海绵城市理念在市政给排水设计中的应用要点研究

张梁

（湖南省长沙市城市建设科学研究院，长沙 410000)

1 海绵城市理念

海绵城市属于新一代城市雨洪管理概念，是指城市在应对各类环境及雨水带来的影响与灾害时，具有弹性，如同海绵一样具备能吸水、蓄水、渗水、净水等功能[1]。海绵城市并非要取代传统排水系统，而是对传统排水系统进行优化与创新。引入海绵城市理念，让城市市政建设期间能做好“水”的调节，使自然降水、地表水和地下水在海绵城市建设中能够协调与统筹，所以在市政给排水设计中要考虑复杂性和长期性。而相比于传统城市建设，海绵城市更顺应自然，在城市开发建设中影响较小，不会改变地表径流量。

2 海绵城市理念的重要性

市政给排水设计中的海绵城市理念的应用具有重要意义，主要表现为：（1）优化城市给排水基础设施。市政给排水设计中，海绵城市的应用能提升给排水的运行质量与效率，确保其能满足城市发展需求，完善给排水系统。（2）减少对水资源的污染。城市发展期间水资源污染问题比较突出，很多城市给排水系统难以对水污染问题进行治理，对城市发展造成极大影响，但海绵城市理念的应用，能有效降低对水资源的污染，确保城市的生态平衡。（3）提升水资源利用率[2]。传统市政给排水系统难以有效蓄水与排水，会造成城市内涝，水资源难以得到有效利用，但海绵城市理念的应用能有效收集水资源，提升水资源的利用率，实现城市的绿色发展。

3 海绵城市理念的应用原则

3.1 结合城市规划

市政给排水是城市整体发展的重要组成部分，是一项专业性、复杂性较强的工作，与城市其他项目规划密切相关，如城市防水防涝、环境保护等，在设计时会增加给排水设计难度。所以在给排水设计中海绵城市理念的应用，是要与城市规划相结合，能从整体出发，确保给排水设计的科学性与系统性，满足城市发展需求。

3.2 确保专业水平

在城市基础设施建设中给排水系统是重要组成部分，影响着城市的可持续发展。但目前我国市政给排水设计中，对海绵城市理念及相关技术的认识不足，导致应用水平相对较低，无法为给排水设计提供可靠支持。同时，在给排水设计中会存在诸多不确定性，只有设计人员能充分认识海绵城市，确保其专业性，才能提升城市排水系统设计的效果。

3.3 生态优先原则

在我国各大城市贯彻落实“绿色发展”理念期间，给排水设计中海绵城市理念的应用要坚持生态优先原则，减少对城市的污染与破坏。海绵城市排水设计要提升对资源的利用率，采用绿色理念与材料，降低建设与运行期间的污染与能耗，提升给排水系统的应用效果。

4 海绵城市理念在市政给排水设计中的应用要点

4.1 绿化带设计

市政给排水设计中绿化带是重要组成部分，以海绵城市理念为指导，要求绿化带设计能满足基本的蓄水功能，提升水资源的利用率。下沉式绿化带具有消减路面径流、减轻道路扬尘、节约绿地灌溉用水等多种功能，所以成为当下海绵城市绿化带设计的主要方向。

下沉式绿化带在设计过程中需分析绿化带水量平衡，可以用式（1）对时段内水量平衡进行计算：

式中，Q1为雨水在计算时段内流入下沉式绿化带的总径流量；U1为计算起始时下沉式绿化带的蓄水量；Z为计算时间内下沉式绿化带的雨水下渗量；U2为计算时间内下沉式绿化带的蓄水量；Q2为计算时间内下沉式绿化带进入雨水管道的外排量。

下沉式绿化带设计的雨水控制容量可通过式（2）得出：

式中，E为下沉式绿化带设计的雨水控制容量；ΔU为计算时段内进入下沉式道路绿化带的蓄水量。

同时，也要对绿化带雨水渗蓄能力R进行计算，可通过公式（3）得出：

式中，ψ为雨水渗蓄率；∈为绿化带服务区径流系数；Fn为道路面积；Fg为绿化带面积。

可以使用式（4）和式（5）计算降雨量：

式中，H为降雨深度；q为暴雨强度；T为设计重现期；t为降雨历时。

雨水下渗量S计算如式（6）所示：

式中，K为土壤的稳定入渗速率；J为水利坡度。

横断面方向的绿化带在下凹式绿化带中，能在下凹式断面中存积雨水，绿化带使雨水过滤后，可以通过溢流的方式进入雨水利用系统，下凹式绿化带内设置雨水口，要高于地面3～5 cm，绿化带内绿地地面的高程较两侧路面低5～10 cm，每隔一段距离在绿化带两侧的路缘石设置雨水的流入孔，可以在绿化带内汇集雨水。将防水土工材料铺设于绿化带的底层及其两侧，能减轻雨水的下渗。

