海綿城市理念應用于積水點雨水排水系統改造探討

胡 強

（蘭州市城市建設設計研究院，甘肅 蘭州730030）

0 引言

近年來，城市內澇問題頻現，不少城市開啟“看海”模式引發社會熱切關注。防治積澇災害已成為我國城市化進程中不可避免的課題。通過建設海綿城市解決內澇的構想被提到前所未有的高度。海綿城市，是新一代城市雨洪管理概念，就是使城市的排水系統像海綿一樣，具有自動吸收和排除水分的功能。當城市大幅度降雨，甚至出現水淹、洪災等情況時，城市的排水系統可以吸收、滲透、儲存、凈化水體；當出現干旱的情況時，城市的排水系統可以釋放儲存的水量。

1 海綿城市排水設計思路

根據《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》[1]，建設海綿城市，即構建低影響開發雨水系統，主要是指通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術途徑，實現城市良性水文循環，提高對徑流雨水的滲透、調蓄、凈化、利用和排放能力，維持或恢復城市的海綿功能。

海綿城市排水設計，應遵循生態優先的原則，將自然途徑與人工措施相結合，在確保城市排水防洪安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。建設海綿城市并不是將傳統的排水系統推倒重來，而是將其視為對傳統排水系統的一種補充，最大程度地利用城市現有的條件[2]，優先利用植草溝、滲水磚、雨水花園、下沉式綠地等“綠色”措施來組織排水，以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制為主要規劃設計理念，既避免了洪澇，又有效地收集了雨水。雨水通過城市“海綿體”下滲、滯蓄、凈化、回用，最后剩余部分徑流通過管網、泵站外排，從而可有效地提高城市排水系統的標準，緩減城市內澇的壓力。城市“海綿體”既包括河、湖、池塘等水系，也包括綠地、花園、可滲透路面等城市配套設施。在海綿城市建設的過程中，應統籌自然降水、地表水和地下水的系統性，協調給水、排水等水循環利用各環節，考慮其復雜性和長期性。對于較大的城市，老舊城區面臨空間條件有限、改造難度大等問題，應考慮建設大型地下蓄水池、大規模改造雨水管線等設計方案，多增添一些“海綿體”，使其更具有可行性。比如讓城市屋頂“綠”起來，增加綠地面積，而且“綠色”屋頂在滯留雨水的同時還起到節能減排、緩解熱島效應的功效。而廣場、街道、操場等地方改用透水效果好的材料磚，避免大面積的雨后積水。

2 蘭州市積水點形成的原因

蘭州屬溫帶大陸性氣候。年平均氣溫10.3℃；年平均日照時數為2446 h；無霜期為180 d；年平均降水量為327 mm，主要集中在6～9 月。近幾年逢雨必澇的現象頻發，每逢大雨，城市多個積水點就會嚴重積水，直接導致群眾出行困難，交通堵塞；暴雨時，雨水會沖開井蓋，行人和車輛稍有不慎就會掉進去。除極端暴雨事件增加和暴雨強度增強等自然原因外，城市現有排水設施自身問題日益凸顯。

（1）城市快速發展，城市地面硬化鋪裝面積逐年增加，土地減少，導致地面滲水能力大幅度降低。由于舊城區管網設計年代較早、管徑較小，瞬時降雨量太大，排放不及，導致多處積水。

（2）管網改造不徹底，部分地區管道仍為雨、污混流管道。降雨時，大量雨水排入污水管道，增加污水處理量，整個片區排水不暢。強降雨時，雨水主要通過自然高差沿路漫流。例如：新港城北門丁字路口積水點，現狀雨水排水管雨污水合流，基本按污水管道使用；原有排出口廢棄，無法排放；從而，造成該區域目前無專門的雨水排水管道及排出口。

（3）現有管道老化、管道淤堵嚴重，部分管道坡度埋深存在一定的設計缺陷，基本喪失了使用功能。例如：安定門鐵路橋下為地勢低點，暴雨來臨時，附近道路的雨水，以及南山路的雨水匯集在此處。積水點處現狀d800 雨水排水管道，管道坡向與排水方向相反，導致安定門鐵路道口東側積水無法及時排除。

