基于LID設(shè)施的市政排水設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310000

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和人口的增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也日益擴(kuò)大，同時(shí)對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境和水文環(huán)境產(chǎn)生了不可逆的破壞。城市開(kāi)發(fā)會(huì)提高地表不透水面積，使雨水下滲量持續(xù)降低，地表徑流匯集速度加快，從而導(dǎo)致路面積水或內(nèi)澇，嚴(yán)重影響行車(chē)安全性。選擇經(jīng)濟(jì)、合理的市政排水設(shè)計(jì)方案，成為設(shè)計(jì)人員需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了提高市政排水能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市雨洪管理開(kāi)展了大量的研究，提出了水敏性城市、海綿城市等理論，尤其是建設(shè)海綿城市，已經(jīng)成為我國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)的項(xiàng)目。低影響開(kāi)發(fā)理念（Low Impact Development,LID）可以實(shí)現(xiàn)從源頭、過(guò)程至末端共同控制排水，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，基于LID設(shè)施研究市政排水設(shè)計(jì)具有十分重要的工程意義。

1 城市低影響開(kāi)發(fā)雨洪管理模式

傳統(tǒng)的市政雨洪管理目標(biāo)是將道路表面的雨水徑流快速排入排水管網(wǎng)，其轉(zhuǎn)運(yùn)途徑如下：地表徑流→市政雨水管網(wǎng)→河湖水系。該方法可以處理部分雨水，但容易對(duì)自然水循環(huán)造成一定的干擾，影響生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。LID設(shè)計(jì)理念的核心是確保地表雨水自然下滲，使開(kāi)發(fā)后的雨水徑流總量和雨水峰值與開(kāi)發(fā)前基本保持一致（市政排水能力達(dá)到最佳狀態(tài)），以實(shí)現(xiàn)雨水再循環(huán)利用，并建立良好的水資源環(huán)境。

2 城市典型LID設(shè)施的設(shè)計(jì)

2.1 透水路面設(shè)計(jì)

由于透水型路面鋪裝材料孔隙性較大，可以使雨水較快滲入地下，從而減小地表積水。按照鋪設(shè)系統(tǒng)是否有徑流存儲(chǔ)區(qū)，可將透水型路面分成多孔鋪設(shè)、儲(chǔ)存式透水鋪設(shè)、非儲(chǔ)存式透水鋪設(shè)。多孔鋪設(shè)型透水路面在城市道路中的應(yīng)用較廣泛，其儲(chǔ)存區(qū)域、孔隙率等參數(shù)應(yīng)按照當(dāng)?shù)亟邓颗c降水頻率計(jì)算得到，路面施工時(shí)是先在路基上攤鋪碎石層來(lái)儲(chǔ)存徑流，然后再鋪設(shè)孔隙較大的多孔瀝青混合料（車(chē)行道）、低標(biāo)號(hào)混凝土（車(chē)行道）、透水地磚（人行道）等，以確保地表徑流滲入碎石儲(chǔ)存層。

2.2 植草溝設(shè)計(jì)

植草溝是沿道路走向布置的三角形或梯形的下凹式帶狀雨水措施，其主要功能是收集并排放地表徑流，雨水儲(chǔ)蓄和凈化能力較差。植草溝構(gòu)造簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)層包括土壤層、粗砂層、礫石層等，同時(shí)可在礫石層設(shè)置排水管將雨水排進(jìn)其他LID設(shè)施或城市排水管網(wǎng)。雨水流入植草溝后，如果水流速度過(guò)大（溝底縱坡大于4%），不僅會(huì)削弱植草溝對(duì)雨水的截留、吸收作用，還會(huì)沖擊植草溝底部土壤，導(dǎo)致溝身破壞。此時(shí)，可設(shè)計(jì)定距或變距消能坎來(lái)減緩水流速度，提高植草溝的抗沖刷性，塊石、漿砌片石、水泥混凝土均可作為消能坎材料。

2.3 生態(tài)樹(shù)池和生態(tài)滯留池設(shè)計(jì)

生態(tài)樹(shù)池屬于點(diǎn)狀生態(tài)滯留設(shè)施，適用范圍較廣。生態(tài)樹(shù)池內(nèi)一般種植當(dāng)?shù)剡m用性強(qiáng)的樹(shù)種，上部會(huì)鋪1m左右種植土，種植土的下部依次布置反濾層、礫石層、滲水管等，其主要作用是在不影響道路交通的前提下匯集機(jī)動(dòng)車(chē)道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道、人行道的雨水徑流。生態(tài)樹(shù)池的平面位置應(yīng)當(dāng)根據(jù)城市規(guī)劃、道路等級(jí)及功能等確定。

生態(tài)滯留池也是沿道路走向布置線形下凹式排水池，形狀規(guī)則，底部會(huì)種植綠化植物，主要用于綠地區(qū)域小但道路景觀要求高的核心商圈道路、人行步道等。生態(tài)滯留池的作用是控制地表雨水流向、凈化水質(zhì)，改善道路景觀。

2.4 人工濕地設(shè)計(jì)

