海綿城市理念在市政給排水設計中的應用研究

張赟 孫勝杰

為了提高海綿城市道路排水設計水平，本文首先分析了市政道路排水設計的現狀，總結了海綿城市道路中常用的LID設施；隨后探討了海綿城市道路設計時應遵循的基本原則和“滲、蓄、滯、凈、用、排”六大設計要素；最后以某道路工程為研究對象，提出了排水方案，并通過SWMM模型計算了道路在改造前后的不同降雨重現期下的徑流量，定量分析了LID設施對路面雨水徑流的削減作用。

我國城市化進場持續推進，基礎設施建設規模也日益擴大，然而作為城市道路工程重要一環的排水系統卻發展較滯后。排水系統不合理容易導致城市在雨季出現內澇災害，造成一定的經濟損失或人員傷亡，如某城市道路因雨水管道排水能力不滿足設計流量要求，在連續強降雨作用下出現城市內澇現象，造成較大的經濟損失。近年來，隨著海綿城市建設理念的提出，各地開始編制相關的建設圖集和規范，國內外很多學者和工程技術人員也針對海綿城市開展了一系列研究。但是海綿城市在建設時也暴露出很多問題，如建設標準不統一，相關圖集或規范指導建議缺乏條理性和系統性。因此，海綿城市理念在市政給排水設計中的應用具有十分重要的工程意義。

一、市政道路給排水設計現狀分析

1.城市規劃考慮不足

城市建設之前應當結合區域概況進行總體規劃，但目前一些城市在規劃前期沒能把區域內的天然水體、河道納入規劃范圍，更沒有對不同降水周期、不同的水量進行風險分析，這極大地增加了市政道路給排水的設計難度。在開展市政道路給排水設計期間，相關設計人員難以充分掌握區域內的水文條件，導致排水設計方案無法滿足排水要求。

2.雨水利用率低

城市區域要獲得良好的排水功能或儲備豐富水資源，在市政道路給排水設計過程中就應重視對雨水資源的儲蓄、凈化處理及循環利用。但是，工程師在開展設計任務時往往會忽視雨水資源的開發，不嚴格按照相關規范來設計城市生態循環體系，導致水資源浪費。

3.各專業配合度不高

城市給排水工程是一項復雜且有序的系統工程，包括城市總體規劃、排水專項規劃、各市政道路排水方案設計、工程建設等流程。市政道路排水設計需要多個專業間相互協同合作，并建立高效率的專業配合體系。但是在開展市政給排水設計時，往往會出現各專業溝通不暢，尤其給排水專業和道路專業之間，導致設計方案與現場實際情況不符。

二、基于“海綿城市”的道路排水設計原則及設計要素

1.海綿城市道路基本概念

傳統的市政道路排水設計思路是將路面雨水通過設置的雨水口收集，排入下水道中。而海綿城市道路是利用區域內的低影響開發設施（(Low Impact Development，LID)）將雨水儲存，再利用其過濾、吸附、蒸發、下滲等功能，凈化調控雨水徑流，以調節水循環，減少水資源浪費，實現城市道路的可持續發展。

海綿城市道路與LID設施密切相關，LID設施主要包括滲透滯留設施、雨水轉輸設施、調蓄凈化設施三大類，具體設施名稱及適用位置見表1。

表1 常用的城市道路LID設施

2.海綿城市道路排水設計原則

給排水設計作為海綿城市設計的關鍵組成部分之一，其設計質量會對海綿城市建設水平產生直接的影響，必須充分重視。因此，海綿城市道路給排水在設計過程中應遵循以下原則：第一，生態優先原則。給排水設計應將區域內的生態環境作為優先考慮因素，明確保護目標，加強前期生態分析與評估，從規劃布局、要素設計等方面降低對生態環境的影響；第二，統籌協調原則。海綿城市道路設計需要給排水、道路交通、景觀園林等多個專業的技術人員共同參與，需要從宏觀到微觀方面做好前期的統籌協調和技術對接，以提高設計質量，避免后期返工；第三，集約高效原則。海綿城市道路設計時應盡量選擇集約式布局，節約土地，減少對自然環境的破壞，將道路的雨洪控制功能、運營功能與沿線景觀相結合，最大限度地發揮其經濟效益、社會效益和生態效益。

