1 Experimental instruments and their working properties
仪器单位数量监测范围人工模拟降雨系统套1i=6～240 mm/hDCT1158C外夹式超声波流量计台6Q=0.2～16.0 m3/h翻斗式雨量计台4i=6～240 mm/h数据采集器台6数据采集时间间隔1 s激光水准仪台2安平精度±0.3″往返误差:1 mm/km水泵台1DN=25 mm,Qmax=60 L/min,H=4 m
1.2 实验方法
城市道路纵坡是道路纵断面设计时的重要指标，山地城市的道路在竖向设计及坡度选择上与平原城市不同，例如，地方标准DBJ50—064—2007《重庆市城市道路交通规划及路线设计规范》[17]中制定了适合重庆市地形特点的道路坡度标准，如表2所示。
表2 城市道路相关规范中纵坡规定
Table 2 Comparison of longitudinal slopes in two urban road codes
设计速度/(km·h-1)100806050403020CJJ 37—2016456—78—纵坡极限值/%DBJ50—064—200767891012纵坡极限值/%
注：CJJ 37—2016为《城市道路工程设计规范》。
坡度设计时, 一方面要结合当地地形, 在不影响行车安全的情况下尽量依当地地形设计, 另一个需考虑的就是车辆的实际情况, 避免由于坡度设计不当, 对行驶车辆造成损害[18]。我国现有CJJ 37—2016[19]规定，道路最小纵坡不应小于0.3%，车行道最大纵坡为4%～8%。山地城市车行道最大纵坡可适当增加，如DBJ 50—064—2007规定城市道路最大纵坡极限值为6%～12%。
横坡为路面、隔离带、人行道、绿化带位置的水平方向倾斜程度，横坡的设计对雨天道路排水起重要作用，可确保车辆的行驶安全与道路路面构造的耐久性[20]。CJJ 37—2016规定，道路的横坡应该根据路面类型、纵坡、宽度等条件确定，建议采用1.0%～2.0%。在快速路、降雨量大的区域建议选择1.5%～2.0%，美国Urban Drainage Design Manual[21]对坡度的相关规定为道路纵坡≥0.3%，最佳横坡为2%，同时提出3车道以上的道路向同一方向倾斜时，道路横坡≥4%。本实验平台搭建以重庆市典型的市政道路坡度为依据，当纵坡增加时，横坡也相应增加，同时为提高大纵坡下雨水口收水能力，相应增加了横坡上限取值。因此，实验选取4种典型复合坡度为研究对象：坡度1(横坡1.5%、纵坡3%)、坡度2(横坡2%、纵坡5%)、坡度3(横坡2.5%、纵坡7%)、坡度4(横坡3%、纵坡10%)。
降雨采用重庆市某区暴雨强度公式(式(1))，根据暴雨强度公式计算得到不同重现期(P=1，3，5，10，20 a)对应的雨量过程曲线(图4)，雨型采用芝加哥雨型。实验平台流量监测的点位布局见图1，各监测点的流量关系见式(2)。流量监测采用DCT1158C外夹式超声波流量计，记录数据的时间间隔为1 s，小流量时采用人工校核。
(1)
式中：P为设计重现期，a；q为设计暴雨强度，L/(s·104m2)；t为降雨历时，min。
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
(2)
式中：Q为降雨量，m3；Q1为路面径流量，m3；Q2为豁口入流量，m3；Q3为绿化带渗流量，m3；Q4为绿化带溢流量，m3；Q5为雨水口进水量，m3。
—P=1 a；
—P=3 a；
—P=5 a；
—P=10 a；
—P=20 a。
图4 不同重现期降雨量曲线
Fig.4 The designed rainfall curves for different recurrence intervals
2 实验结果分析与讨论
2.1 雨水径流总量削减效果
坡度对低影响开发城市道路雨水径流总量控制效果具有重要影响，不同重现期条件下，LID道路雨水径流总量变化和总量削减效果见图5。可知：不同坡度下，雨水径流总量削减率随着重现期的变化而变化。当重现期从1 a增加到20 a时，坡度1的总量削减率从73.2%下降到7.5%，坡度2的总量削减率从71.7%下降到34.7%。相同条件下，坡度3、4随着重现期的增加总量削减率变化不明显，分别在30.2%和17.4%附近波动。不同重现期下，坡度变化对总量控制效果的影响程度不同。低重现期时，坡度变化对总量控制效果影响较大，而高重现期时，坡度变化对其影响不明显，如P=1 a时，坡度从1增加到4，总量削减率由73.2%下降到17.5%。P=10 a时，坡度从1增加到4，总量削减率由20.1%下降到17.6%。通过上述分析可知，重现期和坡度对雨水径流总量控制均有重要影响，尤其是坡度变化的影响更显著。各坡度下实验道路径流可假定为坡面水流，雨水径流的能量全部来自势能。根据能量守恒定律，随着坡度的增加，雨水径流的势能逐渐增加，沿道路坡面向下流动时，势能转化为动能，雨水径流的平均流速逐渐增加。坡度<7%时，随着重现期的增加，雨水径流的平均流速和Fr(弗劳德数)越来越大，因而豁口收水能力降低。坡度≥7%时，坡度越大对平均流速的影响更为明显，但在坡度为3%时，雨水径流总量削减率平均为30.2%，说明降雨落到地面受到道路横坡的影响，使该坡度组合下的道路豁口收水率整体较好。当纵坡增大到10%，横坡对水流方向的影响远小于纵坡，导致豁口收水率较低。
