三亞市某市政道路海綿化改造方案探討

吳壽可

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200041）

0 引言

2015 年5 月，在住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的支持和指導(dǎo)下，三亞市全面啟動(dòng)了“城市雙修雙城”工作，海綿城市建設(shè)是其中的重頭戲之一[1]。2015 年6 月，三亞市成為海綿城市建設(shè)的試點(diǎn)城市。2016 年，為指導(dǎo)海綿城市建設(shè)工作有序進(jìn)行，三亞市政府編制了《三亞市海綿城市建設(shè)總體規(guī)劃》，作為三亞市建設(shè)海綿城市的重要依據(jù)，并確立了三亞市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域，同步編制了試點(diǎn)區(qū)域海綿城市建設(shè)的控制性詳細(xì)規(guī)劃，明確了一系列海綿城市建設(shè)項(xiàng)目。其中包含多個(gè)現(xiàn)狀道路的海綿化改造項(xiàng)目和新建海綿型道路項(xiàng)目。本文以其中一項(xiàng)現(xiàn)狀市政道路的海綿化改造工程為例，探討在充分考慮道路現(xiàn)狀、周邊環(huán)境和總體投資等因素的基礎(chǔ)上，如何因地制宜地進(jìn)行海綿改造方案設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概況

工程地點(diǎn)位于三亞市月川片區(qū)，道路全長(zhǎng)約1 490.74 m，紅線寬度16 m，總面積27 262.67 m2，雙向車(chē)道，是一條城市支路。道路南側(cè)用地以居住用地和教育用地為主，北側(cè)以公園綠地和水域?yàn)橹鳎ㄒ?jiàn)圖1）。海綿化改造的內(nèi)容主要包含下沉式綠地改造、生態(tài)樹(shù)池改造、雨水口改造等。

圖1 周邊用地規(guī)劃圖

2 現(xiàn)狀條件

2.1 氣象條件

三亞市屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，長(zhǎng)夏無(wú)冬，全年陽(yáng)光充足，蒸發(fā)量大，旱季雨季分明。全市年平均氣溫25.5 ℃，年平均降雨量1 392.2 mm，年均降雨天數(shù)為109 d。5 月～10 月為雨季，降雨量占全年雨量的90%；11 月～ 來(lái)年4 月為旱季，降雨量?jī)H為全年雨量的10%。6 月～11 月受熱帶氣旋影響較多，降雨多為臺(tái)風(fēng)雨，過(guò)程降雨量多在50 mm 以上，呈現(xiàn)雨急風(fēng)大的特點(diǎn)。年平均蒸發(fā)量較大，為2 360.7 mm。由于全年陽(yáng)光充足，三亞市蒸發(fā)量各月分布較為均勻。

2.2 地質(zhì)條件

本工程位于三亞市海綿城市試點(diǎn)區(qū)域月川片區(qū)內(nèi)。根據(jù)《三亞市海綿城市控制性詳細(xì)規(guī)劃》，該區(qū)域表層為素填土，下面是粗砂、細(xì)砂、中砂及黏土，滲透性良好。參考2014 年道路新建工程的詳細(xì)勘察報(bào)告，在勘察所達(dá)深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層上覆地層主要為第四紀(jì)全新統(tǒng)人工填積層（）、湖泊沉積層（）、河流沖洪積層。依據(jù)地基土巖性結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)及其差異性，自上而下可分為6 個(gè)主要工程地質(zhì)層。各地層分布情況和主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各地層分布情況和主要參數(shù)

2.3 道路現(xiàn)狀及下墊面分析

道路現(xiàn)狀車(chē)行道為瀝青路面，人行道為人行道磚鋪設(shè)，道路兩側(cè)有1 m×1.5 m 行道樹(shù)池，行道樹(shù)池凈距約4.5 m，道路整體平坦（見(jiàn)圖2）。道路現(xiàn)狀橫斷面圖見(jiàn)圖3，道路現(xiàn)狀下墊面統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 道路現(xiàn)狀下墊面統(tǒng)計(jì)

圖2 道路現(xiàn)狀圖

圖3 道路現(xiàn)狀橫斷面圖（單位：cm）

2.4 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

本工程排水體制現(xiàn)狀為分流制。

雨水管道敷設(shè)于道路北側(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)道下，距離道路中心線3.2 m 處，雨水管采用DN500 鋼筋混凝土管，僅收集道路路面雨水，不收集和轉(zhuǎn)輸?shù)貕K雨水，分3 個(gè)排口分別排往北側(cè)濕地公園。機(jī)動(dòng)車(chē)道內(nèi)側(cè)設(shè)有平篦雨水口，收集道路徑流雨水?，F(xiàn)狀雨水管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)為2 a 一遇。