3.海綿城市道路排水設計要素

海綿城市道路設計六要素包括“滲、蓄、滯、凈、用、排”，各要素的具體設計要求闡述如下：

⑴滲

傳統的城市道路通常以硬面鋪裝為主，會破壞原有的水文生態環境。為了滿足海綿城市道路“滲”，需要將硬化路面改為透水型的水泥或瀝青混凝土路面，這樣雨水落下可通過透水路面排至地下水，在雨水滲透期間還可以通過其他LID設施將雨水凈化。

⑵蓄

目前全球水資源整體比較匱乏，而雨水是重要水資源之一。海綿城市的“蓄”就是將降雨蓄積起來，以供后期使用。但是在蓄積雨水時，不應破壞原生態，否則可能會積水成災。城市常用的蓄水設施有蓄水模塊和蓄水地下池。蓄水模塊屬于預制結構，一般是用防水布包裹埋于地下，并在內部安裝進出水管，水泵和檢查井才能投入運營；蓄水地下池是直接在地下開挖的一種雨水儲存裝置，如圖1所示：

圖1 城市地下蓄水池

⑶滯

海綿城市中“滯”的理念是通過雨水花園、雨水塘等設施將雨水滯留，降低地表雨水徑流。其中雨水花園是指在道路周圍綠草地區域內部栽植各種花草，花草的根部不僅可以滯留雨水，還可以吸收雨水中的陰陽離子；雨水塘一般是利用現狀魚塘或池塘建造，可作為雨水流經路徑終點。同時，在雨水塘還要種植一些耐濕的草本或灌木護坡。

⑷凈

雨水流經市政道路沿線各個LID設施后都可能被凈化。按照雨水收集區域不同，可將海綿城市雨水凈化體系劃分為三大類，即居住區凈化、工業園區凈化、市政公共區域凈化；按照雨水凈化原理不同，可劃分為土壤滲透凈化、人工濕地凈化、生物凈化，其中人工濕地凈化雨水效果最好。

人工濕地凈化：人工濕地包括濕地植物、濕地填料、卵石濾水層等部分。經過上行流池和下行流池兩次凈化后才能排到下游清水池。

⑸用

雨水在經過滲、蓄、滯、凈等流程后，雨水可用于建筑施工、綠化灌溉、洗車、抽水馬桶、消防等領域，以達到節約用水的目的，并緩解城市洪澇災害的沖擊。

三、基于“海綿城市”的道路排水設計案例及效果評價

為了探討海綿城市道路理念的應用效果，筆者以某城市主干路為研究對象，調查了現狀道路存在的問題，基于海綿城市理念對道路給排水方案進行了優化，并根據雨洪管理模型( Storm Water Management Model）對處治效果進行了評價。

1.依托工程概況

該道路屬于城市主干道路，設計采用雙幅路，雙向六車道的橫斷面形式，紅線寬度35（機動車道22m、人行道6m、綠化帶7m），行車道橫坡2%，土路肩橫坡4%，道路縱坡0.3%～1.2%。路面類型為瀝青混合料路面，厚度72cm，路面結構組成為4cmSBS改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13+6cmSBS改性中粒式瀝青混凝土AC-20C+8cm粗粒式瀝青混凝土AC-25C+36cm水泥穩定碎石+18cm低劑量水泥穩定碎石。近幾年車流量日漸增加，尤其是重型車及超載車輛，經現場病害調查發現路面損壞較嚴重，出現路面沉陷、龜裂和車轍等病害。同時，該道路沿線地高低起伏，容易導致積水現象。原設計未設置LID設施，道路排水效果較差，導致路面雨季積水嚴重，影響行車安全和舒適度。

