基于海綿城市理念的城市道路設(shè)計(jì)及指標(biāo)校核研究

徐欽勇

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

城市道路作為城市空間的重要組成元素，直接影響城市整體規(guī)劃建設(shè)。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)及城市交通經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市道路整體建設(shè)覆蓋面積比例也不斷提升，硬化城市道路約占城市建設(shè)用地面積的20%?，F(xiàn)階段城市道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)多以滿足通行需求為主，涉及降雨徑流控制通常采用排水的思路，往往忽視了生態(tài)環(huán)境保護(hù)的功能[1]。

硬化面積比例的大幅提升削減了雨水下滲空間，在短時(shí)強(qiáng)降雨天氣條件下易發(fā)生洪峰現(xiàn)象，從而引起城市積水乃至內(nèi)澇。此外，城市道路作為不透水路面，除了排水不暢外，也會加重城市熱島效應(yīng)[2]。在各類車輛保有量不斷提升的背景下，城市道路也成為了雨水徑流及徑流污染物的重點(diǎn)蓄集場所[3-4]。因此，依托海綿城市建設(shè)理念搭建蓄水、凈水、滲水、排水的綜合雨水處理體系已成為城市建設(shè)過程中亟待解決的問題?；诤＞d城市理念的城市道路設(shè)計(jì)及施工方面的研究及應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)：樓誠等[5]依托嘉興市海綿城市建設(shè)成果，提出了基于造價(jià)、施工、景觀效果等五個(gè)維度的綜合評價(jià)體系，并在分析評價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)方案優(yōu)化；英戰(zhàn)勇[6]利用SWMM雨洪模型，對實(shí)施道路生態(tài)海綿城市建設(shè)技術(shù)(LID)措施管控前后的雨水管理效果進(jìn)行對比，搭建了縮尺模型，模擬了地表徑流及徑流峰值削減率變化情況，總結(jié)了LID措施組合方式；李怡冰等[7]將海綿城市建設(shè)理論應(yīng)用于道橋設(shè)計(jì)中，對城市立交橋進(jìn)行了智能化改造，演算了徑流雨水凈化與積存平衡的模式，配套搭建立交雨水利用處理一體化系統(tǒng)；吳君煒等[8]則是對基于海綿城市理念建設(shè)的重慶城市綜合系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了論述，研究了能有效結(jié)合重慶山地特征的設(shè)計(jì)方案，提出利用活水海綿系統(tǒng)、山地公共海綿系統(tǒng)及建筑物立體綠化的新型應(yīng)用模式。

綜上所述，針對基于海綿城市理念建設(shè)的城市道路體系理論和應(yīng)用研究已較為充分，但在相關(guān)指標(biāo)校核及評價(jià)方面仍存在較大空白。因此，本文依托南寧市某海綿城市道路建設(shè)試點(diǎn)工程展開探討，結(jié)合海綿城市理念中的城市道路設(shè)計(jì)思路，明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，擬定城市道路系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方案，并給出具體的工程措施方案，對海綿城市建設(shè)指標(biāo)完成狀況進(jìn)行校核，最后提出相關(guān)的海綿城市道路工程措施的維護(hù)及管理建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

本文依托南寧市某海綿城市道路建設(shè)試點(diǎn)工程展開探討。該道路呈東西走向，總體建設(shè)長度為1.25 km。原人行道及機(jī)動車道寬度分別為3.5 m和7.5 m。道路周邊主要為綠化和廠區(qū)，綠化退讓寬度為7～11 m。

該城市道路的改造設(shè)計(jì)緊密結(jié)合海綿城市建設(shè)理念展開，對原城市道路雨水收集和排放體系進(jìn)行改造。考慮采取多項(xiàng)LID措施，將實(shí)現(xiàn)道路徑流的流量控制、徑流污染物控制及排洪防澇的目標(biāo)。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)年徑流量控制率。利用基于海綿城市建設(shè)理念的設(shè)計(jì)方案措施，使該條城市道路的年徑流量控制率≥70%，即可實(shí)現(xiàn)25.7 mm道路徑流不外排的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)徑流污染物控制率。綜合考慮南寧市初期徑流雨水污染及城市受納水體水環(huán)境容納標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參照多項(xiàng)相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)中的初期雨水截留情況，設(shè)計(jì)成果的徑流污染物控制應(yīng)樹立削減水體污染的建設(shè)目標(biāo)。其中，以10 mm降雨徑流量作為該項(xiàng)目中的初期雨水截留量。

(3)排洪防澇能力。在應(yīng)用各項(xiàng)LID綜合方案的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)可應(yīng)對50年一遇降雨的建設(shè)目標(biāo)。

2 系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方案

2.1 整體方案

本設(shè)計(jì)方案考慮將雨水管道設(shè)置于道路中心線下方，同時(shí)保留現(xiàn)有檢查井及雨水主管，其中設(shè)計(jì)路面標(biāo)高與檢查井井蓋標(biāo)高相同。道路紅線寬度設(shè)計(jì)為20.0 m，其橫斷面改造設(shè)計(jì)見圖1。道路徑流雨水的下滲及利用主要依靠非機(jī)動車道及人行道處設(shè)置的透水鋪裝，還包括道路兩側(cè)的下凹式生物滯留綠地。

