海綿城市建設理念在市政道路設計中的應用綜述

劉 鑫 陳 穎

(湖南工業大學土木工程學院,湖南 株洲 412007)

在工業經濟和城市建設快速發展的過程中,由于城市規劃、建設理念滯后,導致城市內澇、城市水污染、城市水資源缺少等問題愈發嚴重。自2012年4月“低碳城市與區域發展科技論壇”上首次提出“海綿城市”這一概念以來,各地地方政府,均出臺了各類關于海綿城市建設的政策、法規和標準[1]。海綿城市建設旨在通過城市規劃和建設管理,實現雨水自然蓄積、自然滲透、自然凈化[2]。在海綿城市推進建設過程中,市政道路的海綿化建設往往發揮著重要的引導作用[3]。水泥混凝土因具有良好的力學性能和耐久性,成本低廉,施工工藝簡單,有利于夜間行車等優點,而被廣泛應用于市政道路中[4]。然而其所造成的后果則是自然水循環系統遭到破壞,城市地表不透水面積比例增大、雨水下滲量減少、市政排水系統的負荷加重、城市地下水位降低,導致城市中地表徑流污染嚴重,水質遭受污染,地下水無法得到補充,在遇到高強度降雨時易發生洪澇災害[5-7]。原有的天然水塘、洼地、溝渠等被人為填筑,削弱了對雨水的調蓄作用[8-9]。因此,在城市建設時應著重考慮市政道路海綿化,把對自然水循環系統的影響降到最低。

低影響開發(Low Impact Development,LID)是20世紀90年代末發展起來的暴雨管理和面源污染處理技術,旨在通過分散的、小規模的源頭控制來達到對暴雨所產生的徑流和污染的控制,使開發地區盡量接近于自然的水文循環[10]。立足于這一背景,本文以滲透、滯留、凈化、存蓄、排放及再利用市政道路地表徑流為目標,將海綿城市建設理念應用到市政道路設計中,綜合采用低影響開發(LID)設施來改善、治理傳統市政道路的雨水收集處理方式,充分發揮植被、道路等對雨水徑流的緩沖、吸納、凈化作用,建設蘊含海綿城市建設理念的市政道路排水系統[11]。

1 海綿城市市政道路的相關概念

海綿城市,即城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要水時將蓄存的水“釋放”并加以利用,而其建設理念則是將自然途徑與人工措施結合,對城市生態環境進行恢復式改造[12]。從而達到改善和保護城市自然生態環境、雨水資源收集再利用、補充城市地下水、減少地表徑流污染及降低城市洪澇發生概率的目的。

在海綿城市建設過程中,雨水徑流的控制和非點源污染的治理尤為重要,城市地表徑流是城市中非點源污染的主要來源,城市地表徑流污染是僅次于農業非點源污染的第二大污染源[13]。其中含有大量污染物質,包括懸浮顆粒物、持久性有機污染物、農藥、重金屬、氮磷等營養元素、有機質、其他有代表性的工業源化合物等[14]。市政道路則是城市地表雨水徑流產生、匯集與排放的主要區域。

滲透、滯留、凈化、存蓄、排放及再利用市政道路地表徑流是海綿城市建設中的重要內容之一[15]。傳統的市政道路雨水收集排放系統是路面雨水→雨水口→雨水口連接管→檢查井→市政管網的快排系統[16]。傳統的道路路面、綠化帶及人行道存在著排澇壓力大、徑流污染嚴重、生態環境破壞等嚴峻問題,鋪裝難以滿足徑流控制的要求。因此,需要對道路建設充分貫徹海綿城市理念,盡可能保證道路達到徑流控制的指標,減輕下游徑流控制設施負擔[17]。通過結合海綿城市建設理念來預防治理城市內澇、控制減輕道路徑流污染、改善市政道路周邊生態環境等,即建設蘊含海綿城市理念的市政道路排水系統:路面雨水→下沉式生物綠帶→雨水溢流口→市政排水系統[18]。

2 海綿城市市政道路排水

根據橫斷面布置類型的不同,市政道路可分為單幅路、雙幅路、三幅路以及四幅路[19],本文著重從四幅路來闡述海綿城市建設理念在市政道路中的應用,見圖1。四幅路的橫斷面一般由人行道、綠化分隔帶、非機動車道、機非分隔帶、機動車道、中央分隔帶組成,在市政道路設計中可以根據實際道路組成來選擇合適的低影響開發(LID)設施。

圖1 四幅路雨水低影響開發系統流程示意圖[20]

