西北半干旱地區既有城市道路海綿化改造模式探索
——以西寧為例

高 源

王媛媛*

何俊超

白偉嵐

郭明青

在中國城市建設用地中，道路用地一般占總用地的10%～15%，但產生的徑流污染(以懸浮物SS計)對受納水體的貢獻度卻高達50%，尤其降雨初期的徑流污染最為嚴重[1-2]。雨水作為一種自然水資源，就地利用對緩解城市用水矛盾意義重大，但雨水水質的好壞直接影響著其利用程度的多少[3]。因此，如何實現城市道路雨水徑流的有效凈化與利用，已成為西北半干旱地區海綿城市建設的重要內容之一。

2015—2019年分2批共計30個城市開展了國家海綿城市試點建設，在不同的自然條件和城市本底下，城市道路海綿設施的應用效果、適應性存在地域差異[4]。試點的探索與應用多聚焦在道路海綿建設的設計方法、技術要點和運行效果上。如孫燁等結合低影響開發及排水防澇系統與道路、景觀設計銜接，探索了一種適用于嘉興的城市海綿道路優化設計手法[5]；馬玉采用多類海綿設施對上海臨港區某道路進行了改造，并給出了監測運行效果[6]；王希誠以濟南東部某區道路改造為例，對常用的道路海綿設計思路和應用措施要點進行了總結[7]；付振等以池州齊山大道工程實踐，提出了多目標海綿型道路的雨洪控制系統，重點強調場地條件的關系銜接、整體方案的優化布置[8]；黃寧俊等以西咸新區海綿道路建設為例，總結了適用性設施的設計要點和實際運行效果[9]；針對濕陷性黃土特殊地質問題，張亮提出海綿道路建設應避免采用深層、大型入滲的低影響開發設施，采用淺層、小型入滲設施時應采取防滲措施，車行道路不建議采用透水瀝青和水泥[10]。

據統計，30個海綿試點城市中，約70%的試點區域位于城市建成區，大部分道路用地為已建道路[11]。既有道路多受豎向條件、地上和地下空間、路基結構安全及交通出行等因素的制約，海綿改造難度較大。西北半干旱地區因其降水少、風沙大、初期雨水水質較差，雨水排入道路綠化帶后的景觀效果較差，同時也因局部濕陷性黃土問題，使道路雨水徑流排入下凹道路綠化帶后存在道路塌方風險。加之西北地區生態環境脆弱，因道路海綿化改造產生的大面積植被破壞很難快速恢復，若處理不當會加劇生態環境的惡化，故既有道路海綿化改造建設模式亟待進一步的探索研究。

1 西寧城市道路海綿化改造項目概況

本次改造的8條城市道路均位于海綿城市試點區內。試點區位于西寧中心城區西部，總面積21.61km2，湟水河以南地勢為南高北低、西高東低，湟水河以北地勢為北高南低、西高東低。本次道路改造項目為七縱一橫。七縱是文苑路、光華路、文匯路、文逸路、文博路、文成路、盛昌路，一橫是海西路。道路位置詳見圖1。

圖1 西寧海綿城市試點區8條道路位置分布圖

現狀場地土壤以厚黑粘淤土、厚黃淤土及厚黑淤土為主，土壤成分主要為粉土，屬稍濕的弱透水層，土壤滲透系數均大于5×10-6m/s；場地整體分為Ⅰ級非自重濕陷性和Ⅱ級自重濕陷性，文博路部分路段存在濕陷性黃土。

道路中央綠化分隔帶的豎向高程高于兩側道路，道路橫坡以中央隔離帶為中心兩邊排水，不具備滯水條件；邊側綠化隔離帶較窄且不連續，寬度基本在1～3m，部分道路無機非隔離帶；隔離帶種植土高于地面，且局部覆土埋設照明、通信等市政管線，可操作空間有限，源頭控制難度較大。

