王 欽 盧 鋼 邴 帥 孫 偉 董瑞欣 / WANG Qin, LU Gang, BING Shuai, SUN Wei, DONG Ruixin

FALLBEISPIEL FR STRA ENPLANUNG IN DER SCHWAMMSTADT IM DEUTSCHCHINESISCHENKOPARK QINGDAO AUF BASIS DES "3 MINUS, 1 PLUS"-KONZEPTS

THE EXPLORATION OF SPONGE URBAN ROAD DESIGN BASED ON THE "RRRI"CONCEPT IN SINO-GERMAN ECOPARK

1 項目建設背景

隨著近年來我國城鎮(zhèn)化進程的突飛猛進，傳統(tǒng)粗放式開發(fā)模式所導致的城市環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。城市下墊面中，不透水面積逐年激增，城市綠地被不斷壓縮，導致自然降雨落至地表后迅速匯集，阻斷了地下水的補給路徑，同時加劇了市政管網(wǎng)的排澇壓力。

對于新時期城鎮(zhèn)化建設面臨的城市內(nèi)澇等一系列水問題，習近平總書記于2013年12 月提出“提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”，國務院辦公廳也進一步要求推進海綿城市建設，對城市建設提出了新要求。

作為中德兩國政府合作園區(qū)，青島中德生態(tài)園（Sino-German Ecopark）多年來堅持“生態(tài)、智慧改善生活，開放、融合提升品質(zhì)”發(fā)展理念，圍繞“田園環(huán)境、綠色發(fā)展、美好生活”的發(fā)展愿景，致力于生態(tài)、綠色、可持續(xù)發(fā)展，積極踐行低影響開發(fā)路徑。在“海綿城市”建設的基礎上，結(jié)合自身建設經(jīng)驗及需求，提出了“三減一加”的建設要求和方向：“減少雨水管線，實施海綿城市建設”、“減少污水管線，實施模塊化中水回用”、“減少集中供熱，實施分布式能源解決方案”、“加大可再生能源應用，進行德國DGNB①綠色認證體系的區(qū)域認證”。這4方面內(nèi)容是園區(qū)落實生態(tài)建設的重要路徑。

“三減一加”背景下，城市道路建設需要更加注重綠色、生態(tài)理念，以“灰綠結(jié)合”的手段，貫徹園區(qū)生態(tài)建設指標體系。為探索園區(qū)建設的新常態(tài)、新方法，在生態(tài)園9號線項目建設中，對不同的海綿型工程措施與設施進行試驗性應用，進而為園區(qū)后續(xù)建設提供技術(shù)支撐。

圖1 生態(tài)園9號線道路設計橫斷面

圖2 生態(tài)園9號線道路設計縱斷面

圖3 雨水系統(tǒng)、城市雨水管渠系統(tǒng)及超標雨水徑流排放系統(tǒng)關系

圖4 人行道（左）、自行車道（右）路面結(jié)構(gòu)示意

2 生態(tài)園9號線項目

2.1 工程概況

設計道路西起生態(tài)園38號線，東至生態(tài)園環(huán)6號線，位于規(guī)劃“商務居住區(qū)”內(nèi)，為東西向城市支路，道路紅線寬18m，兩側(cè)無綠化帶，全長約240m。

道路設計橫斷面、縱斷面如圖1、2所示。

2.2 工程建設條件

（1）區(qū)域氣象

區(qū)域地處沿海，屬溫帶季風氣候，冬季盛行西北風，夏季盛行東南風。終年氣溫較溫和，日差變化較小。年平均氣溫12.5℃，夏季平均氣溫23.9℃，冬季平均氣溫-1.5℃。每年3～11月是農(nóng)作物生長發(fā)育期。年平均晴天94天，旱天162天，陰天108天。年平均日照時數(shù)一般為2447.1小時，歷年平均日照率為55%。

區(qū)域降水特點主要表現(xiàn)為年際變幅大、年內(nèi)分配不均、具有較明顯的地域性。區(qū)域年平均降水量778.9mm，年內(nèi)降雨高度集中在6～9月，降雨量占全年降雨總量的65%～75%。多雨年（1975年）降水量1391.70mm，少雨年（1981年）降雨量為294.77mm。區(qū)域降雨特點對植物生長有一定的限制作用，因此對低影響開發(fā)措施及植物種植選擇有一定程度的影響。