污水管道敷設(shè)于道路南側(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)道下，距離道路中心線3.2 m 處，污水管采用DN400 HDPE 管，收集道路南側(cè)居住和教育用地生活污水。

3 海綿改造目標(biāo)

根據(jù)《三亞市海綿城市建設(shè)總體規(guī)劃》和《三亞市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃》，本工程海綿化改造目標(biāo)應(yīng)達(dá)到以下要求：

（1）年徑流總量控制率不低于50%，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨日值18.5 mm，即18.5 mm 雨水不外排的建設(shè)要求。

（2）雨水年徑流污染控制率：低影響開(kāi)發(fā)LID（Low Impact Development） 設(shè)施的徑流污染控制以盡可能降低水環(huán)境污染為目標(biāo)，確定各地塊徑流污染物（以SS計(jì)）削減率不低于36.3%。

（3）雨水管渠設(shè)計(jì)達(dá)到3 a 一遇的雨水重現(xiàn)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）不減少道路及其沿線景觀綠化面積。

本工程為老路改造項(xiàng)目，受道路現(xiàn)狀條件所限，應(yīng)挖掘海綿化改造潛力，并與北側(cè)濕地公園一起進(jìn)行海綿指標(biāo)統(tǒng)籌，達(dá)到海綿化改造目的。

4 海綿改造方案

4.1 方案設(shè)計(jì)總體原則

已建道路的海綿化改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從道路存在的問(wèn)題出發(fā)，堅(jiān)持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、問(wèn)題導(dǎo)向、因地制宜、修舊利廢及灰綠結(jié)合的原則，以綠色低影響開(kāi)發(fā)源頭減排的建設(shè)為主，綜合采用滲、滯、蓄、凈、用、排等技術(shù)手段，兼顧道路改造，完善道路雨水排放系統(tǒng)。

城市道路海綿化改造技術(shù)和措施有多種，應(yīng)根據(jù)不同類(lèi)型的功能、用地構(gòu)成、土地利用布局、水文情況等特點(diǎn)進(jìn)行選擇。本工程海綿化設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于道路人行道樹(shù)池、北側(cè)的濕地公園等對(duì)路面雨水進(jìn)行調(diào)蓄、凈化。

4.2 計(jì)算公式

4.2.1 暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式是城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一。三亞市現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式如下：

式中:q 為暴雨強(qiáng)度，L/（s·ha）；t 為降雨歷時(shí)，min，t=t1+t2，其中t1為地面集水時(shí)間，取10 min，t2為雨水在管渠內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間；P 為重現(xiàn)期，本工程取3 a。

4.2.2 雨量計(jì)算公式

一定重現(xiàn)期下的雨水流量計(jì)算公式如下：

式中：Q 為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；φ 為綜合徑流系數(shù)；F為匯水面積，ha。

綜合徑流系數(shù)φ 是對(duì)各類(lèi)下墊面面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，按照地面種類(lèi)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到的。

4.2.3 設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，依據(jù)劃分的排水分區(qū)及各個(gè)分區(qū)的下墊面情況，利用容積法計(jì)算排水分區(qū)設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，計(jì)算公式為：

式中：V 為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；H 為設(shè)計(jì)降雨量，mm。

4.2.4 年徑流總量控制率和年徑流污染控制率

根據(jù)文獻(xiàn)[2]相關(guān)定義，年徑流總量控制率為100%與全年外排的徑流雨量占全年總降雨量的比例之差。本工程采用SS 作為特征污染物，年SS 總量削減率為年徑流總量控制率×低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施對(duì)SS的平均削減率。本工程海綿設(shè)施主要采用生態(tài)樹(shù)池和下沉式綠地，平均污染物去除率為70%～80%，以75%計(jì)取。

4.3 方案策略

根據(jù)下墊面實(shí)際情況，因地制宜地采用生態(tài)樹(shù)池、下沉式綠地等海綿設(shè)施對(duì)路面雨水進(jìn)行收集、調(diào)蓄和凈化，以提高年徑流總量控制率和年徑流污染控制率，保護(hù)受納水體。本工程的設(shè)計(jì)雨水排放流程見(jiàn)圖4。