南北走向的城市道路縱坡較大，徑流系數大，降雨時迅速形成徑流峰值；各道路現狀排水均為傳統快排模式，由雨水篦子收集至雨水管網(管徑在DN600～1 000)，就近排入湟水河。各道路周邊基本無可利用綠地空間，但末端存在大型調蓄濕地，分別為湟水河、火燒溝濕地公園。

道路綠化帶內植被以小喬木和灌木為主，長勢基本良好。

2 西北半干旱地區既有道路海綿化改造技術模式探索

2.1 既有道路海綿化改造技術路線

既有道路海綿化改造應根據現狀場地條件和區域控制目標，綜合考慮經濟、環境、社會等因素，通過方案經濟技術分析合理確定技術路線。本次道路海綿化改造技術路線詳見圖2。

圖2 道路海綿化改造技術路線圖

結合西北半干旱地區氣候特征，道路海綿化改造采用源頭削減和末端處理相結合的方式。以雨水徑流污染物去除為主要目標，確定道路綠化帶內的海綿設施類型及規模，設施類型以“凈”為主，“凈”“用”結合。

既有道路雨水徑流應通過有組織的匯流與轉輸，經緩沖、截污等預處理后引入道路紅線內、外綠地，并通過設置在綠地內的以雨水蓄存、調節、凈化為主要功能的海綿設施進行處理，同時收集處理的雨水徑流統一在各排水分區雨水管網總排口，利用管線截控、末端調蓄、雨水濕地進行凈化與回用。

2.2 既有道路海綿化改造控制目標的確定

根據西北半干旱地區自身特征，道路海綿化建設主要實現雨水徑流的污染凈化和控制利用，通常以年徑流總量控制率為其核心目標。理論情況下，通過分析路面監測的降雨徑流數據，利用降雨徑流污染物濃度變化繪制M(V)曲線，綜合得出研究區道路徑流的初期沖刷效應，以此確定出經濟有效的初期徑流控制量[12-13]。筆者利用西寧典型道路的監測數據分析，通過上述計算方法，初步得出道路徑流的初期徑流控制量至少應大于4mm，對應年徑流總量控制率45%；理論徑流控制目標宜取13mm，對應年徑流總量控制率85%，具體如圖3所示。

圖3 西寧市政道路累計污染負荷(以SS計)占比與降雨深度關系圖

西寧市年均降雨量為410mm，且集中于6—9月，道路初期雨水水質較差，且存在長時間干旱、短時間易澇的問題。本項目結合各類型道路改造的場地狀況，因地制宜確定道路源頭控制目標和區域協調目標。重點結合各道路附屬綠地情況及透水鋪裝建設需求，確定道路海綿化改造的主要目標為控制道路徑流污染，同時人行道考慮市民行走舒適度，適量采用透水鋪裝，確定海綿管控目標見表1。

表1 西寧海綿城市試點區8條道路海綿化改造設計目標表

2.3 既有道路海綿化改造分類

為總結西寧城市道路海綿化改造模式，本設計根據道路級別、道路橫斷面類型、道路橫縱坡及現狀排水設施布局情況，將8條道路歸納為4種道路海綿化改造類型。

將文苑路、文匯路、文博路和文成路歸納為第一類型道路，其主要特點為道路縱坡較大、邊側綠帶較寬(2.0～3.0m)且植物長勢較好，邊側綠化帶均高于車行道20cm。人行道較寬(3.0～4.0m)。可考慮將邊側綠化帶下凹后滯蓄和凈化人行道與車行道的雨水徑流。

將文逸路、盛昌路歸納為第二類型道路，其主要特點為道路邊側綠化帶較窄(1.0～1.5m)，且車行道一側均為立道牙，植物長勢一般。人行道寬度為3.0m。可考慮將邊側綠化帶下凹后僅滯蓄和凈化人行道的雨水徑流。

