基于LID设施的市政排水设计要点研究

浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310000

随着城镇化的不断推进和人口的增长，城镇基础设施的建设规模也日益扩大，同时对城市的生态环境和水文环境产生了不可逆的破坏。城市开发会提高地表不透水面积，使雨水下渗量持续降低，地表径流汇集速度加快，从而导致路面积水或内涝，严重影响行车安全性。选择经济、合理的市政排水设计方案，成为设计人员需解决的关键问题。为了提高市政排水能力，国内外学者针对城市雨洪管理开展了大量的研究，提出了水敏性城市、海绵城市等理论，尤其是建设海绵城市，已经成为我国重点推进的项目。低影响开发理念（Low Impact Development,LID）可以实现从源头、过程至末端共同控制排水，在海绵城市建设中得到了广泛的应用。因此，基于LID设施研究市政排水设计具有十分重要的工程意义。

1 城市低影响开发雨洪管理模式

传统的市政雨洪管理目标是将道路表面的雨水径流快速排入排水管网，其转运途径如下：地表径流→市政雨水管网→河湖水系。该方法可以处理部分雨水，但容易对自然水循环造成一定的干扰，影响生态环境的稳定。LID设计理念的核心是确保地表雨水自然下渗，使开发后的雨水径流总量和雨水峰值与开发前基本保持一致（市政排水能力达到最佳状态），以实现雨水再循环利用，并建立良好的水资源环境。

2 城市典型LID设施的设计

2.1 透水路面设计

由于透水型路面铺装材料孔隙性较大，可以使雨水较快渗入地下，从而减小地表积水。按照铺设系统是否有径流存储区，可将透水型路面分成多孔铺设、储存式透水铺设、非储存式透水铺设。多孔铺设型透水路面在城市道路中的应用较广泛，其储存区域、孔隙率等参数应按照当地降水量与降水频率计算得到，路面施工时是先在路基上摊铺碎石层来储存径流，然后再铺设孔隙较大的多孔沥青混合料（车行道）、低标号混凝土（车行道）、透水地砖（人行道）等，以确保地表径流渗入碎石储存层。

2.2 植草沟设计

植草沟是沿道路走向布置的三角形或梯形的下凹式带状雨水措施，其主要功能是收集并排放地表径流，雨水储蓄和净化能力较差。植草沟构造简单，其结构层包括土壤层、粗砂层、砾石层等，同时可在砾石层设置排水管将雨水排进其他LID设施或城市排水管网。雨水流入植草沟后，如果水流速度过大（沟底纵坡大于4%），不仅会削弱植草沟对雨水的截留、吸收作用，还会冲击植草沟底部土壤，导致沟身破坏。此时，可设计定距或变距消能坎来减缓水流速度，提高植草沟的抗冲刷性，块石、浆砌片石、水泥混凝土均可作为消能坎材料。

2.3 生态树池和生态滞留池设计

生态树池属于点状生态滞留设施，适用范围较广。生态树池内一般种植当地适用性强的树种，上部会铺1m左右种植土，种植土的下部依次布置反滤层、砾石层、渗水管等，其主要作用是在不影响道路交通的前提下汇集机动车道、非机动车道、人行道的雨水径流。生态树池的平面位置应当根据城市规划、道路等级及功能等确定。

生态滞留池也是沿道路走向布置线形下凹式排水池，形状规则，底部会种植绿化植物，主要用于绿地区域小但道路景观要求高的核心商圈道路、人行步道等。生态滞留池的作用是控制地表雨水流向、净化水质，改善道路景观。

2.4 人工湿地设计

人工湿地是重要的提高市政排水能力的LID设施之一，属于综合性雨水调蓄系统，即人工湿地可以将植草沟、生态树池、生态滞留池等单项排水设施中的雨水进行集中调蓄和净化。人工湿地占地面积较大，不适合布置在市内人流、车辆、建筑物密集地带，通常设置在有开敞空地的区域。同时，在雨水汇进人工湿地之前，需要通过设计沉淀池（深池+浅池模式）、草沟、乱石堆围挡、砾石过滤带等措施对雨水进行集中过滤。

