【《海绵体道路对洪水的削减效果实证研究》8700字】

海绵体道路对洪水的削减效果实证研究目录TOC\o"1-3"\h\u28140海绵体道路对洪水的削减效果实证研究 12181第1章绪论 2219121.1研究背景 2261031.2研究目的及意义 290931.3国内外研究现状 3242001.3.1国外研究现状 3213571.3.2国内研究现状 3164201.4研究内容 48250第2章海绵体道路相关技术 4133052.1透水铺装 4104042.1.1透水铺装材料 559122.1.2透水铺装材料渗透系数 645622.2下凹式绿地 733532.2.1下凹式绿地的基本工作原理 7245332.2.3实验装置 8176932.2.4下凹式绿地实验设计 8151652.3本章小结 1027553第3章海绵体道路削减洪水的计算与分析 11215313.1透水铺装削减降雨雨水的模型构建 11225113.2下凹绿地削减洪水的模型构建 11220453.3研究区的降雨特征 1214912第4章结论与展望 15160604.1结论 15306674.2展望 1511654参考文献 17第1章绪论1.1研究背景我国的是一个水资源并不充裕的国家，反映在我国城市人口密度大，用水需求高，在排名中中国人人均淡水量居于榜尾，我们在城市的建设中，一味的追求现代化，对于用水和水的处理都不够好，这更加剧了我国的用水紧张。城市的快速粗犷发展和排水系统的不完善，使雨水的排出也只能依靠传统的工程管道直排方式，自然水体遭到污染水生态环境破坏严重，而地下水又得不到补充，生态环境不断被破坏，人类的生产生活都严重地受到影响，水资源战略受到严重影响[1]。目前，我国越来越重视环境的保护和可持续发展路线，海绵城市是一种系统的规划城市水资源利用调配的概念。我国很多地方降水充足，这些水资源是一中重要的资源，我们要去吸收利用它，而不是把重要的水资源白白流失，海绵可以吸收水份，在需要的时候又可以轻松的挤出来，把城市变得海绵化，有利于我们对于水的运用。2021年我国的城镇化率越来越高，这意味着我国是一个高度城市化的工业大国，但在进步的过程中，如何去协调城市发展和对自然环境、资源的保护是我们需要去考虑的。在发展城镇过程中，由于水泥道路和各种现代化的设施的修建，造成城市难以去吸收降雨，会在城市中形成径流，严重则会发展成洪水，造成人民群众生命、财产的损失，考验着我们对洪水的治理能力。1.2研究目的及意义海绵城市是近些年来城市基础建设的新兴概念，是指城市如同一块海绵一样能够有吸收水，利用水的能力，在应对突如其来的洪水灾害时具有良好的削弱和治理能力，也可以提高雨水的利用率，可谓一举两得。海绵体道路便是海绵城市重要的一环。在路面上采用海绵设施，不但可以消弱过量降雨带来的洪水问题，减少因洪水带来的危害保证人民的，生命财产安全，还可以收集城市的降雨，通过一系列管道和收集系统，把各种地方的和不用的水积极利用起来，减轻所在城市的用水压力和恢复城市的生态系统，使得城市的原本的原生土壤得到恢复，焕发新的生机。对此我进行对海绵体道路的研究，主要是对海绵体道路上的措施对于水的吸收作用用以推出海绵体道路对于洪水的削减。有利于我们规划海绵体道路的建设，对现代化城市的发展有着积极的意义。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状在许多年前，许多发达国家就已经有了自己比较完善的城市疏水设施，比如我们一直熟知的庞大的下水道系统。但在如今快速的城市发展中，水的运送维护成本日益增高、内涝问题、水污染、地下水匮乏等问题逐渐显露，严重影响了人们的生产生活和经济的发展。