基于海綿城市理念的城市道路改造方案設計探討

李 波

(上海宏渠工程咨詢監理有限公司，上海 201301)

我國城鎮化的發展在帶動一方經濟的同時，也帶來了城市內澇、徑流污染、地下水位下降、水資源匱乏等問題。據相關報道，我國660多個城市中有60%出現不同程度缺水[1-2]。城市內澇和缺水同時存在，說明傳統城市排水管理模式存在調蓄能力差，徑流污染嚴重，雨水資源利用率低等問題。

為了解決城鎮發展過程中出現的這一系列問題，2012年，“海綿城市”的概念首次在《2012低碳城市與區域發展科技論壇》被提出。2013年，《中央城鎮化工作會議》強調：建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市，提出新一代雨水管理模式。“海綿城市”是指現代城市可以像海綿體一樣，在城市雨水管理方向具備彈性，下雨時吸水、蓄水、凈水，需要用時將前期存蓄的水釋放出來，并加以合理利用[3-4]。可在提高城鎮雨水調節的基礎上，有效補充城鎮地下水，提高雨水的綜合利用率[5-6]。

占城市建設用地面積15%～20%的道路硬化[7]，是城市排水系統的重要組成部分，因此有針對性地開展城市道路海綿化改造，對海綿城市建設來說至關重要。本文以上海蘆潮港社區道路海綿化改造為例，探討市政道路中的海綿體系構建措施[8]，使得在滿足道路基本功能的前提下達到低影響開發(LID)控制目標與指標要求[9]。

1 蘆潮港社區道路海綿化改造工程概況

1.1 項目概況

臨港地區位于上海市東南角，地處長江口和杭州灣交匯處，距上海市中心75km。上海臨港地區試點區域分為七類示范區，并明確各分區重點示范內容和方向，蘆潮港社區位于臨港試點區第七分區，內容為老城區積水改造河道綜合治理。蘆潮港社區海綿化改造道路包括江山路、港輝路、蘆茂路、蘆碩路、蘆安路、潮和路和蘆云路，改造道路長5870m，平均寬度25～50m。此次道路提升改造主要圍繞海綿城市理念，改變傳統的雨水收集排放系統，綜合利用人行道生態樹池、側分帶雨水花園、景觀旱溪、透水鋪裝、排放口人工濕地、凈化調蓄模塊、雨水調節塘等工程措施，將路面的雨水通過低影響開發方案使該地區在雨水道路年徑流總量控制、面源污染控制和排水防澇方面取得一定效果。

1.2 設計標準

1.2.1 地區雨水道路年徑流總量控制率

通過海綿城市道路改造方案設計，使該項目城市道路年徑流總量控制率達到85%的建設要求。

1.2.2 地區雨水道路年徑流污染控制率

雨水利用設施的徑流污染控制以盡可能降低水環境污染為目標，同時考慮初期雨水處理設施規模，該項目道路海綿化改造設計要求道路年徑流污染控制率為55%。

1.2.3 防澇排水標準

蘆潮港社區道路海綿化改造后，通過采取一系列措施，使道路的防洪排水標準達到5年一遇不積水，100年一遇不內澇的建設要求。

2 改造前道路雨水排放現狀

2.1 改造前道路雨水積水現狀

工程范圍內道路改造前均采用雨污分流的排水體制，雨水管渠設計重現期為1年，根據現場調研結果，由于雨水管道排水能力不足，存在雨水排口封堵、局部區域河網間距比較大，道路排水距離較長，以及在汛期河道水位較高等現象，雨水管排水易受河網水位頂托的影響，致使在風暴潮的影響下，工程范圍內地面徑流峰值大，集中排水導致排水不暢，使局部區域較易形成積水受澇。

2.2 改造前現狀排水能力評估

應用Infoworks ICM建立蘆潮港社區徑流-管網-河道一體化模型，綜合考慮區域內降雨、產匯流、下滲、蒸發、管網水動力、河網水動力等因素，導入收集到的蘆潮港社區已建雨水管網數據(已建雨水管網總長度約23.2km)，建立模型。通過驗證的模型發現，以滿管流為評估標準時，蘆潮港社區內排水能力小于1年一遇的管網占比為89.1%；以地面積水為評估條件時，重現期大于5年一遇的管網比例提高至97.2%。