光華路為第三類型道路，其場地特點為邊側綠化帶寬3.0m，綠地覆土低于車行道路面，邊側道牙為平道牙。可考慮邊側綠化帶下凹后對人行道和車行道雨水徑流的收集與消納。

海西路為第四類型道路，其場地特點為無綠化帶、局部有樹池，均為立道牙。人行道寬度為1.5～2.5m。可考慮分段合并樹池以增加綠化面積，收集和滯蓄人行道與車行道的雨水徑流。

2.4 既有道路海綿化改造的設施選擇

統籌考慮豎向坡度調整、順坡引流改造、覆土管線保護、優質土壤改良、植被景觀效果突顯、防滲處理、路基安全防護、設施管理養護等實際問題，試點區道路海綿改造采用“模塊設施”嵌入的做法，以最小化干擾現狀道路生態環境。基于8條城市道路海綿化改造項目，探索了5種類型的模塊設施。

2.4.1 模塊A設施

在附近無市政雨水口的道路綠化帶低點布置模塊A設施，滯留與傳導收集的人行道和車行道地表徑流。技術流程：人行道雨水通過導流渠匯入鎖邊石籠最終進入模塊A；車行道雨水通過引水石、排水路緣石、卵石緩沖帶，最終匯入模塊A；而模塊A匯流的超標雨水則通過礫石排水層、鎖邊石籠、滲透溝匯入下一個雨水設施。做法詳見圖4。

圖4 模塊A結構斷面圖(單位：mm)

2.4.2 模塊B設施

在附近有市政雨水口的道路綠化帶低點布置模塊B設施，作用為滯留凈化人行道和車行道的地表徑流。技術流程：人行道雨水通過導流渠匯入鎖邊石籠最終匯入模塊B；車行道雨水通過引水石、排水路緣石、卵石緩沖帶，最終匯入模塊B；而模塊B匯流的超標雨水及上游滲透溝的匯水，則通過溢流井匯入附近的原市政雨水口，最終排入城市雨水管網。做法詳見圖5。

圖5 模塊B結構斷面圖(單位：mm)

2.4.3 模塊C設施

在附近無市政雨水口的道路綠化帶低點布置模塊C設施，滯留和凈化人行道的地表徑流。技術流程：人行道雨水依靠道路橫坡，通過礫石緩沖帶匯入模塊C，形成200mm深的滯水層，滯留、凈化與消納雨水。做法詳見圖6。

圖6 模塊C結構斷面圖(單位：mm)

2.4.4 模塊D設施

在附近無市政雨水口的道路低點與場地客水匯集處的道路綠化帶內布置模塊D設施，滯留、凈化人行道和車行道的地表徑流。技術流程：人行道雨水通過導流渠匯入石籠緩沖帶(模塊D)，道路雨水通過礫石緩沖帶進入綠化帶；綠化帶內的地表徑流按照綠地豎向縱坡坡度進行匯流，石籠緩沖帶(設施D)對匯流進行分段滯留、凈化與消納，減少地表徑流的沖刷。設施D為組合式石籠模塊，在車行道進水一側設置可拆卸的過濾石籠模塊，采用3層不同粒徑的過濾礫石，凈化車行道雨水徑流中攜帶的污染物。做法詳見圖7。

圖7 模塊D結構斷面圖(單位：mm)

2.4.5 模塊E設施

在附近有市政雨水口的道路低點綠化帶內連續布置模塊E設施，滯留與凈化人行道和車行道的地表徑流。技術流程：人行道雨水徑流通過地表徑流進入模塊E，車行道雨水徑流通過引水石和排水型路緣石進入模塊E調蓄，超過設計降雨量的雨水徑流通過溢流雨水口排入原市政雨水口。做法詳見圖8。

圖8 模塊E結構斷面圖(單位：mm)