传统道路；
LID道路；—总量削减率。
图5 雨水径流总量削减率变化
Fig.5 Stormwater runoff total reduction rate curve
2.2 峰值削减效果
LID道路在不同重现期条件下的峰值流量削减效果见图6。可知：4种坡度下，随着重现期的增加，LID道路峰值流量均呈上升趋势，峰值削减率呈下降趋势。坡度1和2，当重现期从1 a增加到20 a时，峰值削减率从52.6%降低到4.5%。但对于坡度3，当重现期为20 a时仍有较高的峰值削减率，其值达到32.4%，和重现期1 a相比只降低了10%。对于坡度4，无论是高重现期还是低重现期，峰值削减效果都较差，其值为7.5%～11.2%。综上可知，纵坡<7%时，随着重现期的增加，峰值削减率明显降低。这是因为随着重现期的增加，生物滞留带蓄水能力趋于饱和，峰值时刻已无空间蓄水，从而使削减效果降低。纵坡≥7%时，豁口收水率比较低，随着重现期的增加，峰值削减率的变化并不明显。但坡度3峰值削减率较高，分析其主要原因是在该组合坡度下，雨水径流流速沿横向分速度较大，使豁口收水能力较好，提高了峰值削减效果。坡度4由于纵坡的影响远大于横坡，使雨水径流流速沿纵向分速度增大，导致豁口收水能力较差。
传统道路；
LID道路；
—峰值削减率。
图6 峰值削减率变化曲线
Fig.6 Peak reduction rate curves of differen roadslopes
2.3 综合径流系数
综合径流系数随着不同重现期的变化规律见图7。可知：随着重现期的增加，LID道路的径流系数逐渐增加，但均低于传统道路的径流系数。不同坡度下，当重现期从1 a增加到20 a时，径流系数在坡度2时较低，从0.17增加到0.78，而传统道路的径流系数从0.65增加到0.94。在相同条件下，坡度4 LID道路径流系数从0.66增加到0.96，传统道路径流系数从0.80增加到0.98。因此，LID道路可有效减少道路径流外排量，降低径流系数。其中，坡度2的工况下，整体径流系数偏低，初步分析其原因是由于道路自身渗透系数较大。不同重现期下，随着坡度的增加，径流系数均逐渐增大。当P=1 a时，坡度1—4的径流系数分别为0.20、0.17、0.57、0.66；P=20 a时，坡度1—4的径流系数分别为0.90、0.78、0.91、0.96。综上可知，低重现期时坡度对径流系数影响大，高重现期时坡度对径流系数影响小。分析其原因，P<10 a时,此时生物滞留带降雨强度小于渗流速度，但坡度的增加使径流流速变大，豁口收水能力降低。P>10 a时，降雨量增大，生物滞留带降雨强度大于渗流速度，出现超渗产流现象，无法消纳更多道路雨水。GB 50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》[22]3.1.4规定，混凝土和沥青路面的雨量径流系数为0.8～0.9，但4种坡度下，传统道路在重现期为20 a时的径流系数均接近1。由此可见，高重现期时沥青道路径流系数宜取0.9～1。综上，重现期与坡度对径流系数均有影响，但重现期的影响更为显著。
—3%-传统道路(坡度1)；—3%-LID道路(坡度1)；—5%-传统道路(坡度2)；
—5%-LID道路(坡度2)；—7%-传统道路(坡度3)；
—7%-LID道路(坡度3)；
—10%-传统道路(坡度4)；
—10%-LID道路(坡度4)。
图7 不同重现期综合径流系数变化曲线
Fig.7 Runoff coefficient curves for different recurrence intervals
3 结 论
1)山地城市LID道路在雨水径流总量控制方面受坡度影响最大，其次是重现期。实验条件下，雨水径流场次总量削减率为7.5%～73.2%，随着重现期的增加，雨水径流场次总量削减率逐渐降低。
2)城市道路坡度变化对LID道路的峰值削减效果影响较大，相同重现期条件下，随着坡度增加峰值削减率逐渐降低。尤其在纵坡<7%时，重现期从1 a增加到20 a时，峰值削减率变化明显，其变化范围为4.5%～52.6%。
3)LID道路的综合径流系数受重现期变化的影响较大，坡度影响较小。重现期<10 a时，综合径流系数的变化范围为0.2～0.66。
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