基于海綿城市理念下的城市道路設(shè)計(jì)

曲直 李宏亮 李曼 戰(zhàn)秋錦 薛祥山

（1.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100083；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

一、引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化水平的快速發(fā)展，市政基礎(chǔ)設(shè)施水平日趨完善，人民的生活水平不斷提高，但城鎮(zhèn)化過程中，天然綠地、庫塘、濕地等被硬化的不透水地面所替代，天然水文循環(huán)被破壞，影響了雨水的截留、滲透和凈化，大量污染物積累在不透水地面上，隨降雨徑流排入城市水體，進(jìn)而污染水環(huán)境。

海綿城市理念提出了有效的城市徑流污染控制方案，城市道路作為徑流產(chǎn)生的重要節(jié)點(diǎn)之一，在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用“海綿理念”發(fā)揮道路對雨水水量水質(zhì)的控制，實(shí)現(xiàn)對雨水的吸附、滲透、凈化，控制道路徑流污染，保護(hù)城市水環(huán)境。

二、項(xiàng)目簡介

遷安位于河北省東北部，地處燕山南麓，灤河岸邊，屬北方半山區(qū)縣級(jí)市。2015年通過競爭性評審，成為全國首批14個(gè)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)之一，海綿城市試點(diǎn)建設(shè)區(qū)域位于遷安市中心地帶，面積21.5km2，阜安大路作為試點(diǎn)區(qū)域重要的城市主干道路，紅線寬度40m，其中機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道寬21m，兩側(cè)綠化帶寬10m，人行道寬9m，通過對阜安大路進(jìn)行海綿改造，實(shí)現(xiàn)對道路雨水徑流的控制和面源污染的削減。

三、城市道路雨水徑流污染特征

城市徑流污染控制是海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵指標(biāo)，但受城市發(fā)展程度、區(qū)域環(huán)境特征等多因素影響，不同區(qū)域徑流污染物的排放特征有所不同。特別是城市道路，是面源污染產(chǎn)生量較大的區(qū)域，在自然降雨難以捕捉的情況下通過人工降雨實(shí)驗(yàn)的方式，掌握遷安城市道路雨水徑流污染特征及污染物之間的關(guān)系，為道路的海綿設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（一）人工降雨試驗(yàn)方案

通過人工降雨設(shè)備，對遷安市典型道路下墊面實(shí)施不同重現(xiàn)期（1年一遇、2年一遇、3年一遇）條件下的人工模擬降雨試驗(yàn)，獲取徑流水量及水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析道路徑流污染物特征及徑流污染控制與年徑流總量控制關(guān)系。人工降雨試驗(yàn)方案如圖1所示。

圖2 徑流SS污染物瞬時(shí)濃度變化圖

（二）試驗(yàn)結(jié)果

通過人工降雨試驗(yàn)，對遷安道路在降雨過程中的徑流污染物產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行分析，在研究指標(biāo)上，由于城市徑流污染物中，SS（固體懸浮物）往往與其他污染物指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，一般可采用SS作為徑流污染物控制指標(biāo)。試驗(yàn)在降雨量約5mm時(shí)，污染物濃度達(dá)到峰值。此后，隨著降雨過程持續(xù)，污染物濃度逐漸降低，并于降雨量達(dá)到10mm～15mm時(shí)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。后續(xù)隨著降雨量持續(xù)增加，徑流中污染物濃度基本不產(chǎn)生較大變化。

徑流SS污染物瞬時(shí)濃度變化圖如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，降雨初期徑流污染物濃度較高，而后逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定。因此，有效控制污染物濃度較高的初期降雨有利于徑流污染控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對于遷安市來說，控制20mm的降雨量即可實(shí)現(xiàn)50%以上的SS削減率，對應(yīng)的年徑流總量控制率為65%。

四、海綿城市理念下的城市道路設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過對阜安大路開展海綿設(shè)計(jì)，削減道路徑流污染（以SS計(jì)）50%。