3 西寧城市道路海綿化改造方案

3.1 不同類型城市道路的海綿化改造方案

3.1.1 第一類道路改造方案

第一類型道路采用“模塊A＋模塊B”的組合形式。通過導流渠、引水石和排水型路緣石收集人行道與車行道的地表徑流；在現狀道路最低點設置道牙開口，并將邊側綠地下挖1.1m，布置海綿設施模塊進行雨水的滯留與凈化，設計滯水深度為250mm。模塊A收集的雨水通過滲透溝傳輸至模塊B，并由模塊B的溢流設施排至市政雨水管網。道路末端雨水排放口則通過湟水河濕地公園的前置塘、人工濕地進行調蓄凈化，用于水系的季節性補水。道路海綿化改造平面詳見圖9。

圖9 第一類道路海綿化改造平面圖(文博路)

3.1.2 第二類道路改造方案

第二類型道路采用模塊C設施。將原邊側綠化帶沿人行道一側外擴至1.5m寬，布置0.2m寬礫石帶，收集人行道雨水徑流，并將原人行道路邊側綠帶局部下沉，布置模塊C，滯留凈化雨水。盛昌路末端雨水排放口通過湟水河濕地公園的前置塘、人工濕地進行調蓄凈化，用于水系的季節性補水；文逸路的末端雨水排放口就近利用火燒溝景觀濕地的植被緩沖帶進行凈化利用，補給濕地生態用水。道路設施布置詳見圖10。

圖10 第二類道路海綿化改造平面圖(文逸路)

3.1.3 第三類道路改造方案

保留原車行道及人行道路面結構不變，在綠化帶中局部嵌入模塊D設施。人行道雨水通過導流渠匯入模塊D，車行道雨水通過地表漫流匯入邊側下沉式綠化帶，道路設施布置詳見圖11。末端雨水排放口通過湟水河濕地公園的前置塘、人工濕地進行調蓄凈化，用于水系的季節性補水。

圖11 第三類道路海綿化改造平面圖(光華路)

3.1.4 第四類道路改造方案

保留原車行道及人行道路面結構不變，將人行道上的樹池分段連通，形成帶狀下沉式綠地空間。在保護下沉綠地空間內喬木安全的前提下，在道路邊緣設置引水石與道牙開口，收集車行道及人行道的雨水徑流至模塊E設施，并由模塊E的溢流設施排至市政雨水管網。道路海綿化改造設施布置詳見圖12。

圖12 第四類道路海綿化改造布置示意圖(海西路)

3.2 西北半干旱地區道路海綿化改造注意事項

1)西北多為川道河谷地形，道路坡度對海綿設施的布置位置至關重要。對于路面破損嚴重的道路，設計路面翻新后的豎向坡度，使路面徑流通過開口道牙匯集至海綿設施模塊內。道路縱坡不宜大于橫坡坡度1.5%，坡度越大，設施集水效果越不佳。對于縱坡大于橫坡的路段，應根據路面過車荷載、集水方式，合理確定引水石的構造和行車防護措施。本案例中引水石深度設置為20mm，寬度250mm，位于邊側綠帶與車行道交界處，作用為引導車行道雨水徑流至模塊設施。

2)西北地區初期雨水徑流污染較重，道牙開口處應設置截污設施，防止落葉及污泥堵塞設施。春雨前對截污設施及時清理，可杜絕含融雪劑的雨水流至設施內，腐蝕雨水設施，對設施內植物生長造成影響。西寧截污設施斷面如圖13所示。

圖13 截污設施斷面示意圖(單位：mm)

3)針對濕陷性黃土地質條件，應對道路海綿設施采用側面及底面三面包式防滲，較大挖深時應設置鎖邊石，以加強對原路基的保護。為防止綠化用水侵入路基，造成路基安全的破壞，模塊A/B設施在綠化帶底部設置防水復合土工膜(兩布一膜)。由于綠化帶內種植土下挖1.1m，考慮到立緣石和人行道的穩定性，在立緣石綠化帶一側設置墊石，以防傾覆，人行道靠綠化帶一側設置鎖邊石，保證人行道的穩定性。設施結構做法詳見圖14。同時配置具有良好滲透性又保墑的優質改良土壤。西寧通過場地試驗，得出改良土壤配比為原土:沙土:種植土＝1:1:1。

