基于海綿城市理念的市政道路設計研究

陳 穎,陳盛權(quán),陳夏菁

（1.汕頭市城建工程設計院,廣東 汕頭 515031; 2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國城市化的持續(xù)推進，大規(guī)模的城市交通基礎設施建設破壞了原有生態(tài)環(huán)境，天然地表被各種硬化路面所取代，使得地表降雨入滲能力大幅降低。在連續(xù)強降雨天氣下，降雨強度超過排水管網(wǎng)的輸送能力，城市容易出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象，造成一定程度的經(jīng)濟損失或人員傷亡。鑒于此，國內(nèi)外學者及工程人員提出了“海綿城市”的建設理念，2014年住建部也頒布了《海綿城市建設技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，對海綿城市道路的規(guī)劃思路、設計理念、主要工程措施等進行了探討[1]。但由于國內(nèi)海綿城市發(fā)展較晚，在設計時仍有很多不成熟的地方。因此，在海綿城市理念下進一步研究城市道路工程的優(yōu)化設計具有十分重要的意義。

1 海綿城市道路系統(tǒng)性規(guī)劃理論分析

1.1 海綿城市道路建設需求及影響因素

海綿城市道路工程的具體建設需求需結(jié)合各城市特性、道路等級、道路規(guī)模等明確，主要包括以下幾點：①減小道路雨水峰值流量。隨著路網(wǎng)密度及硬化路面面積的增加，在降雨量相同的條件下，地表徑流量也增加，當?shù)缆窂搅鞣逯荡笥谂潘艿赖妮斔湍芰?，可能導致城市?nèi)澇現(xiàn)象。海綿城市道路設計的首要任務就是降低道路徑流峰值，緩解排水管網(wǎng)的短時排水壓力；②提升道路雨水水質(zhì)。路面車輛行駛產(chǎn)生的污染物會隨雨水沖刷排入市政管網(wǎng)，并匯入自然水體造成水源污染。海綿城市道路設計時需凈化和處理路面雨水徑流，提升道路雨水水質(zhì)；③提高道路雨水利用率。在干旱缺水地區(qū)，降雨是屬于水資源，但傳統(tǒng)的道路排水模式是將雨水利用管網(wǎng)流入河、溝、渠等，無法有效收集利用雨水。海綿城市道路設計時需設計雨水收集措施，待雨水凈化滿足利用標準后澆灑綠化帶或沖洗路面等，以緩解城市用水壓力。

海綿城市道路在設計時只有綜合考慮各方面影響因素，才能充分發(fā)揮道路功能。海綿城市道路工程建設的影響因素可分為直接因素和間接因素兩大類，具體分類見表1[2]。

表1 海綿城市道路建設主要影響因素

1.2 海綿城市道路設計思路

傳統(tǒng)的市政道路排水設計思路是利用雨水口匯集降雨，排入下水道中。而海綿城市道路是利用區(qū)域內(nèi)的低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）設施實現(xiàn)對雨水的儲存、過濾、蒸發(fā)、下滲等，以調(diào)節(jié)水循環(huán)，提升城市道路的服務水平[3]。因此，工程師在開展海綿城市道路設計時，應在保證市政道路基本交通功能的前提下，結(jié)合海綿城市專項規(guī)劃文件，明確城市道路的年徑流總量、徑流污染消減率、水資源利用提升率等參數(shù)，選定經(jīng)濟合理的LID設施來減少或避免內(nèi)澇、水源污染、水資源流失等問題。

2 海綿城市道路的LID設施選擇及與周邊環(huán)境的連接

相關(guān)研究表明，傳統(tǒng)城市道路的硬化面積約占道路面積的75%左右，透水鋪裝率較低。城市海綿道路設計的關(guān)鍵就是要選擇合適的LID設施來增加城市的透水面積，充分發(fā)揮道路的“海綿體”功能[4]。

2.1 海綿城市道路的LID設施

（1）透水鋪裝。透水鋪裝可以削減雨水徑流、凈化雨水，常用于停車場、機動車道、非機動車道、人行步道等位置。透水鋪裝主要包括透水混凝土、透水瀝青、透水磚等，具體型號應結(jié)合城市道路建設區(qū)域特點、交通條件、經(jīng)濟水平等選擇。