（2）現(xiàn)狀下墊面

生態(tài)園9號線道路沿線主要為農(nóng)田、林地?，F(xiàn)狀地勢較為平坦，局部有臺地，地貌類型為剝蝕殘丘，地表植物較為稀疏，裸土較多。

參考《海綿城市建設技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（住房和城鄉(xiāng)建設部，2015），現(xiàn)狀場地雨量徑流系數(shù)應介于綠地與非鋪砌的土路面之間，以0.2考慮。對應現(xiàn)狀年徑流總量控制率80%。

場地勘查資料顯示，項目地表主要為素填土與粉土，滲透系數(shù)較高；設計路面標高以下2m左右向下為全風化花崗巖，土壤滲透性較差。

（3）區(qū)域規(guī)劃條件

項目地勢較高，屬于匯水區(qū)的起點，無外圍地表徑流直接匯入。其地理位置位于區(qū)域一級水源保護區(qū)上游，距水庫距離約500m，生態(tài)敏感性相對較高。在《青島市黃島區(qū)海綿城市專項規(guī)劃》中，項目所處的管控分區(qū)要求年徑流總量控制率不低于84%。項目設計暴雨重現(xiàn)期標準為2年。

作為試驗性項目，為充分發(fā)揮其試驗效果，按照年徑流總量控制率90%進行設計，對應設計降雨量為59mm，接近于2年一遇暴雨120min累計降雨量。

圖5 低影響開發(fā)設施典型設計單元平面

圖6 低影響開發(fā)設施連接示意

圖7 降雨－徑流－排除歷程

表1 雨量、流量綜合徑流系數(shù)測算表

表2 總調(diào)蓄容積

2.3 海綿型城市道路設計

（1）設計原則及策略

在海綿型城市設計過程中，遵循低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)（Low Impact Development，LID）、城市雨水管渠系統(tǒng)及超標雨水徑流排放系統(tǒng)相結(jié)合的原則（圖3）。低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)可以通過對雨水的滲透、儲存、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)輸與截污凈化等功能，有效控制徑流總量、徑流峰值和徑流污染；城市雨水管渠系統(tǒng)即傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，與低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)共同組織徑流雨水的收集、轉(zhuǎn)輸與排放；超標雨水徑流排放系統(tǒng)，用來應對超過雨水管渠系統(tǒng)設計標準的雨水徑流（住房和城鄉(xiāng)建設部，2015）。

在低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設計中，遵循“灰綠結(jié)合，以綠為主”的設計原則。設計以控制地面初期雨水污染、降低徑流總量、削減峰值流量為目的，優(yōu)先考慮選用綠色生態(tài)設施截流自然降雨，同時采用灰色人工設施進一步控制雨水外排，提高控制指標。

（2）設計下墊面特性

設計道路橫斷面分布為1.75m（人行道）+2m（自行車道）+2.5m（綠籬）+7.5m（車行道）+2.5m（綠籬）+1.75m（人行道），其中人行道、自行車道采用透水型路面鋪裝結(jié)構(gòu)。

根據(jù)下墊面結(jié)構(gòu)設計及分布情況，測算其綜合徑流系數(shù)（表1）。

（3）相關設施設計

設計中綜合采用了下沉式綠地、透水鋪裝、滲井、滲管、滲水模塊等海綿型城市建設措施。

道路車行道采用排水降噪路面，提高道路性能，同時過濾初期雨水；兩側(cè)人行道、自行車道采用透水路面鋪裝，提高雨水入滲速度；道路綠籬采用下沉式綠地形式，內(nèi)設滲井、滲管、滲水模塊，綜合加強雨水下滲。將道路每隔25m作為一個設計單元，在單元內(nèi)有序組織雨水徑流、滯納、排除路徑。

車行道路面雨水通過路緣石開口進入沉砂池，沉砂后流入下沉式綠地內(nèi)；人行道雨水自然散排至下沉式綠地內(nèi)。在設計單元末端設置依次設置滲井和阻滯帶，收集下沉式綠地內(nèi)無法消納的雨水。滲井與綠籬下設置的滲管相連通，加強下滲作用，無法進一步消納的雨水再次溢流進入北側(cè)滲井。

道路北側(cè)綠籬同樣采用下沉式綠地形式，車行道路面雨水通過雨水口進入沉砂池，沉砂后進入滲井；人行道、自行車道雨水自然散排至下沉式綠地內(nèi)。在設計單元末端設置依次設置滲井和阻滯帶，收集下沉式綠地內(nèi)無法消納的雨水。滲井與綠籬下設置的滲水模塊相連通，加強下滲作用，超標雨水最終溢流進入市政雨水管道（圖5）。

