基于海綿城市理念的城市道路改造方案設(shè)計探討

李 波

(上海宏渠工程咨詢監(jiān)理有限公司，上海 201301)

我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展在帶動一方經(jīng)濟的同時，也帶來了城市內(nèi)澇、徑流污染、地下水位下降、水資源匱乏等問題。據(jù)相關(guān)報道，我國660多個城市中有60%出現(xiàn)不同程度缺水[1-2]。城市內(nèi)澇和缺水同時存在，說明傳統(tǒng)城市排水管理模式存在調(diào)蓄能力差，徑流污染嚴(yán)重，雨水資源利用率低等問題。

為了解決城鎮(zhèn)發(fā)展過程中出現(xiàn)的這一系列問題，2012年，“海綿城市”的概念首次在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》被提出。2013年，《中央城鎮(zhèn)化工作會議》強調(diào)：建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市，提出新一代雨水管理模式。“海綿城市”是指現(xiàn)代城市可以像海綿體一樣，在城市雨水管理方向具備彈性，下雨時吸水、蓄水、凈水，需要用時將前期存蓄的水釋放出來，并加以合理利用[3-4]。可在提高城鎮(zhèn)雨水調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，有效補充城鎮(zhèn)地下水，提高雨水的綜合利用率[5-6]。

占城市建設(shè)用地面積15%～20%的道路硬化[7]，是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，因此有針對性地開展城市道路海綿化改造，對海綿城市建設(shè)來說至關(guān)重要。本文以上海蘆潮港社區(qū)道路海綿化改造為例，探討市政道路中的海綿體系構(gòu)建措施[8]，使得在滿足道路基本功能的前提下達到低影響開發(fā)(LID)控制目標(biāo)與指標(biāo)要求[9]。

1 蘆潮港社區(qū)道路海綿化改造工程概況

1.1 項目概況

臨港地區(qū)位于上海市東南角，地處長江口和杭州灣交匯處，距上海市中心75km。上海臨港地區(qū)試點區(qū)域分為七類示范區(qū)，并明確各分區(qū)重點示范內(nèi)容和方向，蘆潮港社區(qū)位于臨港試點區(qū)第七分區(qū)，內(nèi)容為老城區(qū)積水改造河道綜合治理。蘆潮港社區(qū)海綿化改造道路包括江山路、港輝路、蘆茂路、蘆碩路、蘆安路、潮和路和蘆云路，改造道路長5870m，平均寬度25～50m。此次道路提升改造主要圍繞海綿城市理念，改變傳統(tǒng)的雨水收集排放系統(tǒng)，綜合利用人行道生態(tài)樹池、側(cè)分帶雨水花園、景觀旱溪、透水鋪裝、排放口人工濕地、凈化調(diào)蓄模塊、雨水調(diào)節(jié)塘等工程措施，將路面的雨水通過低影響開發(fā)方案使該地區(qū)在雨水道路年徑流總量控制、面源污染控制和排水防澇方面取得一定效果。

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 地區(qū)雨水道路年徑流總量控制率

通過海綿城市道路改造方案設(shè)計，使該項目城市道路年徑流總量控制率達到85%的建設(shè)要求。

1.2.2 地區(qū)雨水道路年徑流污染控制率

雨水利用設(shè)施的徑流污染控制以盡可能降低水環(huán)境污染為目標(biāo)，同時考慮初期雨水處理設(shè)施規(guī)模，該項目道路海綿化改造設(shè)計要求道路年徑流污染控制率為55%。

1.2.3 防澇排水標(biāo)準(zhǔn)

蘆潮港社區(qū)道路海綿化改造后，通過采取一系列措施，使道路的防洪排水標(biāo)準(zhǔn)達到5年一遇不積水，100年一遇不內(nèi)澇的建設(shè)要求。

2 改造前道路雨水排放現(xiàn)狀

2.1 改造前道路雨水積水現(xiàn)狀

工程范圍內(nèi)道路改造前均采用雨污分流的排水體制，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期為1年，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，由于雨水管道排水能力不足，存在雨水排口封堵、局部區(qū)域河網(wǎng)間距比較大，道路排水距離較長，以及在汛期河道水位較高等現(xiàn)象，雨水管排水易受河網(wǎng)水位頂托的影響，致使在風(fēng)暴潮的影響下，工程范圍內(nèi)地面徑流峰值大，集中排水導(dǎo)致排水不暢，使局部區(qū)域較易形成積水受澇。

