基于海绵城市的厦门城市道路雨水LID系统研究

2016-08-09杨一夫

厦门科技 2016年1期

关键词：不透水城市道路径流

杨一夫

城市建设

基于海绵城市的厦门城市道路雨水LID系统研究

杨一夫

引言

目前，厦门正处在城市化快速发展的关键时期，城市建设规模和不透水面积急剧增加。城市道路作为城市主要不透水下垫面之一，占建设用地的比例甚至超过了20%。与此同时，传统管道排水方式导致道路排涝压力大、路面污染严重、雨水资源流失及生态环境破坏等突出问题，难以满足现代城市建设对生态和环境的需求。

为了应对上述环境问题，美国提出了“绿色道路”概念，即模拟自然水文循环过程，应用不同低影响开发（LID,Low Impact Development）技术措施，结合景观设计在源头进行雨水径流管理的道路排水形式。近期国家提出建设“海绵城市”的概念，厦门也成为国家首批海绵城市建设试点，借此良机应借鉴国内外先进的城市道路雨水径流管理经验，构建适合厦门当地特色的基于海绵城市的城市道路雨水LID系统，此举能够有效缓解道路径流污染、涵养地下水源、减少径流总量及峰值流量、减轻排水管网负荷、降低城市用水压力、改善城市道路及周边生态环境，这也是城市道路排水（雨水）系统的发展方向。

城市道路雨水系统传统排水方式及问题

1.传统雨水系统排水方式

厦门传统雨水系统设计以城市道路为主要载体，目的在于快速排除降落在道路红线范围内地表水、屋面雨水以及道路周边区域雨水径流，以防止道路路基、路面结构损坏以及城市内涝等灾害。

现行雨水排除的设计思路是：为保障城市、工厂和人民的生命财产安全，须及时排除暴雨形成的地面径流，设计重点在“排”上，将雨水径流通过一系列道路雨水设施如边沟、雨水口、管道等快速排入河道。

2.传统雨水系统排水方式主要问题

（1）地表植被和陆地未经开发的可透水表面逐渐被不透水铺面替代，导致植物蒸腾作用、浅层渗透和深层渗透均大大减少，继而降水所能回流至水圈中的部分也减少，相应的地表径流相应增加。

（2）台湾地景建筑及都市设计师廖桂贤形象地将城市径流比作“道路的洗澡水”。城市径流会携带多种大量污染物质，因此城市径流是水质污染的主要原因。

（3）城市逐渐被各种不透水铺面覆盖，地下人工管网系统铺满了地下水位以上的空间，雨水自然回归大气的渠道被封堵，人工管网作为城市水循环的主要路径，导致了水自然循环过程的短路。

城市道路雨水LID系统构建

1.城市道路雨水LID含义

LID措施是20世纪90年代中期由美国马里兰州乔治王子县环境资源署提出的一种新型雨水管理理念。LID措施主要提倡采用基于微观尺度景观控制的分散式小规模雨水处理设施，使区域开发后的水文特性与开发前基本一致，最大程度地降低区域开发对于周围生态环境的冲击，建造出一个具有良好水文功能的场地。

LID系统设计需遵循以下原则：①源头管理雨水径流；②利用植物和土壤的自然过程过滤、净化雨水；③LID技术措施设计要求简单、高效，同时具有美学价值。

LID系统要最大可能实现以下目标：①水质控制；②洪峰流量削减；③总量削减。

结合海绵城市设计理念，将雨水径流视作一种资源，构建基于海绵城市的可持续的城市道路雨水LID系统，通过模拟自然水文过程实现径流污染控制和总量削减，营造宜居生活环境。

图1传统模式与海绵城市市政道路雨水LID系统示意图

2.城市道路雨水LID系统规划设计原则

将LID应用于城市道路雨水系统时，合理地设计道路绿地布局、有效地创造更多绿地空间、寻求更多模拟自然水文过程的方法，实现道路绿地空间最大化和不透水区域面积最小化，雨水径流尽量通过地表雨水措施的传输与滞留，减小地下管道系统设施规模，从源头削减径流总量和峰值流量。

依照LID的三个原则（最大程度减少开发区域的不透水面积；最大程度保持场地的自然水文条件；最大程度地利用雨水下渗和滞留，以延长汇流时间来减轻场地开发对自然水文状态的影响），本次研究原则总结为三方面：即优化道路设计；降低不透水面连续性；改变道路排水方式。