2.3 現狀內澇風險評估

經模擬，蘆潮港社區遭遇100年一遇降雨時，區域局部地方積水超過15cm，但是隨著河道水位下降，積水很快退去。從模擬結果可以看出，已建區模擬情況與現狀易澇點基本吻合。未建區域的積水情況較為嚴重，但該區對目前居民的生產和生活并無影響，因此現狀積水點沒有覆蓋該區域。該區積水的主要原因是地塊尚未開發，場地地勢較低，因此在地塊開發時應注意場地排水高程設計，保證區域排水安全。

3 道路海綿化改造思路

3.1 有側分帶

當道路有機非分隔帶時，如江山路、港輝路，人行道生態樹池、側分帶雨水花園和紅線外雨水花園均結合現狀道路雨水口布置，每隔30m設置一處，紅線外旱溪連續布置，生態樹池、雨水花園均設置溢流口，超標雨水排入市政管道。設施布置情況見圖1。

圖1 低影響開發設施布置(有側分帶)

3.2 無側分帶

當道路為單幅路時，如蘆茂路、蘆碩路、蘆安路、潮和路、蘆云路，人行道生態樹池和紅線外雨水花園結合現狀道路雨水口布置，每隔30m設置一處，紅線外旱溪連續布置，生態樹池、雨水花園均設置溢流口，超標雨水排入市政管道。設施布置情況見圖2。

圖2 低影響開發設施布置(無側分帶)

4 道路海綿化改造方案設計

4.1 人行道生態樹池設計

人行道每30m在行道樹之間設置一處生態樹池，車行道和人行道雨水排入生態樹池，生態樹池平面尺寸為6m×1m，下沉深度0.2m，生態樹池滲透系數為100mm/h，內部孔隙率10%，單位面積調蓄容積0.42m3/m2。人行道生態樹池結構層由上至下分別為卵石或樹皮覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內設置φ150穿孔排水管，將生態樹池結構滲水排入道路雨水口。人行道生態樹池設計見圖3。

圖3 人行道生態樹池結構設計

4.2 側分帶雨水花園設計

機非分隔帶每30m在行道樹之間設置一處雨水花園，車行道排入雨水花園，設施平面尺寸為6.0m×1.5m，下沉深度0.2m，雨水花園滲透系數為100mm/h，內部孔隙率10%，單位面積調蓄容積0.42m3/m2。側分帶雨水花園結構層由上至下分別為卵石或樹皮覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內設置φ150穿孔排水管，將雨水花園結構滲水排入道路雨水口。側分帶雨水花園設計見圖4。

圖4 機非分隔帶生物滯留池結構設計

4.3 景觀旱溪設計

道路紅線外地勢較低的綠地以及江山路中央分隔帶兩側可設置連續的景觀旱溪。旱溪尺寸及布置原則：道路紅線外旱溪寬3.0m，深度0.2m；江山路中央分隔帶旱溪處寬度0.5m，深度0.1m；旱溪設置于低綠地內，綠地地勢較高時采用蓄水模塊代替；旱溪沿線應避開現狀喬木、灌木、路燈等設施；旱溪結構層由上至下分別為0.3m白色卵石(粒徑30～50mm)散鋪、0.3m碎石墊層、透水土工布，旱溪單位面積調蓄量為0.20m3/m2。景觀旱溪結構設計見圖5。

圖5 景觀旱溪結構設計

4.4 紅線外雨水花園設計

紅線外旱溪每30m銜接處設置一處雨水花園，車行道和人行道雨水通過人行道蓋板溝排入紅線外雨水花園，雨水花園平面尺寸為6m×3m，下沉深度0.4m，雨水花園滲透系數為100mm/h，內部孔隙率10%，單位面積調蓄容積0.62m3/m2。紅線外雨水花園結構層由上至下分別為植被覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內設置φ150穿孔排水管，將雨水花園結構滲水排入道路雨水口。紅線外雨水花園設計見圖6。