圖1 道路改造后橫斷面示意圖(cm)

2.2 非機(jī)動車道和人行道透水鋪裝

采用透水磚等透水性硬化鋪裝的方案可增強(qiáng)非機(jī)動車道和人行道的透水能力，是目前較為常見的做法。非機(jī)動車道和人行道的透水鋪裝結(jié)構(gòu)從下到上分別為：反濾土工布、級配碎石12 cm、透水水泥混凝土15 cm、干硬性水泥砂漿3 cm及最上層的透水地磚8 cm，能保證雨水徑流下滲從而補(bǔ)充地下水資源。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 透水鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

透水鋪裝結(jié)構(gòu)可有效阻滯道路徑流污染物，包括總氮、總磷、氨氮、COD、固態(tài)懸浮物及重金屬成分等，凈化后的徑流雨水可達(dá)到Ⅱ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。人行道和非機(jī)動車道的坡向均朝生物滯留設(shè)施方向，徑流量較大時(shí)可通過路緣石開口將未下滲徑流排入其中實(shí)現(xiàn)凈化下滲。

2.3 生物滯留設(shè)施

將原有側(cè)分綠化帶拓寬至2.50 m，改造為下凹式綠地設(shè)施，并在路緣石側(cè)邊開口，將人行道及車行道表面匯集的徑流雨水進(jìn)行收集、凈化、下滲。綜合考慮整體方案布置，采用生物滯留設(shè)施方案。該方案可通過滯留池內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，高效率過濾及消除匯集的雨水徑流污染物成分。

生物滯留池設(shè)施結(jié)構(gòu)見圖3，從下往上分為土工布、DN200軟式透水管、卵石層等，涉及的部分材料物理參數(shù)見表1。

圖3 生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

表1 生物滯留設(shè)施材料物理參數(shù)表

考慮到該條城市道路沿線種植的錢根喬木，生物滯留設(shè)施上層種植土層厚度設(shè)計(jì)為140 cm。生物滯留池收集的匯集徑流雨水大多下滲凈化后通過卵石層中所埋設(shè)的穿孔管進(jìn)行收集，當(dāng)收集徑流量超過其下滲能力上限時(shí)則蓄積于持水層中，超量匯集徑流則通過溢流口(設(shè)置于持水層底部向上25 m處)排入市政雨水管。

2.4 附屬設(shè)施

(1)溢流口。在生物滯留池側(cè)邊每隔25 m設(shè)置一處溢流口，用于將生物滯留池中的超量匯集徑流溢流進(jìn)入市政雨水管。溢流口規(guī)格為650 mm×1 200 mm，以水泥混凝土澆筑制成，其每秒溢流量可達(dá)30 L。

(2)路緣石開口。徑流量較大時(shí)，人行道和非機(jī)動車道可通過路緣石開口將未下滲徑流排入生物滯留池。該附屬設(shè)施設(shè)計(jì)方案將影響生物滯留設(shè)施的使用壽命及凈化效率等。設(shè)計(jì)的路緣石開口規(guī)格為90 cm×8 cm，每隔15.0 m設(shè)置一處，同時(shí)設(shè)有鑄鐵格柵以防徑流攜帶異物流入生物滯留池。

(3)擋水堰。在溢流口下游設(shè)置有擋水堰，每隔30.0 m設(shè)置有一處，其高度、底寬、頂寬分別設(shè)計(jì)為20 cm、40 cm及20 cm，并以40 cm厚度細(xì)骨料水泥混凝土作為其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3 建設(shè)指標(biāo)校核

3.1 徑流量控制率

本文提出了道路徑流控制率指標(biāo)，用以衡量生態(tài)滯留設(shè)施的徑流控制能力，將其定義為生態(tài)滯留設(shè)施，通過計(jì)算(極限蓄水量+徑流滲透量)/徑流流入量，可以發(fā)現(xiàn)，道路徑流控制率越大，則說明從生態(tài)滯留池中向市政雨水管中溢流的徑流量越小。其中，當(dāng)?shù)缆窂搅骺刂坡?1.0時(shí)，表明生態(tài)滯留設(shè)施可實(shí)現(xiàn)完全的道路徑流控制，不會發(fā)生外排現(xiàn)象。在計(jì)算過程中，車行道的徑流匯集系數(shù)取0.9，生態(tài)滯留設(shè)施的最大持水深度應(yīng)以水面上升至溢流口處計(jì)，即0.20 m的最大持水深度。生態(tài)滯留設(shè)施的徑流量控制率計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 生態(tài)滯留設(shè)施徑流量控制率計(jì)算數(shù)據(jù)表

分析表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，按照該條城市道路年徑流量控制率70%，即可實(shí)現(xiàn)25.7 mm道路徑流不外排的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)成果中的生態(tài)滯留設(shè)施不會發(fā)生溢流現(xiàn)象，可滿足目標(biāo)使用需求。

