基于LID設施的市政排水設計要點研究

浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310000

隨著城鎮化的不斷推進和人口的增長，城鎮基礎設施的建設規模也日益擴大，同時對城市的生態環境和水文環境產生了不可逆的破壞。城市開發會提高地表不透水面積，使雨水下滲量持續降低，地表徑流匯集速度加快，從而導致路面積水或內澇，嚴重影響行車安全性。選擇經濟、合理的市政排水設計方案，成為設計人員需解決的關鍵問題。為了提高市政排水能力，國內外學者針對城市雨洪管理開展了大量的研究，提出了水敏性城市、海綿城市等理論，尤其是建設海綿城市，已經成為我國重點推進的項目。低影響開發理念（Low Impact Development,LID）可以實現從源頭、過程至末端共同控制排水，在海綿城市建設中得到了廣泛的應用。因此，基于LID設施研究市政排水設計具有十分重要的工程意義。

1 城市低影響開發雨洪管理模式

傳統的市政雨洪管理目標是將道路表面的雨水徑流快速排入排水管網，其轉運途徑如下：地表徑流→市政雨水管網→河湖水系。該方法可以處理部分雨水，但容易對自然水循環造成一定的干擾，影響生態環境的穩定。LID設計理念的核心是確保地表雨水自然下滲，使開發后的雨水徑流總量和雨水峰值與開發前基本保持一致（市政排水能力達到最佳狀態），以實現雨水再循環利用，并建立良好的水資源環境。

2 城市典型LID設施的設計

2.1 透水路面設計

由于透水型路面鋪裝材料孔隙性較大，可以使雨水較快滲入地下，從而減小地表積水。按照鋪設系統是否有徑流存儲區，可將透水型路面分成多孔鋪設、儲存式透水鋪設、非儲存式透水鋪設。多孔鋪設型透水路面在城市道路中的應用較廣泛，其儲存區域、孔隙率等參數應按照當地降水量與降水頻率計算得到，路面施工時是先在路基上攤鋪碎石層來儲存徑流，然后再鋪設孔隙較大的多孔瀝青混合料（車行道）、低標號混凝土（車行道）、透水地磚（人行道）等，以確保地表徑流滲入碎石儲存層。

2.2 植草溝設計

植草溝是沿道路走向布置的三角形或梯形的下凹式帶狀雨水措施，其主要功能是收集并排放地表徑流，雨水儲蓄和凈化能力較差。植草溝構造簡單，其結構層包括土壤層、粗砂層、礫石層等，同時可在礫石層設置排水管將雨水排進其他LID設施或城市排水管網。雨水流入植草溝后，如果水流速度過大（溝底縱坡大于4%），不僅會削弱植草溝對雨水的截留、吸收作用，還會沖擊植草溝底部土壤，導致溝身破壞。此時，可設計定距或變距消能坎來減緩水流速度，提高植草溝的抗沖刷性，塊石、漿砌片石、水泥混凝土均可作為消能坎材料。

2.3 生態樹池和生態滯留池設計

生態樹池屬于點狀生態滯留設施，適用范圍較廣。生態樹池內一般種植當地適用性強的樹種，上部會鋪1m左右種植土，種植土的下部依次布置反濾層、礫石層、滲水管等，其主要作用是在不影響道路交通的前提下匯集機動車道、非機動車道、人行道的雨水徑流。生態樹池的平面位置應當根據城市規劃、道路等級及功能等確定。

生態滯留池也是沿道路走向布置線形下凹式排水池，形狀規則，底部會種植綠化植物，主要用于綠地區域小但道路景觀要求高的核心商圈道路、人行步道等。生態滯留池的作用是控制地表雨水流向、凈化水質，改善道路景觀。

2.4 人工濕地設計

人工濕地是重要的提高市政排水能力的LID設施之一，屬于綜合性雨水調蓄系統，即人工濕地可以將植草溝、生態樹池、生態滯留池等單項排水設施中的雨水進行集中調蓄和凈化。人工濕地占地面積較大，不適合布置在市內人流、車輛、建筑物密集地帶，通常設置在有開敞空地的區域。同時，在雨水匯進人工濕地之前，需要通過設計沉淀池（深池+淺池模式）、草溝、亂石堆圍擋、礫石過濾帶等措施對雨水進行集中過濾。