2.2 改造前現(xiàn)狀排水能力評估

應(yīng)用Infoworks ICM建立蘆潮港社區(qū)徑流-管網(wǎng)-河道一體化模型，綜合考慮區(qū)域內(nèi)降雨、產(chǎn)匯流、下滲、蒸發(fā)、管網(wǎng)水動力、河網(wǎng)水動力等因素，導(dǎo)入收集到的蘆潮港社區(qū)已建雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)(已建雨水管網(wǎng)總長度約23.2km)，建立模型。通過驗證的模型發(fā)現(xiàn)，以滿管流為評估標(biāo)準(zhǔn)時，蘆潮港社區(qū)內(nèi)排水能力小于1年一遇的管網(wǎng)占比為89.1%；以地面積水為評估條件時，重現(xiàn)期大于5年一遇的管網(wǎng)比例提高至97.2%。

2.3 現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險評估

經(jīng)模擬，蘆潮港社區(qū)遭遇100年一遇降雨時，區(qū)域局部地方積水超過15cm，但是隨著河道水位下降，積水很快退去。從模擬結(jié)果可以看出，已建區(qū)模擬情況與現(xiàn)狀易澇點基本吻合。未建區(qū)域的積水情況較為嚴(yán)重，但該區(qū)對目前居民的生產(chǎn)和生活并無影響，因此現(xiàn)狀積水點沒有覆蓋該區(qū)域。該區(qū)積水的主要原因是地塊尚未開發(fā)，場地地勢較低，因此在地塊開發(fā)時應(yīng)注意場地排水高程設(shè)計，保證區(qū)域排水安全。

3 道路海綿化改造思路

3.1 有側(cè)分帶

當(dāng)?shù)缆酚袡C非分隔帶時，如江山路、港輝路，人行道生態(tài)樹池、側(cè)分帶雨水花園和紅線外雨水花園均結(jié)合現(xiàn)狀道路雨水口布置，每隔30m設(shè)置一處，紅線外旱溪連續(xù)布置，生態(tài)樹池、雨水花園均設(shè)置溢流口，超標(biāo)雨水排入市政管道。設(shè)施布置情況見圖1。

圖1 低影響開發(fā)設(shè)施布置(有側(cè)分帶)

3.2 無側(cè)分帶

當(dāng)?shù)缆窞閱畏窌r，如蘆茂路、蘆碩路、蘆安路、潮和路、蘆云路，人行道生態(tài)樹池和紅線外雨水花園結(jié)合現(xiàn)狀道路雨水口布置，每隔30m設(shè)置一處，紅線外旱溪連續(xù)布置，生態(tài)樹池、雨水花園均設(shè)置溢流口，超標(biāo)雨水排入市政管道。設(shè)施布置情況見圖2。

圖2 低影響開發(fā)設(shè)施布置(無側(cè)分帶)

4 道路海綿化改造方案設(shè)計

4.1 人行道生態(tài)樹池設(shè)計

人行道每30m在行道樹之間設(shè)置一處生態(tài)樹池，車行道和人行道雨水排入生態(tài)樹池，生態(tài)樹池平面尺寸為6m×1m，下沉深度0.2m，生態(tài)樹池滲透系數(shù)為100mm/h，內(nèi)部孔隙率10%，單位面積調(diào)蓄容積0.42m3/m2。人行道生態(tài)樹池結(jié)構(gòu)層由上至下分別為卵石或樹皮覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內(nèi)設(shè)置φ150穿孔排水管，將生態(tài)樹池結(jié)構(gòu)滲水排入道路雨水口。人行道生態(tài)樹池設(shè)計見圖3。

圖3 人行道生態(tài)樹池結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2 側(cè)分帶雨水花園設(shè)計