當遇到降雨時,機動車道的一部分雨水經透水鋪裝下滲到濾水層,另外一部分機動車道雨水徑流則從中央分隔帶匯流至路緣石側石開口進入機非分隔帶中的生物滯留池,雨水先后通過覆蓋層、過濾層及礫石層的過濾,凈化處理后流入導流管匯流至地下雨水管,見圖2;非機動車道的一部分雨水經透水鋪裝下滲到濾水層,另外一部分非機動車道雨水徑流流入綠化分隔帶中,經綠化分隔帶生物滯留池處理后匯入地下雨水管;人行道的雨水徑流經透水鋪裝流入地下,補充城市地下水。經處理后流入雨水管的雨水收集至蓄水設施中,可用于綠化、道路澆灑等。當雨水過多時,中央分隔帶、機非分離帶和綠化分隔帶的超量雨水徑流經溢流口流入市政雨水管網,人行道的超量雨水徑流流入綠化分隔帶[21]。

圖2 市政道路雨水排放示意圖[21]

對于面源污染,盡可能地在其發生源頭就將其污染物截留,防止污染物通過雨水徑流進行擴散,通過生物滯留池、植草溝、雨水花園和透水鋪裝等低影響開發設施,避免過多的地表懸浮顆粒物、有機污染物、氮和磷等營養元素和重金屬進入市政排水管網,造成更嚴重的水體污染,將地表徑流攜帶的污染物質轉化成綠色植被生長所需要的營養物質[22-23]。

3 海綿城市市政道路設計

3.1 行車道路面

傳統市政道路機動車道路面材料一般為混凝土或瀝青,在道路設計時,機動車道橫坡坡度一般為1.5%,在海綿城市建設中,在滿足市政道路路面和路基的強度及穩定性等要求下,可以視交通荷載的等級和實際需求來選擇是否使用透水材料[24]。當交通荷載等級為特重、重和中等時,不宜采用透水材料來鋪設,應按照《城市道路工程設計規范》(CTJ 37—2012)和《公路路面基層施工技術規范》(JTJ 37—2012)來設計鋪設;當交通荷載等級為輕交通時,可以采用透水材料來鋪設[25],并在透水鋪裝下鋪設濾水層及防水土工布,避免雨水下滲破壞路基,下滲雨水通過濾水層進入雨水管道輸送到市政排水管網或者蓄水池中。當降雨量過大時,雨水徑流大于透水鋪裝的最大承載量時,雨水徑流可以匯流通過路緣石側石開口進入機非分隔帶中的生物滯留池中[26]。

透水鋪裝主要分為透水性混凝土、透水性瀝青和透水性地磚三種類型,其中透水性混凝土和透水性瀝青常用于主、次干道及支路行車道,透水性地磚常用于人行道。透水性混凝土屬于全透水型,透水性瀝青則屬于半透水型,在市政道路設計中,透水鋪裝的孔隙率應大于8%,在15%～25%比較合適。在不同環境下,對市政道路的性能要求不同,雨水通過透水鋪裝滲入地下,可直接滲入面層、基層或路基,需要結合城市地勢地況、降雨量、水文地質、氣候環境、地下水位高度、溫差以及土質類型等實際情況來綜合考量設計,合理地選擇透水鋪裝結構層及材料,讓各結構層能夠相互協調,最大限度發揮作用[27-29]。透水瀝青結構類型見圖3。

圖3 透水瀝青結構類型[27]

3.2 人行道

人行道可以全部采用透水鋪裝,一般使用透水磚作為面層鋪裝材料,透水磚常見的有混凝土透水磚、陶瓷透水磚、自然砂透水磚等[30]。透水磚路面的種類需根據實際情況選用,并在滿足透水性能要求的前提下,符合雨水排放的要求和標準,同時在設計時必須考慮到透水磚路面是否需要承受機動車荷載,并依據實際情況選擇合適的透水磚路面結構層,透水磚路面結構層一般由透水磚面層、找平層、基層、墊層組成[31]。在人行道設計時,可以參照《海綿城市工程設計圖集:低影響開發雨水控制及利用》來規劃透水磚路面各結構層的厚度,并根據實際情況來設置人行道橫坡坡度。

降雨時,當雨水量小于透水磚路面下滲能力時,雨水可以經過透水磚各結構層的過濾、吸附等處理下滲到地下,補充地下水,維系城市自然水循環;當雨水量大于下滲量時,一部分雨水經過透水磚下滲到地下,另外一部分則形成雨水徑流進入綠化分隔帶生物滯留池中[32]。城市人行道透水磚路面結構層見圖4。

圖4 城市人行道透水磚路面結構層[33]

3.3 機非、綠化分隔帶生物滯留池設置

行車道雨水徑流通過路緣石側石開口流入礫石緩沖帶,再進入生物滯留池中[34],經過植被的吸附、凈化去除雨水中的一部分污染物,再經過土壤覆蓋層、過濾層及礫石層的吸附、過濾、凈化,雨水徑流中攜帶的污染大部分都被去除,雨水再透過針刺土工布進入地下雨水管網,雨水管網可以視實際情況連接市政排水管網或蓄水設施。在生物滯留池靠近行車道的一面必須鋪設防滲土工布,防止雨水滲入行車道路基,造成路面塌陷[35]。生物滯留池剖面見圖5。

