海绵城市理念在市政给排水设计中的应用研究

张赟 孙胜杰

为了提高海绵城市道路排水设计水平，本文首先分析了市政道路排水设计的现状，总结了海绵城市道路中常用的LID设施；随后探讨了海绵城市道路设计时应遵循的基本原则和“渗、蓄、滞、净、用、排”六大设计要素；最后以某道路工程为研究对象，提出了排水方案，并通过SWMM模型计算了道路在改造前后的不同降雨重现期下的径流量，定量分析了LID设施对路面雨水径流的削减作用。

我国城市化进场持续推进，基础设施建设规模也日益扩大，然而作为城市道路工程重要一环的排水系统却发展较滞后。排水系统不合理容易导致城市在雨季出现内涝灾害，造成一定的经济损失或人员伤亡，如某城市道路因雨水管道排水能力不满足设计流量要求，在连续强降雨作用下出现城市内涝现象，造成较大的经济损失。近年来，随着海绵城市建设理念的提出，各地开始编制相关的建设图集和规范，国内外很多学者和工程技术人员也针对海绵城市开展了一系列研究。但是海绵城市在建设时也暴露出很多问题，如建设标准不统一，相关图集或规范指导建议缺乏条理性和系统性。因此，海绵城市理念在市政给排水设计中的应用具有十分重要的工程意义。

一、市政道路给排水设计现状分析

1.城市规划考虑不足

城市建设之前应当结合区域概况进行总体规划，但目前一些城市在规划前期没能把区域内的天然水体、河道纳入规划范围，更没有对不同降水周期、不同的水量进行风险分析，这极大地增加了市政道路给排水的设计难度。在开展市政道路给排水设计期间，相关设计人员难以充分掌握区域内的水文条件，导致排水设计方案无法满足排水要求。

2.雨水利用率低

城市区域要获得良好的排水功能或储备丰富水资源，在市政道路给排水设计过程中就应重视对雨水资源的储蓄、净化处理及循环利用。但是，工程师在开展设计任务时往往会忽视雨水资源的开发，不严格按照相关规范来设计城市生态循环体系，导致水资源浪费。

3.各专业配合度不高

城市给排水工程是一项复杂且有序的系统工程，包括城市总体规划、排水专项规划、各市政道路排水方案设计、工程建设等流程。市政道路排水设计需要多个专业间相互协同合作，并建立高效率的专业配合体系。但是在开展市政给排水设计时，往往会出现各专业沟通不畅，尤其给排水专业和道路专业之间，导致设计方案与现场实际情况不符。

二、基于“海绵城市”的道路排水设计原则及设计要素

1.海绵城市道路基本概念

传统的市政道路排水设计思路是将路面雨水通过设置的雨水口收集，排入下水道中。而海绵城市道路是利用区域内的低影响开发设施（(Low Impact Development，LID)）将雨水储存，再利用其过滤、吸附、蒸发、下渗等功能，净化调控雨水径流，以调节水循环，减少水资源浪费，实现城市道路的可持续发展。

海绵城市道路与LID设施密切相关，LID设施主要包括渗透滞留设施、雨水转输设施、调蓄净化设施三大类，具体设施名称及适用位置见表1。

表1 常用的城市道路LID设施

2.海绵城市道路排水设计原则

给排水设计作为海绵城市设计的关键组成部分之一，其设计质量会对海绵城市建设水平产生直接的影响，必须充分重视。因此，海绵城市道路给排水在设计过程中应遵循以下原则：第一，生态优先原则。给排水设计应将区域内的生态环境作为优先考虑因素，明确保护目标，加强前期生态分析与评估，从规划布局、要素设计等方面降低对生态环境的影响；第二，统筹协调原则。海绵城市道路设计需要给排水、道路交通、景观园林等多个专业的技术人员共同参与，需要从宏观到微观方面做好前期的统筹协调和技术对接，以提高设计质量，避免后期返工；第三，集约高效原则。海绵城市道路设计时应尽量选择集约式布局，节约土地，减少对自然环境的破坏，将道路的雨洪控制功能、运营功能与沿线景观相结合，最大限度地发挥其经济效益、社会效益和生态效益。

