城市道路設計中的海綿城市設施選型探索

戚沁菡

（重慶市勘測院，重慶市 401121）

0 引言

隨著城鎮化的發展，大量土地被硬化，原本的自然生態本底和水文特征發生了改變。被硬化前的土地透水系數較高，降雨不會形成大量徑流，但硬化后的屋面、路面、廣場等無透水性能，形成地表徑流需要排出。但是，在城鎮化飛速發展的過程中，城市需排出雨水量遠超了城市原來設計的排水能力，導致城市常常發生內澇；雨水被排出后，地面迅速變干，可供蒸發的水分減少，又導致城市發生旱情。這種水文過程的變化，最終還會帶來許多生態問題[1]。

“海綿城市”在國內經過幾年的推廣和實踐，取得了一定的成效。但在各地建設的經驗中，也發現了一些問題。

1 海綿城市概念

住建部《海綿城市建設技術指南-- 低影響開發雨水系統構建（試行）》（以下簡稱《指南》）對“海綿城市”的概念給出了明確的定義：海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水釋放并加以利用[2]。

傳統市政道路的排水理念是盡可能快的排除，雨水在路面形成徑流后進入雨水口，然后全部流入雨水管道進行排除。這樣容易導致在路緣石處形成積水，進而引發洪澇災害。同時路面初期降雨污染較重，這樣排入河道后會污染城市水體[3]。然而，采用海綿城市措施建設的城市市政道路排水系統，能夠有效的提升城市水資源利用率，在雨季期間大量的雨水能夠得到有效的儲存并投入到植被綠化、道路澆灑以及公廁用水等城市建設實際運用當中。

在城市道路設計中，海綿城市措施主要是對年徑流總量控制率和雨水徑流污染物削減率進行控制，常采用的措施包括下沉式綠地、植草溝、生物滯留設施、透水鋪裝等。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

波特蘭市會議中心項目在道路兩側設置了雨水花園、植被淺溝等，這些設施不僅對控制雨水發揮了作用，還提升了道路的景觀效果，獲得了2003 年最佳水資源保護獎[4]。

西雅圖的SEA Street 利用多種方式使雨水下滲，補充地下水。SEA Street 經過改造后，通過華盛頓大學三年監測發現，該區域暴雨時的徑流總量減少了99%[5]。

德國弗萊堡市的廣場，采用了下沉式綠地、旱式淺草溝、透水鋪裝等設施后，不僅沒有再出現排水不暢的問題，旱季時還能夠增加土地濕度，是“低影響開發”在城市廣場中應用的典型案例[5]。

Dreelin 等人的研究表明，透水路面相較于普通瀝青路面，能減少93%的雨水徑流[6]。Collins 等人經研究發現，透水混凝土路面可以接納6 mm 的降雨量下滲，避免其形成徑流[7]。Debusk 等人通過實驗發現，生物滯留設施能夠削減地表徑流量的97%～99%[8]。

2.2 國內研究現狀

劉國茂建議將道路兩側路緣石由立式改為平式，這樣可將一部分車行道雨水引入綠化帶內。這樣，不僅可節約大量的水資源，緩解城市用水壓力；雨水下滲后還可作為地下水的補充，緩解由于地下水的過度開采而造成的地面沉降[9]。張崇厚等人提出人行道可采用透水鋪裝，或形成人行道滲水帶，人行道滲水帶還可與路側帶的綠化帶連為一體，形成更寬的滲水帶，這種做法適用于各種斷面形式的城市道路[10]。

何衛華等人經研究后提出：針對不同類型的城市道路，應進行海綿城市的合理化設計。立交可設置大型雨水塘、濕地、多功能調蓄等；快速路及干道宜采用生物滯留帶、植被淺溝、雨水花園等，減少徑流總量和污染物負荷；支路則應利用周邊綠化帶，采用分散式措施，人行道應全部采用透水鋪裝[11]。

2010 年，深圳市在光明新區門戶區新建了23條市政道路，采用了下沉式綠地等低影響開發（LID）技術進行設計，使道路紅線范圍內的雨水得到了過濾、滯蓄、滲透等[12]。海源南路是昆明市第一條根據雨水資源化利用的理念進行設計的道路，采用了開孔路緣石，將道路路面雨水匯入雙側綠化帶，達到雨水減排、凈化、補給地下等目的[13]。

綜上所述，國外的低影響開發（LID）技術研究開始得較早，因此已日趨成熟，但其學術研究大多是關于LID 設施的控制效果，而關于LID 設施在城市道路中的應用等方面的文獻較少。海綿城市技術在我國城市道路中的研究和應用還處于探索階段，雖然住建部出臺了《指南》，但其給出的內容、要求和方法都是指導性的意見，具有籠統性，缺少針對性建議及具體的工程設計、實踐成果。

3 城市道路設計中的海綿城市設施選型

LID 技術主要功能有滲透、儲存、調節、轉輸、截污凈化等，各類用地中LID 設施選用見表1，其中道路LID 設施效果見表2[2]。

根據表1、表2 可知，城市道路可選用的LID 設施有：透水磚鋪裝、生物滯留設施、下沉式綠地和植草溝等。其中，下沉式綠地無污染物去除效果，植草溝對徑流總量控制的效果較弱，因此建議道路海綿城市設施選用生物滯留設施和透水磚鋪裝，并根據不同路幅、縱坡，通過計算進行設施選型。