很多国家面对这样的问题，进行了很多的实践和分析,建立了完善的海绵城市建设管理体系。1.3.2国内研究现状海绵体城市的建设在我国的发展是比较晚的，近年来随着我国的发展，人们越来越重视生态文明建设，海绵城市的概念才渐渐深入人们的心，在一定程度上，我们借鉴了国外的经验。当前在我国的展开的海绵城市研究和目前的建设进度，，在其指导意义上显得比较少。我国在建设过程之中借鉴了许多欧美和日本的先进经验，但不同的地区国家之间存在巨大差异，对于适应中国的特色海绵城市还需努力。海绵城市的建设是一项系统的、科学的具有政策性和区域性要求的多学科融合，大量的调查和研究取证，并针对城市特性及地理位置、地形地貌、生态环境、气候特征和水环境问题[1]。依据总体规划中城市空间职能的划分，解决和安排城市蓝绿线范围、生态环境格局、水系连通情况、城市排污方式、雨洪的应对能力及城市现有海绵体所在区域和存量等进行综合性分析，编制出海绵道路建设总体目标的工作[2]。并以此为基础制定出海绵城市建设或改造中每个区域和地块具有可操作性的数据、技术、策略、方式和建议。同时以生态优先为原则，按比例规划出城市中每个区域足够的海绵体块位置和面积加以保护，并制定出海绵城市公共及组团景观的打造方法。因地制宜制定出区域内排水系统及排放方式，计算出每个地块建设前后相关海绵城市数据要求，以控制每个区域建设完成后的地表径流量[3]。。从而对城市的开发强度、雨洪的管理、局地微气候变化、水环境和生物多样性的延续发展起到指导作用。并将该规划准确地纳入到国土空间规划中去，为城市将来的发展建设和生态环境保护指明方向[4]。随着今年来生态环境的破坏和这一次疫情的发生，已经让我们感受到了这种透支环境和未来的发展方式，和环境破坏带给我们的警示，明白了生态环境是人类发展的基础命脉，她可以承载人类的发展反过来也能阻碍人类的发展，既水能载舟亦能覆舟的道理，未来还有多少因环境破坏而带来的生存问题在等着我们，仍是未知。海绵城市规划建设是以科学的长远发展眼光对整个区域的空间结构、经济结构、社会结构、生态结构进行调整，促进区域生态效益的提高，给人类的活动与发展创造出更好的延续空间，使人与环境相互依存互相融入。海绵城市建设既实现了国家对城市建设可持续性发展的要求，修复了生态系统的平衡，构建了人与自然和谐相处的生态环境，同时也提高了城市在洪涝灾情发生时的应对能力，海绵城市和低影响开发建设是实现人与生态环境和谐共处新的里程碑[10-11]。海绵城市的建设就是要以最小限度影响城市生态的建设理念，对城市的开发和建设进行科学有效的控制，让城市中已有的自然水体和生态系统得到保护，使城市的水资源加以补充，让城市有能够应对雨洪灾情的湿地、林地、草地以及河流，维护城市自身的水文地质特征，从而修复城市的生态环境，为人类的发展创造出一个可持续且宜居的生存环境[12]。1.4研究内容为分析计算海绵体道路对洪水的削减效果，本文主要开展以下研究内容：得到陶瓷透水砖，混凝土透水砖，透水混凝土路面三种透水铺装和下凹绿地对降雨径流的渗漏系数，确定选取材料设施结构的可行性。选择不同的透水材料和下凹绿地下凹深度的规划海绵体道路用以研究海绵体道路对洪水的削减作用。第2章海绵体道路相关技术2.1透水铺装透水铺装指的是在地面铺装施工中，应用透水性能好的施工材料,增强地面的透水性能以及透气性能[5]。我们在建设现代化城市的过程中，渐渐发现传统的路面排水模式存在李李总总的问题，比如：我们传统的道路排水设计，通常是水泥道路上设置排水沟渠和下水井孔去对降落到路面上的水进行处理，由于路面存在凹凸不平的的情况并且它的路面材料是透水率不高的水泥，雨水通常会以水洼的形式滞留在城市路面上，容易使得路面摩擦力减少，由此产生交通隐患，而且，这些无法下渗的雨水通常会冲刷路面，在入渗的时候造成二次污染，污染城市的地下水，也不利于雨水资源的再利用。