基于海绵城市理念的城市道路改造方案设计探讨

李 波

(上海宏渠工程咨询监理有限公司，上海 201301)

我国城镇化的发展在带动一方经济的同时，也带来了城市内涝、径流污染、地下水位下降、水资源匮乏等问题。据相关报道，我国660多个城市中有60%出现不同程度缺水[1-2]。城市内涝和缺水同时存在，说明传统城市排水管理模式存在调蓄能力差，径流污染严重，雨水资源利用率低等问题。

为了解决城镇发展过程中出现的这一系列问题，2012年，“海绵城市”的概念首次在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》被提出。2013年，《中央城镇化工作会议》强调：建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市，提出新一代雨水管理模式。“海绵城市”是指现代城市可以像海绵体一样，在城市雨水管理方向具备弹性，下雨时吸水、蓄水、净水，需要用时将前期存蓄的水释放出来，并加以合理利用[3-4]。可在提高城镇雨水调节的基础上，有效补充城镇地下水，提高雨水的综合利用率[5-6]。

占城市建设用地面积15%～20%的道路硬化[7]，是城市排水系统的重要组成部分，因此有针对性地开展城市道路海绵化改造，对海绵城市建设来说至关重要。本文以上海芦潮港社区道路海绵化改造为例，探讨市政道路中的海绵体系构建措施[8]，使得在满足道路基本功能的前提下达到低影响开发(LID)控制目标与指标要求[9]。

1 芦潮港社区道路海绵化改造工程概况

1.1 项目概况

临港地区位于上海市东南角，地处长江口和杭州湾交汇处，距上海市中心75km。上海临港地区试点区域分为七类示范区，并明确各分区重点示范内容和方向，芦潮港社区位于临港试点区第七分区，内容为老城区积水改造河道综合治理。芦潮港社区海绵化改造道路包括江山路、港辉路、芦茂路、芦硕路、芦安路、潮和路和芦云路，改造道路长5870m，平均宽度25～50m。此次道路提升改造主要围绕海绵城市理念，改变传统的雨水收集排放系统，综合利用人行道生态树池、侧分带雨水花园、景观旱溪、透水铺装、排放口人工湿地、净化调蓄模块、雨水调节塘等工程措施，将路面的雨水通过低影响开发方案使该地区在雨水道路年径流总量控制、面源污染控制和排水防涝方面取得一定效果。

1.2 设计标准

1.2.1 地区雨水道路年径流总量控制率

通过海绵城市道路改造方案设计，使该项目城市道路年径流总量控制率达到85%的建设要求。

1.2.2 地区雨水道路年径流污染控制率

雨水利用设施的径流污染控制以尽可能降低水环境污染为目标，同时考虑初期雨水处理设施规模，该项目道路海绵化改造设计要求道路年径流污染控制率为55%。

1.2.3 防涝排水标准

芦潮港社区道路海绵化改造后，通过采取一系列措施，使道路的防洪排水标准达到5年一遇不积水，100年一遇不内涝的建设要求。

2 改造前道路雨水排放现状

2.1 改造前道路雨水积水现状

工程范围内道路改造前均采用雨污分流的排水体制，雨水管渠设计重现期为1年，根据现场调研结果，由于雨水管道排水能力不足，存在雨水排口封堵、局部区域河网间距比较大，道路排水距离较长，以及在汛期河道水位较高等现象，雨水管排水易受河网水位顶托的影响，致使在风暴潮的影响下，工程范围内地面径流峰值大，集中排水导致排水不畅，使局部区域较易形成积水受涝。

2.2 改造前现状排水能力评估

应用Infoworks ICM建立芦潮港社区径流-管网-河道一体化模型，综合考虑区域内降雨、产汇流、下渗、蒸发、管网水动力、河网水动力等因素，导入收集到的芦潮港社区已建雨水管网数据(已建雨水管网总长度约23.2km)，建立模型。通过验证的模型发现，以满管流为评估标准时，芦潮港社区内排水能力小于1年一遇的管网占比为89.1%；以地面积水为评估条件时，重现期大于5年一遇的管网比例提高至97.2%。

