劉 鑫 陳 穎

(湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 株洲 412007)

在工業(yè)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)快速發(fā)展的過程中,由于城市規(guī)劃、建設(shè)理念滯后,導(dǎo)致城市內(nèi)澇、城市水污染、城市水資源缺少等問題愈發(fā)嚴(yán)重。自2012年4月“低碳城市與區(qū)域發(fā)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(guān)于海綿城市建設(shè)的政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)[1]。海綿城市建設(shè)旨在通過城市規(guī)劃和建設(shè)管理,實現(xiàn)雨水自然蓄積、自然滲透、自然凈化[2]。在海綿城市推進(jìn)建設(shè)過程中,市政道路的海綿化建設(shè)往往發(fā)揮著重要的引導(dǎo)作用[3]。水泥混凝土因具有良好的力學(xué)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(yōu)點,而被廣泛應(yīng)用于市政道路中[4]。然而其所造成的后果則是自然水循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)的負(fù)荷加重、城市地下水位降低,導(dǎo)致城市中地表徑流污染嚴(yán)重,水質(zhì)遭受污染,地下水無法得到補(bǔ)充,在遇到高強(qiáng)度降雨時易發(fā)生洪澇災(zāi)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(diào)蓄作用[8-9]。因此,在城市建設(shè)時應(yīng)著重考慮市政道路海綿化,把對自然水循環(huán)系統(tǒng)的影響降到最低。

低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的暴雨管理和面源污染處理技術(shù),旨在通過分散的、小規(guī)模的源頭控制來達(dá)到對暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制,使開發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)[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(biāo),將海綿城市建設(shè)理念應(yīng)用到市政道路設(shè)計中,綜合采用低影響開發(fā)(LID)設(shè)施來改善、治理傳統(tǒng)市政道路的雨水收集處理方式,充分發(fā)揮植被、道路等對雨水徑流的緩沖、吸納、凈化作用,建設(shè)蘊含海綿城市建設(shè)理念的市政道路排水系統(tǒng)[11]。

1 海綿城市市政道路的相關(guān)概念

海綿城市,即城市能夠像海綿一樣,在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)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(shè)理念則是將自然途徑與人工措施結(jié)合,對城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)式改造[12]。從而達(dá)到改善和保護(hù)城市自然生態(tài)環(huán)境、雨水資源收集再利用、補(bǔ)充城市地下水、減少地表徑流污染及降低城市洪澇發(fā)生概率的目的。

在海綿城市建設(shè)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(nóng)業(yè)非點源污染的第二大污染源[13]。其中含有大量污染物質(zhì),包括懸浮顆粒物、持久性有機(jī)污染物、農(nóng)藥、重金屬、氮磷等營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)、其他有代表性的工業(yè)源化合物等[14]。市政道路則是城市地表雨水徑流產(chǎn)生、匯集與排放的主要區(qū)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(shè)中的重要內(nèi)容之一[15]。傳統(tǒng)的市政道路雨水收集排放系統(tǒng)是路面雨水→雨水口→雨水口連接管→檢查井→市政管網(wǎng)的快排系統(tǒng)[16]。傳統(tǒng)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(yán)重、生態(tài)環(huán)境破壞等嚴(yán)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(shè)充分貫徹海綿城市理念,盡可能保證道路達(dá)到徑流控制的指標(biāo),減輕下游徑流控制設(shè)施負(fù)擔(dān)[17]。通過結(jié)合海綿城市建設(shè)理念來預(yù)防治理城市內(nèi)澇、控制減輕道路徑流污染、改善市政道路周邊生態(tài)環(huán)境等,即建設(shè)蘊含海綿城市理念的市政道路排水系統(tǒng):路面雨水→下沉式生物綠帶→雨水溢流口→市政排水系統(tǒng)[18]。

2 海綿城市市政道路排水

根據(jù)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(shè)理念在市政道路中的應(yīng)用,見圖1。四幅路的橫斷面一般由人行道、綠化分隔帶、非機(jī)動車道、機(jī)非分隔帶、機(jī)動車道、中央分隔帶組成,在市政道路設(shè)計中可以根據(jù)實際道路組成來選擇合適的低影響開發(fā)(LID)設(shè)施。

圖1 四幅路雨水低影響開發(fā)系統(tǒng)流程示意圖[20]

當(dāng)遇到降雨時,機(jī)動車道的一部分雨水經(jīng)透水鋪裝下滲到濾水層,另外一部分機(jī)動車道雨水徑流則從中央分隔帶匯流至路緣石側(cè)石開口進(jìn)入機(jī)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(dǎo)流管匯流至地下雨水管,見圖2;非機(jī)動車道的一部分雨水經(jīng)透水鋪裝下滲到濾水層,另外一部分非機(jī)動車道雨水徑流流入綠化分隔帶中,經(jīng)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(jīng)透水鋪裝流入地下,補(bǔ)充城市地下水。經(jīng)處理后流入雨水管的雨水收集至蓄水設(shè)施中,可用于綠化、道路澆灑等。當(dāng)雨水過多時,中央分隔帶、機(jī)非分離帶和綠化分隔帶的超量雨水徑流經(jīng)溢流口流入市政雨水管網(wǎng),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(fā)生源頭就將其污染物截留,防止污染物通過雨水徑流進(jìn)行擴(kuò)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(fā)設(shè)施,避免過多的地表懸浮顆粒物、有機(jī)污染物、氮和磷等營養(yǎng)元素和重金屬進(jìn)入市政排水管網(wǎng),造成更嚴(yán)重的水體污染,將地表徑流攜帶的污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化成綠色植被生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)[22-23]。