所以透水铺装的出现解决了这些难题，但透水铺装的类型多种多样，灵活利用不同类型种类的透水铺装能有效解决传统路面透水难，排水久的问题。采用了透水铺装的路面的渗水能力具有相对较强的雨水渗透能力，在一场降水之中，雨水降落到采用了透水铺装的路面上，会快速通过透水铺装特有的小孔，通过输水管道系统运送到积水装置中，从而达到对雨水的收集再利用，合理利用透水铺砖可以比普通的路面更加快速的将地面水进行吸收，使得雨水不能形成较大的径流，从而控制洪水2.1.1透水铺装材料透水铺装材料的选择十分重要，为应对不同场景下的洪水问题，首先要保证透水材料的可靠性，所以，要考察不同材料的透水能力，可以选取三种比较有代表性的透水铺装材料，研究不同透水铺装路面对降雨的径流量的影响，分别选择陶瓷透水砖，混凝土透水砖，透水混凝土路面3种来进行研究，如图1，图2。图1透水砖图2透水混凝土2.1.2透水铺装材料渗透系数透水铺装材料渗透系数可采用渗水仪对透水铺装材料的渗透系数进行测定，渗透仪如图3所示图3渗透仪渗透系数的计算公式如式(2)所示[19]。K=O1−在(2-1)式中K为透水铺装渗透系数，m/s；O1为开始第一次读数时的水量，mL；O2为开始到第二次读数时的水量，mL；t1-t2为渗水实验开始时间到进行第二次实验进行所用的时间的时间，s；R——选择材料区的半径，cm。可以得到，各类型透水铺装的平均渗透系数如表1所示，实际陶瓷透水砖，混凝土透水砖和透水混凝土路面分别是海绵设计标准要求值1.4×10m/s的8倍21倍和28倍[19]。表1透水铺装的平均渗透系数透水铺装类型陶瓷透水砖混凝土透水砖透水混凝土路面平均渗透系数/m/s9.06×10-41.92×10-31.35×10-2这表明在实际在海绵城市道路建设应用中，这三种透水铺装材料的透水性能都能达到设计要求，其中透水混凝土表现最佳，所以我们本次重点研究陶瓷透水砖，混凝土透水砖和透水混凝土三种透水铺装材料用以研究透水铺装在海绵体道路中的利用。本文中我们视降雨雨水的密度为1，将渗透系数视为为渗透率使用。2.2下凹式绿地2.2.1下凹式绿地的基本工作原理下凹式绿地顾名思义是在道路两侧路边，具有下凹特性的有特有结构的绿地，一般来说，下凹式绿地有一个排水口，其位置高度比绿地底部要高，有一定深度，而且还低于设置道路的水平高度，主要通过其植物和土壤的下渗能力和加大其水流的横截面增加蒸发率，从而减少雨水带来的径流量[3]普通的下凹式绿地的结构如图(图4)。由集水层、植被层和原来的土层三部分构成。这种下凹的绿地中，有一定高度的溢洪道，可以对洪水进行一定的控制。与普通绿地相比，下凹式绿地有更多的蓄水容积，更大的反应空间，通过这样可以使得洪水聚集的时间增加，同时通过植物和土壤的间隙削弱降雨径流的污染，使之能够对城市地下水进行补充，减少降雨径流造成的污染的效果。图4典型下凹式绿地设施2.2.3实验装置研究下凹式绿地吸收降雨的过程，可以通过采用3个下凹式绿地反应器模拟下凹式绿地渗透水雨水，如图5所示，各个反应装置的长、宽、高均设置为lm。反应装置最上层为铺设厚度10cm直径为2cm的鹅卵石反滤层、15cm的植被和草皮，绿化用土壤。绿化用土壤容重设置为1.42mg/m3，厚度为60cm，预计绿化覆盖面积为85%，在其土表上方5cm高度，设置排水口，设计值为2cm，其排水口与收集水的装置链接在一起[3]。图5下凹式绿地实验装置2.2.4下凹式绿地实验设计可以通过研究不同下凹深度下的装置表现研究此类下凹式绿地削减雨水的能力，进水速率可从表3的实验设计得出，实验过程中产生的径流有专门的溢流口收集[10]。