4.2 人行道设计

以海绵城市理念为指导，市政给排水设计中“透水”是十分重要的要素，所以可以设计透水人行道，且透水人行道的材料选择十分关键，具体见表1。

表1 透水人行道的材料选择

在稳定水头状态下对透水砖等材料的透水性能进行计算，在确定透水系数时可以使用式（7）：

式中，KT水为水温为T水℃时的试样透水系数；Q为时间t内的渗出水量；I为试样的厚度；A为试样的上表面面积；h为水位差。透水砖的各项指标控制见表2。

表2 透水砖的控制指标

透水水泥混凝土等材料的孔隙率计算时可以使用式（8）：

式中，P、V0、m2、m1分别为试件孔隙率、试件体积、试件浸水饱和下在水中的质量、试件在干燥状态下的质量。

在对透水水泥混凝土的透水系数进行计算时，公式如式（9）：

式中，ζ、h′、A0、τ0、Q1、X分别为透水系数、试件高度、试件断面、上下出水口之间的距离水位差、从透水仪出水口流出的水量、从透水仪出水口流出的时间。

透水人行道的土基要有良好的透水性，一般情况下透水系数需控制在1.0×10-3mm/s以上，渗透面与地下水位之间的距离要求控制在1 m以上。

4.3 附属设施设计

将绿色景观树种植在道路沿线两侧，在设计中要求生物滞留沟种植土壤层厚度宜为120 cm。生态滞留沟中路沿石豁口生态滞留沟的设计过程中，要做好豁口长度、净流量等参数计算，避免影响其净化效果。在路缘石上预留豁口是比较普遍的方式。在对路缘石豁口进行计算时，可以使用公式（10）：

式中，L、W、K0、B、n、i分别为豁口长度、设计净流量、经验常数、纵向坡度、曼宁系数、路面横向坡度。

路缘石豁口的开口长度要综合雨水口进水量等参数，最终可以确定路缘石豁口的设置间隔为15 m。为便于路面雨水的收集，将道路坡度设计为＞1.5%。路缘石的材料为花岗岩，后背材料与规格分别为C15混凝土、15 cm×80 cm×130 cm。路缘石开口需合理设计，规格要求为80 cm×7.5 cm，绿地边缘设置铸铁格栅，避免有异物进入。

溢流雨水口需合理设置，一般情况下需间隔20～30 m设置1个，确保溢流雨水口生物滞留设施设置的合理性。溢流设施在雨水较大且超过海绵城市收纳能力时会发挥其作用，雨水会排入市政管网。混凝土结构为溢流雨水口采用模块，规格、溢流口最大过流流量分别为680 mm×1 300 mm、30 L/s。

将PVC沉淀槽设置在沉泥槽路缘石后侧，规格为8 cm×20 cm×12.5 cm。钢筋混凝土为沉泥槽的底座，规格为130 cm×30 cm×20 cm。采用卵石堆砌挡水堰，顶宽、底宽、高度分别为20 cm、40 cm与20 cm，基础垫层为50 cm细石混凝土。根据公式（11）做好雨水全部下渗时间计算。

式中，t0、Wp、A1、σ、α分别为绿地淹水时间、产流历时内的蓄积水量、渗滤设施直接接收降水的面积、平均渗透系数、折减系数。

生物滞留设施的维护也十分关键，要求能对植物进行及时修剪，将杂草清除。汇水面径流雨水在进水口不能有效收集时，局部下凹需加大。将碎石设置在进水口、溢流口，避免冲刷造成水土流失。及时清理进水口、溢流口堵塞情况，确保其畅通性。

5 结语

海绵城市理念在市政给排水设计中的应用是时代发展的必然，也是人与自然和谐相处，打造绿色城市、海绵城市的重要手段。以海绵城市理念为指导，能确保市政给排水设计的整体质量与效率，提升城市的蓄水与排水能力，避免城市内涝的发生，同时也能提升水资源的利用。未来随着现代科学技术的快速发展，海绵城市将会与智慧城市相结合，不断提升城市服务职能。