21種路緣路肩設計，哪些能最大限度截流暴雨污染物？

注：本文為刪減版，不可直接引用。原中英文全文刊發(fā)于《景觀設計學》2020年第4期“原型研究與景觀設計”專刊。獲取全文免費下載鏈接請點擊此處。

導 讀

路緣在促進雨水徑流輸送的同時，也成為了路面污染物進入河流、污染生態(tài)環(huán)境的渠道。那么，能否重新設計路緣，使其可以像磁石一樣吸附雨水中的污染物呢？在本文中，一支來自俄亥俄州立大學的跨學科研究團隊采用迭代設計過程，在標準混凝土路緣和路肩表面增加不同的圖案和凹槽，并使用全尺寸模型測試了這些新設計在模擬暴雨事件中的截污效果，清晰呈現(xiàn)了研究設想一步步轉(zhuǎn)化為真實設計的詳細過程。

路緣沉積：

利用原型思維過程探究如何通過路緣及路肩設計截留暴雨中的路面污染物

Curbing Sediment:

A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign

哈麗娜·斯坦納

Halina STEINER

俄亥俄州立大學諾爾頓建筑學院景觀系助理教授

瑞恩·溫斯頓

Ryan WINSTON

俄亥俄州立大學食品、農(nóng)業(yè)與生物工程系及土木工程、環(huán)境與測量工程系助理教授

艾薇·歐貝爾

Avee OABEL

俄亥俄州立大學諾爾頓建筑學院景觀系本科生

亞力克·格林姆

Alec GRIMM

俄亥俄州立大學環(huán)境與自然資源學院本科生

1 提出設想

道路表面存積著各種污染物，包括沉積物、草坪肥料中的營養(yǎng)物質(zhì)、細菌、病毒、殺蟲劑、金屬元素、塑料微粒、融雪劑，以及各種油和油脂^[1]。當暴雨發(fā)生時，這些物質(zhì)會在未經(jīng)處理的情況下被沖入雨水管道，后排入河道^[1]，影響水質(zhì)乃至整個生態(tài)系統(tǒng)。水體中的塑料微粒等污染物清除起來非常困難，那么，是否可以通過街道設計的創(chuàng)新來解決這一問題？

近些年來，與綠色基礎設施有關的道路設計創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，如沿路設置的“生態(tài)草溝”可對匯入其中的雨水進行滯留和過濾，在降雨高峰期有效降低雨水流量并改善水質(zhì)，但殘留的沉積物和垃圾也會對植物根系的健康產(chǎn)生不良影響^[2]。那么，是否可以改造路緣這一常見的道路元素，使其發(fā)揮類似的功能？

2 原型設計

材料選擇與模型規(guī)格

由于數(shù)字模型無法分析連續(xù)的路緣表面，團隊決定使用熱絲切割及數(shù)控銑床雕刻技術，制作1:1全尺寸物理模型進行設計驗證測試。制作材料選用聚苯乙烯泡沫，因為這種材料經(jīng)過熱絲切割及數(shù)控雕刻后形成的表面紋理與混凝土十分相似。基本公路斷面模型長2.4m，寬1m，橫向坡度為1.5%，路緣高度為15.24cm；在后續(xù)設計中，為適應某些路緣的特殊形態(tài)，路緣高度可降至11.4~12.7cm。

制作過程

為確保模型的削制過程足夠準確、高效，盡量降低材料和刀具損耗，研究先用Rhino三維建模軟件對設計好的路緣和路肩圖案進行數(shù)字建模，然后在RhinoCAM插件中模擬銑削迭代過程，從而預測削制時可能出現(xiàn)的刀具碰撞或誤差，并在實際制作過程中進行調(diào)整或規(guī)避。削制完成的模型需涂上環(huán)保乳膠漆進行防水研究提出了兩類改進設計策略：一是在路緣表面增加不同形狀（圓形、方形和三角形）的凹槽，二是在路肩區(qū)域增加不同形狀（包括不同密度的點狀、直線及水波形圖案）的凸起圖案；兩種設計策略可組合使用。

路肩圖案的靈感來源于盲道表面的平頂圓形凸起，可在實現(xiàn)截污效果的同時提高路面的步行友好性，確保行人和騎行者的安全。

點狀圖案以盲道鋪裝為靈感。 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

通過模擬暴雨測試進行原型迭代設計

團隊先將模型放置在人行道和街道旁以實地觀察實際比例，從而了解其在景觀中的尺度和視覺效果，隨后正式開始測試。

首輪測試僅對單獨改變路緣面或路肩表面設計進行考察。在銑削全尺寸模型之前，團隊測試了不同的銑削密度和深度以了解雕刻機的作業(yè)極限。團隊對每種路緣或路肩改造方案分別進行測試，以便了解其單獨運作的情況，并尋求二者最佳的組合方案。團隊將人工合成的雨水混合物傾倒在模型路面上，使之流經(jīng)路肩或路緣上的圖案凹槽，整個過程持續(xù)8分鐘。

研究采取三種方式進行數(shù)據(jù)收集：一是通過相機和攝像機收集可視化數(shù)據(jù)；二是在模型的進、出水口定時進行水體采樣，以肉眼評估其清澈度；三是對隨機樣本進行總懸浮固體物（TSS）和粒度分布分析，并將結(jié)果與測試期間進、出水口的水濁度傳感器實時數(shù)據(jù)進行對比。