表2下凹式绿地的设计表通过表3、4、5可以看出下凹式绿地在不同的理论洪水削减率：在本实验中，随着重现期的逐渐增大，下凹式绿地削减洪水的计算值与实际的值都为反而减小、随着下凹深度的增加而计算的值为升高趋势，同时实验的理论值和实际值差距不大，所以此下凹式绿地结构可以作为我们的参照标准。表3下凹深度15cm数据重现期246810下凹深度15cm理论值消减率(%)100%100%100%98.8%87.4%下凹深度15cm实验值消减率(%)100%100%100%100%84%表4下凹深度10cm数据重现期/a246810下凹深度10cm理论值消减率(%)100%100%86%70%64%下凹深度10cm实验值消减率(%)100%87%70%68%63%表5下凹深度5cm数据重现期/a246810下凹深度5cm理论值消减率(%)100%85%71%45%37%下凹深度5cm实验值消减率(%)82%74%60%51%46%2.3本章小结本章主要对透水铺装和下凹式绿地在海绵城市中的应用，分析了它们的结构、形式和具体的特点，通过本篇文章，科普海绵设施在城市建设中的能力和表现，使得海绵城市这个概念可以宣传出去。同时通过这个设计实验，我们能够知道下凹绿地削减洪水能力的理论值和实际值差距较小，而且实际上的消减洪水能力要比理论高。所以﹐下凹式绿地作为海绵体道路的一部分，消减洪水的理论公式可以用于我们接下来的计算分析。通过渗透仪，得出陶瓷透水砖，混凝土透水砖，透水混凝土路面三种透水铺装类型的渗透系数，从而为计算和设计提供了数据。第3章海绵体道路削减洪水的计算与分析3.1透水铺装削减降雨雨水的模型构建透水铺装削减洪水的根本在于它相对于传统路面具有较强的雨水下渗能力，在一次降雨中，降雨速率同地面的下渗速率相比较低的时候，水无法累积成径流，，不会在地面形成径流；当降雨速率加快或者这次降雨的历时变长时，其入渗量逐渐饱和，雨水开始变为径流，其路面产流的计算公式如下：R=(i-f)×Δt-E(3-1)式中:R—透水路面的地表产流量，mm;i—降雨强度，mm/h；f—入渗强度，mm/h；Δt—计算时间间隔，h;E—透水路面上的蒸发量，mm(由于历时时间短忽略不计)3.2下凹绿地削减洪水的模型构建现在设面积为O的地面为下凹式的绿地，下凹式绿地上的面积为Y。当降雨发生后，降雨径流经过下凹式绿地时，下凹绿地通过吸收地表径流和加大蒸发面积的方式处理这些降雨径流，当水位超过一定高度时，通过溢流口排入设定好的排水管道。我们可以得出以下水量平衡关式： P0式（3-2)中，P0为此次降雨的降雨总量(包括其他路面的地表径流和直接降落到下凹绿地表面上的雨水)，m3；U0为开始的蓄水量，m3；W为洪水径流的下渗量，m3；U1为结束时下凹绿地的蓄水量，m3；D为降雨成流过程中的损失量，m3；E为下凹绿地上的蒸发量，m3；Q为溢流口的排水下凹绿地削减洪水的减少率是指在降雨过程中绿地对水渗透的量和在过程中的蒸发率占这个面积上下凹绿地降水的百分比，我们采用N绿地来表示。由此可见，Wp.U1，E均为下凹绿地的削减洪水径流的量﹐因为我们研究的降雨过程时间较短，所以蒸发带来的影响微乎其微，所以在本次设计计算中不用考虑。由此可得﹐下凹绿地削减洪水率N绿地可由式(3-3)计算[19]:(3-3)式(3-3)，Pz为降雨量，mm；为实验的径流系数。下渗量Wp可以在式(5)中这样计算：(3-4)式(3-4)中，K为土壤稳定入渗的速率，m/s;J为水力坡度，当水为垂直下渗时﹐垂直时J取1；t则为计算过程的时段，min。(3-5)式(3-5)中，Δh为下凹深度，m；L为下凹式绿地的周长，m;θ为下凹式绿地与路面的坡度﹐°。