從工程造價來看，透水混凝土＞透水瀝青＞透水磚。

從施工工藝看，透水混凝土鋪裝是現(xiàn)場整體澆筑，工期短，可一次成型，但養(yǎng)護周期長；透水磚鋪裝施工工藝較復雜，對面磚強度、找平層材料配比等要求嚴格；透水瀝青鋪裝施工工序簡單，施工周期最短，施工結(jié)束24 h內(nèi)就可以通車運行。

（2）生物滯留設施。生物滯留設施是指在道路周邊的地勢相對較低區(qū)域，能通過植物、土壤、微生物相互作用對路面雨水徑流蓄滲、凈化的設施，常用的有生態(tài)樹池、植草溝、下凹式綠地等。

生態(tài)樹池：該設施設置在人行道和非機動車道之間。生態(tài)樹池內(nèi)部需鋪種植土，并在種植土底部埋入排水礫石層、排水管等，在種植土表層鋪反濾土工格柵和陶粒，這樣不僅可以延緩雨水流失速度，還能確保超量雨水滲進池底后利用排水管及時排出，以免雨水積蓄影響植物生長。

植草溝：植草溝結(jié)構(gòu)簡單，景觀效果好，占地面積小，后期易于維護，一般設置在有綠化帶的路側(cè)。根據(jù)功能的不同，可分為轉(zhuǎn)輸型植草溝（負責雨水收集、轉(zhuǎn)輸）和滲透型植草溝（實現(xiàn)雨水徑流的滲透、滯蓄、凈化功能）。

下凹式綠地：在降雨量較大或連續(xù)降雨天氣，如果綠地高于地面，綠地上來不及下滲的雨水徑流會溢到硬化路面，隨后流向排水管網(wǎng)，而高程低于周圍地面的綠地，其下凹空間能臨時蓄積雨水緩慢入滲。需注意，下凹式綠地無需對原有土壤進行換填，正常植草即可。

2.2 LID設施與周圍環(huán)境的連接

與建筑物銜接：城市道路穿越居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等，道路兩側(cè)與建筑物存在相互連接的過渡區(qū)。為了減少占地，提高排水效率，相連場地可采用透水鋪裝來排水，與人行道共用空間。

與城市水系連接：海綿城市水系一般會設置濕塘、雨水濕地等LID調(diào)蓄設施。城市道路與上述調(diào)蓄設施連接時，路面雨水徑流利用“植被緩沖帶”下滲、凈化后方可排入。

3 海綿城市道路排水設計案例分析

3.1 依托工程概況

（1）道路概況。該道路所處區(qū)域較平緩，坡度變化小，屬于河流相沖洪積平原地貌。道路等級屬于次干道，設計速度40 km/h，設計采用雙幅路，由中間分隔帶、機動車道、非機動車道、人行道組成，路面橫坡2%，人行道橫坡-2%。路面類型為傳統(tǒng)的瀝青混合料路面，厚度64 cm，原設計路面結(jié)構(gòu)組成為4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層。

同時，該道路采用雨污分流制排水系統(tǒng)，雨水管（D1000～D2000）雙側(cè)布置，雨水管尺寸計算依據(jù)氣象部門最新發(fā)布的暴雨強度公式。路面雨水徑流排向兩側(cè)的雨水口，經(jīng)雨水管排出。

（2）排水方案優(yōu)化?；诤＞d城市理念，筆者將原設計方案中的中間分隔帶增設雨水口，路側(cè)帶的樹池替換為生態(tài)樹池，右側(cè)設置轉(zhuǎn)輸型植草溝，人行道使用透水方磚，機非混行車道使用透水瀝青路面，見圖1。雨水徑流走向為：機非混合車道匯集的雨水可排向兩側(cè)+中間雨水口，多余雨水流入植草溝，最終均流向沿線的下凹式綠地。

圖1 海綿城市道路橫斷面布置

（3）設計目標。通過對汕頭市氣象局提供的1991—2020年近30年逐日降水量資料（不包括降雪），將日降雨量由小到大進行排序（扣除≤2 mm的降雨事件）。統(tǒng)計分析得出汕頭市年徑流總量控制率與設計降雨量之間的關(guān)系，見表2，并以此作為海綿城市規(guī)劃、建設和管理的控制性指標。因此，該項目年徑流總量控制率取 70%時，對應設計降雨30.34 mm。

表2 年徑流總量控制率對應設計降雨量

3.2 雨水設計流量

在使用雨洪管理模型模擬降雨之前，需要先對道路進行分區(qū)，并根據(jù)沿線各分區(qū)內(nèi)的匯水面積計算出道路匯水流量。根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB50014—2021）的規(guī)定，設計匯水流量計算公式為（1）～（2）：