3.2 初期徑流污染物控制率

根據(jù)設(shè)計(jì)成果中生態(tài)滯留設(shè)施每延米凈化的車行道及人行道初期徑流量進(jìn)行校核。與上文類似，生態(tài)滯留設(shè)施的蓄水量指的是不產(chǎn)生溢流及下滲情況下的蓄水量上限。當(dāng)初期徑流污染物控制量不超過生態(tài)滯留設(shè)施的蓄水量上限，則表明生態(tài)滯留設(shè)施可將設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的全部初期徑流污染物控制凈化完成。當(dāng)降雨進(jìn)行到后期或是停止時(shí)，生態(tài)滯留池內(nèi)的徑流污染物將逐步被其中發(fā)生的復(fù)雜物理、化學(xué)及生物反應(yīng)所凈化。經(jīng)驗(yàn)證明，每延米初期徑流污染物控制量為0.20 m3，小于生態(tài)滯留設(shè)施的每延米蓄水量0.60 m3，即設(shè)計(jì)成果中的初期徑流污染物控制率達(dá)到100%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 滲濾設(shè)施設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)成果中的生物滯留設(shè)施的蓄水時(shí)間要在確定其容積深度后進(jìn)行校核，否則過長的蓄水時(shí)間將威脅到生物滯留池中的植物存活狀態(tài)。生態(tài)滯留池的蓄水時(shí)間與土壤滲透性及持水深度等指標(biāo)存在關(guān)聯(lián)，校核時(shí)需根據(jù)最不利狀態(tài)進(jìn)行演算，即生物滯留設(shè)施的持水深度達(dá)到上限(水體上表面與溢流口持平)，道路匯集徑流完全下滲持續(xù)的時(shí)間，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：t0——下滲持續(xù)時(shí)間(h)；

Wp——蓄水量(m3)；

K——平均滲透系數(shù)，取10-5m/s；

A0——滲透面積(m2)。

通過式(1)計(jì)算，可獲得生物滯留設(shè)施持水深度達(dá)到上限至完全下滲持續(xù)的時(shí)間為11.1 h，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)中的24 h道路徑流排空時(shí)間，可保證生態(tài)滯留設(shè)施中的植物存活。

3.4 排洪防澇能力

本設(shè)計(jì)成果中涉及的工程方案對原設(shè)計(jì)中的市政雨水管道系統(tǒng)進(jìn)行利舊，其原設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)為三年一遇，現(xiàn)道路徑流雨水匯集后通過路緣石開口進(jìn)入生態(tài)滯留設(shè)施，通過設(shè)置的雨水溢流井、擋水堰、沉砂池及溢流口等附屬設(shè)施，最終將溢流道路徑流排入市政雨水管道系統(tǒng)，而生態(tài)滯留設(shè)施中凈化下滲的道路徑流則利用DN200軟式透水管接入環(huán)保雨水口進(jìn)行利用，能夠滿足排洪防澇的要求。

4 維護(hù)及管理建議

4.1 整體思路

為保障海綿城市相關(guān)設(shè)施功能完整性，要建立健全LID措施維護(hù)及管理章程及相關(guān)辦法，培養(yǎng)專職管養(yǎng)人員，優(yōu)化檢測技術(shù)，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)和評價(jià)體系。雨季來臨前，城市道路LID措施專職管養(yǎng)單位要全面做好檢查檢修專項(xiàng)工作，切實(shí)保障各項(xiàng)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行良好。此外，應(yīng)設(shè)立相關(guān)LID措施定期使用效果及社會效益評價(jià)體系，加強(qiáng)相關(guān)宣傳及推廣力度。

4.2 具體措施

(1)考慮當(dāng)?shù)鼐坝^標(biāo)準(zhǔn)要求，自行擬定垃圾及雜物清理周期，確保城市面貌及LID措施的功能發(fā)揮及運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)結(jié)合植物類別及景觀要求，每年至少開展兩次植物修建。

(3)大暴雨結(jié)束后的一天內(nèi)/每年重點(diǎn)開展道路徑流下滲能力、地下穿孔管透水能力、凈水后水質(zhì)檢查。

(4)完成植物種植后/每年對砂濾層以外的種植土進(jìn)行松土，松土深度以20～30 cm為宜。

(5)每兩年更換一次砂濾池的表層砂土，換填深度約為20 cm。

(6)凈化后雨水變渾濁時(shí)/每5年更換一次土工布。

(7)發(fā)生水土流失時(shí)/每年更換一次生物滯留設(shè)施覆蓋層。

5 結(jié)語

隨著海綿城市理念的進(jìn)一步深化，城市道路設(shè)計(jì)思路也逐漸轉(zhuǎn)變。本文結(jié)合南寧市某海綿城市道路建設(shè)實(shí)踐明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，擬定城市道路系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方案，給出具體工程措施方案，并對海綿城市建設(shè)指標(biāo)完成狀況進(jìn)行了校核研究。結(jié)果表明，徑流量控制率、初期徑流污染物控制率、滲濾設(shè)施設(shè)計(jì)、排洪防澇能力均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，本文提出了相關(guān)海綿城市道路工程措施的維護(hù)及管理建議，可為基于海綿城市理念的城市道路建設(shè)方案設(shè)計(jì)提供借鑒。