2.雨水設計流量計算

在進行給排水設計之前，應先根據區域降雨情況確定雨水設計流量。雨水設計流量與管道所分擔的匯水面積密切相關，具體計算公式如下：

式中：Q—雨水設計流量，L/s；ψ—徑流系數，瀝青路面取0.9；F—匯水面積，ha；q—設計暴雨強度，L/s ha。其中暴雨強度是描述暴雨狀態下降雨量大小的重要指標，是指在某一時間段內單位面積內的降雨量。各個地區的暴雨強度公式并不相同，但均與降雨歷時、降雨重現期等因素有關。根據《室外排水設計規范》GB50014-2021的規定，任何地區在推導暴雨強度公式時必須依據當地30年以上的降雨記錄來擬合。經計算，道路自身匯水面積約6.4ha，綜合匯入道路表面及道路管網設計匯水面積為28.2ha 。

3.給排水設計方案

（1）總體設計方案

該道路沿線具有較好的自然條件和歷史人文條件，在完善雨水系統的同時，應融合景觀、人文等活動場所，這樣既解決了道路內澇雨水問題，又可以提升道路整體建設品質。

（2）具體排水方案

根據地形，將道路排水設計劃分為A和B兩個區段，區段A主要利用現有道路縱坡排水，區段B是通過不同匯水區分流的方式來排放雨水。

A段道路坡度平緩，雨水流動性差，以垂直積水為主，可在綠化帶布置植草溝和雨水花園，并對人行道、非機動車道改造，降低其斷面高度，以便于道路積水排向道路兩側綠化帶。對于連續強降雨，雨水可以先進入植草溝，這不僅能降低暴雨對綠地的沖刷，還發揮了雨水輸送作用；對于中小降雨，可傳輸至濕地末端的集中雨水花園控制。因此，整個排水系統既可以控制中小降雨，又能應對30年一遇大暴雨。

B段道路排水設計主要有兩個方案：其一，雨水通過自然排洪溝排入自然水塘；其二，利用多級濕地和多個分散式排水口，將雨水分流到人行道的卵石溝中，再排入雨水花園，最后溢流進自然水塘。

4.道路改造效果評價

海綿城市道路改造效果評價是基于SWMM模型，該模型可以根據輸入的降雨量、土壤地質條件等數據重現道路降雨徑流過程，并輸出任意時刻的徑流曲線。SWMM模型建立的主要步驟包括：設置項目基本參數→設置項目缺省值（圖元名稱前綴、子匯水區面積缺省值等）→處理排水管段、節點→為圖元屬性賦值→輸入降雨、蓄水池容積等數據→設置模擬信息→徑流計算→結果分析。筆者利用SWMM模型分別計算了道路在改造前后的不同降雨重現期下的徑流量，計算結果見圖2。

圖2 道路改造前后徑流量變化

計算結果表明，當降雨設計重現期為0.5、1、2、5、10、50年一遇時，傳統模式下（改造前）地表徑流量分別為10.7mm、27.2mm、45.7mm、56.8mm、84.9mm，LID模式下（改造后）地表徑流量有明顯的下降，分別降 至6.8mm、17.2mm、27.0mm、32.4mm、45.8mm，LID設施對雨水徑流的削減幅度分別達到了35%、37%、41%、43%、46%。由模擬計算結果可知，LID措施能大幅降低地面徑流峰值，延緩峰值出現時間，且設計降雨重現期越大，LID措施對地面徑流的削減作用越明顯。

四、結語

基于海綿城市理念探討了城市道路給排水的設計原則、設計要素，并以某道路工程為工程依托提出了海綿城市道路排水方案，主要得到以下幾個方面的結論：⑴海綿城市道路與LID設施密切相關，LID設施主要有滲透滯留設施、雨水轉輸設施、調蓄凈化設施三大類；⑵海綿城市道路給排水在設計時應遵循生態優先、統籌協調。集約高效等基本原則，其設計五要素包括“滲、蓄、滯、凈、用、排”。⑶海綿城市道路中的LID措施能降低地面徑流峰值，且降雨強度越大，削減作用越明顯。