式中，Q——雨水設計流量（L/s）；——綜合徑流系數(shù)，不同區(qū)域加權(quán)平均；F——匯水面積（ha）；q——設計暴雨強度（L/s），由暴雨強度公式計算；P——暴雨重現(xiàn)期；t——降雨歷時（min）。

該道路共劃分為A～E 5個匯水分區(qū)，經(jīng)計算，不同區(qū)域的綜合徑流系數(shù)和匯水面積見表3。

表3 海綿城市道路徑流量計算

3.3 海綿城市道路效果評價

（1）雨洪管理模型計算方法和程序。雨洪管理模型最早是由美國某高校開發(fā)的動態(tài)降雨—徑流演算模型，即通過構(gòu)建道路匯水面積、排水節(jié)點、LID設施等來模擬某一區(qū)域內(nèi)降雨情況。在雨洪管理模型中，路面匯流計算是采用“非線性水庫法”，并和曼寧公式聯(lián)立求解[5]，見式（3）：

式中，A——匯水區(qū)面積（m2）；v——匯水區(qū)蓄水量（m3）；h——水深（m）；i——降雨強度（m/s）。

雨洪管理模型計算路面徑流的主要程序有[6]：第一，將道路進行分區(qū)，結(jié)合CAD文件建模；第二，確定排水管道、排水節(jié)點、LID設施等對象的個數(shù)、位置和組合方案，并編輯各個對象的屬性；第三，根據(jù)降雨參數(shù)，設置路面徑流計算的有關(guān)信息（如步長、LID設施參數(shù)等）；第四，開始計算，還可根據(jù)研究需要導出相關(guān)計算圖表。

（2）不同開發(fā)模式下路面徑流。利用雨洪管理模型，計算了暴雨重現(xiàn)期=10年時，場地開發(fā)前、傳統(tǒng)城市道路開發(fā)、海綿城市道路開發(fā)下的路面徑流量，計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同開發(fā)模式下路面徑流

計算結(jié)果表明：海綿城市道路開發(fā)模式下的雨水徑流峰值是傳統(tǒng)城市道路的0.45倍，且徑流峰值出現(xiàn)時間延遲了約75 min。同時，海綿城市道路的徑流量與場地開發(fā)前比較接近（水文環(huán)境相似），滿足海綿城市建設技術(shù)指南的相關(guān)要求，也說明海綿城市道路開發(fā)在雨水徑流控制方面效果更好。

（3）降雨重現(xiàn)期對海綿城市道路徑流的影響。利用雨洪管理模型，計算了暴雨重現(xiàn)期為10年、20年、30年、40年、50年時，海綿城市道路的路面徑流量峰值，并利用origin軟件內(nèi)置的Logistic函數(shù)對暴雨重現(xiàn)期和雨水徑流峰值的關(guān)系進行擬合，相關(guān)系數(shù)達到了0.99，滿足工程需求，如圖3所示。

圖3 不同暴雨重現(xiàn)期海綿城市道路雨水徑流峰值

由圖3可知：暴雨重現(xiàn)期為10年、20年、30年、40年、50年時，海綿城市道路的雨水徑流峰值分別為218LPS、268LPS、333LPS、428LPS、716LPS， 重 現(xiàn) 期每增加10年，路面雨水徑流峰值會增加22.9%、24.3%、28.6%、67.3%。這說明：隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，海綿城市道路的雨水徑流峰值不斷提高，但提高速率并不是均勻的，即降雨強度越大，海綿城市道路雨水控制效果越差。

4 結(jié)語

該文主要研究了海綿城市道路的建設需求、影響因素、設計思路、LID設施及組合方法等，并以某次干路為研究對象，對海綿城市理念的應用效果進行評價。主要得到以下結(jié)論：①海綿城市道路設計目標是減小道路雨水峰值流量、提升道路雨水水質(zhì)、提高道路雨水利用率等，設計期間應綜合考慮各種直接和間接因素；②海綿城市道路設計的關(guān)鍵是要選擇透水鋪裝、生物滯留設施等LID設施來增加城市的透水面積，并做好與周圍建筑物、城市水系的連接；③海綿城市道路的徑流量整體與場地開發(fā)前比較接近，但雨水徑流峰值會隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而增加。研究結(jié)果表明，海綿城市道路可以較好地控制雨水徑流。