海绵城市理念应用于积水点雨水排水系统改造探讨

胡 强

（兰州市城市建设设计研究院，甘肃 兰州730030）

0 引言

近年来，城市内涝问题频现，不少城市开启“看海”模式引发社会热切关注。防治积涝灾害已成为我国城市化进程中不可避免的课题。通过建设海绵城市解决内涝的构想被提到前所未有的高度。海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，就是使城市的排水系统像海绵一样，具有自动吸收和排除水分的功能。当城市大幅度降雨，甚至出现水淹、洪灾等情况时，城市的排水系统可以吸收、渗透、储存、净化水体；当出现干旱的情况时，城市的排水系统可以释放储存的水量。

1 海绵城市排水设计思路

根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[1]，建设海绵城市，即构建低影响开发雨水系统，主要是指通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种技术途径，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的海绵功能。

海绵城市排水设计，应遵循生态优先的原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防洪安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。建设海绵城市并不是将传统的排水系统推倒重来，而是将其视为对传统排水系统的一种补充，最大程度地利用城市现有的条件[2]，优先利用植草沟、渗水砖、雨水花园、下沉式绿地等“绿色”措施来组织排水，以“慢排缓释”和“源头分散”控制为主要规划设计理念，既避免了洪涝，又有效地收集了雨水。雨水通过城市“海绵体”下渗、滞蓄、净化、回用，最后剩余部分径流通过管网、泵站外排，从而可有效地提高城市排水系统的标准，缓减城市内涝的压力。城市“海绵体”既包括河、湖、池塘等水系，也包括绿地、花园、可渗透路面等城市配套设施。在海绵城市建设的过程中，应统筹自然降水、地表水和地下水的系统性，协调给水、排水等水循环利用各环节，考虑其复杂性和长期性。对于较大的城市，老旧城区面临空间条件有限、改造难度大等问题，应考虑建设大型地下蓄水池、大规模改造雨水管线等设计方案，多增添一些“海绵体”，使其更具有可行性。比如让城市屋顶“绿”起来，增加绿地面积，而且“绿色”屋顶在滞留雨水的同时还起到节能减排、缓解热岛效应的功效。而广场、街道、操场等地方改用透水效果好的材料砖，避免大面积的雨后积水。

2 兰州市积水点形成的原因

兰州属温带大陆性气候。年平均气温10.3℃；年平均日照时数为2446 h；无霜期为180 d；年平均降水量为327 mm，主要集中在6～9 月。近几年逢雨必涝的现象频发，每逢大雨，城市多个积水点就会严重积水，直接导致群众出行困难，交通堵塞；暴雨时，雨水会冲开井盖，行人和车辆稍有不慎就会掉进去。除极端暴雨事件增加和暴雨强度增强等自然原因外，城市现有排水设施自身问题日益凸显。

（1）城市快速发展，城市地面硬化铺装面积逐年增加，土地减少，导致地面渗水能力大幅度降低。由于旧城区管网设计年代较早、管径较小，瞬时降雨量太大，排放不及，导致多处积水。

（2）管网改造不彻底，部分地区管道仍为雨、污混流管道。降雨时，大量雨水排入污水管道，增加污水处理量，整个片区排水不畅。强降雨时，雨水主要通过自然高差沿路漫流。例如：新港城北门丁字路口积水点，现状雨水排水管雨污水合流，基本按污水管道使用；原有排出口废弃，无法排放；从而，造成该区域目前无专门的雨水排水管道及排出口。

（3）现有管道老化、管道淤堵严重，部分管道坡度埋深存在一定的设计缺陷，基本丧失了使用功能。例如：安定门铁路桥下为地势低点，暴雨来临时，附近道路的雨水，以及南山路的雨水汇集在此处。积水点处现状d800 雨水排水管道，管道坡向与排水方向相反，导致安定门铁路道口东侧积水无法及时排除。

3 基于海绵城市理念的积水点雨水改造设计应用

城市的地表多被钢筋混凝土的建筑和不透水的路面覆盖，缺乏渗透雨水的能力。构建海绵城市通常从改善自然水文渗透、降低表层径流、减少汇聚道管网中的降水量等方面进行。通过对改变地面的铺装材料、实施屋顶绿化等都可以实现渗透雨水。透水性铺装是“海绵城市”设施中的一种重要的源控制技术，通过减少城市不透水面积，在城市雨水的径流走向得到良好的调控的同时，促进雨水的储存、渗透和净化。常用的地面透水铺装有三种选择：透水砖、透水沥青混凝土和透水混凝土。结合兰州地区湿陷性黄土地质情况，分析土体的渗透系数、土层结构、地下水位、土层厚度等因素，人行道拟采用透水砖铺装，而城镇道路拟采用透水沥青路面。

3.1 雨水设计流量公式

雨水设计流量公式为：

式中：Q为雨水量，L/S；q为暴雨强度，L/（hm2·s）；Ψ 为综合径流系数，按城镇建筑较密集区确定径流系数，该工程设计取0.50；F为汇水面积，hm2。

3.2 暴雨强度公式

雨水量采用兰州市暴雨强度公式进行计算。

旧编兰州市暴雨强度公式为：

新编兰州市暴雨强度公式见表1 所列。

表1 新编兰州市暴雨强度公式一览表

表中：t为降雨历时，min，t=t1+t2；t1为地面集水时间，min，取15 min；设计雨水重现期P=1 a。

经计算q=0.42 mm/min。

不同暴雨强度下透水结构层推荐厚度[3]见表2所列。

表2 不同暴雨强度下透水结构层推荐厚度一览表

透水结构层推荐最小厚度应为30 cm。透水沥青路面结构设计指标应满足现行《城镇道路路面设计规范》（CJJ169）要求。

根据实际情况，可选用透水沥青路面Ⅱ型，路表水由面层进入透水基层后排入邻近排水设施（见图1）。

图1 透水沥青混凝土铺装结构示意图[4]

