吳壽可

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海市 200041）

0 引言

2015 年5 月，在住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的支持和指導(dǎo)下，三亞市全面啟動了“城市雙修雙城”工作，海綿城市建設(shè)是其中的重頭戲之一[1]。2015 年6 月，三亞市成為海綿城市建設(shè)的試點城市。2016 年，為指導(dǎo)海綿城市建設(shè)工作有序進行，三亞市政府編制了《三亞市海綿城市建設(shè)總體規(guī)劃》，作為三亞市建設(shè)海綿城市的重要依據(jù)，并確立了三亞市海綿城市建設(shè)試點區(qū)域，同步編制了試點區(qū)域海綿城市建設(shè)的控制性詳細規(guī)劃，明確了一系列海綿城市建設(shè)項目。其中包含多個現(xiàn)狀道路的海綿化改造項目和新建海綿型道路項目。本文以其中一項現(xiàn)狀市政道路的海綿化改造工程為例，探討在充分考慮道路現(xiàn)狀、周邊環(huán)境和總體投資等因素的基礎(chǔ)上，如何因地制宜地進行海綿改造方案設(shè)計。

1 項目概況

工程地點位于三亞市月川片區(qū)，道路全長約1 490.74 m，紅線寬度16 m，總面積27 262.67 m2，雙向車道，是一條城市支路。道路南側(cè)用地以居住用地和教育用地為主，北側(cè)以公園綠地和水域為主（見圖1）。海綿化改造的內(nèi)容主要包含下沉式綠地改造、生態(tài)樹池改造、雨水口改造等。

圖1 周邊用地規(guī)劃圖

2 現(xiàn)狀條件

2.1 氣象條件

三亞市屬熱帶海洋性季風氣候，長夏無冬，全年陽光充足，蒸發(fā)量大，旱季雨季分明。全市年平均氣溫25.5 ℃，年平均降雨量1 392.2 mm，年均降雨天數(shù)為109 d。5 月～10 月為雨季，降雨量占全年雨量的90%；11 月～ 來年4 月為旱季，降雨量僅為全年雨量的10%。6 月～11 月受熱帶氣旋影響較多，降雨多為臺風雨，過程降雨量多在50 mm 以上，呈現(xiàn)雨急風大的特點。年平均蒸發(fā)量較大，為2 360.7 mm。由于全年陽光充足，三亞市蒸發(fā)量各月分布較為均勻。

2.2 地質(zhì)條件

本工程位于三亞市海綿城市試點區(qū)域月川片區(qū)內(nèi)。根據(jù)《三亞市海綿城市控制性詳細規(guī)劃》，該區(qū)域表層為素填土，下面是粗砂、細砂、中砂及黏土，滲透性良好。參考2014 年道路新建工程的詳細勘察報告，在勘察所達深度范圍內(nèi)，場地地層上覆地層主要為第四紀全新統(tǒng)人工填積層（）、湖泊沉積層（）、河流沖洪積層。依據(jù)地基土巖性結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)及其差異性，自上而下可分為6 個主要工程地質(zhì)層。各地層分布情況和主要參數(shù)見表1。

表1 各地層分布情況和主要參數(shù)

2.3 道路現(xiàn)狀及下墊面分析

道路現(xiàn)狀車行道為瀝青路面，人行道為人行道磚鋪設(shè)，道路兩側(cè)有1 m×1.5 m 行道樹池，行道樹池凈距約4.5 m，道路整體平坦（見圖2）。道路現(xiàn)狀橫斷面圖見圖3，道路現(xiàn)狀下墊面統(tǒng)計情況見表2。

表2 道路現(xiàn)狀下墊面統(tǒng)計

圖2 道路現(xiàn)狀圖

圖3 道路現(xiàn)狀橫斷面圖（單位：cm）

2.4 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

本工程排水體制現(xiàn)狀為分流制。

雨水管道敷設(shè)于道路北側(cè)機動車道下，距離道路中心線3.2 m 處，雨水管采用DN500 鋼筋混凝土管，僅收集道路路面雨水，不收集和轉(zhuǎn)輸?shù)貕K雨水，分3 個排口分別排往北側(cè)濕地公園。機動車道內(nèi)側(cè)設(shè)有平篦雨水口，收集道路徑流雨水?，F(xiàn)狀雨水管網(wǎng)排水標準為2 a 一遇。