3.海绵城市道路排水设计要素

海绵城市道路设计六要素包括“渗、蓄、滞、净、用、排”，各要素的具体设计要求阐述如下：

⑴渗

传统的城市道路通常以硬面铺装为主，会破坏原有的水文生态环境。为了满足海绵城市道路“渗”，需要将硬化路面改为透水型的水泥或沥青混凝土路面，这样雨水落下可通过透水路面排至地下水，在雨水渗透期间还可以通过其他LID设施将雨水净化。

⑵蓄

目前全球水资源整体比较匮乏，而雨水是重要水资源之一。海绵城市的“蓄”就是将降雨蓄积起来，以供后期使用。但是在蓄积雨水时，不应破坏原生态，否则可能会积水成灾。城市常用的蓄水设施有蓄水模块和蓄水地下池。蓄水模块属于预制结构，一般是用防水布包裹埋于地下，并在内部安装进出水管，水泵和检查井才能投入运营；蓄水地下池是直接在地下开挖的一种雨水储存装置，如图1所示：

图1 城市地下蓄水池

⑶滞

海绵城市中“滞”的理念是通过雨水花园、雨水塘等设施将雨水滞留，降低地表雨水径流。其中雨水花园是指在道路周围绿草地区域内部栽植各种花草，花草的根部不仅可以滞留雨水，还可以吸收雨水中的阴阳离子；雨水塘一般是利用现状鱼塘或池塘建造，可作为雨水流经路径终点。同时，在雨水塘还要种植一些耐湿的草本或灌木护坡。

⑷净

雨水流经市政道路沿线各个LID设施后都可能被净化。按照雨水收集区域不同，可将海绵城市雨水净化体系划分为三大类，即居住区净化、工业园区净化、市政公共区域净化；按照雨水净化原理不同，可划分为土壤渗透净化、人工湿地净化、生物净化，其中人工湿地净化雨水效果最好。

人工湿地净化：人工湿地包括湿地植物、湿地填料、卵石滤水层等部分。经过上行流池和下行流池两次净化后才能排到下游清水池。

⑸用

雨水在经过渗、蓄、滞、净等流程后，雨水可用于建筑施工、绿化灌溉、洗车、抽水马桶、消防等领域，以达到节约用水的目的，并缓解城市洪涝灾害的冲击。

三、基于“海绵城市”的道路排水设计案例及效果评价

为了探讨海绵城市道路理念的应用效果，笔者以某城市主干路为研究对象，调查了现状道路存在的问题，基于海绵城市理念对道路给排水方案进行了优化，并根据雨洪管理模型( Storm Water Management Model）对处治效果进行了评价。

1.依托工程概况

该道路属于城市主干道路，设计采用双幅路，双向六车道的横断面形式，红线宽度35（机动车道22m、人行道6m、绿化带7m），行车道横坡2%，土路肩横坡4%，道路纵坡0.3%～1.2%。路面类型为沥青混合料路面，厚度72cm，路面结构组成为4cmSBS改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13+6cmSBS改性中粒式沥青混凝土AC-20C+8cm粗粒式沥青混凝土AC-25C+36cm水泥稳定碎石+18cm低剂量水泥稳定碎石。近几年车流量日渐增加，尤其是重型车及超载车辆，经现场病害调查发现路面损坏较严重，出现路面沉陷、龟裂和车辙等病害。同时，该道路沿线地高低起伏，容易导致积水现象。原设计未设置LID设施，道路排水效果较差，导致路面雨季积水严重，影响行车安全和舒适度。