機非分隔帶每30m在行道樹之間設(shè)置一處雨水花園，車行道排入雨水花園，設(shè)施平面尺寸為6.0m×1.5m，下沉深度0.2m，雨水花園滲透系數(shù)為100mm/h，內(nèi)部孔隙率10%，單位面積調(diào)蓄容積0.42m3/m2。側(cè)分帶雨水花園結(jié)構(gòu)層由上至下分別為卵石或樹皮覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內(nèi)設(shè)置φ150穿孔排水管，將雨水花園結(jié)構(gòu)滲水排入道路雨水口。側(cè)分帶雨水花園設(shè)計見圖4。

圖4 機非分隔帶生物滯留池結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.3 景觀旱溪設(shè)計

道路紅線外地勢較低的綠地以及江山路中央分隔帶兩側(cè)可設(shè)置連續(xù)的景觀旱溪。旱溪尺寸及布置原則：道路紅線外旱溪寬3.0m，深度0.2m；江山路中央分隔帶旱溪處寬度0.5m，深度0.1m；旱溪設(shè)置于低綠地內(nèi)，綠地地勢較高時采用蓄水模塊代替；旱溪沿線應(yīng)避開現(xiàn)狀喬木、灌木、路燈等設(shè)施；旱溪結(jié)構(gòu)層由上至下分別為0.3m白色卵石(粒徑30～50mm)散鋪、0.3m碎石墊層、透水土工布，旱溪單位面積調(diào)蓄量為0.20m3/m2。景觀旱溪結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖5。

圖5 景觀旱溪結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.4 紅線外雨水花園設(shè)計

紅線外旱溪每30m銜接處設(shè)置一處雨水花園，車行道和人行道雨水通過人行道蓋板溝排入紅線外雨水花園，雨水花園平面尺寸為6m×3m，下沉深度0.4m，雨水花園滲透系數(shù)為100mm/h，內(nèi)部孔隙率10%，單位面積調(diào)蓄容積0.62m3/m2。紅線外雨水花園結(jié)構(gòu)層由上至下分別為植被覆蓋層、改良種植土摻20%砂、透水土工布、礫石排水層、防滲膜，礫石排水層內(nèi)設(shè)置φ150穿孔排水管，將雨水花園結(jié)構(gòu)滲水排入道路雨水口。紅線外雨水花園設(shè)計見圖6。

圖6 紅線外雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.5 人行道透水鋪裝設(shè)計

道路海綿化改造人行道鋪裝除江山路外(江山路周邊地塊尚未開發(fā)成熟，渣土車較多)全部采用透水磚鋪裝，下部礫石蓄水層采用長絲土工布包裹的排水盲管通常布置，下滲雨水匯流后排入生態(tài)樹池。透水磚路面材料應(yīng)符合《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 188—2012)的相關(guān)要求，人行道透水鋪裝結(jié)構(gòu)層由上至下分別為6cm的透水磚、3cm的中粗砂、10cm的再生骨料透水水泥混凝土、10cm的級配碎石，結(jié)構(gòu)總厚度為29cm，人行道透水鋪裝設(shè)計見圖7。

圖7 人行道透水鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.6 排放口人工濕地

人工濕地設(shè)置在河岸邊雨水排放口處，對初期雨水、混接污水和管道沉積物進行過濾凈化，處理后的雨水排入河道。單個人工濕地尺寸為12m×8m，占地面積96m2，濕地水力負荷取1.0m3/(m2·d)。此外，人工濕地系統(tǒng)還包括雨水截流井、雨水提升裝置、雨水調(diào)節(jié)池和人工濕地。雨水截流井尺寸為4.6m×4.0m，雨水提升裝置尺寸為2.5m×2.5m，雨水調(diào)節(jié)池尺寸為12m×8m，人工濕地尺寸為12m×8m。雨水進入雨水截流井后，初期雨水、旱季混接污水和旱季管道存水通過雨水提升裝置進入人工濕地，完成雨水的過濾和凈化，超標(biāo)雨水溢流進入河道。人工濕地設(shè)計見圖8。

圖8 人工濕地設(shè)計 (單位：mm)