污水管道敷設(shè)于道路南側(cè)機動車道下，距離道路中心線3.2 m 處，污水管采用DN400 HDPE 管，收集道路南側(cè)居住和教育用地生活污水。

3 海綿改造目標

根據(jù)《三亞市海綿城市建設(shè)總體規(guī)劃》和《三亞市海綿城市建設(shè)試點區(qū)域控制性詳細規(guī)劃》，本工程海綿化改造目標應(yīng)達到以下要求：

（1）年徑流總量控制率不低于50%，對應(yīng)設(shè)計降雨日值18.5 mm，即18.5 mm 雨水不外排的建設(shè)要求。

（2）雨水年徑流污染控制率：低影響開發(fā)LID（Low Impact Development） 設(shè)施的徑流污染控制以盡可能降低水環(huán)境污染為目標，確定各地塊徑流污染物（以SS計）削減率不低于36.3%。

（3）雨水管渠設(shè)計達到3 a 一遇的雨水重現(xiàn)期設(shè)計標準。

（4）不減少道路及其沿線景觀綠化面積。

本工程為老路改造項目，受道路現(xiàn)狀條件所限，應(yīng)挖掘海綿化改造潛力，并與北側(cè)濕地公園一起進行海綿指標統(tǒng)籌，達到海綿化改造目的。

4 海綿改造方案

4.1 方案設(shè)計總體原則

已建道路的海綿化改造系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從道路存在的問題出發(fā)，堅持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、問題導(dǎo)向、因地制宜、修舊利廢及灰綠結(jié)合的原則，以綠色低影響開發(fā)源頭減排的建設(shè)為主，綜合采用滲、滯、蓄、凈、用、排等技術(shù)手段，兼顧道路改造，完善道路雨水排放系統(tǒng)。

城市道路海綿化改造技術(shù)和措施有多種，應(yīng)根據(jù)不同類型的功能、用地構(gòu)成、土地利用布局、水文情況等特點進行選擇。本工程海綿化設(shè)計主要依賴于道路人行道樹池、北側(cè)的濕地公園等對路面雨水進行調(diào)蓄、凈化。

4.2 計算公式

4.2.1 暴雨強度公式

暴雨強度公式是城鎮(zhèn)雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計的基本依據(jù)之一。三亞市現(xiàn)行暴雨強度公式如下：

式中:q 為暴雨強度，L/（s·ha）；t 為降雨歷時，min，t=t1+t2，其中t1為地面集水時間，取10 min，t2為雨水在管渠內(nèi)的流動時間；P 為重現(xiàn)期，本工程取3 a。

4.2.2 雨量計算公式

一定重現(xiàn)期下的雨水流量計算公式如下：

式中：Q 為雨水設(shè)計流量，L/s；φ 為綜合徑流系數(shù)；F為匯水面積，ha。

綜合徑流系數(shù)φ 是對各類下墊面面積進行統(tǒng)計后，按照地面種類進行加權(quán)平均計算得到的。

4.2.3 設(shè)計調(diào)蓄容積

根據(jù)文獻[2]，依據(jù)劃分的排水分區(qū)及各個分區(qū)的下墊面情況，利用容積法計算排水分區(qū)設(shè)計調(diào)蓄容積，計算公式為：

式中：V 為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H 為設(shè)計降雨量，mm。

4.2.4 年徑流總量控制率和年徑流污染控制率

根據(jù)文獻[2]相關(guān)定義，年徑流總量控制率為100%與全年外排的徑流雨量占全年總降雨量的比例之差。本工程采用SS 作為特征污染物，年SS 總量削減率為年徑流總量控制率×低影響開發(fā)設(shè)施對SS的平均削減率。本工程海綿設(shè)施主要采用生態(tài)樹池和下沉式綠地，平均污染物去除率為70%～80%，以75%計取。

4.3 方案策略

根據(jù)下墊面實際情況，因地制宜地采用生態(tài)樹池、下沉式綠地等海綿設(shè)施對路面雨水進行收集、調(diào)蓄和凈化，以提高年徑流總量控制率和年徑流污染控制率，保護受納水體。本工程的設(shè)計雨水排放流程見圖4。

