■張生學(xué)

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 石家莊 050011)

作為高速公路的重要附屬設(shè)施，服務(wù)區(qū)發(fā)揮著不可替代的作用，由于服務(wù)區(qū)面積較大，對(duì)雨水的排放要求比較高， 如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)雨洪的綠色、高效、可持續(xù)管理，是當(dāng)前服務(wù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要任務(wù)之一[1-2]。

傳統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)存在建筑數(shù)量少，規(guī)模小且分散，排水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、屋面和硬化路面等不透水下墊面面積較大、水資源綜合利用效率較低、季節(jié)性缺水現(xiàn)象比較普遍等問題，因此，需要對(duì)傳統(tǒng)高速公路服務(wù)區(qū)進(jìn)行改造升級(jí)[3-7]。當(dāng)前，基于低影響開發(fā)(LID)為核心理論的海綿城市建設(shè)受到政府的高度重視和大力支持，其主要目的就是要建設(shè)自然存蓄、滲透、凈化和循環(huán)利用的海綿城市，實(shí)現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。 因此，將LID 應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)，將會(huì)極大改善服務(wù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，帶來巨大的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[8]。

文章結(jié)合某隧道服務(wù)區(qū)，將海綿城市理念應(yīng)用到高速公路服務(wù)區(qū)改造工程中， 分別構(gòu)建了高、低強(qiáng)度2 套不同的低影響開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 并對(duì)2種方案進(jìn)行了比選，可為海綿城市理念在高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)、改造中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 基于海綿城市理念的低影響開發(fā)系統(tǒng)

1.1 海綿城市理念

海綿城市是新一代城市雨洪管理理念，是指讓城市具有“海綿功能”，使其在雨季時(shí)吸水、蓄水、滲水和凈水，旱季時(shí)將“吸收”的水量加以利用的水資源管理策略和方法，海綿城市最終的目的是構(gòu)建水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水災(zāi)害時(shí)能夠表現(xiàn)出良好的“彈性功能”，實(shí)現(xiàn)水在城市中自由遷移[9-11]。 海綿城市的建設(shè)主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮：(1)要加大對(duì)建設(shè)地原有生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)力度；(2)要逐步實(shí)現(xiàn)建設(shè)地的生態(tài)修復(fù)和恢復(fù)；(3)低影響開發(fā)。

1.2 低影響開發(fā)系統(tǒng)

國(guó)際上通常將海綿城市稱為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建，簡(jiǎn)稱低影響開發(fā)系統(tǒng)”，低影響開發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了5 個(gè)過程： 第一階段是水量管理，第二階段是水質(zhì)管理，第三階段是資源化利用，第四階段是水生態(tài)修復(fù)，第五階段是可持續(xù)水循環(huán)，見圖1。 低影響開發(fā)的核心思想是通過LID設(shè)施來實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)地開發(fā)前后的水資源科學(xué)管理，最終達(dá)到徑流總量控制、徑流峰值控制和徑流污染控制。

圖1 低影響開發(fā)系統(tǒng)發(fā)展歷程

1.3 LID 設(shè)計(jì)原則

經(jīng)過多年的發(fā)展， 已開發(fā)出多種LID 設(shè)施，根據(jù)功能的不同，可將其劃分為滲透型、儲(chǔ)蓄型、調(diào)節(jié)型、傳輸型和截污凈化型。LID 設(shè)施的設(shè)計(jì)選取需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：(1)要與建設(shè)地的場(chǎng)地條件相適應(yīng)，如用地類型、土壤類型及地形坡度等；(2)注重LID 設(shè)施的空間需求性， 如占地地面；(3)LID 設(shè)計(jì)需要考慮經(jīng)濟(jì)性， 如建設(shè)成本、 維護(hù)成本等；(4)LID 設(shè)計(jì)需要考慮下墊面情況，如不透水率、匯流面積等。 LID 設(shè)施設(shè)計(jì)原則見圖2。

圖2 LID 設(shè)施設(shè)計(jì)原則

2 案例分析

2.1 工程背景

某隧道服務(wù)區(qū)位于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，多年平均降雨量達(dá)到1477 mm， 其中86.82%的降雨量集中在每年的5-10 月，降雨量年間分布極不均勻，季節(jié)性缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)重。 服務(wù)區(qū)以中山地貌為主，西側(cè)和背側(cè)均是由填方地基構(gòu)成的邊坡，高度達(dá)到8 m，東側(cè)則是以挖方邊坡為主，最高也達(dá)到8 m， 服務(wù)區(qū)地表以下主要以壤質(zhì)砂土和粉細(xì)砂層為主，具有良好的滲透性。 服務(wù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)面積為32598 m2，主要建設(shè)項(xiàng)目包括綜合樓、修車間、行車道、停車位、交警用房、消防水泵房等，主要區(qū)域的下墊面特征見表1。