4.7 凈化調(diào)蓄模塊設(shè)計

調(diào)蓄模塊沿道路側(cè)石帶狀布置，凈寬60cm，有效水深60cm，道路雨水通過人行道蓋板溝轉(zhuǎn)輸后接入調(diào)蓄模塊。設(shè)施底部設(shè)計為可滲透礫石結(jié)構(gòu)，當(dāng)超過蓄滲帶調(diào)蓄容積時通過溢流堰溢流，就近排入道路雨水口。當(dāng)調(diào)蓄模塊設(shè)于綠化帶時，頂板上可覆蓋鵝卵石或草皮，提升景觀效果。凈化調(diào)蓄模塊設(shè)計見圖9。

圖9 凈化調(diào)蓄模塊設(shè)計

4.8 雨水調(diào)節(jié)塘設(shè)計

雨水調(diào)節(jié)塘設(shè)置于蘆云路秋萍學(xué)校門前綠地內(nèi)，主要起到削減峰值流量作用，由進水口、調(diào)節(jié)區(qū)、出口設(shè)施、護坡等構(gòu)成，調(diào)節(jié)塘也具有一定的滲透功能，起到補充地下水和凈化雨水的作用。

調(diào)節(jié)塘進水口設(shè)置碎石消能設(shè)施，防止水流沖刷和侵蝕，設(shè)置前置塘對徑流雨水進行預(yù)處理，塘中種植水生植物以減小流速、增強雨水凈化效果，調(diào)節(jié)區(qū)深度為1m，塘底設(shè)計成可滲透結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)塘出水接入蘆云路調(diào)蓄蓋板溝，向東排入隨塘河。調(diào)節(jié)塘設(shè)計見圖10。

圖10 雨水調(diào)節(jié)塘設(shè)計

5 道路海綿化改造后指標(biāo)校核

本工程的設(shè)計與施工，一方面確保了道路海綿功能的發(fā)揮，另外也兼顧了環(huán)保、節(jié)能、美學(xué)等方面的內(nèi)容。如人工濕地的供電系統(tǒng)，拋開傳統(tǒng)電力供電方式，采用低碳、環(huán)保、節(jié)能的太陽能板供電，鋪設(shè)在休息長廊頂部，有效節(jié)約空間(見圖11)；濕地提升泵站采用隱藏式與觀光平臺相結(jié)合的方式(見圖12)；階梯式石龍圍護墻體結(jié)構(gòu)的運用(見圖13)，使墻體在自然風(fēng)力的作用下，網(wǎng)籠內(nèi)石塊之間縫隙不斷被泥土、植物種子填充，植物根系深深扎入石塊之間的泥土中，從而使人工和自然(植被措施)相結(jié)合，逐步形成一層堅固的綠色復(fù)合保護層。覆蓋后的植被能有效地消解雨后徑流及沖刷，達到以土植草，以草固土以及自然滲透、雨水凈化、階梯利用的效果。

圖11 太陽能板長廊

圖12 觀光平臺

圖13 階梯式生態(tài)石龍

不論晴天還是雨天，旱溪都展現(xiàn)了優(yōu)美的景觀效果。同時，雨天還具備蓄水、疏水的功能(見圖14)。鵝卵石與植被的自然搭配，周邊高大喬木、綠地植被的襯托，使人有回歸自然之感。同時，該工程在實際施工時，發(fā)現(xiàn)馬路對面就是居民小區(qū)，經(jīng)常有居民跨過旱溪來散步、散心。為此，及時調(diào)整了設(shè)計方案，設(shè)置了不同形式與美學(xué)特色的“人造橋”，方便居民出行，更顯“小橋、流水、人家”的文學(xué)意境。

圖14 旱溪

5.1 年徑流總量控制率校核

計算總調(diào)蓄容積的原則為頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部有蓄水空間的LID設(shè)施(如雨水花園、調(diào)蓄模塊、生態(tài)樹池、旱溪等)的蓄水量計入總調(diào)蓄容積；轉(zhuǎn)輸型植草溝、明溝、初期雨水棄流、人工土壤滲濾等對徑流總量削減貢獻較小的設(shè)施，其調(diào)蓄容積不計入總調(diào)蓄容積；受地形條件、匯水面大小等影響，設(shè)施調(diào)蓄容積無法發(fā)揮徑流總量削減作用的設(shè)施(如較大面積的下沉式綠地，往往受坡度和豎向條件限制，實際調(diào)蓄容積遠遠小于其設(shè)計調(diào)蓄容積)，以及無法有效收集匯水面徑流雨水的設(shè)施具有的調(diào)蓄容積不計入總調(diào)蓄容積。