圖4 雨水排放流程圖

以上排水流程采用了以下3 種排水策略：

（1）部分路段北側(cè)緊鄰濕地公園，可充分利用紅線外的綠地建設(shè)下沉式綠地，并將北半幅路面雨水優(yōu)先引入下沉式綠地。該策略關(guān)鍵在于將現(xiàn)狀雨水口改造為雙格溢流式雨水口（見圖5），其中A 格為原雨水口井體（加蓋密封），B 格為新建部分。雨水進入B 格后，優(yōu)先通過DN200 管道排向下沉式綠地。當短時雨水量超過DN200 管道排放能力時，或下沉式綠地雨水已蓄滿時，B 格蓄滿，雨水經(jīng)溢流口進入A 格，并由原雨水口連管排入市政雨水管道后直接排放。下沉式綠地內(nèi)雨水則通過自然下滲補充地下水，過量雨水通過雨水溢流口排入濕地公園內(nèi)部水系。

圖5 雙格溢流式雨水口大樣圖（單位：mm）

該策略優(yōu)點在于充分利用場地外現(xiàn)狀綠地條件，并避免大面積掘路，最大限度地運用現(xiàn)狀市政雨水管道，保證排水安全性。

（2）對于無下沉式綠地可利用的路段，于人行道現(xiàn)狀樹池間新建生態(tài)樹池對雨水進行調(diào)蓄（新建生態(tài)樹池需毗鄰原路面雨水口，雨水口加蓋密封），路面雨水通過開口路緣石進入生態(tài)樹池進行下滲凈化，下滲的雨水通過透水盲管匯入樹池中的雨水口。當生態(tài)樹池蓄滿時，超標雨水直接溢流進入雨水口，并新建一段雨水連管，將生態(tài)樹池內(nèi)的雨水口與原雨水口井體連接。新建生態(tài)樹池大樣圖見圖6。

圖6 新建生態(tài)樹池大樣圖（單位：管徑以mm計，其余以cm計）

該策略優(yōu)點在于拉長雨水匯流時間，削減徑流峰值和徑流污染，避免掘路，最大限度地利用現(xiàn)狀雨水排水設(shè)施保證排水安全性。由于生態(tài)樹池凈寬較窄，在進行設(shè)計時生態(tài)樹池內(nèi)的雨水口有一側(cè)墻與樹池共壁，體現(xiàn)了設(shè)計的靈活性。

（3）對于既無下沉式綠地可利用，且因障礙物原因不具備建設(shè)生態(tài)樹池條件的路段，則保持原排水模式，只對現(xiàn)狀路面雨水口加裝截污掛籃，對路面雨水進行初步截污后，通過市政雨水管道排入濕地公園內(nèi)部水系。

4.4 方案設(shè)計計算

根據(jù)道路雨水系統(tǒng)的布局，本工程可劃分為11個排水分區(qū)。匯水分區(qū)劃分一覽表見表3。

表3 匯水分區(qū)劃分一覽表

根據(jù)4.3 節(jié)方案策略，各匯水分區(qū)通過新建生態(tài)樹池和利用下沉式綠地，充分挖掘海綿設(shè)施調(diào)蓄潛力。雨水設(shè)施徑流控制量見表4。本工程生態(tài)樹池和下凹式綠地蓄水高度分別按0.30 m 和0.15 m計取。

表4 雨水設(shè)施徑流控制量

本工程除4 號分區(qū)和6 號分區(qū)采用道路紅線外的下沉式綠地調(diào)蓄外，其余分區(qū)均以道路紅線內(nèi)的生態(tài)樹池為調(diào)蓄設(shè)施。經(jīng)計算，僅有4 號和6 號分區(qū)達到或超過了50%年徑流總量控制率，對應(yīng)降雨日值18.5 mm 的要求；其余分區(qū)由于不具備建設(shè)足夠的調(diào)蓄設(shè)施而未能達標。本工程設(shè)置海綿設(shè)施控制雨量總體積約205 m3，控制雨水量10.3 mm，僅達到對應(yīng)年徑流總量控制率35%的要求。年徑流污染控制率為35%×75%=26.3%。剩余的8.2 mm 降雨將隨雨水管道排濕地公園。濕地公園是一個大海綿體，具有調(diào)蓄與凈化的作用，作為雨水排放的最終納體，需承擔該道路部分年徑流量和污染物的控制指標。