通過小型樣本測試探索不同的銑刀鉆頭尺寸、 圖案密度和銑削深度，是了解數(shù)控雕刻機優(yōu)勢和局限性的關鍵起始步驟。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

首輪測試發(fā)現(xiàn)，在圓形、方形和三角形三種路緣面凹槽設計中，方形路緣凹槽可截留的沉積物明顯更多，將在下一輪測試中重點研究；路肩設計測試中采用重復利用模型的方式，首先銑削出圖案密度最低的模型，測試后再次銑削，以增加圖案的密度，最終發(fā)現(xiàn)直線形設計的截污效率最高；通過改變直線的角度及路徑形態(tài)（波浪斜線、梳齒狀、網(wǎng)格狀）等還可進一步增加截留沉積物的表面積，進而降低雨水流速。

不同斜線圖案沿線條走向的凹陷深度不同。? Halina Steiner, Ryan Winston

波浪式斜線圖案的轉(zhuǎn)彎處截留了更多沉積物。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

平行于路緣的直線圖案在靠近路面的一端截留了更多沉積物。? Halina Steiner, Ryan Winston

第二輪測試的對象為單獨截污效果最佳的路緣和路肩組合設計，主要考察路肩向路緣凹槽體轉(zhuǎn)移沉積物的能力。經(jīng)過若干次迭代設計，發(fā)現(xiàn)當路肩凹槽與路緣面凹槽相連時組合設計的效果更好，且以此三種組合為最佳：

（1）網(wǎng)格狀路肩和7.62cm寬的方形路緣凹槽，各組凹槽之間間隔7.62cm；

（2）線形路肩和5.08cm寬的方形路緣凹槽，凹槽每隔45cm有15.24cm的間隙；

（3）以及梳齒狀路肩和等距分布的5cm寬的方形路緣凹槽。

網(wǎng)格狀路肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

15.24cm間隔的斜線路 肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston

梳齒狀路肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

本次研究對21種路緣和路肩設計進行了測試，并對每個設計進行了三次重復測試。對每次測試后殘留在模型表面的泥沙進行測定可得出每個設計的有效泥沙截留量。之后對三個截留量最大的設計再進行1~7輪模擬暴雨測試，逐輪增加模擬雨水中的沉積物量，以確定設計的最大截留量及截留時間。

測試后模型上留下的水和沉積物。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

研究發(fā)現(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)，同時改造路緣和路肩的組合設計比單獨改造路緣或路肩的設計效果更好。本研究提出的8種組合設計中有7種達到或超過了TSS降低量不得低于80%的要求，它們在測試中的具體數(shù)據(jù)表現(xiàn)如下。

在TSS和濁度降低方面表現(xiàn)良好的組合設計。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

3 結(jié)論

通過對21種設計原型進行測試，“路緣沉積”研究表明，對路緣和路肩的設計標準進行重新設定是提升路面污染物截留水平的可行選擇。這些新型設計可與綠色基礎設施相結(jié)合，以減少污染物造成的堵塞，也可以單獨應用于路面。本研究提出的設計方案占地面積小，適用范圍大，可塑性強，易于維護，可用于后續(xù)推廣。

盡管如此，在受控環(huán)境中進行測試也存在一定的局限性。下一階段的設計將進行現(xiàn)場測試，進行進一步校準和調(diào)整。這將有助于進一步制定最佳維護方法及所需的維護頻率，從而優(yōu)化設計。生態(tài)草溝的推廣案例已經(jīng)證明，場地尺度的小型干預設計即可改善區(qū)域水質(zhì)；本項目則從設計標準的角度引發(fā)當前設計實踐的思考：單個設計元素能否發(fā)揮更大的作用？原型測試是回答這個問題的第一步，而景觀設計師則可能是設計出具有多重功能且美觀的城市元素的最佳人選。

項目信息

測試地點：美國俄亥俄州哥倫比亞市俄亥俄州立大學MAT／FAB實驗室

項目資助：俄亥俄州立大學工程學院暑期研究項目（啟動資金來自Ryan Winston及Halina Steiner）

設計團隊：Halina Steiner、Ryan Winston、Avee Oabel、Alec Grimm

設計時間：2019年2月至今

測試設計：2019年5~8月

^{部分參考文獻}

^{[1] Rasmussen, T. J., & Schmidt, H. C. (2009, December). Stormwater Runoff: What it is and why it is important in Johnson County, Kansas. Retrieved from https://pubs.usgs.gov/fs/2009/3103/pdf/FS2009-3103.pdf}

^{[2] United States Environmental Protection Agency. (2016, September). Operation and Maintenance of Green Infrastructure Receiving Runoff from Roads and Parking Lots. Retrieved from https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-11/documents/final_gi_maintenance_508.pdf}

^{參考引用 / Source:}

^{Steiner, H., Winston, R., Oabel, A., & Grimm, A. (2020). Curbing Sediment: A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign. Landscape Architecture Frontiers, 8(4), 140-149. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-040018}

^{編輯 | 田曉劼}

^{翻譯 | 田曉劼 王胤瑜 李慧彥}

^{制作 | 呂童}

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