人工濕地是重要的提高市政排水能力的LID設(shè)施之一，屬于綜合性雨水調(diào)蓄系統(tǒng)，即人工濕地可以將植草溝、生態(tài)樹(shù)池、生態(tài)滯留池等單項(xiàng)排水設(shè)施中的雨水進(jìn)行集中調(diào)蓄和凈化。人工濕地占地面積較大，不適合布置在市內(nèi)人流、車(chē)輛、建筑物密集地帶，通常設(shè)置在有開(kāi)敞空地的區(qū)域。同時(shí)，在雨水匯進(jìn)人工濕地之前，需要通過(guò)設(shè)計(jì)沉淀池（深池+淺池模式）、草溝、亂石堆圍擋、礫石過(guò)濾帶等措施對(duì)雨水進(jìn)行集中過(guò)濾。

3 LID多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》建議，設(shè)計(jì)LID設(shè)施排水系統(tǒng)時(shí)，控制目標(biāo)可選徑流總量、徑流峰值、徑流污染、雨水再利用率等。筆者結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，擬選擇地表徑流總量和徑流峰值兩個(gè)目標(biāo)來(lái)對(duì)市政排水進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）地表徑流總量。在LID雨水系統(tǒng)中，地表徑流總量目標(biāo)一般是通過(guò)徑流總量控制率來(lái)控制。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，最佳徑流總量控制率為80%～85%，各地區(qū)可按照當(dāng)?shù)厮Y源和市政規(guī)劃來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膹搅骺偭靠刂坡?，也可利用下式?jì)算：

式中：α為徑流總量控制率，%；Rj為當(dāng)?shù)貜搅魃疃?，mm；Ry為當(dāng)?shù)亟涤晟疃龋琺m。

（2）地表徑流峰值。地表徑流峰值是城市LID設(shè)施排水效果的輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，控制徑流峰值能大幅降低城市發(fā)生局部?jī)?nèi)澇的可能性。地表徑流峰值可按下式計(jì)算：

式中：Q為區(qū)域徑流峰值，m3/s；n為子匯水區(qū)域個(gè)數(shù)；qi為第i個(gè)匯水區(qū)域的徑流峰值，m3/s。

3.2 研究區(qū)概況

通過(guò)工程實(shí)例來(lái)評(píng)價(jià)LID設(shè)施對(duì)市政排水效果的影響是最直觀的辦法，文章以某城市次干道為研究對(duì)象，基于SWMM水文模型分析布置LID設(shè)施前后地表徑流總量和徑流峰值的變化規(guī)律。該次干道地形南高北低，夏季降水量較大，冬季降水較少，年降水量約566～689mm。因原設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致道路在運(yùn)營(yíng)期間易出現(xiàn)路面積水，降水量較大時(shí)，沿線街道甚至出現(xiàn)內(nèi)澇，嚴(yán)重影響了行車(chē)安全和舒適度。為了提高道路排水能力，采用透水型瀝青（行車(chē)道）和透水磚（人行道）、植草溝、生態(tài)樹(shù)池、人工濕地等措施來(lái)對(duì)道路進(jìn)行整體改造。

3.3 LID設(shè)施的雨洪控制效果

（1）降雨參數(shù)確定。利用SWMM模型模擬地表產(chǎn)匯流時(shí)，降雨重現(xiàn)期分別取1年、3年、5年、10年、20年，降雨歷時(shí)2h。降雨強(qiáng)度按《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2016）來(lái)計(jì)算：

式中：q為降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；p為降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時(shí)，min；A、C、b、n均為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算確定。

（2）地表徑流總量分析。城市道路在添加LID設(shè)施前后的徑流總量和徑流削減率如圖1所示。由圖1可知，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，地表徑流總量也不斷提高，設(shè)置LID設(shè)施后徑流總量明顯降低；同時(shí)，地表徑流削減率逐漸減小，但減小速率逐漸變緩。即當(dāng)降雨重現(xiàn)期小于3年，地表徑流削減率迅速降低，減少了22%；當(dāng)降雨重現(xiàn)期超過(guò)3年，地表徑流削減率降低幅度并不明顯。

圖1 設(shè)置LID設(shè)施前后徑流總量變化

（3）地表徑流峰值分析。城市道路在添加LID設(shè)施前后的徑流峰值變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，設(shè)置LID設(shè)施前后徑流峰值均隨著降雨重現(xiàn)期的增加而增加，且LID設(shè)施對(duì)徑流峰值有明顯的削減作用。降雨重現(xiàn)期為1年時(shí)，LID設(shè)施對(duì)徑流峰值的削減能力最大，達(dá)到了94.2%；降雨重現(xiàn)期超過(guò)10年，峰值削減率反而增加。

圖2 設(shè)置LID設(shè)施前后徑流峰值變化

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了低影響開(kāi)發(fā)的雨洪管理模式、典型LID設(shè)施設(shè)計(jì)及其對(duì)地表徑流的削減效果，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：（1）低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)計(jì)理念的核心促使地表雨水自然下滲，使城市開(kāi)發(fā)后雨水徑流與開(kāi)發(fā)前基本保持一致；（2）典型的城市LID設(shè)施有植草溝、透水路面、生態(tài)樹(shù)池、生態(tài)滯留池、人工濕地等，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮當(dāng)?shù)厮Y源及城市規(guī)劃；（3）隨著降雨重現(xiàn)期的增加，添加LID設(shè)施前后地表徑流總量和徑流峰值均不斷增加，且LID設(shè)施對(duì)其有明顯的降低作用。