圖4 雨水排放流程圖

以上排水流程采用了以下3 種排水策略：

（1）部分路段北側(cè)緊鄰濕地公園，可充分利用紅線外的綠地建設(shè)下沉式綠地，并將北半幅路面雨水優(yōu)先引入下沉式綠地。該策略關(guān)鍵在于將現(xiàn)狀雨水口改造為雙格溢流式雨水口（見(jiàn)圖5），其中A 格為原雨水口井體（加蓋密封），B 格為新建部分。雨水進(jìn)入B 格后，優(yōu)先通過(guò)DN200 管道排向下沉式綠地。當(dāng)短時(shí)雨水量超過(guò)DN200 管道排放能力時(shí)，或下沉式綠地雨水已蓄滿(mǎn)時(shí)，B 格蓄滿(mǎn)，雨水經(jīng)溢流口進(jìn)入A 格，并由原雨水口連管排入市政雨水管道后直接排放。下沉式綠地內(nèi)雨水則通過(guò)自然下滲補(bǔ)充地下水，過(guò)量雨水通過(guò)雨水溢流口排入濕地公園內(nèi)部水系。

圖5 雙格溢流式雨水口大樣圖（單位：mm）

該策略?xún)?yōu)點(diǎn)在于充分利用場(chǎng)地外現(xiàn)狀綠地條件，并避免大面積掘路，最大限度地運(yùn)用現(xiàn)狀市政雨水管道，保證排水安全性。

（2）對(duì)于無(wú)下沉式綠地可利用的路段，于人行道現(xiàn)狀樹(shù)池間新建生態(tài)樹(shù)池對(duì)雨水進(jìn)行調(diào)蓄（新建生態(tài)樹(shù)池需毗鄰原路面雨水口，雨水口加蓋密封），路面雨水通過(guò)開(kāi)口路緣石進(jìn)入生態(tài)樹(shù)池進(jìn)行下滲凈化，下滲的雨水通過(guò)透水盲管匯入樹(shù)池中的雨水口。當(dāng)生態(tài)樹(shù)池蓄滿(mǎn)時(shí)，超標(biāo)雨水直接溢流進(jìn)入雨水口，并新建一段雨水連管，將生態(tài)樹(shù)池內(nèi)的雨水口與原雨水口井體連接。新建生態(tài)樹(shù)池大樣圖見(jiàn)圖6。

圖6 新建生態(tài)樹(shù)池大樣圖（單位：管徑以mm計(jì)，其余以cm計(jì)）

該策略?xún)?yōu)點(diǎn)在于拉長(zhǎng)雨水匯流時(shí)間，削減徑流峰值和徑流污染，避免掘路，最大限度地利用現(xiàn)狀雨水排水設(shè)施保證排水安全性。由于生態(tài)樹(shù)池凈寬較窄，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)生態(tài)樹(shù)池內(nèi)的雨水口有一側(cè)墻與樹(shù)池共壁，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的靈活性。

（3）對(duì)于既無(wú)下沉式綠地可利用，且因障礙物原因不具備建設(shè)生態(tài)樹(shù)池條件的路段，則保持原排水模式，只對(duì)現(xiàn)狀路面雨水口加裝截污掛籃，對(duì)路面雨水進(jìn)行初步截污后，通過(guò)市政雨水管道排入濕地公園內(nèi)部水系。

4.4 方案設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)道路雨水系統(tǒng)的布局，本工程可劃分為11個(gè)排水分區(qū)。匯水分區(qū)劃分一覽表見(jiàn)表3。

表3 匯水分區(qū)劃分一覽表

根據(jù)4.3 節(jié)方案策略，各匯水分區(qū)通過(guò)新建生態(tài)樹(shù)池和利用下沉式綠地，充分挖掘海綿設(shè)施調(diào)蓄潛力。雨水設(shè)施徑流控制量見(jiàn)表4。本工程生態(tài)樹(shù)池和下凹式綠地蓄水高度分別按0.30 m 和0.15 m計(jì)取。

表4 雨水設(shè)施徑流控制量

本工程除4 號(hào)分區(qū)和6 號(hào)分區(qū)采用道路紅線外的下沉式綠地調(diào)蓄外，其余分區(qū)均以道路紅線內(nèi)的生態(tài)樹(shù)池為調(diào)蓄設(shè)施。經(jīng)計(jì)算，僅有4 號(hào)和6 號(hào)分區(qū)達(dá)到或超過(guò)了50%年徑流總量控制率，對(duì)應(yīng)降雨日值18.5 mm 的要求；其余分區(qū)由于不具備建設(shè)足夠的調(diào)蓄設(shè)施而未能達(dá)標(biāo)。本工程設(shè)置海綿設(shè)施控制雨量總體積約205 m3，控制雨水量10.3 mm，僅達(dá)到對(duì)應(yīng)年徑流總量控制率35%的要求。年徑流污染控制率為35%×75%=26.3%。剩余的8.2 mm 降雨將隨雨水管道排濕地公園。濕地公園是一個(gè)大海綿體，具有調(diào)蓄與凈化的作用，作為雨水排放的最終納體，需承擔(dān)該道路部分年徑流量和污染物的控制指標(biāo)。