低影響開發(fā)設施連接及溢流關系如圖6所示。

項目設計范圍內(nèi)，自然降雨的降雨－徑流－排除歷程，如圖7所示。

（4）徑流污染控制措施

初期雨水所帶來的徑流污染，是海綿城市建設中需要解決的問題之一。工程中需要對初期雨水進行棄流，常用的棄流方法有容積法棄流、小管棄流（水流切換法）等，棄流形式包括自控棄流、滲透棄流、棄流池等。

相關研究表明，初期雨水中SS（Suspended Solids，固體懸浮物）和COD（Chemical Oxygen Demand，化學需氧量）污染水平較高，同時SS與COD的污染程度存在一定的線性相關性。因此對于初期雨水，采用沉砂沉淀分離等物理方法去除SS，可同步有效地降低初期雨水中的污染物（尹澄清，2010）。

圖8 下沉式綠地進水口大樣

圖9 沉砂式雨水口大樣

圖10 綠籬過水斷面示意

圖11 綠籬過水斷面簡化示意

為減少海綿型城市設施的后期養(yǎng)護難度，提高系統(tǒng)運行壽命，本次設計采用容積式棄流方法，在車行道雨水進入下滲路徑之前設置棄流池，通過沉砂的方式處理初期雨水（圖8、9）。沉砂池內(nèi)的雨水后期通過自然蒸發(fā)和人工清理的方式進行排除。

2.4 海綿型城市道路設計計算

（1）總調(diào)蓄容積

總調(diào)蓄容積按容積法計算（住房和城鄉(xiāng)建設部，2015），計算公式如下：

式中：

H－設計降雨厚度，mm；

φ－雨量綜合徑流系數(shù)；

F－匯水面積，ha。

總調(diào)蓄容積計算如表2所示。

（2）徑流污染控制

設計采用容積式棄流方式對初期雨水進行處理，初期雨水棄流量按照容積法計算（住房和城鄉(xiāng)建設部，2015），計算公式如下：

式中：

H’－初期雨水棄流厚度，mm；

φ－雨量徑流系數(shù)；

F－匯水面積，hm2。

設計棄流池對車行道初期雨水進行處理，單個棄流池最大服務面積約110m2，初期雨水棄流厚度按照5mm計，初期雨水棄流量計算如表3所示。

（3）調(diào)蓄及滲透能力

本次設計中的滲井、滲管、滲水模塊均以滲透為主要功能，其滲透量按下式計算：

式中：

K－土壤滲透系數(shù)，m/s；

J－水力坡度；

As－有效滲透面積，m2；

ts－滲透時間，s。

工程全線共設置DN200無砂混凝土滲管263m，PE滲水模塊（1.2m×0.6m×0.6m）296塊，土壤滲透系數(shù)根據(jù)勘察資料取1×10-5m/s，滲透歷時按照場次降雨時間2h計，計算其滲透量（表4）。

滲井、滲管、滲水模塊所需的有效調(diào)蓄容積按下式計算（住房和城鄉(xiāng)建設部，2015）：

式中：

Vs－滲透設施的有效調(diào)蓄容積，包括設施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積，m3；

V－總調(diào)蓄容積，m3；

V’－初期雨水棄流量，m3；

Wp－滲透量，m3。

考慮到本項目中滲井、下沉式綠地內(nèi)的調(diào)蓄容積有限，設計中不再考慮其調(diào)蓄能力。設計有效調(diào)蓄容積僅計入滲管、滲水模塊的內(nèi)部調(diào)蓄容積。有效調(diào)蓄容積計算如表5所示。

（4）下沉式綠籬排水能力

項目中，下沉式綠地除了承擔雨水下滲的功能以外，還需承擔道路路面雨水的排除功能，因此對暴雨時綠籬的過流能力進行復核。設計中選取最不利單元進行測算（北京市市政工程設計研究總院，2004）。

設計雨水流量按照傳統(tǒng)推理公式測算，如下式：

式中：

Ψ－流量綜合徑流系數(shù)；

Q－設計暴雨強度，L /（s·hm2）；

F－匯水面積，hm2。

流量綜合徑流系數(shù)根據(jù)下墊面條件后，為0.57，最不利單元服務面積為200m2。設計暴雨強度按照當?shù)乇┯陱姸裙接嬎?，在設計標準為暴雨重現(xiàn)期2a，地面集水時間2min時，設計暴雨強度為436.61 L /（s·hm2），計算出最不利單元設計雨水流量（表6）。