（1）优化道路设计

城市道路区域的不透水性与路网布局关系密切，在相同环境背景下，不同形态路网布局的铺装总长度、不透水率均不同，从下图可以看出，在相同区域面积下，方格网布局的道路总长度一般比其他形式布局要大，因此，从控制降雨径流的角度，方格路网布局道路面积大，对区域径流总量和峰值流量影响大，宜采用合理的其他路网模式替代方格路网，以减少道路面积，进而削减道路径流量。

在满足土地利用、密度以及交通需求的前提下，应最大程度减少其宽度。我国城市道路宽度标准目前普遍高于许多国家。根据“全国道路交通安全协会经验交流会”反映出的信息显示，近年来国内许多城市已就缩窄车道宽度问题做了试点，3.25m～3.5m的车道宽度已较普遍的应用在改建和条件受限的新建工程中。

对于人行道，在可能的情况下使道路红线不包括人行道，以有效降低行人交通事故率，又可以使用更多的透水铺装。同时，人流量低的道路，也可考虑适当减小人行道的宽度，或只建设单侧人行道。这些均为减小道路红线范围内不透水地表面积的有效方法。

（2）降低道路不透水面连续性

现有已开发场地，路网布局已经形成，城市道路不透水地表切断了雨水的自然通道，阻碍了雨水的自然下渗过程，同时径流中携带着各种污染物。对现有新建或改造道路要最大程度做到干扰最小化，依据城市道路空间条件，人行道尽量采用透水路面，道路绿化带尽量采用植被草沟、雨水花园等生态措施，降低道路不透水的连续性，模拟自然水文功能，恢复与补偿地下水，以水质控制为主，兼具径流量控制。

①尽量采用透水路面

城市道路采用透水铺装，能够有效减少路面径流，防止地面积水；还能蓄积较多热量有利于调节城市空间的温度和湿度，减轻热岛效应。在国外，尤其是日本、美国等发达国家，对透水铺装已做了大量的研究，并已广泛应用于各种工程实践中，收到了很好的效果。在路面工程中，按照透水性路面材料实际使用情况可分为两大类，一类是直接铺设在能够蓄水的路基上，经压实、养护工艺构筑而成的大面积整体透水性混凝土/沥青路面；另一类是经特殊工艺预制的透水性混凝土制品（如透水砖、嵌草砖等）。

②不透水路面切割

城市不透水面的连接程度对城市地表径流的峰值总量变化等都有影响，利用道路分隔带绿地切断城市不透水面的连接如分车绿带对车行道的分割有利于削减地表径流，改变不透水路面的连续性。在道路长度、宽度、坡度及绿地宽度等因子都相同的情况下，具有多条分隔绿带道路的径流峰值明显较低，产流时间滞后。

在道路绿化带宽度相同的情况下，将道路绿地依据汇水面积按比例分成多段，切断不透水路面的联系，可以更好地发挥绿地对道路径流的控制作用。因此，在新建和改建道路中，对于较宽的道路，可以通过增加道路两侧分隔带分割车行道不透水路面，将单幅路、双幅路改为三幅路、四幅路，强化道路绿带对径流的控制，同时提高行车的安全性。

（3）改变道路排水方式

以四幅路为例，讨论传统市政道路排水形式及面临的问题。四幅路由3条绿化带（分隔带）将车行道分成四部分，中间两条为机动车道，机动车道两侧为非机动车道。

四幅路绿化带共计3条，分别为中央分车绿和两侧分车绿带，其高程均高于路面高程。绿化带两侧设置路缘石，路缘石一般高出车行道边缘10cm～20cm，其作用是将机动车与非机动车及行人通过分隔带分割开来，使车辆及行人各行其道，以保证道路具有较高的通行能力。同时，也起到汇集、引导行车道及人行道的雨水流入雨水口，防止雨水进入绿化带影响路面稳定。传统市政道路绿化带只能接纳其自身面积的雨水径流，道路路面雨水径流均流入雨水口，经雨水管道排除。

图2不同路网布局与对应的道路长度示意图

图3传统道路横断面图

传统的市政道路排水设计采用点式雨水口收集道路雨水，通过管道系统尽快排入下游河道，它是以雨水的尽快排除为根本出发点。

这种方式存在多方面的缺点：一是污染较重的机动车道雨水排入河道后污染城市河湖水体；二是点式雨水口收集地表雨水必然产生路边积水，易发生洪涝灾害；同时，道路绿化带需要经常性的灌溉，未对道路雨水资源进行有效利用，大量的雨水资源白白流走。因此需要重新审视和改善现有市政道路排水系统，使之能够发挥洪涝灾害防控，面源污染控制，雨水资源有效利用等多重效益。