低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計調(diào)蓄量采用容積法進行計算:

V=10HφF

式中：V為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計降雨量，mm；φ為綜合雨量徑流系數(shù)，按地塊下墊面比例加權(quán)平均計算；F為匯水面積，hm2。

以徑流總量為控制模板，運用道路紅線內(nèi)各低影響開發(fā)設(shè)施的設(shè)計調(diào)蓄容積之和計算總調(diào)蓄容積，使設(shè)施控制量不低于根據(jù)目標(biāo)控制率計算得出的道路總產(chǎn)流量。

由年徑流總量控制情況(見表1)可知，7條城市道路海綿化改造后，設(shè)施控制量均大于道路產(chǎn)流量，即均滿足海綿城市建設(shè)85%控制率的指標(biāo)要求。

表1 年徑流總量控制情況

5.2 年徑流污染控制率校核

按設(shè)計方案，單位生物滯留溝處理其側(cè)面車行道、人行道相應(yīng)單位的初期雨水量，定義空池最大蓄水量為水池在不考慮下滲和溢流口外溢情況下的最大蓄水量。當(dāng)空池最大蓄水量≥初期雨水徑流控制量時，說明該海綿化改造設(shè)施能夠完全控制設(shè)計范圍內(nèi)初期雨水?dāng)y帶的污染物量。在降雨后期或者降雨停止后，設(shè)施內(nèi)滯留的污染物將通過設(shè)施內(nèi)的人工濕地得以有效去除。7條道路海綿化改造后，各LID設(shè)施對徑流污染的去除率見表2。

表2 各條路年徑流污染去除率

由表2可知，7條道路通過海綿化改造后，雨水徑流污染去除率普遍可達到60.0%以上，大于目標(biāo)值55.0%，滿足海綿城市建設(shè)對雨水徑流污染去除率的要求。

5.3 設(shè)施滲透量校核

本工程設(shè)計中采用的海綿城市道路改造措施，不改變傳統(tǒng)設(shè)計中的雨水管道系統(tǒng)，雨水通過開口路緣石進入綠地，并在綠地沿線設(shè)置景觀旱溪及凈化調(diào)蓄池、溢流雨水口、人工濕地等構(gòu)筑物；溢流雨水口與市政雨水排水系統(tǒng)相連，路面降水經(jīng)過綠地滲透后利用雨水系統(tǒng)排放。因此，改造后可使雨水滲流更加科學(xué)且設(shè)施滲透量達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 道路運維及管理

6.1 總體要求

建立健全低影響開發(fā)設(shè)施的維護管理制度和操作規(guī)程，配備專職管理人員和相應(yīng)的監(jiān)測手段，并對管理人員和操作人員加強專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，做好雨季來臨前和雨季期間設(shè)施的檢修和維護管理，保障設(shè)施正常、安全運行，同時應(yīng)加強對設(shè)施效果的監(jiān)測和評估，確保設(shè)施的功能得以正常發(fā)揮。

6.2 設(shè)施維護要求

在總體運維及管理要求的前提下，主要對單體設(shè)施進行維護，如透水磚、旱溪、調(diào)節(jié)塘、生態(tài)樹池、雨水花園、潛流人工濕地、溢流雨水口等，見表3。

表3 設(shè)施維護要求及內(nèi)容

7 結(jié) 語

隨著“海綿城市”理念的廣泛推廣，城市道路海綿化改造也從觀念和理念上逐漸向?qū)嶋H工程方向發(fā)展。蘆潮港社區(qū)7條城市道路海綿城市改造作為標(biāo)桿示范項目，目前已經(jīng)全部建成完工，各種低影響開發(fā)設(shè)施運行情況良好。相關(guān)單位會在后續(xù)的運維管理中增加相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，以便為后續(xù)城市道路海綿化改造及海綿城市建設(shè)提供更為直觀的數(shù)據(jù)與參考。