2.3 现状内涝风险评估

经模拟，芦潮港社区遭遇100年一遇降雨时，区域局部地方积水超过15cm，但是随着河道水位下降，积水很快退去。从模拟结果可以看出，已建区模拟情况与现状易涝点基本吻合。未建区域的积水情况较为严重，但该区对目前居民的生产和生活并无影响，因此现状积水点没有覆盖该区域。该区积水的主要原因是地块尚未开发，场地地势较低，因此在地块开发时应注意场地排水高程设计，保证区域排水安全。

3 道路海绵化改造思路

3.1 有侧分带

当道路有机非分隔带时，如江山路、港辉路，人行道生态树池、侧分带雨水花园和红线外雨水花园均结合现状道路雨水口布置，每隔30m设置一处，红线外旱溪连续布置，生态树池、雨水花园均设置溢流口，超标雨水排入市政管道。设施布置情况见图1。

图1 低影响开发设施布置(有侧分带)

3.2 无侧分带

当道路为单幅路时，如芦茂路、芦硕路、芦安路、潮和路、芦云路，人行道生态树池和红线外雨水花园结合现状道路雨水口布置，每隔30m设置一处，红线外旱溪连续布置，生态树池、雨水花园均设置溢流口，超标雨水排入市政管道。设施布置情况见图2。

图2 低影响开发设施布置(无侧分带)

4 道路海绵化改造方案设计

4.1 人行道生态树池设计

人行道每30m在行道树之间设置一处生态树池，车行道和人行道雨水排入生态树池，生态树池平面尺寸为6m×1m，下沉深度0.2m，生态树池渗透系数为100mm/h，内部孔隙率10%，单位面积调蓄容积0.42m3/m2。人行道生态树池结构层由上至下分别为卵石或树皮覆盖层、改良种植土掺20%砂、透水土工布、砾石排水层、防渗膜，砾石排水层内设置φ150穿孔排水管，将生态树池结构渗水排入道路雨水口。人行道生态树池设计见图3。

图3 人行道生态树池结构设计

4.2 侧分带雨水花园设计

机非分隔带每30m在行道树之间设置一处雨水花园，车行道排入雨水花园，设施平面尺寸为6.0m×1.5m，下沉深度0.2m，雨水花园渗透系数为100mm/h，内部孔隙率10%，单位面积调蓄容积0.42m3/m2。侧分带雨水花园结构层由上至下分别为卵石或树皮覆盖层、改良种植土掺20%砂、透水土工布、砾石排水层、防渗膜，砾石排水层内设置φ150穿孔排水管，将雨水花园结构渗水排入道路雨水口。侧分带雨水花园设计见图4。

图4 机非分隔带生物滞留池结构设计

4.3 景观旱溪设计

道路红线外地势较低的绿地以及江山路中央分隔带两侧可设置连续的景观旱溪。旱溪尺寸及布置原则：道路红线外旱溪宽3.0m，深度0.2m；江山路中央分隔带旱溪处宽度0.5m，深度0.1m；旱溪设置于低绿地内，绿地地势较高时采用蓄水模块代替；旱溪沿线应避开现状乔木、灌木、路灯等设施；旱溪结构层由上至下分别为0.3m白色卵石(粒径30～50mm)散铺、0.3m碎石垫层、透水土工布，旱溪单位面积调蓄量为0.20m3/m2。景观旱溪结构设计见图5。

图5 景观旱溪结构设计

4.4 红线外雨水花园设计

红线外旱溪每30m衔接处设置一处雨水花园，车行道和人行道雨水通过人行道盖板沟排入红线外雨水花园，雨水花园平面尺寸为6m×3m，下沉深度0.4m，雨水花园渗透系数为100mm/h，内部孔隙率10%，单位面积调蓄容积0.62m3/m2。红线外雨水花园结构层由上至下分别为植被覆盖层、改良种植土掺20%砂、透水土工布、砾石排水层、防渗膜，砾石排水层内设置φ150穿孔排水管，将雨水花园结构渗水排入道路雨水口。红线外雨水花园设计见图6。

