基于海綿城市理念的高速公路服務區LID 方案優選

■張生學

(河北省交通規劃設計院， 石家莊 050011)

作為高速公路的重要附屬設施，服務區發揮著不可替代的作用，由于服務區面積較大，對雨水的排放要求比較高， 如何實現服務區雨洪的綠色、高效、可持續管理，是當前服務區規劃建設的重要任務之一[1-2]。

傳統的高速公路服務區存在建筑數量少，規模小且分散，排水系統相對獨立、屋面和硬化路面等不透水下墊面面積較大、水資源綜合利用效率較低、季節性缺水現象比較普遍等問題，因此，需要對傳統高速公路服務區進行改造升級[3-7]。當前，基于低影響開發(LID)為核心理論的海綿城市建設受到政府的高度重視和大力支持，其主要目的就是要建設自然存蓄、滲透、凈化和循環利用的海綿城市，實現人與自然的可持續發展。 因此，將LID 應用于高速公路服務區，將會極大改善服務區的生態環境，帶來巨大的環境、經濟和社會效益[8]。

文章結合某隧道服務區，將海綿城市理念應用到高速公路服務區改造工程中， 分別構建了高、低強度2 套不同的低影響開發系統設計方案， 并對2種方案進行了比選，可為海綿城市理念在高速公路服務區設計、改造中的推廣應用提供借鑒。

1 基于海綿城市理念的低影響開發系統

1.1 海綿城市理念

海綿城市是新一代城市雨洪管理理念，是指讓城市具有“海綿功能”，使其在雨季時吸水、蓄水、滲水和凈水，旱季時將“吸收”的水量加以利用的水資源管理策略和方法，海綿城市最終的目的是構建水生態基礎設施，實現城市在適應環境變化和應對雨水災害時能夠表現出良好的“彈性功能”，實現水在城市中自由遷移[9-11]。 海綿城市的建設主要從以下3個方面進行考慮：(1)要加大對建設地原有生態系統的保護力度；(2)要逐步實現建設地的生態修復和恢復；(3)低影響開發。

1.2 低影響開發系統

國際上通常將海綿城市稱為“低影響開發雨水系統構建，簡稱低影響開發系統”，低影響開發系統的發展主要經歷了5 個過程： 第一階段是水量管理，第二階段是水質管理，第三階段是資源化利用，第四階段是水生態修復，第五階段是可持續水循環，見圖1。 低影響開發的核心思想是通過LID設施來實現對建設地開發前后的水資源科學管理，最終達到徑流總量控制、徑流峰值控制和徑流污染控制。

圖1 低影響開發系統發展歷程

1.3 LID 設計原則

經過多年的發展， 已開發出多種LID 設施，根據功能的不同，可將其劃分為滲透型、儲蓄型、調節型、傳輸型和截污凈化型。LID 設施的設計選取需要重點考慮以下幾個方面：(1)要與建設地的場地條件相適應，如用地類型、土壤類型及地形坡度等；(2)注重LID 設施的空間需求性， 如占地地面；(3)LID 設計需要考慮經濟性， 如建設成本、 維護成本等；(4)LID 設計需要考慮下墊面情況，如不透水率、匯流面積等。 LID 設施設計原則見圖2。

圖2 LID 設施設計原則

2 案例分析

2.1 工程背景

某隧道服務區位于亞熱帶高原季風氣候，多年平均降雨量達到1477 mm， 其中86.82%的降雨量集中在每年的5-10 月，降雨量年間分布極不均勻，季節性缺水現象十分嚴重。 服務區以中山地貌為主，西側和背側均是由填方地基構成的邊坡，高度達到8 m，東側則是以挖方邊坡為主，最高也達到8 m， 服務區地表以下主要以壤質砂土和粉細砂層為主，具有良好的滲透性。 服務區規劃建設面積為32598 m2，主要建設項目包括綜合樓、修車間、行車道、停車位、交警用房、消防水泵房等，主要區域的下墊面特征見表1。

表1 服務區下墊面分布情況

2.2 LID 設計控制目標及參數

控制目標：(1)徑流總量控制率取80%，對應的設計降雨量值為22.83 mm，對應的當地降雨重現期為0.0568 年；(2)在P=5 的降雨重現期下，對服務區徑流洪峰的設計削減率應大于等于10%。

設計參數：根據控制目標和服務區現場實際情況，選用透水磚面層、透水瀝青、下凹式綠地、雨水花園和綠色屋頂作為服務區的主要LID 設施。 其中，透水磚采用陶瓷透水磚，要求滲透系數大于等于0.15 mm/s，透水瀝青路面選用Ⅲ型，空隙率介于18%～25%，厚度大于等于30 cm；下凹式綠地的下凹深度為0.2 m，下凹比例大于等于50%；雨水花園的蓄水深度為30 cm；綠色屋頂的種植層厚度為25 cm。

2.3 LID 方案設計

方案一：綜合考慮經濟、安全或者低密度改造等要求，選用透水瀝青路面、透水磚鋪裝、雨水花園以及下凹式綠地作為服務區LID 設施的主要結構組成部分，每種LID 的平面布局情況見圖3。該方案下透水瀝青路面面積為2817 m2， 雨量徑流系數為0.30，透水磚鋪裝面積為3548 m2，雨量徑流系數為0.40，水泥混凝土路面的面積為15080 m2，雨量徑流系數為0.90，硬化屋頂面積為3934 m2，雨量徑流系數為0.90，普通綠地面積為2818 m2，雨量徑流系數為0.15，下凹綠地(3989 m2)和雨水花園(412 m2)不考慮雨量徑流系數，那么就可以計算得到服務區的綜合徑流系數φ：

