陳 穎,陳盛權(quán),陳夏菁

（1.汕頭市城建工程設(shè)計院,廣東 汕頭 515031; 2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國城市化的持續(xù)推進，大規(guī)模的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)破壞了原有生態(tài)環(huán)境，天然地表被各種硬化路面所取代，使得地表降雨入滲能力大幅降低。在連續(xù)強降雨天氣下，降雨強度超過排水管網(wǎng)的輸送能力，城市容易出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象，造成一定程度的經(jīng)濟損失或人員傷亡。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者及工程人員提出了“海綿城市”的建設(shè)理念，2014年住建部也頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，對海綿城市道路的規(guī)劃思路、設(shè)計理念、主要工程措施等進行了探討[1]。但由于國內(nèi)海綿城市發(fā)展較晚，在設(shè)計時仍有很多不成熟的地方。因此，在海綿城市理念下進一步研究城市道路工程的優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義。

1 海綿城市道路系統(tǒng)性規(guī)劃理論分析

1.1 海綿城市道路建設(shè)需求及影響因素

海綿城市道路工程的具體建設(shè)需求需結(jié)合各城市特性、道路等級、道路規(guī)模等明確，主要包括以下幾點：①減小道路雨水峰值流量。隨著路網(wǎng)密度及硬化路面面積的增加，在降雨量相同的條件下，地表徑流量也增加，當(dāng)?shù)缆窂搅鞣逯荡笥谂潘艿赖妮斔湍芰Γ赡軐?dǎo)致城市內(nèi)澇現(xiàn)象。海綿城市道路設(shè)計的首要任務(wù)就是降低道路徑流峰值，緩解排水管網(wǎng)的短時排水壓力；②提升道路雨水水質(zhì)。路面車輛行駛產(chǎn)生的污染物會隨雨水沖刷排入市政管網(wǎng)，并匯入自然水體造成水源污染。海綿城市道路設(shè)計時需凈化和處理路面雨水徑流，提升道路雨水水質(zhì)；③提高道路雨水利用率。在干旱缺水地區(qū)，降雨是屬于水資源，但傳統(tǒng)的道路排水模式是將雨水利用管網(wǎng)流入河、溝、渠等，無法有效收集利用雨水。海綿城市道路設(shè)計時需設(shè)計雨水收集措施，待雨水凈化滿足利用標準后澆灑綠化帶或沖洗路面等，以緩解城市用水壓力。

海綿城市道路在設(shè)計時只有綜合考慮各方面影響因素，才能充分發(fā)揮道路功能。海綿城市道路工程建設(shè)的影響因素可分為直接因素和間接因素兩大類，具體分類見表1[2]。

表1 海綿城市道路建設(shè)主要影響因素

1.2 海綿城市道路設(shè)計思路

傳統(tǒng)的市政道路排水設(shè)計思路是利用雨水口匯集降雨，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)（Low Impact Development，LID）設(shè)施實現(xiàn)對雨水的儲存、過濾、蒸發(fā)、下滲等，以調(diào)節(jié)水循環(huán)，提升城市道路的服務(wù)水平[3]。因此，工程師在開展海綿城市道路設(shè)計時，應(yīng)在保證市政道路基本交通功能的前提下，結(jié)合海綿城市專項規(guī)劃文件，明確城市道路的年徑流總量、徑流污染消減率、水資源利用提升率等參數(shù)，選定經(jīng)濟合理的LID設(shè)施來減少或避免內(nèi)澇、水源污染、水資源流失等問題。

2 海綿城市道路的LID設(shè)施選擇及與周邊環(huán)境的連接

相關(guān)研究表明，傳統(tǒng)城市道路的硬化面積約占道路面積的75%左右，透水鋪裝率較低。城市海綿道路設(shè)計的關(guān)鍵就是要選擇合適的LID設(shè)施來增加城市的透水面積，充分發(fā)揮道路的“海綿體”功能[4]。

2.1 海綿城市道路的LID設(shè)施

（1）透水鋪裝。透水鋪裝可以削減雨水徑流、凈化雨水，常用于停車場、機動車道、非機動車道、人行步道等位置。透水鋪裝主要包括透水混凝土、透水瀝青、透水磚等，具體型號應(yīng)結(jié)合城市道路建設(shè)區(qū)域特點、交通條件、經(jīng)濟水平等選擇。

從工程造價來看，透水混凝土＞透水瀝青＞透水磚。

從施工工藝看，透水混凝土鋪裝是現(xiàn)場整體澆筑，工期短，可一次成型，但養(yǎng)護周期長；透水磚鋪裝施工工藝較復(fù)雜，對面磚強度、找平層材料配比等要求嚴格；透水瀝青鋪裝施工工序簡單，施工周期最短，施工結(jié)束24 h內(nèi)就可以通車運行。