3 基于海綿城市理念的積水點雨水改造設計應用

城市的地表多被鋼筋混凝土的建筑和不透水的路面覆蓋，缺乏滲透雨水的能力。構建海綿城市通常從改善自然水文滲透、降低表層徑流、減少匯聚道管網中的降水量等方面進行。通過對改變地面的鋪裝材料、實施屋頂綠化等都可以實現滲透雨水。透水性鋪裝是“海綿城市”設施中的一種重要的源控制技術，通過減少城市不透水面積，在城市雨水的徑流走向得到良好的調控的同時，促進雨水的儲存、滲透和凈化。常用的地面透水鋪裝有三種選擇：透水磚、透水瀝青混凝土和透水混凝土。結合蘭州地區濕陷性黃土地質情況，分析土體的滲透系數、土層結構、地下水位、土層厚度等因素，人行道擬采用透水磚鋪裝，而城鎮道路擬采用透水瀝青路面。

3.1 雨水設計流量公式

雨水設計流量公式為：

式中：Q為雨水量，L/S；q為暴雨強度，L/（hm2·s）；Ψ 為綜合徑流系數，按城鎮建筑較密集區確定徑流系數，該工程設計取0.50；F為匯水面積，hm2。

3.2 暴雨強度公式

雨水量采用蘭州市暴雨強度公式進行計算。

舊編蘭州市暴雨強度公式為：

新編蘭州市暴雨強度公式見表1 所列。

表1 新編蘭州市暴雨強度公式一覽表

表中：t為降雨歷時，min，t=t1+t2；t1為地面集水時間，min，取15 min；設計雨水重現期P=1 a。

經計算q=0.42 mm/min。

不同暴雨強度下透水結構層推薦厚度[3]見表2所列。

表2 不同暴雨強度下透水結構層推薦厚度一覽表

透水結構層推薦最小厚度應為30 cm。透水瀝青路面結構設計指標應滿足現行《城鎮道路路面設計規范》（CJJ169）要求。

根據實際情況，可選用透水瀝青路面Ⅱ型，路表水由面層進入透水基層后排入鄰近排水設施（見圖1）。

圖1 透水瀝青混凝土鋪裝結構示意圖[4]

透水基層可選用排水式瀝青穩定碎石、級配碎石、大粒徑透水性瀝青混合料等。透水瀝青面層厚度宜為8～10 cm，基層厚度宜為15～22 cm，Ⅱ型透水結構層下部應設置封層，封層材料的滲透系數不應大于80 mL/min，且應與上下結構層粘結良好。

人行道采用透水磚路面。透水磚路面的設計應滿足當地2 a 一遇的暴雨強度下，持續降雨60 min，表面不應產生徑流的透水或排水要求。透水磚路面結構層應由透水磚面層、找平層、基層、墊層組成（見圖2）。

圖2 透水磚路面結構示意圖

人行道擬采用半剛性基層或柔性基層的透水磚路面，基層厚度按《城鎮道路路面設計規范》（CJJ169）計算，透水磚路面塊體厚度采用瀝青路面的設計方法，以設計彎沉值為路面整體強度的設計指標，核算基層的彎拉應力，透水磚路面塊體厚度應按下式計算[5]：

式中：ht為透水磚路面塊體厚度，mm；hl為瀝青混凝土面層厚度，mm；α 為換算系數，取0.7～0.9。

結構層的厚度還應進行透水、儲水能力驗算。

除此之外，因蘭州地區為濕陷性黃土地質，不能滿足透水磚路面下的土基的基本要求，除采用滿足規定的一般黏性土或砂性土置換外，還需要結合現有雨水收集利用系統做路面內的排水設計。蘭州屬于寒冷地區，應進行抗凍最小厚度驗算。若結構層厚度小于最小防凍層厚度時，則應增加防凍墊層使其滿足最小防凍厚度的要求。