表1 服務(wù)區(qū)下墊面分布情況

2.2 LID 設(shè)計(jì)控制目標(biāo)及參數(shù)

控制目標(biāo)：(1)徑流總量控制率取80%，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值為22.83 mm，對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)亟涤曛噩F(xiàn)期為0.0568 年；(2)在P=5 的降雨重現(xiàn)期下，對(duì)服務(wù)區(qū)徑流洪峰的設(shè)計(jì)削減率應(yīng)大于等于10%。

設(shè)計(jì)參數(shù)：根據(jù)控制目標(biāo)和服務(wù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用透水磚面層、透水瀝青、下凹式綠地、雨水花園和綠色屋頂作為服務(wù)區(qū)的主要LID 設(shè)施。 其中，透水磚采用陶瓷透水磚，要求滲透系數(shù)大于等于0.15 mm/s，透水瀝青路面選用Ⅲ型，空隙率介于18%～25%，厚度大于等于30 cm；下凹式綠地的下凹深度為0.2 m，下凹比例大于等于50%；雨水花園的蓄水深度為30 cm；綠色屋頂?shù)姆N植層厚度為25 cm。

2.3 LID 方案設(shè)計(jì)

方案一：綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全或者低密度改造等要求，選用透水瀝青路面、透水磚鋪裝、雨水花園以及下凹式綠地作為服務(wù)區(qū)LID 設(shè)施的主要結(jié)構(gòu)組成部分，每種LID 的平面布局情況見圖3。該方案下透水瀝青路面面積為2817 m2， 雨量徑流系數(shù)為0.30，透水磚鋪裝面積為3548 m2，雨量徑流系數(shù)為0.40，水泥混凝土路面的面積為15080 m2，雨量徑流系數(shù)為0.90，硬化屋頂面積為3934 m2，雨量徑流系數(shù)為0.90，普通綠地面積為2818 m2，雨量徑流系數(shù)為0.15，下凹綠地(3989 m2)和雨水花園(412 m2)不考慮雨量徑流系數(shù)，那么就可以計(jì)算得到服務(wù)區(qū)的綜合徑流系數(shù)φ：

式中：Fi表示每種下墊面的面積/m2， 表示每種下墊面的雨量徑流系數(shù)； 為服務(wù)區(qū)總面積/m2。

根據(jù)服務(wù)區(qū)的綜合徑流系數(shù)就可以得到服務(wù)區(qū)所需要的調(diào)蓄容積V：

式中：H表示設(shè)計(jì)降雨量/mm。

圖3 方案一LID 設(shè)施設(shè)計(jì)布局

方案二：相對(duì)于方案一，方案二屬于高強(qiáng)度的LID 設(shè)計(jì)布局，其在透水瀝青路面、透水磚鋪裝、雨水花園及下凹式綠地基礎(chǔ)上，還充分利用了綠色屋頂進(jìn)行服務(wù)區(qū)改造，每種LID 設(shè)施布局情況見圖4。在方案二中：透水瀝青路面面積為2817 m2，雨量徑流系數(shù)為0.30，透水磚鋪裝面積為3548 m2，雨量徑流系數(shù)為0.40， 水泥混凝土路面的面積為15080 m2，雨量徑流系數(shù)為0.90， 硬化屋頂面積減小至612 m2，雨量徑流系數(shù)為0.90， 綠色屋頂面積為3322 m2，雨量徑流系數(shù)為0.35，普通綠地面積為1301 m2，雨量徑流系數(shù)為0.15，下凹綠地(5506 m2)和雨水花園(412 m2)不考慮雨量徑流系數(shù)。 同理，可以計(jì)算得到服務(wù)區(qū)的綜合徑流系數(shù)φ：

服務(wù)區(qū)所需的調(diào)蓄容積V：

圖4 方案二LID 設(shè)施設(shè)計(jì)布局

3 方案比選

3.1 徑流控制效果

圖5 徑流控制效果

不同降雨重現(xiàn)期下方案一、二對(duì)徑流峰值和總量的削減情況見圖5。從圖中可以看到：由于方案二采取了高強(qiáng)度LID 設(shè)計(jì)，在大部分屋頂設(shè)計(jì)中均采用了綠色屋頂設(shè)計(jì)方案，而方案一只采用了硬化屋頂設(shè)計(jì)方式，同時(shí)方案二普通綠地的面積(轉(zhuǎn)化為下凹式綠地)較方案一減小50%以上，因此方案二在不同降雨重現(xiàn)期下的徑流峰值削減率和徑流總量削減率均要大于方案一。在重現(xiàn)期0.1 年、2 年、5 年和15 年情況下， 方案一的徑流峰值削減率為62.6%、59.8%、57.9%和57.5%， 方案二的徑流峰值削減率為72.1%、66.7%、65.4%和63.3%，方案二較方案一平均提升約7.4%； 在重現(xiàn)期0.1 年、2 年、5年和15 年下，方案一的徑流總量削減率為53.9%、48.9%、45.9%和42.9%， 方案二的徑流總量削減率為70.5%、60%、56.4%和52.6%，方案二較方案一平均提升約12%。