綠籬設計斷面如圖10所示。

綠籬內(nèi)過水能力可按流量及流速公式計算。計算之前，對過水斷面進行一定程度上的簡化（圖11）以便計算，同時暫不考慮植物對其影響。

水流斷面的平均流速按下式計算：

式中：

n－粗糙系數(shù)；

R－水力半徑，m；

i－水力坡降。

綠籬設計過水能力按下式計算：

式中：

A－過水斷面面積，m2；

v－平均流速，m/s。

相關研究表明，植草溝的粗糙系數(shù)主要與植草溝材質(zhì)、不規(guī)則程度、斷面變化程度、植被、植草溝堰、植草溝曲折程度等因素有關（劉燕 等，2008；Cowan W.，1956），根據(jù)Cowan（1956）提出的經(jīng)驗公式估算，本項目中綠籬粗糙系數(shù)n=0.2。暫不考慮植物影響，根據(jù)簡化后的綠籬過水斷面，可得出過水斷面面積0.18m2，濕周2.05m，水力半徑0.088m。水力坡降取道路坡度0.018。綠籬過水能力計算表如表7所示。

考慮到實際過水能力受植物阻擋，實際流量取設計過水能力的50%，即12L/s，能夠滿足排水需求。

表3 初期雨水棄流量

表4 工程滲透量

表5 有效調(diào)蓄容積

表6 設計雨水流量

表7 綠籬過水能力

圖12 項目實景

圖13 透水鋪裝實景

2.5 項目建成效果

項目建成至今，海綿型城市相關設施運行良好，經(jīng)過一個氣候周期檢驗，年徑流總量控制效果達到預期。在實際運行過程中，相較于周邊道路，雨水徑流量明顯得到了有效控制，同時道路周邊景觀環(huán)境得到了改善，充分發(fā)揮了項目的試點作用（圖12～14）。

圖15 富源二號路實景

圖14 綠籬內(nèi)棄流池實景

圖16 生態(tài)園31號線意向

3 園區(qū)其他海綿型城市道路的應用

海綿型城市道路措施在生態(tài)園9號線的成功應用，為園區(qū)同類項目提供了充分的技術(shù)支撐和試驗驗證。

在園區(qū)其他道路建設中，結(jié)合生態(tài)園9號線工程實踐研究，采用了多種形式的低影響開發(fā)措施。相對于傳統(tǒng)開發(fā)模式，降低了不透水下墊面比例，控制了雨水徑流總量；實現(xiàn)徑流峰值時刻后移，一定程度上減輕了城市市政排水管網(wǎng)的壓力；避免了初期雨水直接外排，為降低城市面源污染做出了貢獻。

園區(qū)的富源二號路（圖15），在海綿城市技術(shù)措施方面采用了無砂混凝土滲井、滲管，替代了生態(tài)園九號線中的成品檢查井，在保證透水效果的條件下，有效降低了工程成本；采用集中式蓄水池，替代了生態(tài)園九號線中的滲水模塊。蓄水池內(nèi)收集的雨水定期回用于道路澆灑、綠化等，進一步實現(xiàn)了雨水回用。

生態(tài)園31號線（圖16）位于園區(qū)南部山體區(qū)域，兩側(cè)地塊分布零散，開發(fā)強度低，水系豐富。設計中借鑒了公路排水組織方式，保留山體現(xiàn)狀沖溝，同時在道路兩側(cè)利用嵌草磚設置了排水明溝，取代了常規(guī)市政雨水管道，進一步踐行了低影響開發(fā)理念，最小化工程建設對自然環(huán)境的破壞。

4 結(jié)語

隨著園區(qū)“三減一加”理念的進一步深入落實，各類低影響開發(fā)措施在建設項目中的重要性日益提高。在城市道路建設中，通過合理的建設、設計和運營管理，能夠減少人類生產(chǎn)建設對自然環(huán)境的破壞。通過近年來的探索，園區(qū)已經(jīng)找到了與其理念相符的海綿型城市道路建設方式。未來，園區(qū)將利用監(jiān)測設備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)海綿城市建設的定量評估，確保生態(tài)、綠色園區(qū)建設的可持續(xù)發(fā)展。

注釋

① 全 稱 為“Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen”， 德 國可持續(xù)建筑評估體系。

[1]住房和城鄉(xiāng)建設部. 海綿城市建設技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[2] 尹澄清. 城市面源污染的控制原理和技術(shù)[J]. 環(huán)境水質(zhì)學國家重點實驗室,2010.

[3] 北京市市政工程設計研究總院. 給水排水設計手冊:城鎮(zhèn)排水[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

[4] 劉燕, 尹澄清, 車伍. 植草溝在城市面源污染控制系統(tǒng)的應用[J]. 環(huán)境工程學報, 2008, 2(3).

[5] Cowan W. Estimating hydraulic roughness coefficients[J]. Agric Engrg, 1956.