基于海綿城市理念的城市道路設計及指標校核研究

徐欽勇

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

城市道路作為城市空間的重要組成元素，直接影響城市整體規劃建設。隨著城市化進程的推進及城市交通經濟的快速發展，城市道路整體建設覆蓋面積比例也不斷提升，硬化城市道路約占城市建設用地面積的20%。現階段城市道路的規劃設計建設多以滿足通行需求為主，涉及降雨徑流控制通常采用排水的思路，往往忽視了生態環境保護的功能[1]。

硬化面積比例的大幅提升削減了雨水下滲空間，在短時強降雨天氣條件下易發生洪峰現象，從而引起城市積水乃至內澇。此外，城市道路作為不透水路面，除了排水不暢外，也會加重城市熱島效應[2]。在各類車輛保有量不斷提升的背景下，城市道路也成為了雨水徑流及徑流污染物的重點蓄集場所[3-4]。因此，依托海綿城市建設理念搭建蓄水、凈水、滲水、排水的綜合雨水處理體系已成為城市建設過程中亟待解決的問題。基于海綿城市理念的城市道路設計及施工方面的研究及應用已有一定基礎：樓誠等[5]依托嘉興市海綿城市建設成果，提出了基于造價、施工、景觀效果等五個維度的綜合評價體系，并在分析評價結果基礎上開展設計方案優化；英戰勇[6]利用SWMM雨洪模型，對實施道路生態海綿城市建設技術(LID)措施管控前后的雨水管理效果進行對比，搭建了縮尺模型，模擬了地表徑流及徑流峰值削減率變化情況，總結了LID措施組合方式；李怡冰等[7]將海綿城市建設理論應用于道橋設計中，對城市立交橋進行了智能化改造，演算了徑流雨水凈化與積存平衡的模式，配套搭建立交雨水利用處理一體化系統；吳君煒等[8]則是對基于海綿城市理念建設的重慶城市綜合系統構建進行了論述，研究了能有效結合重慶山地特征的設計方案，提出利用活水海綿系統、山地公共海綿系統及建筑物立體綠化的新型應用模式。

綜上所述，針對基于海綿城市理念建設的城市道路體系理論和應用研究已較為充分，但在相關指標校核及評價方面仍存在較大空白。因此，本文依托南寧市某海綿城市道路建設試點工程展開探討，結合海綿城市理念中的城市道路設計思路，明確設計標準，擬定城市道路系統性設計方案，并給出具體的工程措施方案，對海綿城市建設指標完成狀況進行校核，最后提出相關的海綿城市道路工程措施的維護及管理建議。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本文依托南寧市某海綿城市道路建設試點工程展開探討。該道路呈東西走向，總體建設長度為1.25 km。原人行道及機動車道寬度分別為3.5 m和7.5 m。道路周邊主要為綠化和廠區，綠化退讓寬度為7～11 m。

該城市道路的改造設計緊密結合海綿城市建設理念展開，對原城市道路雨水收集和排放體系進行改造。考慮采取多項LID措施，將實現道路徑流的流量控制、徑流污染物控制及排洪防澇的目標。

1.2 設計標準

(1)年徑流量控制率。利用基于海綿城市建設理念的設計方案措施，使該條城市道路的年徑流量控制率≥70%，即可實現25.7 mm道路徑流不外排的設計標準。

(2)徑流污染物控制率。綜合考慮南寧市初期徑流雨水污染及城市受納水體水環境容納標準，同時參照多項相關工程建設經驗中的初期雨水截留情況，設計成果的徑流污染物控制應樹立削減水體污染的建設目標。其中，以10 mm降雨徑流量作為該項目中的初期雨水截留量。

(3)排洪防澇能力。在應用各項LID綜合方案的基礎上，實現可應對50年一遇降雨的建設目標。

2 系統性設計方案

2.1 整體方案

本設計方案考慮將雨水管道設置于道路中心線下方，同時保留現有檢查井及雨水主管，其中設計路面標高與檢查井井蓋標高相同。道路紅線寬度設計為20.0 m，其橫斷面改造設計見圖1。道路徑流雨水的下滲及利用主要依靠非機動車道及人行道處設置的透水鋪裝，還包括道路兩側的下凹式生物滯留綠地。

