海綿道路系統(tǒng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

劉 艷，侯文杰

(1.安徽省公安教育研究院，安徽 合肥 230031；2.安徽省公安廳警察訓(xùn)練總隊(duì)，安徽 合肥 230031)

不透水區(qū)域的增加、雨水設(shè)施建設(shè)不足、排水系統(tǒng)不完善，造成了城市內(nèi)澇災(zāi)害、熱島效應(yīng)和徑流污染，影響車輛通行及行車安全，嚴(yán)重威脅了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，這也是城鎮(zhèn)化發(fā)展到一定程度的必然問題?！笆钩鞘屑扔小孀印?，更有‘里子’”的海綿城市建設(shè)旨在更多的利用自然力量排水，增加水系循環(huán)能力，提高水資源利用率，增強(qiáng)城市防洪排澇能力，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化多功能系統(tǒng)。海綿城市的建設(shè)是解決當(dāng)下城市熱島效應(yīng)和內(nèi)澇問題的根本方略，其中海綿道路的系統(tǒng)化應(yīng)用為人與自然和諧共生提供改善方案，減少群眾生活煩惱，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也減輕了政府部門在洪澇時(shí)期的工作壓力。

1 齊山大道現(xiàn)狀分析

池州市近年來的快速發(fā)展增加了大量的污染物，通過雨水徑流進(jìn)入水體、河道，再加之基礎(chǔ)設(shè)施相對不完善，城市水體受到污染，水質(zhì)逐年惡化，經(jīng)初步估算，池州市每年由雨水進(jìn)入水體污染物總量超過1.2萬噸/年，清溪河部分水體呈現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。池州市歷年內(nèi)澇災(zāi)害頻繁，雨水設(shè)施、排水系統(tǒng)不完善，對行車安全和人民財(cái)產(chǎn)安全造成了一定的威脅。位于池州市貴池區(qū)內(nèi)的齊山大道是池州市海綿城市項(xiàng)目示范路段，包括南段 （陵陽大道-高速轉(zhuǎn)盤）以及北段 （九華山大道—陵陽大道）兩個(gè)標(biāo)段。齊山大道設(shè)計(jì)全長3.9km，其中北段設(shè)計(jì)全長約1.6km，道路紅線寬度38m，南段全長約2.3km，道路紅線范圍60m。

齊山大道北段的道路紅線寬度38m=2.5m人行道+3m非機(jī)動車道+2m機(jī)非分隔帶+23m機(jī)動車道+2m機(jī)非分隔帶+3m非機(jī)動車道+2.5m人行道。路面的鋪裝材料均采用瀝青混凝土，不利于雨水的分散及下滲；部分路段采用的是人行道與非機(jī)動車道一體，這樣這樣的混行交通對行人的安全造成威脅，且對路面損壞較大。齊山大道北段橫斷面布置型式如圖1所示。

圖1 齊山大道北段橫斷面布置型式

2 基于LID的齊山大道橫斷面設(shè)計(jì)

對齊山大道的機(jī)動車道、非機(jī)動車道、人行道、道路綠帶、階梯濕地幾個(gè)部分分別進(jìn)行低影響開發(fā)橫斷面設(shè)計(jì)，最后給出齊山大道整體橫斷面設(shè)計(jì)圖。

1）機(jī)動車道

齊山大道的現(xiàn)機(jī)動車道路面采用的是瀝青混凝土材料，發(fā)生小雨路面即出現(xiàn)徑流，路面濕滑易積水，且積水會產(chǎn)生反光威脅著行車安全。研究針對齊山大道機(jī)動車道采用大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層（Open Graded Friction Course,OGFC）透水鋪裝路面，大孔隙排水快，且具有抗滑、抗車轍及降噪作用[1]。在路面結(jié)構(gòu)的基層和中下面層采用非透水性材料來避免雨水滲入路基，破壞路基強(qiáng)度；在上面層采用透水瀝青混凝土，雨水滲入內(nèi)部后，沿中下面層的橫坡順利排入道路盲溝和綠化分隔帶中；在基層與非機(jī)動車道相接處預(yù)留一定空間埋設(shè)排水管，將雨水縱向收集至雨水檢查井內(nèi)[2]，圖如2所示。