5 SWMM 模型模擬

5.1 模型概化

SWMM 模型由美國(guó)國(guó)家環(huán)保署開(kāi)發(fā)，可對(duì)降水徑流過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[3-4]，主要用于模擬城市某個(gè)單一降水事件或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)模擬。SWMM 模型中可設(shè)置生物滯留網(wǎng)格、透水路面、綠色屋頂、滲渠、植草溝和雨水桶等LID 技術(shù)[5]。

根據(jù)現(xiàn)狀排水管道布局，搭建SWMM 水力模型，共概化為57 個(gè)排水節(jié)點(diǎn)、54 個(gè)排水管段（總計(jì)1 505 m） 和11 個(gè)子匯水分區(qū)（總面積2.73 ha）。SWMM 模型概化圖見(jiàn)圖7。同時(shí)在各子匯水分區(qū)中根據(jù)表4 設(shè)置LID 措施參數(shù)。

圖7 S WMM 模型概化圖

5.2 參數(shù)設(shè)置

SWMM 模型在模擬過(guò)程中會(huì)受到模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)等不確定性因素的影響[6]，參數(shù)的設(shè)置對(duì)于模擬結(jié)果至關(guān)重要。SWMM 模型參數(shù)主要包括子匯水分區(qū)參數(shù)、管渠參數(shù)、下滲參數(shù)、模擬參數(shù)等。模擬選項(xiàng)設(shè)置：下滲模型采用霍頓下滲模型，演算模型采用動(dòng)力波，時(shí)間步長(zhǎng)采用0.5 s。本工程SWMM 模型參數(shù)設(shè)置主要采用GIS 提取、查閱模型手冊(cè)和文獻(xiàn)確定。SWMM 模型參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 S WMM 模型參數(shù)設(shè)置

5.3 降雨雨型

海綿化改造后，需對(duì)本工程雨水管道的排水能力、排口的流量峰值進(jìn)行水力模型評(píng)估。根據(jù)《三亞市海綿城市方案設(shè)計(jì)專(zhuān)篇編制指南》，本工程采用現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式為依據(jù)，以芝加哥雨型推求3 a 一遇的1 h 降雨歷程，雨峰相對(duì)位置取0.40。所設(shè)計(jì)的雨型見(jiàn)圖8，降雨總量為63.49 mm。

圖8 3 a 一遇的1 h 芝加哥雨型降雨量

5.4 模擬結(jié)論

根據(jù)模型模擬，在3 a 一遇的1 h 降雨情景下，海綿化改造前總出流量為56.56 mm，排口徑流峰值為0.50 m3/s；海綿化改造后總出流量為49.86 mm，排口徑流峰值為0.45 m3/s。經(jīng)過(guò)對(duì)比，海綿化改造后，徑流削減率為11.85%，徑流峰值削減率為10%，均優(yōu)于現(xiàn)狀。根據(jù)模擬結(jié)果，雨水管道在3 a 一遇的1 h 降雨下未發(fā)生節(jié)點(diǎn)溢流，達(dá)到了3 a 一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。

此外，由于本工程受改造場(chǎng)地和投資的限制，未采用大面積透水鋪裝等徑流源頭削減措施，且生態(tài)樹(shù)池的調(diào)蓄空間有限，其滲后水依然通過(guò)雨水管網(wǎng)排放，因此在年徑流總量控制方面作用并不顯著，導(dǎo)致本工程海綿化改造并不能完全達(dá)到海綿規(guī)劃指標(biāo)，依然需要濕地公園進(jìn)行托底，承擔(dān)本工程部分年徑流量和污染物控制指標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本工程受改造場(chǎng)地和投資的限制，采用在道路用地范圍內(nèi)新建生態(tài)樹(shù)池和利用道路紅線外下沉式綠地進(jìn)行雨水調(diào)蓄的方式未能使本道路達(dá)到年徑流總量控制率和年徑流污染控制率的規(guī)劃目標(biāo)，需要濕地公園對(duì)海綿規(guī)劃指標(biāo)托底。

（2）在進(jìn)行海綿化改造方案設(shè)計(jì)時(shí)，需靈活運(yùn)用場(chǎng)地內(nèi)外條件。本工程中生態(tài)樹(shù)池的建設(shè)和下沉式綠地的運(yùn)用，均具有一定的靈活性，能夠最大限度地運(yùn)用現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)，減少掘路面積，降低工程成本。

（3）本工程海綿化改造對(duì)雨水徑流量和徑流峰值均有削減作用，可間接地將雨水管道排水標(biāo)準(zhǔn)從2 a一遇提升至3 a 一遇。