透水基层可选用排水式沥青稳定碎石、级配碎石、大粒径透水性沥青混合料等。透水沥青面层厚度宜为8～10 cm，基层厚度宜为15～22 cm，Ⅱ型透水结构层下部应设置封层，封层材料的渗透系数不应大于80 mL/min，且应与上下结构层粘结良好。

人行道采用透水砖路面。透水砖路面的设计应满足当地2 a 一遇的暴雨强度下，持续降雨60 min，表面不应产生径流的透水或排水要求。透水砖路面结构层应由透水砖面层、找平层、基层、垫层组成（见图2）。

图2 透水砖路面结构示意图

人行道拟采用半刚性基层或柔性基层的透水砖路面，基层厚度按《城镇道路路面设计规范》（CJJ169）计算，透水砖路面块体厚度采用沥青路面的设计方法，以设计弯沉值为路面整体强度的设计指标，核算基层的弯拉应力，透水砖路面块体厚度应按下式计算[5]：

式中：ht为透水砖路面块体厚度，mm；hl为沥青混凝土面层厚度，mm；α 为换算系数，取0.7～0.9。

结构层的厚度还应进行透水、储水能力验算。

除此之外，因兰州地区为湿陷性黄土地质，不能满足透水砖路面下的土基的基本要求，除采用满足规定的一般黏性土或砂性土置换外，还需要结合现有雨水收集利用系统做路面内的排水设计。兰州属于寒冷地区，应进行抗冻最小厚度验算。若结构层厚度小于最小防冻层厚度时，则应增加防冻垫层使其满足最小防冻厚度的要求。

3.3 安宁区北滨河路七里河桥下积水点位置与现状

以安宁区北滨河路七里河桥下积水点为例，见图3 所示。

此处积水点地势较低，自西向东d400 雨水排水管道及自东向西d600 雨水排水管道在积水点附近分别由d800 雨水排水管道接至黄河。现状雨水排水管道管径偏小，除考虑增大雨水管径外，积水点周边采用透水性铺装，道路采用透水沥青路面、人行道采用透水砖铺装且均设置路面内部排水设施，就近接入现有雨水管道，人行道雨水经过汇流后，直接排至附近绿化带。为合理利用雨水资源，改上凸型绿化带为下凹形，可收集人行道、车行道地表雨水。绿化带内设置溢流设施，可采用溢流竖管、盖篦溢流井或雨水口，雨水口高于绿化带100 mm，但是低于路面，路面雨水进入绿化沟中，达到一定高度后进入雨水口，排至雨水管网。从而，最大程度地发挥绿化带蓄水、滞水的功效。

整治积水点，常规做法为增设路面雨水口、增设雨水管道等。结合海绵城市的理念，对于积水点，合理控制、减少地表径流，缓解雨水口排水压力，弥补因路面施工不足而导致坡度、坡向对雨水排放的不利影响。通过设计道路透水铺装，减少地表径流，亦可避免因雨水口被垃圾堵塞，而导致雨水积存，避免发生路面积水情况，彻底改善积水点。

图3 七里河桥下积水点位置图及其实景

3.4 其他项目设计

海绵城市设计思路还包括透水景观铺装、绿色建筑设计，塑料模块蓄水、地下蓄水池，雨水花园、生态滞留区设计等。但在积水点改造中，应结合实际情况，考虑具体设计思路是否适宜。兰州城关区安定门铁路桥桥下积水点、七里河区西津西路肉联厂家属院等积水点，因其周边无绿化带，且道路沿线不宜设置地下蓄水装置，通过增设雨水口，增大管径，将雨水排至附近排洪沟，也可解决积水问题。

4 兰州市构建海绵城市的建议

对于海绵城市建设，应分别探讨老城区的改造和新城区统筹设计应用。老城区多增添一些“海绵体”更具有可操作性，设置屋顶花园、改造现有绿化设施，结合现有管网的维修升级工程，广泛地应用新材料，逐步扩大海绵城市改造规模；新城区则应由规划、水利、园林、住建等多部门联合推进海绵化建设，对城市水环境、雨水资源利用、立体绿化等问题综合考虑，用可持续发展的眼光改善城市的自然环境。对于住宅小区，屋顶可采用以雨水利用和渗透为主的设施，如绿色屋顶、高位雨水花台；对于小区道路[4]，可采取透水铺装，采用透水砖及透水路面，结合小区景观布置雨水花园、地下蓄水装置，提高雨水利用率。广场、停车场、城市道路，应主要考虑绿色基础设施发挥作用，加大绿化面积，合理布置植草沟、雨水花园、生态树池等，减少大面积集中布置绿地，为提高雨水使用效率，可通过设置沉沙池和硅沙蓄水池等，将净化的雨水储存，用于浇洒道路、灌溉绿化带等。

依据国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，“推广海绵型建筑与小区、海绵型道路与广场，推进城市排水防涝设施建设和易涝点改造，实施雨污分流，科学布局建设雨水调蓄设施”，积水点的改造，应视为推进海绵城市建设的一部分。在解决积水点排水问题的前提下，运用海绵城市设计思路，因地制宜，将建设海绵城市作为对传统排水系统的一种补充，逐步改善城市排水现状，通过实际工程，总结经验，推进城市海绵化进程，促进社会与自然的和谐发展。