圖2 齊山大道透水機(jī)動車道路面結(jié)構(gòu)圖

2）非機(jī)動車道和人行道

對齊山大道的人行道和非機(jī)動車道進(jìn)行分離，分別采用透水水泥混凝土鋪裝和透水磚鋪裝，減少路面積水的濕滑現(xiàn)象，提高出行的安全性和舒適性[3]。如圖3所示，路面雨水通過透水面層，經(jīng)過排水管匯入雨水收集處，人行橫道路側(cè)接下凹植草溝，雨水滲入土壤，不僅可以解決路面積水問題，還可以達(dá)到灌溉綠植，調(diào)節(jié)路表溫度和濕度等目的。

圖3 齊山大道透水非機(jī)動車道和人行道路面結(jié)構(gòu)圖

3）道路綠帶

機(jī)非分隔帶采用下沉式分車綠帶，采用開孔路緣石將兩側(cè)機(jī)動車道內(nèi)的降雨徑流匯集至機(jī)非分隔帶內(nèi)，讓雨水自然流滲到道路紅線外的LID設(shè)施中[4]。如圖4所示，人行道與綠地的分隔帶設(shè)計(jì)為3m寬，非機(jī)動車道和人行道上的雨水徑流流入雨水滯留帶內(nèi)被吸收削弱。

圖4 齊山大道道路綠帶結(jié)構(gòu)圖

4）階梯濕地

階梯濕地布置在人行道與公園相接的一側(cè)，結(jié)合防洪、景觀兼顧綠化帶的同時(shí)，為市民提供了一處休閑觀賞的空間。擋墻設(shè)500mm寬，植物帶設(shè)3000mm寬，低處接2000mm的人行步道，如圖5所示。

圖5 齊山大道階梯濕地結(jié)構(gòu)圖

5）齊山大道整體橫斷面設(shè)計(jì)

道路紅線寬度38m=2.5m人行道+3m非機(jī)動車道+2m機(jī)非分隔帶+23m機(jī)動車道+2m機(jī)非分隔帶+3m非機(jī)動車道+2.5m人行道。其中機(jī)非隔離帶采用植草溝、生物滯留池、下沉式綠地、雨水花園等綠化設(shè)施[5]，如圖6所示。

圖6 齊山大道橫斷面布置型式

3 齊山大道設(shè)計(jì)效果水文模擬評價(jià)

將齊山大道分為南北兩個(gè)標(biāo)段，采用SWMM模型分別對齊山大道在未開發(fā)道路、傳統(tǒng)城市道路和海綿城市道路三種情形下進(jìn)行模擬分析，從而對齊山大道的海綿城市道路設(shè)計(jì)效果進(jìn)行水文模擬評價(jià)。

3.1 基本數(shù)據(jù)的獲取

模擬路段為池州市貴池區(qū)齊山大道，平均紅線寬51m，路長3900m，紅線外綠地寬約為36.2m，依據(jù)測算結(jié)果，齊山大道紅線內(nèi)面積為19.88ha，紅線外綠地面積為14.1256ha，總面積為34.0056ha。

1）降雨序列

根據(jù)池州市氣象局提供的資料，2016年7月2、3、4日為池州市典型大到暴雨天氣。依據(jù)7月3日齊山大道的小時(shí)降雨量，做出如表1所示的4:00-10:00降雨序列。

