基于LID設(shè)施的市政排水設(shè)計要點研究

浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和人口的增長，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也日益擴(kuò)大，同時對城市的生態(tài)環(huán)境和水文環(huán)境產(chǎn)生了不可逆的破壞。城市開發(fā)會提高地表不透水面積，使雨水下滲量持續(xù)降低，地表徑流匯集速度加快，從而導(dǎo)致路面積水或內(nèi)澇，嚴(yán)重影響行車安全性。選擇經(jīng)濟(jì)、合理的市政排水設(shè)計方案，成為設(shè)計人員需解決的關(guān)鍵問題。為了提高市政排水能力，國內(nèi)外學(xué)者針對城市雨洪管理開展了大量的研究，提出了水敏性城市、海綿城市等理論，尤其是建設(shè)海綿城市，已經(jīng)成為我國重點推進(jìn)的項目。低影響開發(fā)理念（Low Impact Development,LID）可以實現(xiàn)從源頭、過程至末端共同控制排水，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，基于LID設(shè)施研究市政排水設(shè)計具有十分重要的工程意義。

1 城市低影響開發(fā)雨洪管理模式

傳統(tǒng)的市政雨洪管理目標(biāo)是將道路表面的雨水徑流快速排入排水管網(wǎng)，其轉(zhuǎn)運途徑如下：地表徑流→市政雨水管網(wǎng)→河湖水系。該方法可以處理部分雨水，但容易對自然水循環(huán)造成一定的干擾，影響生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。LID設(shè)計理念的核心是確保地表雨水自然下滲，使開發(fā)后的雨水徑流總量和雨水峰值與開發(fā)前基本保持一致（市政排水能力達(dá)到最佳狀態(tài)），以實現(xiàn)雨水再循環(huán)利用，并建立良好的水資源環(huán)境。

2 城市典型LID設(shè)施的設(shè)計

2.1 透水路面設(shè)計

由于透水型路面鋪裝材料孔隙性較大，可以使雨水較快滲入地下，從而減小地表積水。按照鋪設(shè)系統(tǒng)是否有徑流存儲區(qū)，可將透水型路面分成多孔鋪設(shè)、儲存式透水鋪設(shè)、非儲存式透水鋪設(shè)。多孔鋪設(shè)型透水路面在城市道路中的應(yīng)用較廣泛，其儲存區(qū)域、孔隙率等參數(shù)應(yīng)按照當(dāng)?shù)亟邓颗c降水頻率計算得到，路面施工時是先在路基上攤鋪碎石層來儲存徑流，然后再鋪設(shè)孔隙較大的多孔瀝青混合料（車行道）、低標(biāo)號混凝土（車行道）、透水地磚（人行道）等，以確保地表徑流滲入碎石儲存層。

2.2 植草溝設(shè)計

植草溝是沿道路走向布置的三角形或梯形的下凹式帶狀雨水措施，其主要功能是收集并排放地表徑流，雨水儲蓄和凈化能力較差。植草溝構(gòu)造簡單，其結(jié)構(gòu)層包括土壤層、粗砂層、礫石層等，同時可在礫石層設(shè)置排水管將雨水排進(jìn)其他LID設(shè)施或城市排水管網(wǎng)。雨水流入植草溝后，如果水流速度過大（溝底縱坡大于4%），不僅會削弱植草溝對雨水的截留、吸收作用，還會沖擊植草溝底部土壤，導(dǎo)致溝身破壞。此時，可設(shè)計定距或變距消能坎來減緩水流速度，提高植草溝的抗沖刷性，塊石、漿砌片石、水泥混凝土均可作為消能坎材料。

2.3 生態(tài)樹池和生態(tài)滯留池設(shè)計

生態(tài)樹池屬于點狀生態(tài)滯留設(shè)施，適用范圍較廣。生態(tài)樹池內(nèi)一般種植當(dāng)?shù)剡m用性強(qiáng)的樹種，上部會鋪1m左右種植土，種植土的下部依次布置反濾層、礫石層、滲水管等，其主要作用是在不影響道路交通的前提下匯集機(jī)動車道、非機(jī)動車道、人行道的雨水徑流。生態(tài)樹池的平面位置應(yīng)當(dāng)根據(jù)城市規(guī)劃、道路等級及功能等確定。

生態(tài)滯留池也是沿道路走向布置線形下凹式排水池，形狀規(guī)則，底部會種植綠化植物，主要用于綠地區(qū)域小但道路景觀要求高的核心商圈道路、人行步道等。生態(tài)滯留池的作用是控制地表雨水流向、凈化水質(zhì)，改善道路景觀。

2.4 人工濕地設(shè)計

人工濕地是重要的提高市政排水能力的LID設(shè)施之一，屬于綜合性雨水調(diào)蓄系統(tǒng)，即人工濕地可以將植草溝、生態(tài)樹池、生態(tài)滯留池等單項排水設(shè)施中的雨水進(jìn)行集中調(diào)蓄和凈化。人工濕地占地面積較大，不適合布置在市內(nèi)人流、車輛、建筑物密集地帶，通常設(shè)置在有開敞空地的區(qū)域。同時，在雨水匯進(jìn)人工濕地之前，需要通過設(shè)計沉淀池（深池+淺池模式）、草溝、亂石堆圍擋、礫石過濾帶等措施對雨水進(jìn)行集中過濾。