2.雨水设计流量计算

在进行给排水设计之前，应先根据区域降雨情况确定雨水设计流量。雨水设计流量与管道所分担的汇水面积密切相关，具体计算公式如下：

式中：Q—雨水设计流量，L/s；ψ—径流系数，沥青路面取0.9；F—汇水面积，ha；q—设计暴雨强度，L/s ha。其中暴雨强度是描述暴雨状态下降雨量大小的重要指标，是指在某一时间段内单位面积内的降雨量。各个地区的暴雨强度公式并不相同，但均与降雨历时、降雨重现期等因素有关。根据《室外排水设计规范》GB50014-2021的规定，任何地区在推导暴雨强度公式时必须依据当地30年以上的降雨记录来拟合。经计算，道路自身汇水面积约6.4ha，综合汇入道路表面及道路管网设计汇水面积为28.2ha 。

3.给排水设计方案

（1）总体设计方案

该道路沿线具有较好的自然条件和历史人文条件，在完善雨水系统的同时，应融合景观、人文等活动场所，这样既解决了道路内涝雨水问题，又可以提升道路整体建设品质。

（2）具体排水方案

根据地形，将道路排水设计划分为A和B两个区段，区段A主要利用现有道路纵坡排水，区段B是通过不同汇水区分流的方式来排放雨水。

A段道路坡度平缓，雨水流动性差，以垂直积水为主，可在绿化带布置植草沟和雨水花园，并对人行道、非机动车道改造，降低其断面高度，以便于道路积水排向道路两侧绿化带。对于连续强降雨，雨水可以先进入植草沟，这不仅能降低暴雨对绿地的冲刷，还发挥了雨水输送作用；对于中小降雨，可传输至湿地末端的集中雨水花园控制。因此，整个排水系统既可以控制中小降雨，又能应对30年一遇大暴雨。

B段道路排水设计主要有两个方案：其一，雨水通过自然排洪沟排入自然水塘；其二，利用多级湿地和多个分散式排水口，将雨水分流到人行道的卵石沟中，再排入雨水花园，最后溢流进自然水塘。

4.道路改造效果评价

海绵城市道路改造效果评价是基于SWMM模型，该模型可以根据输入的降雨量、土壤地质条件等数据重现道路降雨径流过程，并输出任意时刻的径流曲线。SWMM模型建立的主要步骤包括：设置项目基本参数→设置项目缺省值（图元名称前缀、子汇水区面积缺省值等）→处理排水管段、节点→为图元属性赋值→输入降雨、蓄水池容积等数据→设置模拟信息→径流计算→结果分析。笔者利用SWMM模型分别计算了道路在改造前后的不同降雨重现期下的径流量，计算结果见图2。

图2 道路改造前后径流量变化

计算结果表明，当降雨设计重现期为0.5、1、2、5、10、50年一遇时，传统模式下（改造前）地表径流量分别为10.7mm、27.2mm、45.7mm、56.8mm、84.9mm，LID模式下（改造后）地表径流量有明显的下降，分别降 至6.8mm、17.2mm、27.0mm、32.4mm、45.8mm，LID设施对雨水径流的削减幅度分别达到了35%、37%、41%、43%、46%。由模拟计算结果可知，LID措施能大幅降低地面径流峰值，延缓峰值出现时间，且设计降雨重现期越大，LID措施对地面径流的削减作用越明显。

四、结语

基于海绵城市理念探讨了城市道路给排水的设计原则、设计要素，并以某道路工程为工程依托提出了海绵城市道路排水方案，主要得到以下几个方面的结论：⑴海绵城市道路与LID设施密切相关，LID设施主要有渗透滞留设施、雨水转输设施、调蓄净化设施三大类；⑵海绵城市道路给排水在设计时应遵循生态优先、统筹协调。集约高效等基本原则，其设计五要素包括“渗、蓄、滞、净、用、排”。⑶海绵城市道路中的LID措施能降低地面径流峰值，且降雨强度越大，削减作用越明显。