圖14 路基結構防護示意圖(單位：mm)

4)透水材料選擇方面，人行道宜布設面層透水的鋪裝，既保證道路使用安全，又兼顧行人行走舒適度。使用融雪劑的積雪不宜堆放在透水設施區域。

4 海綿改造實施效果

項目完工后，依據道路實際完工調蓄容積進行反算，得出對應的完工指標見表2。由表可見，項目在年徑流總量控制率/設計降雨量、SS削減率、調蓄容積方面均優于設計目標值。項目因地制宜采用半透水人行道路面結構，也給類似項目提供了濕陷性黃土地區透水鋪裝應用借鑒。

表2 西寧海綿城市試點區8條道路海綿化改造完工指標表

依據《西寧市海綿城市建設試點區監測考核評估報告》，改造后的8條道路在2018—2019年雨季發揮了較好的源頭減排作用。試點區對文苑路的模塊A設施、文匯路的模塊B設施及光華路無客水影響的半幅道路雨水管道進出水口進行了監測，監測結果見表3。結果顯示，實施的道路改造項目和海綿模塊設施均具有良好的調控效果，可以減少徑流總量、降低徑流峰值、延遲峰值時間。其中，海綿模塊設施在8.5～26.0mm單場降雨條件下，對徑流總量控制率為77.4%～92.8%，對峰值出現時間延遲5～20min，對應SS削減率為49.6%～79.8%；光華路在2019年全年降雨中，實測年徑流總量控制率為79%，SS削減率為49.8%，優于海綿改造設計的目標要求。

表3 西寧海綿城市試點區海綿設施監測效果表

項目完工后，道路雨水徑流實現了就地凈化和消納，提高了市政排口的出水水質，改善了城市水環境質量狀況。道路綠化帶內的植被景觀得到快速修復且長勢良好。半透水鋪裝人行道提升了市民行走舒適度，改善了西寧市容市貌，增強了市民獲得感，實現了“小雨不積水、大雨不內澇”的建設效果。道路建成實景照片見圖15～20。

圖15 文博路實景圖

圖16 文匯路實景圖

圖17 文成路實景圖

圖18 文苑路實景圖

圖19 盛昌路實景圖

圖20 光華路實景圖

5 結語

1)西北半干旱地區城市道路海綿化改造項目以問題為導向，綜合統籌合理性、可持續性、經濟性及文化性等方面，因地制宜設置生物滯留設施，就地消納雨水并做好初期雨水凈化處理。不建議做大量的過程調蓄池；建議采用低維護海綿設施和應用當地抗性強的濕生植物，保證雨水設施持續發揮海綿功能。

2)鑒于西北半干旱地區濕陷性黃土地質條件，城市道路海綿化改造應加強道路安全防護措施。道路海綿設施采用側面及底面三面包式防滲，設置鎖邊石籠加強對原路基的保護，防止較大挖深造成地面垮塌。同時應處理好海綿設施的溢流標高，將超過設計降雨量的雨水及時排出，防止設施內植物長勢不佳或溢流井內產生黑臭現象。

3)西北半干旱地區生態本底脆弱，道路海綿化改造應最大限度地保留長勢良好的植物，重點保護喬木和大型灌木不被破壞。西寧針對不同道路形式設計了模塊A/B/C/D/E，以確保最小干擾現狀生態環境。模塊采用嵌入式施工操作，方便施工監管。經監測效果分析，實施的道路改造項目和海綿模塊設施均具有良好的調控效果，較好地控制了徑流總量、削減了SS徑流污染、延遲了峰值時間，為西北半干旱地區同類型城市道路海綿化改造提供可復制、可推廣的借鑒。

注：文中圖片均由高源拍攝或繪制。