基于海绵城市理念的城市道路设计及指标校核研究

徐钦勇

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

城市道路作为城市空间的重要组成元素，直接影响城市整体规划建设。随着城市化进程的推进及城市交通经济的快速发展，城市道路整体建设覆盖面积比例也不断提升，硬化城市道路约占城市建设用地面积的20%。现阶段城市道路的规划设计建设多以满足通行需求为主，涉及降雨径流控制通常采用排水的思路，往往忽视了生态环境保护的功能[1]。

硬化面积比例的大幅提升削减了雨水下渗空间，在短时强降雨天气条件下易发生洪峰现象，从而引起城市积水乃至内涝。此外，城市道路作为不透水路面，除了排水不畅外，也会加重城市热岛效应[2]。在各类车辆保有量不断提升的背景下，城市道路也成为了雨水径流及径流污染物的重点蓄集场所[3-4]。因此，依托海绵城市建设理念搭建蓄水、净水、渗水、排水的综合雨水处理体系已成为城市建设过程中亟待解决的问题。基于海绵城市理念的城市道路设计及施工方面的研究及应用已有一定基础：楼诚等[5]依托嘉兴市海绵城市建设成果，提出了基于造价、施工、景观效果等五个维度的综合评价体系，并在分析评价结果基础上开展设计方案优化；英战勇[6]利用SWMM雨洪模型，对实施道路生态海绵城市建设技术(LID)措施管控前后的雨水管理效果进行对比，搭建了缩尺模型，模拟了地表径流及径流峰值削减率变化情况，总结了LID措施组合方式；李怡冰等[7]将海绵城市建设理论应用于道桥设计中，对城市立交桥进行了智能化改造，演算了径流雨水净化与积存平衡的模式，配套搭建立交雨水利用处理一体化系统；吴君炜等[8]则是对基于海绵城市理念建设的重庆城市综合系统构建进行了论述，研究了能有效结合重庆山地特征的设计方案，提出利用活水海绵系统、山地公共海绵系统及建筑物立体绿化的新型应用模式。

综上所述，针对基于海绵城市理念建设的城市道路体系理论和应用研究已较为充分，但在相关指标校核及评价方面仍存在较大空白。因此，本文依托南宁市某海绵城市道路建设试点工程展开探讨，结合海绵城市理念中的城市道路设计思路，明确设计标准，拟定城市道路系统性设计方案，并给出具体的工程措施方案，对海绵城市建设指标完成状况进行校核，最后提出相关的海绵城市道路工程措施的维护及管理建议。

1 工程概况

1.1 项目简介

本文依托南宁市某海绵城市道路建设试点工程展开探讨。该道路呈东西走向，总体建设长度为1.25 km。原人行道及机动车道宽度分别为3.5 m和7.5 m。道路周边主要为绿化和厂区，绿化退让宽度为7～11 m。

该城市道路的改造设计紧密结合海绵城市建设理念展开，对原城市道路雨水收集和排放体系进行改造。考虑采取多项LID措施，将实现道路径流的流量控制、径流污染物控制及排洪防涝的目标。

1.2 设计标准

(1)年径流量控制率。利用基于海绵城市建设理念的设计方案措施，使该条城市道路的年径流量控制率≥70%，即可实现25.7 mm道路径流不外排的设计标准。

(2)径流污染物控制率。综合考虑南宁市初期径流雨水污染及城市受纳水体水环境容纳标准，同时参照多项相关工程建设经验中的初期雨水截留情况，设计成果的径流污染物控制应树立削减水体污染的建设目标。其中，以10 mm降雨径流量作为该项目中的初期雨水截留量。

(3)排洪防涝能力。在应用各项LID综合方案的基础上，实现可应对50年一遇降雨的建设目标。

2 系统性设计方案

2.1 整体方案

本设计方案考虑将雨水管道设置于道路中心线下方，同时保留现有检查井及雨水主管，其中设计路面标高与检查井井盖标高相同。道路红线宽度设计为20.0 m，其横断面改造设计见图1。道路径流雨水的下渗及利用主要依靠非机动车道及人行道处设置的透水铺装，还包括道路两侧的下凹式生物滞留绿地。

