基于海綿城市理念的城市基礎設施LID設計與改造

黃思婷，陳立航，李順群,2，張磊

（1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384）

1 引言

近幾十年來，中國城鎮化速度迅速加快，截至2016年，中國城鎮化率已達到57.35%。快速的城鎮化發展導致城市下墊面發生顯著變化，諸如城市地面硬化，濕地綠化面積縮減，可用水資源減少等。為了應對上述問題，建設“自然積存、自然滲透、自然凈化[1]”的海綿城市理論正式提出。

低影響開發（LID）雨水系統構建[2]是指運用海綿城市理念將城市建設成為具有吸收、凈化、儲存雨水集一體的海綿式特性的城市。建設海綿城市是有效解決城市內澇災害、熱島效應、水資源緊缺等一系列問題的方法。從使用功能不同可將現代城市基礎設施分為四個單元，即生產生活建筑區、城市綠地、城市道路、市政管網，各單元之間雨水聯系如圖1。

圖1 城市基本單元之間的水利聯系

城市排放消散雨水的重點是加強城市各單元水利之間的相互聯系、相互協調，其中城市道路與濕地綠化區是城市雨水處理體系中最重要的兩個環節，加強城市道路與濕地綠化區的透水性是解決城市雨水處理問題的關鍵點。

本文對城市道路與濕地綠化區進行了透水性改造，加強協調城市各功能單元之間的水利聯系，統籌好各城區的雨水資源管理及再利用問題，進而為推動構建綠色統一的海綿城市提供參考。

2 城市道路LID設計

凝土路緣石代替傳統路緣石。路面采用透水鋪裝，路基底部鋪裝透水帶，加大道路透水性。行車道路鋪裝層剖面圖如圖2所示。

2.1 城市道路LID設計原則

傳統道路鋪裝設計存在路面透水性差、地表徑流量大的缺點，且道路排水主要依靠市政網管，這種排水設計方式將污染嚴重的道路雨水直接排入河道，污染城市水體。此外，點式雨水口收集地表雨水易產生路邊積水[3]，當降雨峰值高于市政網管峰值排水量時，加重了市政網管排水體系的壓力。同時，雨水通過管道排出將無法存留，不利于緩解熱島效應、雨島效應及城市用水短缺等問題。因此，本文基于海綿城市理論對城市道路進行設計改造。

城市道路LID設計需要遵從以下三個原則：①城市道路排水設計應根據區域排水規劃、道路設計和沿線地形環境條件，綜合考慮道路排水方式；②道路的地面水必須采取可靠的措施，迅速排除；③城市道路排水設計重現期、徑流系數等設計應按照標準《室外排水設計規范》[4]執行。

2.2 城市行車道路LID設計

城市行車道路LID設計重點是加大道路透水性，并將積存雨水引排到綠地區域。為了增強道路透水性，對部分城市道路的鋪裝進行了改進，即采用透水混

圖2 行車道路透水鋪裝剖面

透水層與承載儲水層之間鋪設具有過濾功能的土工布，儲水設備用于儲存雨水，取水管用于抽取雨水，完成雨水的再利用。表1為鋪裝層數據信息。

2.3 人行道路LID改造

街道及公園的人行道路以路面和路基透水性改造為主。具體人行道路鋪裝結構如圖3所示。

路面采用透水磚鋪裝，上層可鋪設裝飾層，提升透水人行道路的美觀性。為了解決透水磚鋪裝道路路面溢水問題，路基以建筑垃圾填充，既能滿足承載力要求，又滿足提升人行道路透水性要求，還滿足綠色可持續的環保理念要求。人行道路鋪裝中滲透孔、砂石滲井、排水管道、擋土墻的構成數據如表2所示。透水磚以粗骨料混凝土制成，路面與路基之間用級配砂礫石找平，礫石層起承載儲水作用。

通過城市道路透水性改裝，有效減小城市道路的徑流系數，提高了雨水滲透量。一方面補給了地下水源，有效的應對城市用水緊張問題；另一方面減輕了城市內澇災害問題，城市熱島效應得以緩解，而且對道路有較好的保護，使路面不被雨水侵蝕而產成裂縫、變形的后果[5]。有效的將雨水轉化為可控、可利用資源，維持城市水利資源循環利用。