5 SWMM 模型模擬

5.1 模型概化

SWMM 模型由美國國家環(huán)保署開發(fā)，可對降水徑流過程進行動態(tài)模擬[3-4]，主要用于模擬城市某個單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬。SWMM 模型中可設(shè)置生物滯留網(wǎng)格、透水路面、綠色屋頂、滲渠、植草溝和雨水桶等LID 技術(shù)[5]。

根據(jù)現(xiàn)狀排水管道布局，搭建SWMM 水力模型，共概化為57 個排水節(jié)點、54 個排水管段（總計1 505 m） 和11 個子匯水分區(qū)（總面積2.73 ha）。SWMM 模型概化圖見圖7。同時在各子匯水分區(qū)中根據(jù)表4 設(shè)置LID 措施參數(shù)。

圖7 S WMM 模型概化圖

5.2 參數(shù)設(shè)置

SWMM 模型在模擬過程中會受到模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)等不確定性因素的影響[6]，參數(shù)的設(shè)置對于模擬結(jié)果至關(guān)重要。SWMM 模型參數(shù)主要包括子匯水分區(qū)參數(shù)、管渠參數(shù)、下滲參數(shù)、模擬參數(shù)等。模擬選項設(shè)置：下滲模型采用霍頓下滲模型，演算模型采用動力波，時間步長采用0.5 s。本工程SWMM 模型參數(shù)設(shè)置主要采用GIS 提取、查閱模型手冊和文獻確定。SWMM 模型參數(shù)見表5。

表5 S WMM 模型參數(shù)設(shè)置

5.3 降雨雨型

海綿化改造后，需對本工程雨水管道的排水能力、排口的流量峰值進行水力模型評估。根據(jù)《三亞市海綿城市方案設(shè)計專篇編制指南》，本工程采用現(xiàn)行暴雨強度公式為依據(jù)，以芝加哥雨型推求3 a 一遇的1 h 降雨歷程，雨峰相對位置取0.40。所設(shè)計的雨型見圖8，降雨總量為63.49 mm。

圖8 3 a 一遇的1 h 芝加哥雨型降雨量

5.4 模擬結(jié)論

根據(jù)模型模擬，在3 a 一遇的1 h 降雨情景下，海綿化改造前總出流量為56.56 mm，排口徑流峰值為0.50 m3/s；海綿化改造后總出流量為49.86 mm，排口徑流峰值為0.45 m3/s。經(jīng)過對比，海綿化改造后，徑流削減率為11.85%，徑流峰值削減率為10%，均優(yōu)于現(xiàn)狀。根據(jù)模擬結(jié)果，雨水管道在3 a 一遇的1 h 降雨下未發(fā)生節(jié)點溢流，達到了3 a 一遇排水標準。

此外，由于本工程受改造場地和投資的限制，未采用大面積透水鋪裝等徑流源頭削減措施，且生態(tài)樹池的調(diào)蓄空間有限，其滲后水依然通過雨水管網(wǎng)排放，因此在年徑流總量控制方面作用并不顯著，導(dǎo)致本工程海綿化改造并不能完全達到海綿規(guī)劃指標，依然需要濕地公園進行托底，承擔本工程部分年徑流量和污染物控制指標。

6 結(jié)語

（1）本工程受改造場地和投資的限制，采用在道路用地范圍內(nèi)新建生態(tài)樹池和利用道路紅線外下沉式綠地進行雨水調(diào)蓄的方式未能使本道路達到年徑流總量控制率和年徑流污染控制率的規(guī)劃目標，需要濕地公園對海綿規(guī)劃指標托底。

（2）在進行海綿化改造方案設(shè)計時，需靈活運用場地內(nèi)外條件。本工程中生態(tài)樹池的建設(shè)和下沉式綠地的運用，均具有一定的靈活性，能夠最大限度地運用現(xiàn)狀雨水管道系統(tǒng)，減少掘路面積，降低工程成本。

（3）本工程海綿化改造對雨水徑流量和徑流峰值均有削減作用，可間接地將雨水管道排水標準從2 a一遇提升至3 a 一遇。