表1 2016年7月3日降雨序列

2）氣候

根據(jù)池州市氣象局官網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)可知，近年來年平均溫度16.1℃，最熱月7月，平均溫度28.7℃；最冷月1月，平均溫度3.1℃。年均降水量1400--2200mm，平均蒸發(fā)量1443.8毫米。平均相對濕度為78%，年均日照率45%，年均無霜期220天。春夏多為東風(fēng)，秋冬多為東北風(fēng)。池州市2016年的月平均氣溫如表2所示。

表2 池州市2016年月平均氣溫

3.2 未開發(fā)道路模擬

未開發(fā)道路是自然地理狀態(tài)下，沒有經(jīng)過人類開發(fā)建設(shè)的、保有自然水文生態(tài)系統(tǒng)的道路。

1）區(qū)域概化

未開發(fā)道路區(qū)域可概化為1個(gè)匯水流域Z1，1條管網(wǎng)G1，1個(gè)鉸點(diǎn) J1和 1個(gè)排放口P1，概化結(jié)果如圖7所示。

圖7 未開發(fā)道路區(qū)域概化結(jié)果

2）區(qū)域?qū)傩院蛥?shù)設(shè)置

此流域面積為34.0056ha，這里的寬度即為道路長度，為3900m，根據(jù)未開發(fā)道路的自然排水最小坡度，這里將道路坡度取值為0.3%。未經(jīng)開發(fā)的自然道路多為泥土和植被草皮，因此不透水性取值為5%，又由于自然路面大多種植灌木綠植，這里將透水性粗糙系數(shù)N取值為0.62，并且透水性凹地蓄水深度 （mm）取值為7.00[6]。

3）SWMM模擬結(jié)果導(dǎo)出及分析

將未開發(fā)道路模擬的相關(guān)屬性及參數(shù)輸入SWMM模型中執(zhí)行后，計(jì)算顯示地表徑流結(jié)果誤差為-0.33%，流量結(jié)果誤差為-0.17%，均在允許的誤差范圍內(nèi)。4：00-10:00，6個(gè)小時(shí)按照15min一個(gè)步長輸出雨水流量，結(jié)果分別為2.57，4.21，4.25，4.25，22.58，22.67，22.67，22.68，1 30.93，232.17，383.32，557.97，593.19，668.35，737.83，800.85，678.29，616.93，564.98，520.47，455.7 7，407.25，365.77，329.89（LPS）。 模擬結(jié)果以時(shí)間序列圖形式導(dǎo)出，如圖8所示。

圖8 未開發(fā)道路SWMM模擬結(jié)果

從圖8中可發(fā)現(xiàn)，前1、2兩小時(shí)雨水流量較小，沒有排出道路區(qū)域，2：00后流量逐漸增加，在4：00時(shí)達(dá)到最高，峰值流量在為800.85LPS，后兩小時(shí)內(nèi)逐漸下降，徑流總量為8148.84LPS。

3.3 傳統(tǒng)城市道路模擬

1）區(qū)域概化

對南北走向的齊山大道分為南北兩塊區(qū)域進(jìn)行研究，齊山大道北段面積為10.40ha，寬度為 1600m，南段面積為 23.16ha，寬度為 2300m。管線總長3900m。將此區(qū)域概化為2個(gè)子匯水區(qū)域 Z1、Z2，2 條雨水管線 G1、G2，2 個(gè)鉸點(diǎn) J1、J2和一個(gè)出水口P1。區(qū)域概化結(jié)果如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)城市道路區(qū)域概化結(jié)果

2）區(qū)域?qū)傩院蛥?shù)設(shè)置

自然綠地經(jīng)過人類開發(fā)建設(shè)后，成為傳統(tǒng)城市道路，將硬化道路面積和道路綠帶及道路紅線外綠地面積分別劃為不透水面積和透水面積。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)及技術(shù)指南的調(diào)查，結(jié)合安徽省池州市城市建設(shè)重點(diǎn)工程管理辦提供的齊山大道實(shí)際資料，相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 子區(qū)域的參數(shù)值