圖3 人行道路透水鋪裝結構

人行道路鋪裝構件數據 表2

3 城市綠地LID改造

3.1 城市綠地在構建海綿城市中的內涵

城市綠地作為城市生態系統中僅存的保留有水氣循環功能的組成部分，對改善城市生態環境，削減地表徑流流量、水質污染，增強土壤滲透性，減輕土壤的侵蝕，回補地下水具有重要作用[6]。城市綠地分為六大類型：公共綠地、居住區綠地、交通綠地、附屬綠地、生產防護綠地、市區或郊區的風景區綠地[7]。城市綠地作為海綿城市構建的重要組成部分，在調控城市雨水利用方面發揮著“彈性”作用[8]，在降水充沛的夏季，城市綠地吸收、凈化、儲存雨水。在旱季，又能把儲存的雨水加以利用，緩解城市內澇、水資源短缺、熱島效應等問題。通過加大地面滲透性，達到消除地面積水的目的，而且城市綠地作為儲存雨水的“天然的水庫”，起著凈化水質、涵養水源的作用。雨水補給城市綠地通過兩個渠道，一種是從地表直接下滲補給，雨水直接降落到城市綠地表面，滲透到地下補給水源；另一種是通過地下透水層或管道補給，城市其他功能單元滲透吸收的雨水通過地下的透水層補給到城市綠地。

事實證明，建設城市綠地是解決城市雨水資源利用不均衡的有效途徑。因此對城市現有綠地設計建設的重點是增加城市綠地面積、加大地表滲透性、選配合適的植被配置類型、增強綠地貯水能力等。對應不同類型的城市綠地，應采取不同的措施，將更多的雨水儲存下來，建立起以城市綠地為中心的“儲水單元”，再以管道連接城市各綠地，達到城市各區域的雨水資源協調平衡的目的。

3.2 綠地改造原則

城市綠地作為城市吸收涵養水源主體，對于維持城市水文地質穩定具有重要作用。綠地改造的目的是吸收降水、凈化水質、涵養水源、實現雨水的再利用。對城市綠地的改造應基于原有的綠地基礎，加裝透水構件，增大雨水在濕地地區的滲透速度，滲透水量，控制區域水分蒸發量，將城市綠地打造為城市的儲水單元，最大限度的利用降水資源。城市綠地改造即追求增大透水性的改裝，又不能破壞原有生態，即滿足水量上要削峰、水質上要減污、雨水資源要利用[9]的要求。

3.3 公園綠地（針對城市大小不同，綠地大小不同）

公園綠地在城市綠地中單體占地面積最大，植被種類最多，且對城市生態系統有著極其重大的影響。具有一定的水質凈化能力、儲水能力、城市生態環境調節能力、增強城市美觀性等特點[10]。

現有公園綠地建設成功案例，如圖4的哈爾濱群力雨洪公園、香港濕地公園、美國波特蘭的坦納斯普林斯公園[11]等，對公園綠地的設計改造有很大的借鑒價值：①公園綠地具有較低的海拔高度，利于收集儲存雨水；②公園綠地具有高于非綠地地表的滲透能力；③公園綠地具有一定的水質凈化能力；④公園綠地采用相應的透水鋪裝，如透水磚、透水混凝土、砂石、鵝卵石等，主要用于景觀道路、廣場、配套建筑場區等裸露地面鋪裝，如圖5所示；⑤公園綠地將地表設置為凹凸形式，相對于地表為平面的綠地，具有凹凸地表的綠地具有更大的雨水接觸面積，在地面具有相同滲透性的情況下，地表凹凸的綠地具有更大的滲透量；⑥公園綠地配置合適的植被與樹木[12]，在公園綠地坡面種植具有滯水能力的低矮植被，如草坪、低矮的灌木等，有利于減緩徑流速度，增大雨水徑流時間和徑流距離，增大雨水下滲面積和下滲時間。在溝谷處種植具有儲水能力的植被，如高大的喬木，加裝砂石滲井等滲水構件，加大地表滲透性，提高雨水的滲透速度。設計公園綠地效果如圖6。