降雨量p可以这样去设计计算。从式（3）到（6）可以看出，在绿地面积及其集水区面积一定的情况下，影响下凹式绿地消减洪水的量的主要是通过是植物的渗透系数、下凹的高度高程、坡度值、面积和周长、降雨的重现期与降雨进行历时，和地区的径流系数等。3.3研究区的降雨特征南宁市年气候特点是温度高，湿气大，降雨充分。主要因为南宁处于亚热带气候区，以单个雨团影响最为普遍,易发生在水汽和不稳定层结垂直分布极不均匀的环境场中。春秋两季温度变化幅度小，降雨较多的是在5～8月的夏天。5～8月是强对流暴雨多发期。总体而言，南宁的降雨大而多，所以在研究海绵体道路削减洪水的降雨强度时时，我重点研究中到大暴雨强度(表6)的降雨。表6中国气象主管部门规定的降水强度等级划分表3.4海绵体道路削减洪水的分析现假设有1条100米长宽15m的道路，透水铺装路面宽度为10，两侧下凹绿地宽为2.5它的面积为1500m2。经过计算，这一段道路在这场小雨中接收雨水量为2.25m3假设中间采用陶瓷透水砖，面积为整条道路的三分之二100m2，于道路两侧，设置下凹式绿地，绿地下沉深度为10mm，自上而下铺设直径2cm的鹅卵石，厚度为60mm，﹐铺设厚度10cm，面积为道路的三分之一50m2。图5海绵体道路示意图假设有一场历时2h的中雨（根据表6），其降雨量为10mm，代入（1）和(3)到（6）可得，这段道路2h内可吸收量为3.91+1.57=5.48m3。这样看来，即便是采用渗透率最低的陶瓷透水砖，配合下沉高度为10mm的下沉绿地，也可以完全吸收中雨强度。根据大雨12h降水量，现假设有一场历时2h的大雨，其降雨量为20mm。现假设有一段长150m、宽10m的城市道路，它的面积为1500m2。经过计算，这一段道路在这场大雨中接收雨水量为4.5m3。根据计算结果来看：道路依旧能完美的对大雨降水洪量起到削减效果。根据暴雨12h降水量，现假设有一场历时2h的暴雨，其降雨量为6mm。现假设有一段长150m、宽10m的城市道路，它的面积为1500m2。经过计算，这一段道路在这场大雨中接收雨水量为13.5m3根据计算结果来看，原有道路对暴雨的吸收量有一些鞭长莫及，故调整透水铺装材料为透水混凝土路面，其渗透能力为原有的3倍，这段道路吸收雨水量即为13.3，基本可以满足对暴雨的吸收。因为在假设暴雨的情况下渗透系数最高的材料已经捉襟见肘，所以本文不再进行海绵体道路对大暴雨洪量削减效果的分析计算。3.5本章小结设计模拟了中雨、大雨、暴雨三种降雨类型，得出陶瓷透水砖路面，透水混凝土路面和普通下凹绿地设施2h吸收降雨量5.78m3，13.3m3。设计海绵海绵体道路改进可有效削减中大雨的洪量，应对暴雨大暴雨效果不显著。总的来说，通过透水铺装和下凹绿地的协调作用，可以在中、大雨和暴雨中发挥着至关重要的作用，可以满足大部分对城市降雨径流的削弱，最重要的是透水铺装和下凹绿地的渗透率会随使用时间的增加，下雨历时的加大而减少。故要配合更多海绵设施协调，一起抵御更大的暴雨，从而改善城市的洪水泛滥的问题。第4章结论与展望4.1结论(1)本文模拟了中雨、大雨、暴雨三种降雨强度的降雨在道路上的的消减量，得出陶瓷透水砖路面，透水混凝土路面和普通下凹绿地设施2h吸收降雨量5.78m3，13.3m3。设计海绵海绵体道路改进可有效削减中大雨的洪量，应对暴雨大暴雨效果不显著。(2)我们计算了透水瓷砖路面对水的吸收作用，但在实际运用的过程中，一段道路不可能全都使用这种材料，要考虑人行道，车行道，花圃等不同的结构，本文对透水瓷砖路面进行计算模拟，判断透水瓷砖路面不同降雨强度的吸收能力，为的是通过理想的条件下，尽量去选择最次的方案，才能够体现出海绵体道路对于削减降雨径流的可行性，最后我们也能得到，在选取了透水混凝土路面作为海绵体道路的铺装后，基本能够应对暴雨强度的降雨，对洪水的削减能力是实打实的。