海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張赟 孫勝杰

為了提高海綿城市道路排水設(shè)計(jì)水平，本文首先分析了市政道路排水設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，總結(jié)了海綿城市道路中常用的LID設(shè)施；隨后探討了海綿城市道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的基本原則和“滲、蓄、滯、凈、用、排”六大設(shè)計(jì)要素；最后以某道路工程為研究對象，提出了排水方案，并通過SWMM模型計(jì)算了道路在改造前后的不同降雨重現(xiàn)期下的徑流量，定量分析了LID設(shè)施對路面雨水徑流的削減作用。

我國城市化進(jìn)場持續(xù)推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模也日益擴(kuò)大，然而作為城市道路工程重要一環(huán)的排水系統(tǒng)卻發(fā)展較滯后。排水系統(tǒng)不合理容易導(dǎo)致城市在雨季出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡，如某城市道路因雨水管道排水能力不滿足設(shè)計(jì)流量要求，在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下出現(xiàn)城市內(nèi)澇現(xiàn)象，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，隨著海綿城市建設(shè)理念的提出，各地開始編制相關(guān)的建設(shè)圖集和規(guī)范，國內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員也針對海綿城市開展了一系列研究。但是海綿城市在建設(shè)時(shí)也暴露出很多問題，如建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，相關(guān)圖集或規(guī)范指導(dǎo)建議缺乏條理性和系統(tǒng)性。因此，海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有十分重要的工程意義。

一、市政道路給排水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

1.城市規(guī)劃考慮不足

城市建設(shè)之前應(yīng)當(dāng)結(jié)合區(qū)域概況進(jìn)行總體規(guī)劃，但目前一些城市在規(guī)劃前期沒能把區(qū)域內(nèi)的天然水體、河道納入規(guī)劃范圍，更沒有對不同降水周期、不同的水量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，這極大地增加了市政道路給排水的設(shè)計(jì)難度。在開展市政道路給排水設(shè)計(jì)期間，相關(guān)設(shè)計(jì)人員難以充分掌握區(qū)域內(nèi)的水文條件，導(dǎo)致排水設(shè)計(jì)方案無法滿足排水要求。

2.雨水利用率低

城市區(qū)域要獲得良好的排水功能或儲(chǔ)備豐富水資源，在市政道路給排水設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)重視對雨水資源的儲(chǔ)蓄、凈化處理及循環(huán)利用。但是，工程師在開展設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)往往會(huì)忽視雨水資源的開發(fā)，不嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范來設(shè)計(jì)城市生態(tài)循環(huán)體系，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)。

3.各專業(yè)配合度不高

城市給排水工程是一項(xiàng)復(fù)雜且有序的系統(tǒng)工程，包括城市總體規(guī)劃、排水專項(xiàng)規(guī)劃、各市政道路排水方案設(shè)計(jì)、工程建設(shè)等流程。市政道路排水設(shè)計(jì)需要多個(gè)專業(yè)間相互協(xié)同合作，并建立高效率的專業(yè)配合體系。但是在開展市政給排水設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各專業(yè)溝通不暢，尤其給排水專業(yè)和道路專業(yè)之間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場實(shí)際情況不符。

二、基于“海綿城市”的道路排水設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)要素

1.海綿城市道路基本概念

傳統(tǒng)的市政道路排水設(shè)計(jì)思路是將路面雨水通過設(shè)置的雨水口收集，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)設(shè)施（(Low Impact Development，LID)）將雨水儲(chǔ)存，再利用其過濾、吸附、蒸發(fā)、下滲等功能，凈化調(diào)控雨水徑流，以調(diào)節(jié)水循環(huán)，減少水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)城市道路的可持續(xù)發(fā)展。

海綿城市道路與LID設(shè)施密切相關(guān)，LID設(shè)施主要包括滲透滯留設(shè)施、雨水轉(zhuǎn)輸設(shè)施、調(diào)蓄凈化設(shè)施三大類，具體設(shè)施名稱及適用位置見表1。

表1 常用的城市道路LID設(shè)施

2.海綿城市道路排水設(shè)計(jì)原則

給排水設(shè)計(jì)作為海綿城市設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分之一，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對海綿城市建設(shè)水平產(chǎn)生直接的影響，必須充分重視。因此，海綿城市道路給排水在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下原則：第一，生態(tài)優(yōu)先原則。給排水設(shè)計(jì)應(yīng)將區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境作為優(yōu)先考慮因素，明確保護(hù)目標(biāo)，加強(qiáng)前期生態(tài)分析與評估，從規(guī)劃布局、要素設(shè)計(jì)等方面降低對生態(tài)環(huán)境的影響；第二，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)原則。海綿城市道路設(shè)計(jì)需要給排水、道路交通、景觀園林等多個(gè)專業(yè)的技術(shù)人員共同參與，需要從宏觀到微觀方面做好前期的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和技術(shù)對接，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免后期返工；第三，集約高效原則。海綿城市道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇集約式布局，節(jié)約土地，減少對自然環(huán)境的破壞，將道路的雨洪控制功能、運(yùn)營功能與沿線景觀相結(jié)合，最大限度地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