（2）生物滯留設(shè)施。生物滯留設(shè)施是指在道路周邊的地勢相對較低區(qū)域，能通過植物、土壤、微生物相互作用對路面雨水徑流蓄滲、凈化的設(shè)施，常用的有生態(tài)樹池、植草溝、下凹式綠地等。

生態(tài)樹池：該設(shè)施設(shè)置在人行道和非機動車道之間。生態(tài)樹池內(nèi)部需鋪種植土，并在種植土底部埋入排水礫石層、排水管等，在種植土表層鋪反濾土工格柵和陶粒，這樣不僅可以延緩雨水流失速度，還能確保超量雨水滲進池底后利用排水管及時排出，以免雨水積蓄影響植物生長。

植草溝：植草溝結(jié)構(gòu)簡單，景觀效果好，占地面積小，后期易于維護，一般設(shè)置在有綠化帶的路側(cè)。根據(jù)功能的不同，可分為轉(zhuǎn)輸型植草溝（負責(zé)雨水收集、轉(zhuǎn)輸）和滲透型植草溝（實現(xiàn)雨水徑流的滲透、滯蓄、凈化功能）。

下凹式綠地：在降雨量較大或連續(xù)降雨天氣，如果綠地高于地面，綠地上來不及下滲的雨水徑流會溢到硬化路面，隨后流向排水管網(wǎng)，而高程低于周圍地面的綠地，其下凹空間能臨時蓄積雨水緩慢入滲。需注意，下凹式綠地?zé)o需對原有土壤進行換填，正常植草即可。

2.2 LID設(shè)施與周圍環(huán)境的連接

與建筑物銜接：城市道路穿越居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等，道路兩側(cè)與建筑物存在相互連接的過渡區(qū)。為了減少占地，提高排水效率，相連場地可采用透水鋪裝來排水，與人行道共用空間。

與城市水系連接：海綿城市水系一般會設(shè)置濕塘、雨水濕地等LID調(diào)蓄設(shè)施。城市道路與上述調(diào)蓄設(shè)施連接時，路面雨水徑流利用“植被緩沖帶”下滲、凈化后方可排入。

3 海綿城市道路排水設(shè)計案例分析

3.1 依托工程概況

（1）道路概況。該道路所處區(qū)域較平緩，坡度變化小，屬于河流相沖洪積平原地貌。道路等級屬于次干道，設(shè)計速度40 km/h，設(shè)計采用雙幅路，由中間分隔帶、機動車道、非機動車道、人行道組成，路面橫坡2%，人行道橫坡-2%。路面類型為傳統(tǒng)的瀝青混合料路面，厚度64 cm，原設(shè)計路面結(jié)構(gòu)組成為4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層。

同時，該道路采用雨污分流制排水系統(tǒng)，雨水管（D1000～D2000）雙側(cè)布置，雨水管尺寸計算依據(jù)氣象部門最新發(fā)布的暴雨強度公式。路面雨水徑流排向兩側(cè)的雨水口，經(jīng)雨水管排出。

（2）排水方案優(yōu)化。基于海綿城市理念，筆者將原設(shè)計方案中的中間分隔帶增設(shè)雨水口，路側(cè)帶的樹池替換為生態(tài)樹池，右側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)輸型植草溝，人行道使用透水方磚，機非混行車道使用透水瀝青路面，見圖1。雨水徑流走向為：機非混合車道匯集的雨水可排向兩側(cè)+中間雨水口，多余雨水流入植草溝，最終均流向沿線的下凹式綠地。

圖1 海綿城市道路橫斷面布置

（3）設(shè)計目標。通過對汕頭市氣象局提供的1991—2020年近30年逐日降水量資料（不包括降雪），將日降雨量由小到大進行排序（扣除≤2 mm的降雨事件）。統(tǒng)計分析得出汕頭市年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量之間的關(guān)系，見表2，并以此作為海綿城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的控制性指標。因此，該項目年徑流總量控制率取 70%時，對應(yīng)設(shè)計降雨30.34 mm。

表2 年徑流總量控制率對應(yīng)設(shè)計降雨量

3.2 雨水設(shè)計流量

在使用雨洪管理模型模擬降雨之前，需要先對道路進行分區(qū)，并根據(jù)沿線各分區(qū)內(nèi)的匯水面積計算出道路匯水流量。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014—2021）的規(guī)定，設(shè)計匯水流量計算公式為（1）～（2）：