(3)现今国内外很多城市的海绵城市建设纷纷获得了很明显的效果，一系列理论被陆续实现，相应的体制和管理系统也逐渐完善。从如今的成果来看，很多城市的海绵体道路达到了所要求的渗透率，对水的净化和再吸收利用也十分成熟，但是海绵体道路在很多地方的降雨情况可能不一样，土壤的渗透能力也不同，气候也有很大区别，所以在我们悬选择不同的海绵体设施的时候，要更多的考虑实际，成本，和不同设施之间的协调联动性，保证海绵体道路建设的科学性和合理性。4.2展望通过这一次设计计算，我了解到：海绵城市目前虽然取得了一定的进展，但是普及的城市还不够多，现在海绵城市的建设还停留在一些一线，二线城市，还需要考察各个城市不同的地貌的气候特点，因地制宜做好海绵城市建设。同时海绵体城市道路建设仅仅靠一两个海绵体设施就可以解决城市的降雨城市内涝问题，需要多角度，多方面，多设施协调吸收水，收集水，净化水的海绵体道路功能。对于这些问题，要：(1)加强海绵城市设施升级建设，参考国内外先进经验，优化海绵城市的协调建设，因为海绵城市的建设在我们国家还不够成熟，需要我们去更多的去学习，在实践中找到符合我们的建设模式。(2)求同存异的发展海绵城市建设，模仿别人的建设模式和先进经验固然可以让我们的建设进度事半功倍，但是不同的地区，不同的城市它们的气候，地形，政策，都有一定的区别，比如在北方的城市降水可能不是很大，气温也不是很高，在选择海绵设施和材料的时候要考虑实际运用，注重因地制宜。(3)完善运行机制，海绵体道路时需要维护的，并不是一劳永逸，我们建设海绵城市不是为了不用清扫积水，不用除堵漏，而是为了我们更好的利用和改善环境，在管理维护过程中，要建立健全管理机制，让海绵城市真正的活起来。(4)海绵城市要注重和景观结合。海绵城市在减少积水，增添水的利用率方面确实有一定的能力，但是在我们设计海绵城市建设的过程中，要结合城市面容，找到合适的方式建设好我们的城市。参考文献[1]王森。海绵城市规划与建设反思研究[A].江西省丰城市规划局，2020：89-90.[2]刘楠楠，褚一威，陶君，等.基于“海绵城市”理念的初期雨水资源化技术研究进展[A].基于“海绵城市”理念的初期雨水资源化技术研究进展，天津:给水排水，2020:23-27.[3]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)[Ｓ].2014：13-15[4]白桦.海绵城市防洪减涝效应评价模型及其应用[D].中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，2020:5-6.[5]王瑾.海绵城市背景下北方老城区透水铺装的应用[B].上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司,2020：43-44[6]马同宇，张博，刘楠楠.基于海绵城市背景下天津生态城水质水量监测管理系统构建研究[B].基于海绵城市背景下天津生态城水质水量监测管理系统构建研究，天津:环境科学与管理，2021:48-52.[7]张书函，张宇，孙仕军.海绵城市建设小区雨水综合利用效果评价研究[A].工程建设与管理，北京:北京水务，2018:53-59.[8]伍业钢．海绵城市设计:理念、技术、案例[M].南京:江苏凤凰科学技术出版社，2016:4-5.[9]李江波.新时代背景下海绵城市建设的目标和意义[J].世界家苑·学术，2018(9):99-101.[10]宋召凤．下凹式绿地径流削减公式及实验论