式中：Fi表示每種下墊面的面積/m2， 表示每種下墊面的雨量徑流系數； 為服務區總面積/m2。

根據服務區的綜合徑流系數就可以得到服務區所需要的調蓄容積V：

式中：H表示設計降雨量/mm。

圖3 方案一LID 設施設計布局

方案二：相對于方案一，方案二屬于高強度的LID 設計布局，其在透水瀝青路面、透水磚鋪裝、雨水花園及下凹式綠地基礎上，還充分利用了綠色屋頂進行服務區改造，每種LID 設施布局情況見圖4。在方案二中：透水瀝青路面面積為2817 m2，雨量徑流系數為0.30，透水磚鋪裝面積為3548 m2，雨量徑流系數為0.40， 水泥混凝土路面的面積為15080 m2，雨量徑流系數為0.90， 硬化屋頂面積減小至612 m2，雨量徑流系數為0.90， 綠色屋頂面積為3322 m2，雨量徑流系數為0.35，普通綠地面積為1301 m2，雨量徑流系數為0.15，下凹綠地(5506 m2)和雨水花園(412 m2)不考慮雨量徑流系數。 同理，可以計算得到服務區的綜合徑流系數φ：

服務區所需的調蓄容積V：

圖4 方案二LID 設施設計布局

3 方案比選

3.1 徑流控制效果

圖5 徑流控制效果

不同降雨重現期下方案一、二對徑流峰值和總量的削減情況見圖5。從圖中可以看到：由于方案二采取了高強度LID 設計，在大部分屋頂設計中均采用了綠色屋頂設計方案，而方案一只采用了硬化屋頂設計方式，同時方案二普通綠地的面積(轉化為下凹式綠地)較方案一減小50%以上，因此方案二在不同降雨重現期下的徑流峰值削減率和徑流總量削減率均要大于方案一。在重現期0.1 年、2 年、5 年和15 年情況下， 方案一的徑流峰值削減率為62.6%、59.8%、57.9%和57.5%， 方案二的徑流峰值削減率為72.1%、66.7%、65.4%和63.3%，方案二較方案一平均提升約7.4%； 在重現期0.1 年、2 年、5年和15 年下，方案一的徑流總量削減率為53.9%、48.9%、45.9%和42.9%， 方案二的徑流總量削減率為70.5%、60%、56.4%和52.6%，方案二較方案一平均提升約12%。

3.2 節點溢流控制效果

圖6 節點溢流控制效果

以P=15 年的降雨重現期為分析情況， 對改造前、方案一及方案二下的高峰管渠水位剖面線進行了分析，結果見圖6。從圖6 中可以看到：在改造前，服務區在P=15 年的降雨重現期下，會有10 個溢流檢查井(管渠)出現滿載情況，滿載持續時間為降雨開始后48～63 min，持續時間為15 min；方案一會有2 個溢流檢查井(管渠)出現滿載情況，滿載持續時間為降雨開始后51～54 min，持續時間為3 min；而方案二在降雨后沒有出現管渠溢流情況。 綜上可以看出：在進行低影響開發后，服務區的管網排水壓力將大幅度降低， 在應對極端暴雨自然災害的情況下，能夠發揮較好的蓄水能力，特別是在采取高強度LID 設計后，不會出現管渠溢流現象。

3.3 經濟性分析

根據市場行情，對方案一和方案二的LID 設施造價進行了分析計算， 結果見表2。 從表中可以看到：雖然方案二在采取高強度設計之后，其徑流控制效果和節點溢流控制效果較方案一有較大幅度的提升，但由于綠色屋頂的建設成本較高，以及后期的維護成本較高，造成方案二的總造價較方案一高出83.6%，因此，還需要對2 種方案進行綜合比較，才能最終決定哪種方案更優。

表2 2 種方案造價分析

3.4 綜合比較分析

采用層次分析法構建該服務低影響開發系統的綜合評價指標體系，見圖7。該體系包括3 個準則層和6 個指標層，3 個準則層分別是環境效益、經濟效益和社會效益， 指標權重分別為0.726、0.172 和0.102，6 個指標層分別是徑流總量控制、 徑流峰值控制、單位面積建設成本、單位面積維護管理成本、生態景觀價值，以及公眾教育價值，指標權重分別為0.581、0.145、0.143、0.029、0.091 和0.011。

圖7 綜合評價指標體系

根據層次分析計算原則，分別計算出6 個指標的得分情況，見圖8。 從圖中可以看到：方案一的徑流總量控制、徑流峰值控制、恩該景觀價值和公共教育價值得分均低于方案二，但建設成本和維護成本的得分高于方案二；根據指標層和準則層的的指標權重，分別計算得到方案一和方案二下服務區低影響開發系統的綜合評分：

圖8 方案指標得分情況

方 案 一：0.726×(0.581×81+0.145×78)+0.172×(0.143×95+0.029×94)+0.102×(0.091×74+0.011×78)=82.3

方 案 二：0.726×(0.581×87+0.145×86)+0.172×(0.143×78+0.029×76)+0.102×(0.091×98+0.011×96)=86.4

綜上所述， 雖然方案二的造價高于方案一，但具有更好的環境效益和社會效益，綜合評分優于方案一，因此，建議采用方案二作為該服務區低影響開發系統的最終設計方案。

4 結論

基于海綿城市理論的低影響開發系統構建是今后城市及配套設施建設的一大發展方向，政府也將繼續大力倡導和扶持低影響開發系統的建設。 文章以某高速公路服務區為例，設計了低強度和高強度2 種LID 設計方案，并進行了方案的比選，結果表明：高強度的LID 設計方案雖然建設成本和維護成本高于低強度的設計方案，但其具有更好的徑流控制效果、公共教育價值和生態景觀價值，通過層次分析法得到的方案二得分高于方案一， 因此，建議本服務區采用方案二(高強度)LID 設計方案進行改造。