圖6 紅線外雨水花園結構設計

4.5 人行道透水鋪裝設計

道路海綿化改造人行道鋪裝除江山路外(江山路周邊地塊尚未開發成熟，渣土車較多)全部采用透水磚鋪裝，下部礫石蓄水層采用長絲土工布包裹的排水盲管通常布置，下滲雨水匯流后排入生態樹池。透水磚路面材料應符合《透水磚路面技術規程》(CJJ/T 188—2012)的相關要求，人行道透水鋪裝結構層由上至下分別為6cm的透水磚、3cm的中粗砂、10cm的再生骨料透水水泥混凝土、10cm的級配碎石，結構總厚度為29cm，人行道透水鋪裝設計見圖7。

圖7 人行道透水鋪裝結構設計

4.6 排放口人工濕地

人工濕地設置在河岸邊雨水排放口處，對初期雨水、混接污水和管道沉積物進行過濾凈化，處理后的雨水排入河道。單個人工濕地尺寸為12m×8m，占地面積96m2，濕地水力負荷取1.0m3/(m2·d)。此外，人工濕地系統還包括雨水截流井、雨水提升裝置、雨水調節池和人工濕地。雨水截流井尺寸為4.6m×4.0m，雨水提升裝置尺寸為2.5m×2.5m，雨水調節池尺寸為12m×8m，人工濕地尺寸為12m×8m。雨水進入雨水截流井后，初期雨水、旱季混接污水和旱季管道存水通過雨水提升裝置進入人工濕地，完成雨水的過濾和凈化，超標雨水溢流進入河道。人工濕地設計見圖8。

圖8 人工濕地設計 (單位：mm)

4.7 凈化調蓄模塊設計

調蓄模塊沿道路側石帶狀布置，凈寬60cm，有效水深60cm，道路雨水通過人行道蓋板溝轉輸后接入調蓄模塊。設施底部設計為可滲透礫石結構，當超過蓄滲帶調蓄容積時通過溢流堰溢流，就近排入道路雨水口。當調蓄模塊設于綠化帶時，頂板上可覆蓋鵝卵石或草皮，提升景觀效果。凈化調蓄模塊設計見圖9。

圖9 凈化調蓄模塊設計

4.8 雨水調節塘設計

雨水調節塘設置于蘆云路秋萍學校門前綠地內，主要起到削減峰值流量作用，由進水口、調節區、出口設施、護坡等構成，調節塘也具有一定的滲透功能，起到補充地下水和凈化雨水的作用。

調節塘進水口設置碎石消能設施，防止水流沖刷和侵蝕，設置前置塘對徑流雨水進行預處理，塘中種植水生植物以減小流速、增強雨水凈化效果，調節區深度為1m，塘底設計成可滲透結構，調節塘出水接入蘆云路調蓄蓋板溝，向東排入隨塘河。調節塘設計見圖10。

圖10 雨水調節塘設計

5 道路海綿化改造后指標校核

本工程的設計與施工，一方面確保了道路海綿功能的發揮，另外也兼顧了環保、節能、美學等方面的內容。如人工濕地的供電系統，拋開傳統電力供電方式，采用低碳、環保、節能的太陽能板供電，鋪設在休息長廊頂部，有效節約空間(見圖11)；濕地提升泵站采用隱藏式與觀光平臺相結合的方式(見圖12)；階梯式石龍圍護墻體結構的運用(見圖13)，使墻體在自然風力的作用下，網籠內石塊之間縫隙不斷被泥土、植物種子填充，植物根系深深扎入石塊之間的泥土中，從而使人工和自然(植被措施)相結合，逐步形成一層堅固的綠色復合保護層。覆蓋后的植被能有效地消解雨后徑流及沖刷，達到以土植草，以草固土以及自然滲透、雨水凈化、階梯利用的效果。

圖11 太陽能板長廊

圖12 觀光平臺

圖13 階梯式生態石龍

不論晴天還是雨天，旱溪都展現了優美的景觀效果。同時，雨天還具備蓄水、疏水的功能(見圖14)。鵝卵石與植被的自然搭配，周邊高大喬木、綠地植被的襯托，使人有回歸自然之感。同時，該工程在實際施工時，發現馬路對面就是居民小區，經常有居民跨過旱溪來散步、散心。為此，及時調整了設計方案，設置了不同形式與美學特色的“人造橋”，方便居民出行，更顯“小橋、流水、人家”的文學意境。