表1 各類用地中低影響開發設施選用一覽表

表2 海綿城市道路LID 設施性能效果表

3.1 不同道路路幅的海綿城市設施選型

為保證生物滯留設施的性能和景觀效果，其寬度不宜小于1.5 m。同時，《城市道路工程設計規范（2016 年版）》（CJJ 37—2012）要求，各級道路人行道最小寬度為2 m。因此，建議人行道寬度小于5 m 時，不設置生物滯留設施，僅采用人行道透水磚鋪裝這一種海綿城市LID 設施；當人行道寬度大于等于5m時，可在采用人行道透水磚鋪裝的基礎上，設置生物滯留設施。

生物滯留設施寬度應根據計算選取，設施具有的調蓄容積應滿足“單位面積控制容積”的指標要求，設計調蓄容積一般采用《指南》中的“容積法”進行計算。

以重慶市某道路為例，道路長度1 000 m，道路路幅分配為5.5 m（人行道）+7.5 m（機動車道）+7.5 m（機動車道）+5.5 m（人行道）=26 m，在兩側人行道靠近路緣石一側新建1.8 m 生物滯留帶，內部凈寬1.5 m，考慮機動車道雨水徑流均通過路緣石雨水豁口進入生物滯留帶。

（1）生物滯留帶設計進水量

海綿城市徑流控制指標設計調蓄量：

式中：V 為設計調蓄容積，m3；Hs為設計降雨量，mm，按照年有效徑流控制率85%計，取31.9 mm；Ψ 為綜合雨量徑流系數，按照用地性質加權取，道路取0.9；A 為車行道可控部分匯水區域面積，m2；A0為生物滯留帶直接受雨的面積，m2。

（2）生物滯留帶設計計算

生物滯留帶的設計有效調蓄容積：

式中：Vs為生物滯留帶的設計有效調蓄容積；Wp為滲透量，m3。滲透設施的滲透量按照式（3）（達西定律）計算：

式中：α 為綜合安全系數，一般可取0.5～0.8，本次設計取0.8；K 為平均滲透系數，m/s，本次設計取10-6m/s；J 為水力坡降，一般可取J=1.0；As為有效滲透面積，m2；ts為滲透時間，s，取值7 200 s。

（3）生物滯留帶實際有效調蓄容量校核

本次設計生物滯留帶總長為2 000 m，凈寬為

1.5 m，其中蓄水層深度為0.2 m，則校核計算結果見表3。

表3 生物滯留帶實際有效調蓄容量校核計算表

由于生物滯留帶V實＞Vs，因此本次設計生物滯留帶單項設施年徑流總量控制率可以達到85%，對應控制的設計降雨量為31.9 mm。

由上例可以看出，凈寬度為1.5 m 的生物滯留設施，可以滿足機動車道寬度為7.5 m 時單項設施年徑流總量控制率85%的要求。當機動車道寬度增大時，應相應增大生物滯留設施凈寬度，進而增大其調蓄容積，以滿足單項設施年徑流總量控制率的指標要求。

3.2 不同道路縱坡的海綿城市設施選型

機動車道雨水徑流通過路緣石雨水豁口進入生物滯留設施，路緣石攔水帶構成了淺三角形形式，見圖1。

圖1 淺三角形溝示意圖

對于淺三角形溝的水力計算采用修正的曼寧公式來計算泄水能力。

式中：n 為曼寧粗糙系數，粗糙瀝青路面取0.016；i1、i2為道路橫坡和縱坡；h 為路緣石處水深，m。

路緣石雨水豁口為倒梯形側向進水，進水狀況類似于側堰，可按寬頂堰堰流公式計算。由于側孔前的水深是沿縱向變化的，其誤差用系數K 修正，雨水豁口泄流量：

式中：B 為路緣石豁口寬度，m；K 為修正系數，0.52；h 為側孔前水深，m。

可知，當道路縱坡較大時，路緣石處水深h 較小，進而造成雨水豁口泄流量較小，必須減小雨水豁口布置間距，以滿足雨水豁口泄流量為設計流量的1.5～3 倍的要求。但雨水豁口布置太密，將影響道路美觀、加大建設投資，實際收水效果也難以保證。

因此建議：當道路縱坡小于5%時，可設置生物滯留設施；道路縱坡大于等于5%時，不設置生物滯留設施，可采用普通綠化帶，保持景觀統一性。生物滯留設施雨水豁口設置間距應根據道路縱坡進行計算，道路坡度越大，雨水豁口設置間距越小。

4 結 語

城市道路在海綿城市建設中有著舉足輕重的地位，是海綿城市建設的重要組成部分。城市道路不僅需要收集排放其范圍內的雨水，周邊地塊的雨水也會進入道路雨水管網系統，因此城市道路在城市內澇防治等方面發揮著關鍵作用，如何在海綿城市理念下充分考慮城市道路的功能及特點，并對其進行最優化設計對生態文明建設有著重要的意義。