（二）設(shè)計(jì)理念

通過阜安大路的海綿設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)道路雨水快排路徑，雨水首先進(jìn)入道路綠化帶內(nèi)設(shè)置植草溝、下凹式綠地、生物滯留帶、小型回用水池內(nèi)進(jìn)行截留、下滲、凈化、回用，多余雨水通過設(shè)置的溢流口進(jìn)入市政管網(wǎng)，通過海綿設(shè)計(jì)有效減輕市政管網(wǎng)的排水壓力，同時(shí)削減道路的徑流污染。

（三）海綿設(shè)計(jì)

圖3 阜安大路雨水徑流控制路徑圖

圖4 阜安大路海綿設(shè)計(jì)斷面示意圖

圖5 阜安大路海綿設(shè)計(jì)流程圖

阜安大路的海綿設(shè)計(jì)，主要包括透水鋪裝、植草溝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施。

透水鋪裝：主要用于人行道，增加路面的透水率，削減徑流產(chǎn)生。人行道透水鋪裝，如圖6所示。

植草溝：結(jié)合地形，設(shè)置在道路不透水路面的兩邊，與生物滯留帶、雨水花園等綠色設(shè)施相連接，疏導(dǎo)、凈化徑流。植草溝如圖7所示。

圖6 人行道透水鋪裝示意圖

圖7 植草溝示意圖

圖8 生物滯留設(shè)施示意圖

圖9 遷安市年徑流控制總量與設(shè)計(jì)雨量關(guān)系圖

生物滯留設(shè)施：設(shè)置在較大的綠地空間和植草溝出水口位置，設(shè)施內(nèi)設(shè)有大量具有凈化功能的植物，利用其吸附能力凈化雨水徑流，削減道路的徑流污染。生物滯留設(shè)施如圖8所示。

（四）目標(biāo)核算

參考人工降雨試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算阜安大路經(jīng)過海綿設(shè)計(jì)后的年徑流總量控制率的效果，核實(shí)道路徑流污染（以SS計(jì)）是否達(dá)標(biāo)。阜安大路總面積為227160m2，車行道面積148944m2，透水鋪裝面積31903m2，步道面積8864m2，綠化帶面積37449m2（綠化帶中有14700m2改造為生物滯留設(shè)施）。

根據(jù)容積法計(jì)算阜安大路經(jīng)過海綿設(shè)計(jì)后的年徑流總量控制率，由于透水鋪裝和植草溝只承擔(dān)雨水的削減和轉(zhuǎn)輸，因此阜安大路經(jīng)海綿改造后的雨水調(diào)蓄容積以生物滯留設(shè)施為基礎(chǔ)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

V=S×h

式中：V-調(diào)蓄容積，S-生物滯留實(shí)施面積，h-生物滯留設(shè)施平均深度

經(jīng)計(jì)算生物滯留設(shè)施可達(dá)到的雨水調(diào)蓄容積為3675m3。

按照下式計(jì)算，阜安大路經(jīng)海綿改造后可控制的降雨量：

V=10HφF

式中：V-調(diào)蓄容積，H-降雨量，φ-綜合雨量徑流系數(shù)，F(xiàn)-匯水面積

遷安市年徑流控制總量與設(shè)計(jì)雨量關(guān)系如圖9所示。根據(jù)阜安大路車行道、透水鋪裝、步行道、綠化面積比例關(guān)系，綜合雨量徑流系數(shù)φ取值0.694，匯水面積F取值227160m2，經(jīng)計(jì)算阜安大路經(jīng)海綿改造后可控制的降雨量為23.3mm，根據(jù)遷安年徑流總量控制率和降雨量直接的關(guān)系，阜安大路經(jīng)海綿改造后可達(dá)到69.4%的年徑流總量控制率，可以達(dá)到50%以上的道路面源污染物削減效果。

五、結(jié)語

徑流污染控制是海綿城市建設(shè)過程中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而城市道路是徑流污染產(chǎn)生的主要區(qū)域之一，因此在進(jìn)行道路設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)城市所在區(qū)域的道路雨水徑流污染特征，開展相應(yīng)的海綿設(shè)計(jì)，以期達(dá)到海綿城市的建設(shè)要求。