圖1 道路改造后橫斷面示意圖(cm)

2.2 非機動車道和人行道透水鋪裝

采用透水磚等透水性硬化鋪裝的方案可增強非機動車道和人行道的透水能力，是目前較為常見的做法。非機動車道和人行道的透水鋪裝結構從下到上分別為：反濾土工布、級配碎石12 cm、透水水泥混凝土15 cm、干硬性水泥砂漿3 cm及最上層的透水地磚8 cm，能保證雨水徑流下滲從而補充地下水資源。其結構示意圖見圖2。

圖2 透水鋪裝結構示意圖

透水鋪裝結構可有效阻滯道路徑流污染物，包括總氮、總磷、氨氮、COD、固態懸浮物及重金屬成分等，凈化后的徑流雨水可達到Ⅱ類地表水質標準。人行道和非機動車道的坡向均朝生物滯留設施方向，徑流量較大時可通過路緣石開口將未下滲徑流排入其中實現凈化下滲。

2.3 生物滯留設施

將原有側分綠化帶拓寬至2.50 m，改造為下凹式綠地設施，并在路緣石側邊開口，將人行道及車行道表面匯集的徑流雨水進行收集、凈化、下滲。綜合考慮整體方案布置，采用生物滯留設施方案。該方案可通過滯留池內發生的復雜物理、化學及生物反應，高效率過濾及消除匯集的雨水徑流污染物成分。

生物滯留池設施結構見圖3，從下往上分為土工布、DN200軟式透水管、卵石層等，涉及的部分材料物理參數見表1。

圖3 生物滯留設施結構示意圖(cm)

表1 生物滯留設施材料物理參數表

考慮到該條城市道路沿線種植的錢根喬木，生物滯留設施上層種植土層厚度設計為140 cm。生物滯留池收集的匯集徑流雨水大多下滲凈化后通過卵石層中所埋設的穿孔管進行收集，當收集徑流量超過其下滲能力上限時則蓄積于持水層中，超量匯集徑流則通過溢流口(設置于持水層底部向上25 m處)排入市政雨水管。

2.4 附屬設施

(1)溢流口。在生物滯留池側邊每隔25 m設置一處溢流口，用于將生物滯留池中的超量匯集徑流溢流進入市政雨水管。溢流口規格為650 mm×1 200 mm，以水泥混凝土澆筑制成，其每秒溢流量可達30 L。

(2)路緣石開口。徑流量較大時，人行道和非機動車道可通過路緣石開口將未下滲徑流排入生物滯留池。該附屬設施設計方案將影響生物滯留設施的使用壽命及凈化效率等。設計的路緣石開口規格為90 cm×8 cm，每隔15.0 m設置一處，同時設有鑄鐵格柵以防徑流攜帶異物流入生物滯留池。

(3)擋水堰。在溢流口下游設置有擋水堰，每隔30.0 m設置有一處，其高度、底寬、頂寬分別設計為20 cm、40 cm及20 cm，并以40 cm厚度細骨料水泥混凝土作為其基礎結構。

3 建設指標校核

3.1 徑流量控制率

本文提出了道路徑流控制率指標，用以衡量生態滯留設施的徑流控制能力，將其定義為生態滯留設施，通過計算(極限蓄水量+徑流滲透量)/徑流流入量，可以發現，道路徑流控制率越大，則說明從生態滯留池中向市政雨水管中溢流的徑流量越小。其中，當道路徑流控制率>1.0時，表明生態滯留設施可實現完全的道路徑流控制，不會發生外排現象。在計算過程中，車行道的徑流匯集系數取0.9，生態滯留設施的最大持水深度應以水面上升至溢流口處計，即0.20 m的最大持水深度。生態滯留設施的徑流量控制率計算數據如表2所示。

表2 生態滯留設施徑流量控制率計算數據表

分析表2數據可以發現，按照該條城市道路年徑流量控制率70%，即可實現25.7 mm道路徑流不外排的設計標準，設計成果中的生態滯留設施不會發生溢流現象，可滿足目標使用需求。