圖5 生物滯留池剖面圖[35]

3.4 路緣石

路緣石是生物滯留池的重要組成之一,在市政道路設計中,常見的路緣石有帶孔路緣石、鑲嵌式路緣石、開口路緣石、溢流式路緣石、沉淀暗溝鋪裝帶路緣石、雙溢流路緣石等。而在海綿城市建設時,一般通過設置路緣石側石開口來收集雨水進入機非分隔帶中的生物滯留池中,路緣石側石開口一般不高于行車道路面。視實際情況,可以選擇透水路緣石,它既能銜接透水鋪裝行車道,使透水路面結構層積水能夠透過透水路緣石進入生物滯留池。路緣石側石設置見圖6。

圖6 路緣石側石設置示意圖[33]

為了防止雨水沖刷以及垃圾隨雨水徑流進入,導致破壞生物滯留池,在路緣石側石開口處應鋪設礫石帶,設置一定量的卵石,起到緩沖和凈化作用,后期應定期清理[25]。路緣石側石開口平面見圖7。

圖7 路緣石側石開口平面示意圖[25]

3.5 植被選擇

植被在生物滯留池中起著舉足輕重的作用,是保持、涵養水土以及凈化雨水的主要途徑,同時可以有效緩解城市熱島效應[36],生物滯留池中的植被選擇應遵循以下原則[37-38]:

a.優先選用當地植被。當地植被能夠更好地適應當地的環境、氣候,且相對成本更低,在本地植被不適用于生物滯留池的情況下可以選擇與本地植被生態習性相近的外地植被,同時必須考慮是否有生物入侵的可能。

b.選用耐旱為主兼能耐澇的植被。生態滯留池中的水量往往和降雨量有關,大部分時間內,滯留池內水量很少,并且在有降雨時有可能出現雨水淹沒植被的情況,所以要求植被能夠承受長時間干旱和短時間水淹的情況。

c.選用景觀效果好的植被。在設計過程中,還需要考慮植被的景觀效果,可以根據植被花期、顏色來搭配設計。

d.選用根系發達、凈化力強的植被。根系不發達的植被在暴雨時容易被雨水沖刷,同時要求植被兼具凈化力強,以便更好地吸附雨水中攜帶的污染物。

e.選用易生存、維護成本低的植被。在滿足上述條件的情況下,考慮植被相關成本,盡量選擇具有相同功能,但價格更低或者更易存活的植被,降低后續管理等帶來的成本。

3.6 土壤

土壤是生物滯留池最基本的組成結構,是生物滯留池吸附、過濾、降解雨水徑流污染的重要場所。土壤主要有三種類型:砂土、黏土以及壤土。砂土透水能力強,但保水能力差;黏土透水能力差,但保水能力強。在實際施工中一般以開挖原土回填為主,生物滯留池中的土壤應滿足透水、保水的條件,在雨天能夠保證雨水快速下滲,并儲存一部分水在土壤中,吸附、過濾、凈化雨水中攜帶的污染物。同時還需提供滿足生物滯留池植被生長的基本條件,如當地原土不滿足上述條件,可以異地更換土壤或者對當地土壤進行改良。在海綿城市市政道路設計時,應合理地結合地形、降雨量、土壤類型以及透水保水需求,計算最優土壤配比,使處理雨水徑流污染物的效率最大化[39]。

3.7 雨水溢流口

為了防止暴雨時進入生物滯留池的雨水徑流過多,雨水進入滯留池的速度大于下滲速度,也為了防止植物因缺氧死亡,在生物滯留池設計時,應每隔一段距離設置一個雨水溢流口,超量雨水通過雨水溢流口進入市政排水管網中。雨水溢流口設置距離根據路緣石側石開口設置距離以及生物滯留池處理雨水的效率等實際情況綜合考慮,并在雨水溢流口下游設置擋水堰。

3.8 蓄水設施

經過透水鋪裝、生物滯留池過濾、吸附、凈化后的雨水匯集到雨水管進入蓄水設施中存蓄,可以用作綠化澆灑、道路灑水、景觀水體用水,提高雨水資源的利用率[40]。蓄水設施容積應根據當地降雨量、透水鋪裝及生物滯留池雨水處理量、用水平衡需求綜合確定[41]。

4 總結及展望

市政道路雨水徑流污染是城市面源污染的主要來源,也是海綿城市建設中的一大難題。本文對海綿城市理念下的市政道路設計進行了分析研究,綜合利用道路、人行道透水鋪裝以及分隔帶設置生物滯留池來滲透、滯留、凈化、存蓄、排放及再利用雨水徑流,實現了道路對徑流污染的削減及控制,能夠保護、調節和修復城市原有水循環系統,對海綿城市建設具有極大意義。