图1 道路改造后横断面示意图(cm)

2.2 非机动车道和人行道透水铺装

采用透水砖等透水性硬化铺装的方案可增强非机动车道和人行道的透水能力，是目前较为常见的做法。非机动车道和人行道的透水铺装结构从下到上分别为：反滤土工布、级配碎石12 cm、透水水泥混凝土15 cm、干硬性水泥砂浆3 cm及最上层的透水地砖8 cm，能保证雨水径流下渗从而补充地下水资源。其结构示意图见图2。

图2 透水铺装结构示意图

透水铺装结构可有效阻滞道路径流污染物，包括总氮、总磷、氨氮、COD、固态悬浮物及重金属成分等，净化后的径流雨水可达到Ⅱ类地表水质标准。人行道和非机动车道的坡向均朝生物滞留设施方向，径流量较大时可通过路缘石开口将未下渗径流排入其中实现净化下渗。

2.3 生物滞留设施

将原有侧分绿化带拓宽至2.50 m，改造为下凹式绿地设施，并在路缘石侧边开口，将人行道及车行道表面汇集的径流雨水进行收集、净化、下渗。综合考虑整体方案布置，采用生物滞留设施方案。该方案可通过滞留池内发生的复杂物理、化学及生物反应，高效率过滤及消除汇集的雨水径流污染物成分。

生物滞留池设施结构见图3，从下往上分为土工布、DN200软式透水管、卵石层等，涉及的部分材料物理参数见表1。

图3 生物滞留设施结构示意图(cm)

表1 生物滞留设施材料物理参数表

考虑到该条城市道路沿线种植的钱根乔木，生物滞留设施上层种植土层厚度设计为140 cm。生物滞留池收集的汇集径流雨水大多下渗净化后通过卵石层中所埋设的穿孔管进行收集，当收集径流量超过其下渗能力上限时则蓄积于持水层中，超量汇集径流则通过溢流口(设置于持水层底部向上25 m处)排入市政雨水管。

2.4 附属设施

(1)溢流口。在生物滞留池侧边每隔25 m设置一处溢流口，用于将生物滞留池中的超量汇集径流溢流进入市政雨水管。溢流口规格为650 mm×1 200 mm，以水泥混凝土浇筑制成，其每秒溢流量可达30 L。

(2)路缘石开口。径流量较大时，人行道和非机动车道可通过路缘石开口将未下渗径流排入生物滞留池。该附属设施设计方案将影响生物滞留设施的使用寿命及净化效率等。设计的路缘石开口规格为90 cm×8 cm，每隔15.0 m设置一处，同时设有铸铁格栅以防径流携带异物流入生物滞留池。

(3)挡水堰。在溢流口下游设置有挡水堰，每隔30.0 m设置有一处，其高度、底宽、顶宽分别设计为20 cm、40 cm及20 cm，并以40 cm厚度细骨料水泥混凝土作为其基础结构。

3 建设指标校核

3.1 径流量控制率

本文提出了道路径流控制率指标，用以衡量生态滞留设施的径流控制能力，将其定义为生态滞留设施，通过计算(极限蓄水量+径流渗透量)/径流流入量，可以发现，道路径流控制率越大，则说明从生态滞留池中向市政雨水管中溢流的径流量越小。其中，当道路径流控制率>1.0时，表明生态滞留设施可实现完全的道路径流控制，不会发生外排现象。在计算过程中，车行道的径流汇集系数取0.9，生态滞留设施的最大持水深度应以水面上升至溢流口处计，即0.20 m的最大持水深度。生态滞留设施的径流量控制率计算数据如表2所示。

表2 生态滞留设施径流量控制率计算数据表

分析表2数据可以发现，按照该条城市道路年径流量控制率70%，即可实现25.7 mm道路径流不外排的设计标准，设计成果中的生态滞留设施不会发生溢流现象，可满足目标使用需求。