3.海綿城市道路排水設(shè)計(jì)要素

海綿城市道路設(shè)計(jì)六要素包括“滲、蓄、滯、凈、用、排”，各要素的具體設(shè)計(jì)要求闡述如下：

⑴滲

傳統(tǒng)的城市道路通常以硬面鋪裝為主，會(huì)破壞原有的水文生態(tài)環(huán)境。為了滿足海綿城市道路“滲”，需要將硬化路面改為透水型的水泥或?yàn)r青混凝土路面，這樣雨水落下可通過透水路面排至地下水，在雨水滲透期間還可以通過其他LID設(shè)施將雨水凈化。

⑵蓄

目前全球水資源整體比較匱乏，而雨水是重要水資源之一。海綿城市的“蓄”就是將降雨蓄積起來，以供后期使用。但是在蓄積雨水時(shí)，不應(yīng)破壞原生態(tài)，否則可能會(huì)積水成災(zāi)。城市常用的蓄水設(shè)施有蓄水模塊和蓄水地下池。蓄水模塊屬于預(yù)制結(jié)構(gòu)，一般是用防水布包裹埋于地下，并在內(nèi)部安裝進(jìn)出水管，水泵和檢查井才能投入運(yùn)營；蓄水地下池是直接在地下開挖的一種雨水儲(chǔ)存裝置，如圖1所示：

圖1 城市地下蓄水池

⑶滯

海綿城市中“滯”的理念是通過雨水花園、雨水塘等設(shè)施將雨水滯留，降低地表雨水徑流。其中雨水花園是指在道路周圍綠草地區(qū)域內(nèi)部栽植各種花草，花草的根部不僅可以滯留雨水，還可以吸收雨水中的陰陽離子；雨水塘一般是利用現(xiàn)狀魚塘或池塘建造，可作為雨水流經(jīng)路徑終點(diǎn)。同時(shí)，在雨水塘還要種植一些耐濕的草本或灌木護(hù)坡。

⑷凈

雨水流經(jīng)市政道路沿線各個(gè)LID設(shè)施后都可能被凈化。按照雨水收集區(qū)域不同，可將海綿城市雨水凈化體系劃分為三大類，即居住區(qū)凈化、工業(yè)園區(qū)凈化、市政公共區(qū)域凈化；按照雨水凈化原理不同，可劃分為土壤滲透凈化、人工濕地凈化、生物凈化，其中人工濕地凈化雨水效果最好。

人工濕地凈化：人工濕地包括濕地植物、濕地填料、卵石濾水層等部分。經(jīng)過上行流池和下行流池兩次凈化后才能排到下游清水池。

⑸用

雨水在經(jīng)過滲、蓄、滯、凈等流程后，雨水可用于建筑施工、綠化灌溉、洗車、抽水馬桶、消防等領(lǐng)域，以達(dá)到節(jié)約用水的目的，并緩解城市洪澇災(zāi)害的沖擊。

三、基于“海綿城市”的道路排水設(shè)計(jì)案例及效果評價(jià)

為了探討海綿城市道路理念的應(yīng)用效果，筆者以某城市主干路為研究對象，調(diào)查了現(xiàn)狀道路存在的問題，基于海綿城市理念對道路給排水方案進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)雨洪管理模型( Storm Water Management Model）對處治效果進(jìn)行了評價(jià)。

1.依托工程概況

該道路屬于城市主干道路，設(shè)計(jì)采用雙幅路，雙向六車道的橫斷面形式，紅線寬度35（機(jī)動(dòng)車道22m、人行道6m、綠化帶7m），行車道橫坡2%，土路肩橫坡4%，道路縱坡0.3%～1.2%。路面類型為瀝青混合料路面，厚度72cm，路面結(jié)構(gòu)組成為4cmSBS改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13+6cmSBS改性中粒式瀝青混凝土AC-20C+8cm粗粒式瀝青混凝土AC-25C+36cm水泥穩(wěn)定碎石+18cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石。近幾年車流量日漸增加，尤其是重型車及超載車輛，經(jīng)現(xiàn)場病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面損壞較嚴(yán)重，出現(xiàn)路面沉陷、龜裂和車轍等病害。同時(shí)，該道路沿線地高低起伏，容易導(dǎo)致積水現(xiàn)象。原設(shè)計(jì)未設(shè)置LID設(shè)施，道路排水效果較差，導(dǎo)致路面雨季積水嚴(yán)重，影響行車安全和舒適度。

2.雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算

在進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先根據(jù)區(qū)域降雨情況確定雨水設(shè)計(jì)流量。雨水設(shè)計(jì)流量與管道所分擔(dān)的匯水面積密切相關(guān)，具體計(jì)算公式如下：