圖14 旱溪

5.1 年徑流總量控制率校核

計算總調蓄容積的原則為頂部和結構內部有蓄水空間的LID設施(如雨水花園、調蓄模塊、生態樹池、旱溪等)的蓄水量計入總調蓄容積；轉輸型植草溝、明溝、初期雨水棄流、人工土壤滲濾等對徑流總量削減貢獻較小的設施，其調蓄容積不計入總調蓄容積；受地形條件、匯水面大小等影響，設施調蓄容積無法發揮徑流總量削減作用的設施(如較大面積的下沉式綠地，往往受坡度和豎向條件限制，實際調蓄容積遠遠小于其設計調蓄容積)，以及無法有效收集匯水面徑流雨水的設施具有的調蓄容積不計入總調蓄容積。

低影響開發設施設計調蓄量采用容積法進行計算:

V=10HφF

式中：V為設計調蓄容積，m3；H為設計降雨量，mm；φ為綜合雨量徑流系數，按地塊下墊面比例加權平均計算；F為匯水面積，hm2。

以徑流總量為控制模板，運用道路紅線內各低影響開發設施的設計調蓄容積之和計算總調蓄容積，使設施控制量不低于根據目標控制率計算得出的道路總產流量。

由年徑流總量控制情況(見表1)可知，7條城市道路海綿化改造后，設施控制量均大于道路產流量，即均滿足海綿城市建設85%控制率的指標要求。

表1 年徑流總量控制情況

5.2 年徑流污染控制率校核

按設計方案，單位生物滯留溝處理其側面車行道、人行道相應單位的初期雨水量，定義空池最大蓄水量為水池在不考慮下滲和溢流口外溢情況下的最大蓄水量。當空池最大蓄水量≥初期雨水徑流控制量時，說明該海綿化改造設施能夠完全控制設計范圍內初期雨水攜帶的污染物量。在降雨后期或者降雨停止后，設施內滯留的污染物將通過設施內的人工濕地得以有效去除。7條道路海綿化改造后，各LID設施對徑流污染的去除率見表2。

表2 各條路年徑流污染去除率

由表2可知，7條道路通過海綿化改造后，雨水徑流污染去除率普遍可達到60.0%以上，大于目標值55.0%，滿足海綿城市建設對雨水徑流污染去除率的要求。

5.3 設施滲透量校核

本工程設計中采用的海綿城市道路改造措施，不改變傳統設計中的雨水管道系統，雨水通過開口路緣石進入綠地，并在綠地沿線設置景觀旱溪及凈化調蓄池、溢流雨水口、人工濕地等構筑物；溢流雨水口與市政雨水排水系統相連，路面降水經過綠地滲透后利用雨水系統排放。因此，改造后可使雨水滲流更加科學且設施滲透量達到設計標準要求。

6 道路運維及管理

6.1 總體要求

建立健全低影響開發設施的維護管理制度和操作規程，配備專職管理人員和相應的監測手段，并對管理人員和操作人員加強專業技術培訓，做好雨季來臨前和雨季期間設施的檢修和維護管理，保障設施正常、安全運行，同時應加強對設施效果的監測和評估，確保設施的功能得以正常發揮。

6.2 設施維護要求

在總體運維及管理要求的前提下，主要對單體設施進行維護，如透水磚、旱溪、調節塘、生態樹池、雨水花園、潛流人工濕地、溢流雨水口等，見表3。

表3 設施維護要求及內容

7 結 語

隨著“海綿城市”理念的廣泛推廣，城市道路海綿化改造也從觀念和理念上逐漸向實際工程方向發展。蘆潮港社區7條城市道路海綿城市改造作為標桿示范項目，目前已經全部建成完工，各種低影響開發設施運行情況良好。相關單位會在后續的運維管理中增加相應的監測設備，以便為后續城市道路海綿化改造及海綿城市建設提供更為直觀的數據與參考。