3 LID多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計及效果評價

3.1 優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》建議，設(shè)計LID設(shè)施排水系統(tǒng)時，控制目標(biāo)可選徑流總量、徑流峰值、徑流污染、雨水再利用率等。筆者結(jié)合多個項目經(jīng)驗，擬選擇地表徑流總量和徑流峰值兩個目標(biāo)來對市政排水進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（1）地表徑流總量。在LID雨水系統(tǒng)中，地表徑流總量目標(biāo)一般是通過徑流總量控制率來控制。相關(guān)統(tǒng)計表明，最佳徑流總量控制率為80%～85%，各地區(qū)可按照當(dāng)?shù)厮Y源和市政規(guī)劃來選擇適當(dāng)?shù)膹搅骺偭靠刂坡?，也可利用下式計算?/p>

式中：α為徑流總量控制率，%；Rj為當(dāng)?shù)貜搅魃疃?，mm；Ry為當(dāng)?shù)亟涤晟疃?，mm。

（2）地表徑流峰值。地表徑流峰值是城市LID設(shè)施排水效果的輔助評價指標(biāo)，控制徑流峰值能大幅降低城市發(fā)生局部內(nèi)澇的可能性。地表徑流峰值可按下式計算：

式中：Q為區(qū)域徑流峰值，m3/s；n為子匯水區(qū)域個數(shù)；qi為第i個匯水區(qū)域的徑流峰值，m3/s。

3.2 研究區(qū)概況

通過工程實例來評價LID設(shè)施對市政排水效果的影響是最直觀的辦法，文章以某城市次干道為研究對象，基于SWMM水文模型分析布置LID設(shè)施前后地表徑流總量和徑流峰值的變化規(guī)律。該次干道地形南高北低，夏季降水量較大，冬季降水較少，年降水量約566～689mm。因原設(shè)計不當(dāng)，導(dǎo)致道路在運營期間易出現(xiàn)路面積水，降水量較大時，沿線街道甚至出現(xiàn)內(nèi)澇，嚴(yán)重影響了行車安全和舒適度。為了提高道路排水能力，采用透水型瀝青（行車道）和透水磚（人行道）、植草溝、生態(tài)樹池、人工濕地等措施來對道路進(jìn)行整體改造。

3.3 LID設(shè)施的雨洪控制效果

（1）降雨參數(shù)確定。利用SWMM模型模擬地表產(chǎn)匯流時，降雨重現(xiàn)期分別取1年、3年、5年、10年、20年，降雨歷時2h。降雨強(qiáng)度按《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2016）來計算：

式中：q為降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；p為降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時，min；A、C、b、n均為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法計算確定。

（2）地表徑流總量分析。城市道路在添加LID設(shè)施前后的徑流總量和徑流削減率如圖1所示。由圖1可知，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，地表徑流總量也不斷提高，設(shè)置LID設(shè)施后徑流總量明顯降低；同時，地表徑流削減率逐漸減小，但減小速率逐漸變緩。即當(dāng)降雨重現(xiàn)期小于3年，地表徑流削減率迅速降低，減少了22%；當(dāng)降雨重現(xiàn)期超過3年，地表徑流削減率降低幅度并不明顯。

圖1 設(shè)置LID設(shè)施前后徑流總量變化

（3）地表徑流峰值分析。城市道路在添加LID設(shè)施前后的徑流峰值變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，設(shè)置LID設(shè)施前后徑流峰值均隨著降雨重現(xiàn)期的增加而增加，且LID設(shè)施對徑流峰值有明顯的削減作用。降雨重現(xiàn)期為1年時，LID設(shè)施對徑流峰值的削減能力最大，達(dá)到了94.2%；降雨重現(xiàn)期超過10年，峰值削減率反而增加。

圖2 設(shè)置LID設(shè)施前后徑流峰值變化

4 結(jié)束語

文章分析了低影響開發(fā)的雨洪管理模式、典型LID設(shè)施設(shè)計及其對地表徑流的削減效果，主要得到以下幾個方面的結(jié)論：（1）低影響開發(fā)（LID）設(shè)計理念的核心促使地表雨水自然下滲，使城市開發(fā)后雨水徑流與開發(fā)前基本保持一致；（2）典型的城市LID設(shè)施有植草溝、透水路面、生態(tài)樹池、生態(tài)滯留池、人工濕地等，在進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)當(dāng)重點考慮當(dāng)?shù)厮Y源及城市規(guī)劃；（3）隨著降雨重現(xiàn)期的增加，添加LID設(shè)施前后地表徑流總量和徑流峰值均不斷增加，且LID設(shè)施對其有明顯的降低作用。