3.3 安寧區北濱河路七里河橋下積水點位置與現狀

以安寧區北濱河路七里河橋下積水點為例，見圖3 所示。

此處積水點地勢較低，自西向東d400 雨水排水管道及自東向西d600 雨水排水管道在積水點附近分別由d800 雨水排水管道接至黃河。現狀雨水排水管道管徑偏小，除考慮增大雨水管徑外，積水點周邊采用透水性鋪裝，道路采用透水瀝青路面、人行道采用透水磚鋪裝且均設置路面內部排水設施，就近接入現有雨水管道，人行道雨水經過匯流后，直接排至附近綠化帶。為合理利用雨水資源，改上凸型綠化帶為下凹形，可收集人行道、車行道地表雨水。綠化帶內設置溢流設施，可采用溢流豎管、蓋篦溢流井或雨水口，雨水口高于綠化帶100 mm，但是低于路面，路面雨水進入綠化溝中，達到一定高度后進入雨水口，排至雨水管網。從而，最大程度地發揮綠化帶蓄水、滯水的功效。

整治積水點，常規做法為增設路面雨水口、增設雨水管道等。結合海綿城市的理念，對于積水點，合理控制、減少地表徑流，緩解雨水口排水壓力，彌補因路面施工不足而導致坡度、坡向對雨水排放的不利影響。通過設計道路透水鋪裝，減少地表徑流，亦可避免因雨水口被垃圾堵塞，而導致雨水積存，避免發生路面積水情況，徹底改善積水點。

圖3 七里河橋下積水點位置圖及其實景

3.4 其他項目設計

海綿城市設計思路還包括透水景觀鋪裝、綠色建筑設計，塑料模塊蓄水、地下蓄水池，雨水花園、生態滯留區設計等。但在積水點改造中，應結合實際情況，考慮具體設計思路是否適宜。蘭州城關區安定門鐵路橋橋下積水點、七里河區西津西路肉聯廠家屬院等積水點，因其周邊無綠化帶，且道路沿線不宜設置地下蓄水裝置，通過增設雨水口，增大管徑，將雨水排至附近排洪溝，也可解決積水問題。

4 蘭州市構建海綿城市的建議

對于海綿城市建設，應分別探討老城區的改造和新城區統籌設計應用。老城區多增添一些“海綿體”更具有可操作性，設置屋頂花園、改造現有綠化設施，結合現有管網的維修升級工程，廣泛地應用新材料，逐步擴大海綿城市改造規模；新城區則應由規劃、水利、園林、住建等多部門聯合推進海綿化建設，對城市水環境、雨水資源利用、立體綠化等問題綜合考慮，用可持續發展的眼光改善城市的自然環境。對于住宅小區，屋頂可采用以雨水利用和滲透為主的設施，如綠色屋頂、高位雨水花臺；對于小區道路[4]，可采取透水鋪裝，采用透水磚及透水路面，結合小區景觀布置雨水花園、地下蓄水裝置，提高雨水利用率。廣場、停車場、城市道路，應主要考慮綠色基礎設施發揮作用，加大綠化面積，合理布置植草溝、雨水花園、生態樹池等，減少大面積集中布置綠地，為提高雨水使用效率，可通過設置沉沙池和硅沙蓄水池等，將凈化的雨水儲存，用于澆灑道路、灌溉綠化帶等。

依據國務院辦公廳印發《關于推進海綿城市建設的指導意見》，“推廣海綿型建筑與小區、海綿型道路與廣場，推進城市排水防澇設施建設和易澇點改造，實施雨污分流，科學布局建設雨水調蓄設施”，積水點的改造，應視為推進海綿城市建設的一部分。在解決積水點排水問題的前提下，運用海綿城市設計思路，因地制宜，將建設海綿城市作為對傳統排水系統的一種補充，逐步改善城市排水現狀，通過實際工程，總結經驗，推進城市海綿化進程，促進社會與自然的和諧發展。