式中，Q——雨水設(shè)計流量（L/s）；——綜合徑流系數(shù)，不同區(qū)域加權(quán)平均；F——匯水面積（ha）；q——設(shè)計暴雨強度（L/s），由暴雨強度公式計算；P——暴雨重現(xiàn)期；t——降雨歷時（min）。

該道路共劃分為A～E 5個匯水分區(qū)，經(jīng)計算，不同區(qū)域的綜合徑流系數(shù)和匯水面積見表3。

表3 海綿城市道路徑流量計算

3.3 海綿城市道路效果評價

（1）雨洪管理模型計算方法和程序。雨洪管理模型最早是由美國某高校開發(fā)的動態(tài)降雨—徑流演算模型，即通過構(gòu)建道路匯水面積、排水節(jié)點、LID設(shè)施等來模擬某一區(qū)域內(nèi)降雨情況。在雨洪管理模型中，路面匯流計算是采用“非線性水庫法”，并和曼寧公式聯(lián)立求解[5]，見式（3）：

式中，A——匯水區(qū)面積（m2）；v——匯水區(qū)蓄水量（m3）；h——水深（m）；i——降雨強度（m/s）。

雨洪管理模型計算路面徑流的主要程序有[6]：第一，將道路進行分區(qū)，結(jié)合CAD文件建模；第二，確定排水管道、排水節(jié)點、LID設(shè)施等對象的個數(shù)、位置和組合方案，并編輯各個對象的屬性；第三，根據(jù)降雨參數(shù)，設(shè)置路面徑流計算的有關(guān)信息（如步長、LID設(shè)施參數(shù)等）；第四，開始計算，還可根據(jù)研究需要導(dǎo)出相關(guān)計算圖表。

（2）不同開發(fā)模式下路面徑流。利用雨洪管理模型，計算了暴雨重現(xiàn)期=10年時，場地開發(fā)前、傳統(tǒng)城市道路開發(fā)、海綿城市道路開發(fā)下的路面徑流量，計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同開發(fā)模式下路面徑流

計算結(jié)果表明：海綿城市道路開發(fā)模式下的雨水徑流峰值是傳統(tǒng)城市道路的0.45倍，且徑流峰值出現(xiàn)時間延遲了約75 min。同時，海綿城市道路的徑流量與場地開發(fā)前比較接近（水文環(huán)境相似），滿足海綿城市建設(shè)技術(shù)指南的相關(guān)要求，也說明海綿城市道路開發(fā)在雨水徑流控制方面效果更好。

（3）降雨重現(xiàn)期對海綿城市道路徑流的影響。利用雨洪管理模型，計算了暴雨重現(xiàn)期為10年、20年、30年、40年、50年時，海綿城市道路的路面徑流量峰值，并利用origin軟件內(nèi)置的Logistic函數(shù)對暴雨重現(xiàn)期和雨水徑流峰值的關(guān)系進行擬合，相關(guān)系數(shù)達到了0.99，滿足工程需求，如圖3所示。

圖3 不同暴雨重現(xiàn)期海綿城市道路雨水徑流峰值

由圖3可知：暴雨重現(xiàn)期為10年、20年、30年、40年、50年時，海綿城市道路的雨水徑流峰值分別為218LPS、268LPS、333LPS、428LPS、716LPS， 重 現(xiàn) 期每增加10年，路面雨水徑流峰值會增加22.9%、24.3%、28.6%、67.3%。這說明：隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，海綿城市道路的雨水徑流峰值不斷提高，但提高速率并不是均勻的，即降雨強度越大，海綿城市道路雨水控制效果越差。

4 結(jié)語

該文主要研究了海綿城市道路的建設(shè)需求、影響因素、設(shè)計思路、LID設(shè)施及組合方法等，并以某次干路為研究對象，對海綿城市理念的應(yīng)用效果進行評價。主要得到以下結(jié)論：①海綿城市道路設(shè)計目標是減小道路雨水峰值流量、提升道路雨水水質(zhì)、提高道路雨水利用率等，設(shè)計期間應(yīng)綜合考慮各種直接和間接因素；②海綿城市道路設(shè)計的關(guān)鍵是要選擇透水鋪裝、生物滯留設(shè)施等LID設(shè)施來增加城市的透水面積，并做好與周圍建筑物、城市水系的連接；③海綿城市道路的徑流量整體與場地開發(fā)前比較接近，但雨水徑流峰值會隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而增加。研究結(jié)果表明，海綿城市道路可以較好地控制雨水徑流。