3.4 交通綠地（用于機動車輛行走的道路占城市面積多少）

基于海綿城市設計，交通綠地（人工綠帶化）除了發揮美觀功效外，還應具有一定的雨水收集、處理、儲存作用。為滿足海綿城市建設中對于雨水凈化、收集、儲存等要求，對交通綠地進行如圖7設計。

圖4 哈爾濱群力雨洪公園

圖5 公園綠地景觀道路

圖6 公園綠地效果圖

如圖，設計中交通綠地由植被土層、生物滯留層、滲透層、砂石滲井、地下儲水設備、輸水管道等構成。依照現有研究[13]，下凹式綠地是提升雨水收集能力最有效的設計形式，故交通綠地采用下凹式綠地設計。設計中植被土層厚度400mm～600mm；生物滯留層可由細沙填充，生物滯留帶對雨水起著凈化、阻截生物碎屑等大顆粒物體進入、防止堵塞滲透層的作用，厚度100mm～150mm；滲透層采用級配砂石填充，厚度100mm～150mm，起到透水、集水的作用；生物滯留層與滲透層之間鋪設土工布，砂石滲井采用混凝土砂石滲井[14]，加大植被層的滲透能力。地下儲水設施用來儲存和利用降水資源。設置輸水管道，抽取收集的雨水用于市政綠化灌溉。

圖7 交通綠地設計形式

3.5 居住區綠地（海綿城市和小區結合起來，比如芯柱體放置深度）

城鎮化的快速發展使得大量的建筑屋面和硬化路面代替了原來能夠涵養水源的自然地面，天然的排水方式和排水格局發生了極大變化，改變了城市水循環過程，從而改變了天然狀態下的水文機制[15]。依照“海綿城市”理論對城市居住區綠地進行改造，注重加大居住區屋頂和混凝土鋪裝地面的雨水排放與收集，著重處理收集雨水的凈化、儲存、再利用等方面的問題。

城市居住區雨水處理主要以管網收集為主，設計形式如圖8所示。主要由雨水收集、過濾池、雨水檢查管、雨水儲集池、水泵、非飲用水利用管構成。雨水收集管用于收集屋頂及裸露硬化地面的雨水，過濾池用于凈化雨水水質，雨水儲集池用于儲存凈化后的雨水，雨水檢查管用于檢查凈化后雨水水質，水泵與出水管用于雨水的再利用。

4 城市各區域的水利聯系

城市區域建設各自為政，缺少溝通聯系是海綿城市建設過程中一個突出問題，這不僅導致海綿城市建設和改造進程緩慢、區域不協調、資金浪費與改造不徹底等問題，而且極易加劇人類生存與城市現有環境不適應的固有矛盾。因此構建統一協調的海綿城市建設和改造機制是及其必要的。

圖8 居住區雨水收集利用系統示意

城市因其固有性質的差異，諸如滲透能力、雨水儲存能力的差異導致水資源分布不均，部分區域滲透能力弱，地表徑流量大，易形成城市內澇災害。因此，應采取措施將這些區域的雨水轉移儲存到滲透能力強的區域。解決這一問題的重點是要加強城市各區域的水利聯系，以均衡雨水資源。具體實施方法應以管道輸送為主，構建城市區域管道輸送體系，分擔城市總雨水處理壓力，達到控制雨水、利用雨水的目的。

5 結論

海綿城市建設的目的是將雨水轉化為有利于人類的資源，解決人類生存與城市環境不適應問題。海綿城市建設應從“軟”“硬”兩個方面著手。“硬”是指城市應加強基礎設施建設與改造，使城市有能力吸收雨水、儲存雨水、利用雨水；“軟”是指城市應加強區域聯系，統籌協調區域之間水利聯系，做到雨水資源的合理分配，以期實現城市對雨水自然積存、自然滲透、自然凈化的要求。