3.2 節(jié)點(diǎn)溢流控制效果

圖6 節(jié)點(diǎn)溢流控制效果

以P=15 年的降雨重現(xiàn)期為分析情況， 對(duì)改造前、方案一及方案二下的高峰管渠水位剖面線進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖6。從圖6 中可以看到：在改造前，服務(wù)區(qū)在P=15 年的降雨重現(xiàn)期下，會(huì)有10 個(gè)溢流檢查井(管渠)出現(xiàn)滿載情況，滿載持續(xù)時(shí)間為降雨開始后48～63 min，持續(xù)時(shí)間為15 min；方案一會(huì)有2 個(gè)溢流檢查井(管渠)出現(xiàn)滿載情況，滿載持續(xù)時(shí)間為降雨開始后51～54 min，持續(xù)時(shí)間為3 min；而方案二在降雨后沒有出現(xiàn)管渠溢流情況。 綜上可以看出：在進(jìn)行低影響開發(fā)后，服務(wù)區(qū)的管網(wǎng)排水壓力將大幅度降低， 在應(yīng)對(duì)極端暴雨自然災(zāi)害的情況下，能夠發(fā)揮較好的蓄水能力，特別是在采取高強(qiáng)度LID 設(shè)計(jì)后，不會(huì)出現(xiàn)管渠溢流現(xiàn)象。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)市場(chǎng)行情，對(duì)方案一和方案二的LID 設(shè)施造價(jià)進(jìn)行了分析計(jì)算， 結(jié)果見表2。 從表中可以看到：雖然方案二在采取高強(qiáng)度設(shè)計(jì)之后，其徑流控制效果和節(jié)點(diǎn)溢流控制效果較方案一有較大幅度的提升，但由于綠色屋頂?shù)慕ㄔO(shè)成本較高，以及后期的維護(hù)成本較高，造成方案二的總造價(jià)較方案一高出83.6%，因此，還需要對(duì)2 種方案進(jìn)行綜合比較，才能最終決定哪種方案更優(yōu)。

表2 2 種方案造價(jià)分析

3.4 綜合比較分析

采用層次分析法構(gòu)建該服務(wù)低影響開發(fā)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖7。該體系包括3 個(gè)準(zhǔn)則層和6 個(gè)指標(biāo)層，3 個(gè)準(zhǔn)則層分別是環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益， 指標(biāo)權(quán)重分別為0.726、0.172 和0.102，6 個(gè)指標(biāo)層分別是徑流總量控制、 徑流峰值控制、單位面積建設(shè)成本、單位面積維護(hù)管理成本、生態(tài)景觀價(jià)值，以及公眾教育價(jià)值，指標(biāo)權(quán)重分別為0.581、0.145、0.143、0.029、0.091 和0.011。

圖7 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)層次分析計(jì)算原則，分別計(jì)算出6 個(gè)指標(biāo)的得分情況，見圖8。 從圖中可以看到：方案一的徑流總量控制、徑流峰值控制、恩該景觀價(jià)值和公共教育價(jià)值得分均低于方案二，但建設(shè)成本和維護(hù)成本的得分高于方案二；根據(jù)指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的的指標(biāo)權(quán)重，分別計(jì)算得到方案一和方案二下服務(wù)區(qū)低影響開發(fā)系統(tǒng)的綜合評(píng)分：

圖8 方案指標(biāo)得分情況

方 案 一：0.726×(0.581×81+0.145×78)+0.172×(0.143×95+0.029×94)+0.102×(0.091×74+0.011×78)=82.3

方 案 二：0.726×(0.581×87+0.145×86)+0.172×(0.143×78+0.029×76)+0.102×(0.091×98+0.011×96)=86.4

綜上所述， 雖然方案二的造價(jià)高于方案一，但具有更好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，綜合評(píng)分優(yōu)于方案一，因此，建議采用方案二作為該服務(wù)區(qū)低影響開發(fā)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

基于海綿城市理論的低影響開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建是今后城市及配套設(shè)施建設(shè)的一大發(fā)展方向，政府也將繼續(xù)大力倡導(dǎo)和扶持低影響開發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)。 文章以某高速公路服務(wù)區(qū)為例，設(shè)計(jì)了低強(qiáng)度和高強(qiáng)度2 種LID 設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了方案的比選，結(jié)果表明：高強(qiáng)度的LID 設(shè)計(jì)方案雖然建設(shè)成本和維護(hù)成本高于低強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方案，但其具有更好的徑流控制效果、公共教育價(jià)值和生態(tài)景觀價(jià)值，通過層次分析法得到的方案二得分高于方案一， 因此，建議本服務(wù)區(qū)采用方案二(高強(qiáng)度)LID 設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改造。