对比传统道路排水模式，道路雨水LID系统中央分车绿带下凹，滞留自身雨水径流，下渗雨水和超量雨水通过渗水盲管和溢流井排入市政雨水管线。机动车道和非机动车道径流在重力作用下沿路面坡度汇集至边沟，通过开孔侧缘石进入机非分隔带内雨水LID措施滞留净化，超量雨水通过溢流口进入市政雨水管线。

图4市政道路雨水LID系统横断面图

人行道采用透水铺装，人行道径流首先汇入生态树池，超过其控制目标的径流通过溢流口进入市政管线；如果道路两旁有空地，也可直接坡向红线外绿地，宜建设雨水花园滞留净化雨水，削减洪峰流量，并通过植物的合理配置，创建和谐环境。

城市道路雨水LID技术措施

1.透水铺装

透水砖铺装和透水水泥混凝土/沥青铺装主要适用于广场、停车场、人行道以及车流量和荷载较小的道路，如建筑与小区道路、市政道路的非机动车道等。

铺设透水砖简便易行，效果较好，在所有道路工程中均可使用。但是在透水砖铺设基层应采用透水性能好的材料，如无砂混凝土、级配砂石等，以进一步提高雨水下渗性能。

人行道铺装透水砖，在提高人行交通舒适性的同时，收集和吸储部分雨水。雨天能大量吸储雨水，为道路两旁花草树木的生长提供水源；晴天能释放水汽，湿润空气，降低路面温度，减轻城市热岛效应。

2.下凹式绿地

下凹式绿地技术是一种绿地改造措施，将其道牙开孔，使道路雨水进入绿化分隔带内，绿化带设计为下凹的多层渗滤系统，表层种有植物。系统主要由前处理系统、进水系统、排水系统、表面溢流系统、蓄水区、填料及植物等7部分构成。较普通绿地而言，下凹式绿地具有利用下凹空间充分蓄集雨水、削减洪峰流量、减轻地表径流污染等优点。典型的下凹式绿地结构为：绿地高程低于路面高程，雨水口设在绿地内，雨水口低于路面高程并高于绿地高程。下凹式绿地先汇集了周边道路等区域产生的雨水径流，绿地蓄满水后再流入雨水口。

传统道路雨水通过 “路面雨水→雨水口→雨水管道”的途径进行排放，而生物滞留系统的引入，形成了“路面雨水→孔口道牙→生物滞留→雨水口→雨水管道”的排水方式，使路面雨水可在生物滞留带内暂存净化。

3.植被草沟

植被草沟是一种生态型的雨水收集、输送和净化措施，被广泛地用于城市园区雨水利用和城市径流非点源污染控制系统。有条件时应优先考虑利用道路绿化带采取植被浅沟等地表生态排水方式。常见的生态草沟包括圆弧型、三角形和梯形生态草沟。

表1传统市政道路排水模式与LID模式的对比表

4.雨水花园

雨水花园利用自然形成的或人工挖掘的浅凹绿地，利用喜水或耐水植物，对周边汇水区域雨水径流进行控制净化，并使之逐渐渗入土壤，涵养地下水或使之补给景观用水等城市用水，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施。

5.生态树池

行道树绿带是布置在人行道与车行道之间，以种植树木为主的绿带。树池在人行道绿化中较为常见，占地少，使用美观，一般作为单独的造景出现，是构成城市和道路景观的重要元素。行道树树池行道树作为城市道路绿化的主框架，一般以高大乔木为主，其树池面积要大，一般不小于 1.2 m×1.2m；分车带树池为分割车流和人流，利于交通管理。灵活性强，适用范围较广。

生态树池与一般的树池类似，植物主要以大中型的木本植物为主，要求种植土深度至少为1m，其形式灵活多样，适用范围较广。根据道路硬化程度、径流流向等因素，在道路两侧存在行道树带的情况下，将行道树改造成生态树池以汇集车行道（或非机动车道，根据道路类型而定）或人行道雨水径流，可实现在不减少道路交通量的情况下，滞留净化路面雨水径流。生态树池的布局还可结合道路分隔带绿地设置，溢流及出流雨水流入附近的排水系统中。

6.湿地系统

雨水湿地是一个平均水深较浅的沼泽区，其中大量覆盖有较强净化能力的水生植物，是一种高效的控制地表径流污染的措施。主要通过植物的降解和吸收、土壤或基质的吸附和离子交换以及微生物的降解对污染物进行净化，同时有一定的调蓄作用。

湿地通过土壤、植物和微生物3个相互依存的组合体去除污水中大量的悬浮物或溶解态物质，是一种高效的控制地表径流污染的绿色控制措施。该项措施投资少、能耗低并且易于操作管理，很适合在公路建设中推广。