3.2 初期徑流污染物控制率

根據設計成果中生態滯留設施每延米凈化的車行道及人行道初期徑流量進行校核。與上文類似，生態滯留設施的蓄水量指的是不產生溢流及下滲情況下的蓄水量上限。當初期徑流污染物控制量不超過生態滯留設施的蓄水量上限，則表明生態滯留設施可將設計范圍內的全部初期徑流污染物控制凈化完成。當降雨進行到后期或是停止時，生態滯留池內的徑流污染物將逐步被其中發生的復雜物理、化學及生物反應所凈化。經驗證明，每延米初期徑流污染物控制量為0.20 m3，小于生態滯留設施的每延米蓄水量0.60 m3，即設計成果中的初期徑流污染物控制率達到100%，滿足設計目標。

3.3 滲濾設施設計

設計成果中的生物滯留設施的蓄水時間要在確定其容積深度后進行校核，否則過長的蓄水時間將威脅到生物滯留池中的植物存活狀態。生態滯留池的蓄水時間與土壤滲透性及持水深度等指標存在關聯，校核時需根據最不利狀態進行演算，即生物滯留設施的持水深度達到上限(水體上表面與溢流口持平)，道路匯集徑流完全下滲持續的時間，計算公式如下：

(1)

式中：t0——下滲持續時間(h)；

Wp——蓄水量(m3)；

K——平均滲透系數，取10-5m/s；

A0——滲透面積(m2)。

通過式(1)計算，可獲得生物滯留設施持水深度達到上限至完全下滲持續的時間為11.1 h，小于設計目標中的24 h道路徑流排空時間，可保證生態滯留設施中的植物存活。

3.4 排洪防澇能力

本設計成果中涉及的工程方案對原設計中的市政雨水管道系統進行利舊，其原設計重現期標準為三年一遇，現道路徑流雨水匯集后通過路緣石開口進入生態滯留設施，通過設置的雨水溢流井、擋水堰、沉砂池及溢流口等附屬設施，最終將溢流道路徑流排入市政雨水管道系統，而生態滯留設施中凈化下滲的道路徑流則利用DN200軟式透水管接入環保雨水口進行利用，能夠滿足排洪防澇的要求。

4 維護及管理建議

4.1 整體思路

為保障海綿城市相關設施功能完整性，要建立健全LID措施維護及管理章程及相關辦法，培養專職管養人員，優化檢測技術，加強相關技術培訓和評價體系。雨季來臨前，城市道路LID措施專職管養單位要全面做好檢查檢修專項工作，切實保障各項設施設備運行良好。此外，應設立相關LID措施定期使用效果及社會效益評價體系，加強相關宣傳及推廣力度。

4.2 具體措施

(1)考慮當地景觀標準要求，自行擬定垃圾及雜物清理周期，確保城市面貌及LID措施的功能發揮及運轉。

(2)結合植物類別及景觀要求，每年至少開展兩次植物修建。

(3)大暴雨結束后的一天內/每年重點開展道路徑流下滲能力、地下穿孔管透水能力、凈水后水質檢查。

(4)完成植物種植后/每年對砂濾層以外的種植土進行松土，松土深度以20～30 cm為宜。

(5)每兩年更換一次砂濾池的表層砂土，換填深度約為20 cm。

(6)凈化后雨水變渾濁時/每5年更換一次土工布。

(7)發生水土流失時/每年更換一次生物滯留設施覆蓋層。

5 結語

隨著海綿城市理念的進一步深化，城市道路設計思路也逐漸轉變。本文結合南寧市某海綿城市道路建設實踐明確設計標準，擬定城市道路系統性設計方案，給出具體工程措施方案，并對海綿城市建設指標完成狀況進行了校核研究。結果表明，徑流量控制率、初期徑流污染物控制率、滲濾設施設計、排洪防澇能力均滿足設計要求。同時，本文提出了相關海綿城市道路工程措施的維護及管理建議，可為基于海綿城市理念的城市道路建設方案設計提供借鑒。