3 LID多目标优化设计及效果评价

3.1 优化设计目标

《海绵城市建设技术指南》建议，设计LID设施排水系统时，控制目标可选径流总量、径流峰值、径流污染、雨水再利用率等。笔者结合多个项目经验，拟选择地表径流总量和径流峰值两个目标来对市政排水进行优化设计。

（1）地表径流总量。在LID雨水系统中，地表径流总量目标一般是通过径流总量控制率来控制。相关统计表明，最佳径流总量控制率为80%～85%，各地区可按照当地水资源和市政规划来选择适当的径流总量控制率，也可利用下式计算：

式中：α为径流总量控制率，%；Rj为当地径流深度，mm；Ry为当地降雨深度，mm。

（2）地表径流峰值。地表径流峰值是城市LID设施排水效果的辅助评价指标，控制径流峰值能大幅降低城市发生局部内涝的可能性。地表径流峰值可按下式计算：

式中：Q为区域径流峰值，m3/s；n为子汇水区域个数；qi为第i个汇水区域的径流峰值，m3/s。

3.2 研究区概况

通过工程实例来评价LID设施对市政排水效果的影响是最直观的办法，文章以某城市次干道为研究对象，基于SWMM水文模型分析布置LID设施前后地表径流总量和径流峰值的变化规律。该次干道地形南高北低，夏季降水量较大，冬季降水较少，年降水量约566～689mm。因原设计不当，导致道路在运营期间易出现路面积水，降水量较大时，沿线街道甚至出现内涝，严重影响了行车安全和舒适度。为了提高道路排水能力，采用透水型沥青（行车道）和透水砖（人行道）、植草沟、生态树池、人工湿地等措施来对道路进行整体改造。

3.3 LID设施的雨洪控制效果

（1）降雨参数确定。利用SWMM模型模拟地表产汇流时，降雨重现期分别取1年、3年、5年、10年、20年，降雨历时2h。降雨强度按《室外排水设计规范》（GB 50014—2016）来计算：

式中：q为降雨强度，L/(s·hm2)；p为降雨重现期，年；t为降雨历时，min；A、C、b、n均为参数，根据统计方法计算确定。

（2）地表径流总量分析。城市道路在添加LID设施前后的径流总量和径流削减率如图1所示。由图1可知，随着降雨重现期的增加，地表径流总量也不断提高，设置LID设施后径流总量明显降低；同时，地表径流削减率逐渐减小，但减小速率逐渐变缓。即当降雨重现期小于3年，地表径流削减率迅速降低，减少了22%；当降雨重现期超过3年，地表径流削减率降低幅度并不明显。

图1 设置LID设施前后径流总量变化

（3）地表径流峰值分析。城市道路在添加LID设施前后的径流峰值变化规律如图2所示。由图2可知，设置LID设施前后径流峰值均随着降雨重现期的增加而增加，且LID设施对径流峰值有明显的削减作用。降雨重现期为1年时，LID设施对径流峰值的削减能力最大，达到了94.2%；降雨重现期超过10年，峰值削减率反而增加。

图2 设置LID设施前后径流峰值变化

4 结束语

文章分析了低影响开发的雨洪管理模式、典型LID设施设计及其对地表径流的削减效果，主要得到以下几个方面的结论：（1）低影响开发（LID）设计理念的核心促使地表雨水自然下渗，使城市开发后雨水径流与开发前基本保持一致；（2）典型的城市LID设施有植草沟、透水路面、生态树池、生态滞留池、人工湿地等，在进行设计时应当重点考虑当地水资源及城市规划；（3）随着降雨重现期的增加，添加LID设施前后地表径流总量和径流峰值均不断增加，且LID设施对其有明显的降低作用。