3 LID多目標優化設計及效果評價

3.1 優化設計目標

《海綿城市建設技術指南》建議，設計LID設施排水系統時，控制目標可選徑流總量、徑流峰值、徑流污染、雨水再利用率等。筆者結合多個項目經驗，擬選擇地表徑流總量和徑流峰值兩個目標來對市政排水進行優化設計。

（1）地表徑流總量。在LID雨水系統中，地表徑流總量目標一般是通過徑流總量控制率來控制。相關統計表明，最佳徑流總量控制率為80%～85%，各地區可按照當地水資源和市政規劃來選擇適當的徑流總量控制率，也可利用下式計算：

式中：α為徑流總量控制率，%；Rj為當地徑流深度，mm；Ry為當地降雨深度，mm。

（2）地表徑流峰值。地表徑流峰值是城市LID設施排水效果的輔助評價指標，控制徑流峰值能大幅降低城市發生局部內澇的可能性。地表徑流峰值可按下式計算：

式中：Q為區域徑流峰值，m3/s；n為子匯水區域個數；qi為第i個匯水區域的徑流峰值，m3/s。

3.2 研究區概況

通過工程實例來評價LID設施對市政排水效果的影響是最直觀的辦法，文章以某城市次干道為研究對象，基于SWMM水文模型分析布置LID設施前后地表徑流總量和徑流峰值的變化規律。該次干道地形南高北低，夏季降水量較大，冬季降水較少，年降水量約566～689mm。因原設計不當，導致道路在運營期間易出現路面積水，降水量較大時，沿線街道甚至出現內澇，嚴重影響了行車安全和舒適度。為了提高道路排水能力，采用透水型瀝青（行車道）和透水磚（人行道）、植草溝、生態樹池、人工濕地等措施來對道路進行整體改造。

3.3 LID設施的雨洪控制效果

（1）降雨參數確定。利用SWMM模型模擬地表產匯流時，降雨重現期分別取1年、3年、5年、10年、20年，降雨歷時2h。降雨強度按《室外排水設計規范》（GB 50014—2016）來計算：

式中：q為降雨強度，L/(s·hm2)；p為降雨重現期，年；t為降雨歷時，min；A、C、b、n均為參數，根據統計方法計算確定。

（2）地表徑流總量分析。城市道路在添加LID設施前后的徑流總量和徑流削減率如圖1所示。由圖1可知，隨著降雨重現期的增加，地表徑流總量也不斷提高，設置LID設施后徑流總量明顯降低；同時，地表徑流削減率逐漸減小，但減小速率逐漸變緩。即當降雨重現期小于3年，地表徑流削減率迅速降低，減少了22%；當降雨重現期超過3年，地表徑流削減率降低幅度并不明顯。

圖1 設置LID設施前后徑流總量變化

（3）地表徑流峰值分析。城市道路在添加LID設施前后的徑流峰值變化規律如圖2所示。由圖2可知，設置LID設施前后徑流峰值均隨著降雨重現期的增加而增加，且LID設施對徑流峰值有明顯的削減作用。降雨重現期為1年時，LID設施對徑流峰值的削減能力最大，達到了94.2%；降雨重現期超過10年，峰值削減率反而增加。

圖2 設置LID設施前后徑流峰值變化

4 結束語

文章分析了低影響開發的雨洪管理模式、典型LID設施設計及其對地表徑流的削減效果，主要得到以下幾個方面的結論：（1）低影響開發（LID）設計理念的核心促使地表雨水自然下滲，使城市開發后雨水徑流與開發前基本保持一致；（2）典型的城市LID設施有植草溝、透水路面、生態樹池、生態滯留池、人工濕地等，在進行設計時應當重點考慮當地水資源及城市規劃；（3）隨著降雨重現期的增加，添加LID設施前后地表徑流總量和徑流峰值均不斷增加，且LID設施對其有明顯的降低作用。