式中：Q—雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；ψ—徑流系數(shù)，瀝青路面取0.9；F—匯水面積，ha；q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/s ha。其中暴雨強(qiáng)度是描述暴雨?duì)顟B(tài)下降雨量大小的重要指標(biāo)，是指在某一時(shí)間段內(nèi)單位面積內(nèi)的降雨量。各個(gè)地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式并不相同，但均與降雨歷時(shí)、降雨重現(xiàn)期等因素有關(guān)。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014-2021的規(guī)定，任何地區(qū)在推導(dǎo)暴雨強(qiáng)度公式時(shí)必須依據(jù)當(dāng)?shù)?0年以上的降雨記錄來擬合。經(jīng)計(jì)算，道路自身匯水面積約6.4ha，綜合匯入道路表面及道路管網(wǎng)設(shè)計(jì)匯水面積為28.2ha 。

3.給排水設(shè)計(jì)方案

（1）總體設(shè)計(jì)方案

該道路沿線具有較好的自然條件和歷史人文條件，在完善雨水系統(tǒng)的同時(shí)，應(yīng)融合景觀、人文等活動(dòng)場所，這樣既解決了道路內(nèi)澇雨水問題，又可以提升道路整體建設(shè)品質(zhì)。

（2）具體排水方案

根據(jù)地形，將道路排水設(shè)計(jì)劃分為A和B兩個(gè)區(qū)段，區(qū)段A主要利用現(xiàn)有道路縱坡排水，區(qū)段B是通過不同匯水區(qū)分流的方式來排放雨水。

A段道路坡度平緩，雨水流動(dòng)性差，以垂直積水為主，可在綠化帶布置植草溝和雨水花園，并對人行道、非機(jī)動(dòng)車道改造，降低其斷面高度，以便于道路積水排向道路兩側(cè)綠化帶。對于連續(xù)強(qiáng)降雨，雨水可以先進(jìn)入植草溝，這不僅能降低暴雨對綠地的沖刷，還發(fā)揮了雨水輸送作用；對于中小降雨，可傳輸至濕地末端的集中雨水花園控制。因此，整個(gè)排水系統(tǒng)既可以控制中小降雨，又能應(yīng)對30年一遇大暴雨。

B段道路排水設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方案：其一，雨水通過自然排洪溝排入自然水塘；其二，利用多級濕地和多個(gè)分散式排水口，將雨水分流到人行道的卵石溝中，再排入雨水花園，最后溢流進(jìn)自然水塘。

4.道路改造效果評價(jià)

海綿城市道路改造效果評價(jià)是基于SWMM模型，該模型可以根據(jù)輸入的降雨量、土壤地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)重現(xiàn)道路降雨徑流過程，并輸出任意時(shí)刻的徑流曲線。SWMM模型建立的主要步驟包括：設(shè)置項(xiàng)目基本參數(shù)→設(shè)置項(xiàng)目缺省值（圖元名稱前綴、子匯水區(qū)面積缺省值等）→處理排水管段、節(jié)點(diǎn)→為圖元屬性賦值→輸入降雨、蓄水池容積等數(shù)據(jù)→設(shè)置模擬信息→徑流計(jì)算→結(jié)果分析。筆者利用SWMM模型分別計(jì)算了道路在改造前后的不同降雨重現(xiàn)期下的徑流量，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 道路改造前后徑流量變化

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)降雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5、1、2、5、10、50年一遇時(shí)，傳統(tǒng)模式下（改造前）地表徑流量分別為10.7mm、27.2mm、45.7mm、56.8mm、84.9mm，LID模式下（改造后）地表徑流量有明顯的下降，分別降 至6.8mm、17.2mm、27.0mm、32.4mm、45.8mm，LID設(shè)施對雨水徑流的削減幅度分別達(dá)到了35%、37%、41%、43%、46%。由模擬計(jì)算結(jié)果可知，LID措施能大幅降低地面徑流峰值，延緩峰值出現(xiàn)時(shí)間，且設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期越大，LID措施對地面徑流的削減作用越明顯。

四、結(jié)語

基于海綿城市理念探討了城市道路給排水的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要素，并以某道路工程為工程依托提出了海綿城市道路排水方案，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：⑴海綿城市道路與LID設(shè)施密切相關(guān)，LID設(shè)施主要有滲透滯留設(shè)施、雨水轉(zhuǎn)輸設(shè)施、調(diào)蓄凈化設(shè)施三大類；⑵海綿城市道路給排水在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循生態(tài)優(yōu)先、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。集約高效等基本原則，其設(shè)計(jì)五要素包括“滲、蓄、滯、凈、用、排”。⑶海綿城市道路中的LID措施能降低地面徑流峰值，且降雨強(qiáng)度越大，削減作用越明顯。