表4 鉸點(diǎn)及管道的參數(shù)值

3）SWMM模擬結(jié)果導(dǎo)出及分析

將傳統(tǒng)城市道路模擬的相關(guān)屬性及參數(shù)輸入SWMM模型中執(zhí)行后，計(jì)算顯示地表徑流結(jié)果誤差為-0.24%，流量結(jié)果誤差為-0.07%，均在允許的誤差范圍內(nèi)。4：00-10:00，6個(gè)小時(shí)按照15min一個(gè)步長輸出雨水流量，結(jié)果分別為0.76，6.16，16.17，23.87，72.57，136.75，161.13，16 7.49，647.99，994.21，1218.41，1428.45，1245.87，1 199.00，1207.83，1218.94，859.34，644.05，534.59，463.62，371.25，294.43，243.11，205.12（LPS）。模擬結(jié)果以時(shí)間序列圖形式導(dǎo)出，如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)城市道路SWMM模擬結(jié)果

從圖10可以看出，雨水流量前1小時(shí)較小，說明沒有排出研究區(qū)域，2：00時(shí)雨水流量快速增加，在3：00時(shí)達(dá)到最高，峰值流量高達(dá)1428.45LPS，1小時(shí)后雨水流量逐漸降低。徑流總量高達(dá)13361.11LPS，透水效果差。

3.4 海綿城市道路模擬

1）區(qū)域概化

齊山大道海綿城市道路系統(tǒng)研究區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)采用透水鋪裝、植草溝、雨水花園、生態(tài)樹池、雨水滯留帶、雨水過濾帶、階梯濕地、前置塘等LID設(shè)施。

研究設(shè)計(jì)的齊山大道海綿城市道路系統(tǒng)研究區(qū)域總面積為34.0056ha，其中路面全部采用透水瀝青混凝土和透水磚，透水鋪裝面積為16.2309ha，不透水路面面積為1.7003ha，植草溝面積為1.95ha，雨水滯留池面積為1.4998ha，雨水過濾帶面積為0.2515ha，前置塘面積為0.2643ha，階梯濕地面積為0.3080ha，雨水花園面積為0.8672ha，生態(tài)樹池面積為0.1996ha。

對傳統(tǒng)不透水的齊山大道進(jìn)行基于LID系統(tǒng)化設(shè)計(jì)后，根據(jù)道路的用地性質(zhì)及低影響開發(fā)設(shè)施的分類，將研究區(qū)域按面積比例概化為10個(gè)子匯水區(qū)域、5條管線、5個(gè)鉸點(diǎn)和1個(gè)排放口。子區(qū)域1為不透水區(qū)域，占總面積的5%；子區(qū)域2為普通綠地區(qū)域，占31.57%；子區(qū)域3為雨水過濾帶區(qū)域，占0.74%；子區(qū)域4為植草溝區(qū)域，占5.73%；子區(qū)域5為生態(tài)樹池區(qū)域，占0.59%；子區(qū)域6為雨水花園區(qū)域，占2.55%；子區(qū)域7為雨水滯留池區(qū)域，占1.4998%；子區(qū)域8為階梯濕地區(qū)域，占0.91%；子區(qū)域9為前置塘區(qū)域，占0.78%；子區(qū)域10為透水鋪裝區(qū)域，占47.73%。區(qū)域概化結(jié)果如圖11所示。

圖11 海綿城市道路情景下的區(qū)域概化結(jié)果

2）區(qū)域?qū)傩院蛥?shù)設(shè)置

傳統(tǒng)城市道路經(jīng)過基于LID理念設(shè)計(jì)成為海綿城市道路后，其研究區(qū)域中部分不透水機(jī)動車道等路面的不透水性為100%，普通綠地的不透水性為5%。對照傳統(tǒng)城市道路設(shè)計(jì)，通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)和SWMM用戶手冊中典型參數(shù)的調(diào)查，并且結(jié)合我國海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各子區(qū)域相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表5和表6所示。