3 海綿城市市政道路設(shè)計

3.1 行車道路面

傳統(tǒng)市政道路機(jī)動車道路面材料一般為混凝土或瀝青,在道路設(shè)計時,機(jī)動車道橫坡坡度一般為1.5%,在海綿城市建設(shè)中,在滿足市政道路路面和路基的強(qiáng)度及穩(wěn)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(dāng)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(shè),應(yīng)按照《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CTJ 37—2012)和《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 37—2012)來設(shè)計鋪設(shè);當(dāng)交通荷載等級為輕交通時,可以采用透水材料來鋪設(shè)[25],并在透水鋪裝下鋪設(shè)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(jìn)入雨水管道輸送到市政排水管網(wǎng)或者蓄水池中。當(dāng)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(cè)石開口進(jìn)入機(jī)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(shè)計中,透水鋪裝的孔隙率應(yīng)大于8%,在15%～25%比較合適。在不同環(huán)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(jié)合城市地勢地況、降雨量、水文地質(zhì)、氣候環(huán)境、地下水位高度、溫差以及土質(zhì)類型等實際情況來綜合考量設(shè)計,合理地選擇透水鋪裝結(jié)構(gòu)層及材料,讓各結(jié)構(gòu)層能夠相互協(xié)調(diào),最大限度發(fā)揮作用[27-29]。透水瀝青結(jié)構(gòu)類型見圖3。

圖3 透水瀝青結(jié)構(gòu)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(jù)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(biāo)準(zhǔn),同時在設(shè)計時必須考慮到透水磚路面是否需要承受機(jī)動車荷載,并依據(jù)實際情況選擇合適的透水磚路面結(jié)構(gòu)層,透水磚路面結(jié)構(gòu)層一般由透水磚面層、找平層、基層、墊層組成[31]。在人行道設(shè)計時,可以參照《海綿城市工程設(shè)計圖集:低影響開發(fā)雨水控制及利用》來規(guī)劃透水磚路面各結(jié)構(gòu)層的厚度,并根據(jù)實際情況來設(shè)置人行道橫坡坡度。

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

圖4 城市人行道透水磚路面結(jié)構(gòu)層[33]

3.3 機(jī)非、綠化分隔帶生物滯留池設(shè)置

行車道雨水徑流通過路緣石側(cè)石開口流入礫石緩沖帶,再進(jìn)入生物滯留池中[34],經(jīng)過植被的吸附、凈化去除雨水中的一部分污染物,再經(jīng)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(jìn)入地下雨水管網(wǎng),雨水管網(wǎng)可以視實際情況連接市政排水管網(wǎng)或蓄水設(shè)施。在生物滯留池靠近行車道的一面必須鋪設(shè)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(shè)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(shè)時,一般通過設(shè)置路緣石側(cè)石開口來收集雨水進(jìn)入機(jī)非分隔帶中的生物滯留池中,路緣石側(cè)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(jié)構(gòu)層積水能夠透過透水路緣石進(jìn)入生物滯留池。路緣石側(cè)石設(shè)置見圖6。

圖6 路緣石側(cè)石設(shè)置示意圖[33]

為了防止雨水沖刷以及垃圾隨雨水徑流進(jìn)入,導(dǎo)致破壞生物滯留池,在路緣石側(cè)石開口處應(yīng)鋪設(shè)礫石帶,設(shè)置一定量的卵石,起到緩沖和凈化作用,后期應(yīng)定期清理[25]。路緣石側(cè)石開口平面見圖7。

圖7 路緣石側(cè)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(yǎng)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(yīng)[36],生物滯留池中的植被選擇應(yīng)遵循以下原則[37-38]:

a.優(yōu)先選用當(dāng)?shù)刂脖弧．?dāng)?shù)刂脖荒軌蚋玫剡m應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)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(tài)習(xí)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(tài)滯留池中的水量往往和降雨量有關(guān),大部分時間內(nèi),滯留池內(nèi)水量很少,并且在有降雨時有可能出現(xiàn)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(shè)計過程中,還需要考慮植被的景觀效果,可以根據(jù)植被花期、顏色來搭配設(shè)計。

d.選用根系發(fā)達(dá)、凈化力強(qiáng)的植被。根系不發(fā)達(dá)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(qiáng),以便更好地吸附雨水中攜帶的污染物。

e.選用易生存、維護(hù)成本低的植被。在滿足上述條件的情況下,考慮植被相關(guān)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(xù)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(jié)構(gòu),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(qiáng),但保水能力差;黏土透水能力差,但保水能力強(qiáng)。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(yīng)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(dāng)?shù)卦敛粷M足上述條件,可以異地更換土壤或者對當(dāng)?shù)赝寥肋M(jìn)行改良。在海綿城市市政道路設(shè)計時,應(yīng)合理地結(jié)合地形、降雨量、土壤類型以及透水保水需求,計算最優(yōu)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(jìn)入生物滯留池的雨水徑流過多,雨水進(jìn)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(shè)計時,應(yīng)每隔一段距離設(shè)置一個雨水溢流口,超量雨水通過雨水溢流口進(jìn)入市政排水管網(wǎng)中。雨水溢流口設(shè)置距離根據(jù)路緣石側(cè)石開口設(shè)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(shè)置擋水堰。

3.8 蓄水設(shè)施

經(jīng)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(jìn)入蓄水設(shè)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(shè)施容積應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅?、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(jié)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(shè)中的一大難題。本文對海綿城市理念下的市政道路設(shè)計進(jìn)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(shè)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(xiàn)了道路對徑流污染的削減及控制,能夠保護(hù)、調(diào)節(jié)和修復(fù)城市原有水循環(huán)系統(tǒng),對海綿城市建設(shè)具有極大意義。