图6 红线外雨水花园结构设计

4.5 人行道透水铺装设计

道路海绵化改造人行道铺装除江山路外(江山路周边地块尚未开发成熟，渣土车较多)全部采用透水砖铺装，下部砾石蓄水层采用长丝土工布包裹的排水盲管通常布置，下渗雨水汇流后排入生态树池。透水砖路面材料应符合《透水砖路面技术规程》(CJJ/T 188—2012)的相关要求，人行道透水铺装结构层由上至下分别为6cm的透水砖、3cm的中粗砂、10cm的再生骨料透水水泥混凝土、10cm的级配碎石，结构总厚度为29cm，人行道透水铺装设计见图7。

图7 人行道透水铺装结构设计

4.6 排放口人工湿地

人工湿地设置在河岸边雨水排放口处，对初期雨水、混接污水和管道沉积物进行过滤净化，处理后的雨水排入河道。单个人工湿地尺寸为12m×8m，占地面积96m2，湿地水力负荷取1.0m3/(m2·d)。此外，人工湿地系统还包括雨水截流井、雨水提升装置、雨水调节池和人工湿地。雨水截流井尺寸为4.6m×4.0m，雨水提升装置尺寸为2.5m×2.5m，雨水调节池尺寸为12m×8m，人工湿地尺寸为12m×8m。雨水进入雨水截流井后，初期雨水、旱季混接污水和旱季管道存水通过雨水提升装置进入人工湿地，完成雨水的过滤和净化，超标雨水溢流进入河道。人工湿地设计见图8。

图8 人工湿地设计 (单位：mm)

4.7 净化调蓄模块设计

调蓄模块沿道路侧石带状布置，净宽60cm，有效水深60cm，道路雨水通过人行道盖板沟转输后接入调蓄模块。设施底部设计为可渗透砾石结构，当超过蓄渗带调蓄容积时通过溢流堰溢流，就近排入道路雨水口。当调蓄模块设于绿化带时，顶板上可覆盖鹅卵石或草皮，提升景观效果。净化调蓄模块设计见图9。

图9 净化调蓄模块设计

4.8 雨水调节塘设计

雨水调节塘设置于芦云路秋萍学校门前绿地内，主要起到削减峰值流量作用，由进水口、调节区、出口设施、护坡等构成，调节塘也具有一定的渗透功能，起到补充地下水和净化雨水的作用。

调节塘进水口设置碎石消能设施，防止水流冲刷和侵蚀，设置前置塘对径流雨水进行预处理，塘中种植水生植物以减小流速、增强雨水净化效果，调节区深度为1m，塘底设计成可渗透结构，调节塘出水接入芦云路调蓄盖板沟，向东排入随塘河。调节塘设计见图10。

图10 雨水调节塘设计

5 道路海绵化改造后指标校核

本工程的设计与施工，一方面确保了道路海绵功能的发挥，另外也兼顾了环保、节能、美学等方面的内容。如人工湿地的供电系统，抛开传统电力供电方式，采用低碳、环保、节能的太阳能板供电，铺设在休息长廊顶部，有效节约空间(见图11)；湿地提升泵站采用隐藏式与观光平台相结合的方式(见图12)；阶梯式石龙围护墙体结构的运用(见图13)，使墙体在自然风力的作用下，网笼内石块之间缝隙不断被泥土、植物种子填充，植物根系深深扎入石块之间的泥土中，从而使人工和自然(植被措施)相结合，逐步形成一层坚固的绿色复合保护层。覆盖后的植被能有效地消解雨后径流及冲刷，达到以土植草，以草固土以及自然渗透、雨水净化、阶梯利用的效果。

图11 太阳能板长廊

图12 观光平台

图13 阶梯式生态石龙

不论晴天还是雨天，旱溪都展现了优美的景观效果。同时，雨天还具备蓄水、疏水的功能(见图14)。鹅卵石与植被的自然搭配，周边高大乔木、绿地植被的衬托，使人有回归自然之感。同时，该工程在实际施工时，发现马路对面就是居民小区，经常有居民跨过旱溪来散步、散心。为此，及时调整了设计方案，设置了不同形式与美学特色的“人造桥”，方便居民出行，更显“小桥、流水、人家”的文学意境。