表5 子區(qū)域的參數(shù)值

表6 鉸點(diǎn)及管道的參數(shù)值

3）SWMM模擬結(jié)果導(dǎo)出及分析

將海綿城市道路模擬的相關(guān)屬性及參數(shù)輸入SWMM模型中執(zhí)行后，計(jì)算顯示地表徑流結(jié)果誤差為-0.16%，流量結(jié)果誤差為-0.52%，均在允許的誤差范圍內(nèi)。4：00-10:00，6個(gè)小時(shí)按照15min一個(gè)步長輸出雨水流量，結(jié)果分別為0.01，0.03，0.05，0.07，0.17，0.35，0.73，1.64，9.37，7 1.98，326.07，705.89，919.94，901.09，864.84，839.3 7，741.16，614.18，516.54，450.53，393.69，342.34，298.56，264.06（LPS）。 模擬結(jié)果以時(shí)間序列圖形式導(dǎo)出，如圖12所示。

圖12 海綿城市道路SWMM模擬結(jié)果

從圖12可以看出，前2小時(shí)雨水流量較小，基本被透水性路面和LID設(shè)施吸收，2：00時(shí)開始的一個(gè)半小時(shí)內(nèi)，從管道G5排除的雨水量逐漸增加，并且徑流量在3:15時(shí)達(dá)到高峰，徑流數(shù)值為 919.94LPS，4：00時(shí)后雨水排放量逐漸減少。徑流總量為8262.66LPS，透水效果好。

3.5 三種道路狀態(tài)SWMM模擬結(jié)果分析

對以上三種道路狀態(tài)SWMM模擬結(jié)果進(jìn)行分析可見，對自然道路進(jìn)行不透水硬化路面開發(fā)后，道路系統(tǒng)的雨水峰值流量明顯增加，是開發(fā)前的1.784倍，且雨水徑流峰值時(shí)間提前了60min到達(dá)，且雨水徑流總量是為開發(fā)道路系統(tǒng)的1.640倍。說明自然道路在開發(fā)后，綠地面積減少，大面積的硬化路面增加了道路系統(tǒng)的不透水性，造成路表雨水徑流量激增，給城市雨水管網(wǎng)帶來巨大壓力，同時(shí)也會帶來城市內(nèi)澇災(zāi)害。

海綿城市道路開發(fā)后，道路系統(tǒng)的雨水峰值流量明顯下降，是傳統(tǒng)城市道路系統(tǒng)的0.643倍，且到達(dá)峰值的時(shí)間推遲了15min，徑流總量比傳統(tǒng)城市道路系統(tǒng)減少了5098.450LPS，接近自然未開發(fā)道路狀態(tài)的水文環(huán)境。說明海綿城市道路的LID設(shè)施吸收了大量的雨水，較之傳統(tǒng)城市道路而言，海綿城市道路能夠有效應(yīng)對強(qiáng)降雨天氣，推遲雨水徑流峰值到達(dá)時(shí)間、削減峰值流量和道路系統(tǒng)的徑流總量，減小雨水管網(wǎng)的壓力，防止城市內(nèi)部洪澇現(xiàn)象的發(fā)生。

圖13 三種道路狀態(tài)下的雨水流量對比圖

4 總結(jié)

根據(jù) 《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》、《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2014版），針對齊山大道整體橫斷面海綿道路系統(tǒng)化應(yīng)用提出改造措施。采用SWMM模型，對總長為3900m的齊山大道路段在未開發(fā)道路系統(tǒng)、傳統(tǒng)城市道路系統(tǒng)和海綿城市道路系統(tǒng)三種狀態(tài)下進(jìn)行了水文模擬，得出結(jié)論：城市道路在進(jìn)行海綿道路系統(tǒng)優(yōu)化后，更加接近未開發(fā)的道路，LID設(shè)施會加快路面雨水徑流的滲透和吸收，更有利于保護(hù)城市道路的生態(tài)環(huán)境。