3.2 初期径流污染物控制率

根据设计成果中生态滞留设施每延米净化的车行道及人行道初期径流量进行校核。与上文类似，生态滞留设施的蓄水量指的是不产生溢流及下渗情况下的蓄水量上限。当初期径流污染物控制量不超过生态滞留设施的蓄水量上限，则表明生态滞留设施可将设计范围内的全部初期径流污染物控制净化完成。当降雨进行到后期或是停止时，生态滞留池内的径流污染物将逐步被其中发生的复杂物理、化学及生物反应所净化。经验证明，每延米初期径流污染物控制量为0.20 m3，小于生态滞留设施的每延米蓄水量0.60 m3，即设计成果中的初期径流污染物控制率达到100%，满足设计目标。

3.3 渗滤设施设计

设计成果中的生物滞留设施的蓄水时间要在确定其容积深度后进行校核，否则过长的蓄水时间将威胁到生物滞留池中的植物存活状态。生态滞留池的蓄水时间与土壤渗透性及持水深度等指标存在关联，校核时需根据最不利状态进行演算，即生物滞留设施的持水深度达到上限(水体上表面与溢流口持平)，道路汇集径流完全下渗持续的时间，计算公式如下：

(1)

式中：t0——下渗持续时间(h)；

Wp——蓄水量(m3)；

K——平均渗透系数，取10-5m/s；

A0——渗透面积(m2)。

通过式(1)计算，可获得生物滞留设施持水深度达到上限至完全下渗持续的时间为11.1 h，小于设计目标中的24 h道路径流排空时间，可保证生态滞留设施中的植物存活。

3.4 排洪防涝能力

本设计成果中涉及的工程方案对原设计中的市政雨水管道系统进行利旧，其原设计重现期标准为三年一遇，现道路径流雨水汇集后通过路缘石开口进入生态滞留设施，通过设置的雨水溢流井、挡水堰、沉砂池及溢流口等附属设施，最终将溢流道路径流排入市政雨水管道系统，而生态滞留设施中净化下渗的道路径流则利用DN200软式透水管接入环保雨水口进行利用，能够满足排洪防涝的要求。

4 维护及管理建议

4.1 整体思路

为保障海绵城市相关设施功能完整性，要建立健全LID措施维护及管理章程及相关办法，培养专职管养人员，优化检测技术，加强相关技术培训和评价体系。雨季来临前，城市道路LID措施专职管养单位要全面做好检查检修专项工作，切实保障各项设施设备运行良好。此外，应设立相关LID措施定期使用效果及社会效益评价体系，加强相关宣传及推广力度。

4.2 具体措施

(1)考虑当地景观标准要求，自行拟定垃圾及杂物清理周期，确保城市面貌及LID措施的功能发挥及运转。

(2)结合植物类别及景观要求，每年至少开展两次植物修建。

(3)大暴雨结束后的一天内/每年重点开展道路径流下渗能力、地下穿孔管透水能力、净水后水质检查。

(4)完成植物种植后/每年对砂滤层以外的种植土进行松土，松土深度以20～30 cm为宜。

(5)每两年更换一次砂滤池的表层砂土，换填深度约为20 cm。

(6)净化后雨水变浑浊时/每5年更换一次土工布。

(7)发生水土流失时/每年更换一次生物滞留设施覆盖层。

5 结语

随着海绵城市理念的进一步深化，城市道路设计思路也逐渐转变。本文结合南宁市某海绵城市道路建设实践明确设计标准，拟定城市道路系统性设计方案，给出具体工程措施方案，并对海绵城市建设指标完成状况进行了校核研究。结果表明，径流量控制率、初期径流污染物控制率、渗滤设施设计、排洪防涝能力均满足设计要求。同时，本文提出了相关海绵城市道路工程措施的维护及管理建议，可为基于海绵城市理念的城市道路建设方案设计提供借鉴。