图14 旱溪

5.1 年径流总量控制率校核

计算总调蓄容积的原则为顶部和结构内部有蓄水空间的LID设施(如雨水花园、调蓄模块、生态树池、旱溪等)的蓄水量计入总调蓄容积；转输型植草沟、明沟、初期雨水弃流、人工土壤渗滤等对径流总量削减贡献较小的设施，其调蓄容积不计入总调蓄容积；受地形条件、汇水面大小等影响，设施调蓄容积无法发挥径流总量削减作用的设施(如较大面积的下沉式绿地，往往受坡度和竖向条件限制，实际调蓄容积远远小于其设计调蓄容积)，以及无法有效收集汇水面径流雨水的设施具有的调蓄容积不计入总调蓄容积。

低影响开发设施设计调蓄量采用容积法进行计算:

V=10HφF

式中：V为设计调蓄容积，m3；H为设计降雨量，mm；φ为综合雨量径流系数，按地块下垫面比例加权平均计算；F为汇水面积，hm2。

以径流总量为控制模板，运用道路红线内各低影响开发设施的设计调蓄容积之和计算总调蓄容积，使设施控制量不低于根据目标控制率计算得出的道路总产流量。

由年径流总量控制情况(见表1)可知，7条城市道路海绵化改造后，设施控制量均大于道路产流量，即均满足海绵城市建设85%控制率的指标要求。

表1 年径流总量控制情况

5.2 年径流污染控制率校核

按设计方案，单位生物滞留沟处理其侧面车行道、人行道相应单位的初期雨水量，定义空池最大蓄水量为水池在不考虑下渗和溢流口外溢情况下的最大蓄水量。当空池最大蓄水量≥初期雨水径流控制量时，说明该海绵化改造设施能够完全控制设计范围内初期雨水携带的污染物量。在降雨后期或者降雨停止后，设施内滞留的污染物将通过设施内的人工湿地得以有效去除。7条道路海绵化改造后，各LID设施对径流污染的去除率见表2。

表2 各条路年径流污染去除率

由表2可知，7条道路通过海绵化改造后，雨水径流污染去除率普遍可达到60.0%以上，大于目标值55.0%，满足海绵城市建设对雨水径流污染去除率的要求。

5.3 设施渗透量校核

本工程设计中采用的海绵城市道路改造措施，不改变传统设计中的雨水管道系统，雨水通过开口路缘石进入绿地，并在绿地沿线设置景观旱溪及净化调蓄池、溢流雨水口、人工湿地等构筑物；溢流雨水口与市政雨水排水系统相连，路面降水经过绿地渗透后利用雨水系统排放。因此，改造后可使雨水渗流更加科学且设施渗透量达到设计标准要求。

6 道路运维及管理

6.1 总体要求

建立健全低影响开发设施的维护管理制度和操作规程，配备专职管理人员和相应的监测手段，并对管理人员和操作人员加强专业技术培训，做好雨季来临前和雨季期间设施的检修和维护管理，保障设施正常、安全运行，同时应加强对设施效果的监测和评估，确保设施的功能得以正常发挥。

6.2 设施维护要求

在总体运维及管理要求的前提下，主要对单体设施进行维护，如透水砖、旱溪、调节塘、生态树池、雨水花园、潜流人工湿地、溢流雨水口等，见表3。

表3 设施维护要求及内容

7 结 语

随着“海绵城市”理念的广泛推广，城市道路海绵化改造也从观念和理念上逐渐向实际工程方向发展。芦潮港社区7条城市道路海绵城市改造作为标杆示范项目，目前已经全部建成完工，各种低影响开发设施运行情况良好。相关单位会在后续的运维管理中增加相应的监测设备，以便为后续城市道路海绵化改造及海绵城市建设提供更为直观的数据与参考。