基于海绵城市理念的市政道路设计研究

陈 颖,陈盛权,陈夏菁

（1.汕头市城建工程设计院,广东 汕头 515031; 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430000）

0 引言

随着我国城市化的持续推进，大规模的城市交通基础设施建设破坏了原有生态环境，天然地表被各种硬化路面所取代，使得地表降雨入渗能力大幅降低。在连续强降雨天气下，降雨强度超过排水管网的输送能力，城市容易出现内涝现象，造成一定程度的经济损失或人员伤亡。鉴于此，国内外学者及工程人员提出了“海绵城市”的建设理念，2014年住建部也颁布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，对海绵城市道路的规划思路、设计理念、主要工程措施等进行了探讨[1]。但由于国内海绵城市发展较晚，在设计时仍有很多不成熟的地方。因此，在海绵城市理念下进一步研究城市道路工程的优化设计具有十分重要的意义。

1 海绵城市道路系统性规划理论分析

1.1 海绵城市道路建设需求及影响因素

海绵城市道路工程的具体建设需求需结合各城市特性、道路等级、道路规模等明确，主要包括以下几点：①减小道路雨水峰值流量。随着路网密度及硬化路面面积的增加，在降雨量相同的条件下，地表径流量也增加，当道路径流峰值大于排水管道的输送能力，可能导致城市内涝现象。海绵城市道路设计的首要任务就是降低道路径流峰值，缓解排水管网的短时排水压力；②提升道路雨水水质。路面车辆行驶产生的污染物会随雨水冲刷排入市政管网，并汇入自然水体造成水源污染。海绵城市道路设计时需净化和处理路面雨水径流，提升道路雨水水质；③提高道路雨水利用率。在干旱缺水地区，降雨是属于水资源，但传统的道路排水模式是将雨水利用管网流入河、沟、渠等，无法有效收集利用雨水。海绵城市道路设计时需设计雨水收集措施，待雨水净化满足利用标准后浇洒绿化带或冲洗路面等，以缓解城市用水压力。

海绵城市道路在设计时只有综合考虑各方面影响因素，才能充分发挥道路功能。海绵城市道路工程建设的影响因素可分为直接因素和间接因素两大类，具体分类见表1[2]。

表1 海绵城市道路建设主要影响因素

1.2 海绵城市道路设计思路

传统的市政道路排水设计思路是利用雨水口汇集降雨，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（Low Impact Development，LID）设施实现对雨水的储存、过滤、蒸发、下渗等，以调节水循环，提升城市道路的服务水平[3]。因此，工程师在开展海绵城市道路设计时，应在保证市政道路基本交通功能的前提下，结合海绵城市专项规划文件，明确城市道路的年径流总量、径流污染消减率、水资源利用提升率等参数，选定经济合理的LID设施来减少或避免内涝、水源污染、水资源流失等问题。

2 海绵城市道路的LID设施选择及与周边环境的连接

相关研究表明，传统城市道路的硬化面积约占道路面积的75%左右，透水铺装率较低。城市海绵道路设计的关键就是要选择合适的LID设施来增加城市的透水面积，充分发挥道路的“海绵体”功能[4]。

2.1 海绵城市道路的LID设施

（1）透水铺装。透水铺装可以削减雨水径流、净化雨水，常用于停车场、机动车道、非机动车道、人行步道等位置。透水铺装主要包括透水混凝土、透水沥青、透水砖等，具体型号应结合城市道路建设区域特点、交通条件、经济水平等选择。

从工程造价来看，透水混凝土＞透水沥青＞透水砖。

从施工工艺看，透水混凝土铺装是现场整体浇筑，工期短，可一次成型，但养护周期长；透水砖铺装施工工艺较复杂，对面砖强度、找平层材料配比等要求严格；透水沥青铺装施工工序简单，施工周期最短，施工结束24 h内就可以通车运行。

（2）生物滞留设施。生物滞留设施是指在道路周边的地势相对较低区域，能通过植物、土壤、微生物相互作用对路面雨水径流蓄渗、净化的设施，常用的有生态树池、植草沟、下凹式绿地等。

生态树池：该设施设置在人行道和非机动车道之间。生态树池内部需铺种植土，并在种植土底部埋入排水砾石层、排水管等，在种植土表层铺反滤土工格栅和陶粒，这样不仅可以延缓雨水流失速度，还能确保超量雨水渗进池底后利用排水管及时排出，以免雨水积蓄影响植物生长。

植草沟：植草沟结构简单，景观效果好，占地面积小，后期易于维护，一般设置在有绿化带的路侧。根据功能的不同，可分为转输型植草沟（负责雨水收集、转输）和渗透型植草沟（实现雨水径流的渗透、滞蓄、净化功能）。

下凹式绿地：在降雨量较大或连续降雨天气，如果绿地高于地面，绿地上来不及下渗的雨水径流会溢到硬化路面，随后流向排水管网，而高程低于周围地面的绿地，其下凹空间能临时蓄积雨水缓慢入渗。需注意，下凹式绿地无需对原有土壤进行换填，正常植草即可。

2.2 LID设施与周围环境的连接

与建筑物衔接：城市道路穿越居住区、商业区等，道路两侧与建筑物存在相互连接的过渡区。为了减少占地，提高排水效率，相连场地可采用透水铺装来排水，与人行道共用空间。

与城市水系连接：海绵城市水系一般会设置湿塘、雨水湿地等LID调蓄设施。城市道路与上述调蓄设施连接时，路面雨水径流利用“植被缓冲带”下渗、净化后方可排入。

3 海绵城市道路排水设计案例分析

3.1 依托工程概况

（1）道路概况。该道路所处区域较平缓，坡度变化小，属于河流相冲洪积平原地貌。道路等级属于次干道，设计速度40 km/h，设计采用双幅路，由中间分隔带、机动车道、非机动车道、人行道组成，路面横坡2%，人行道横坡-2%。路面类型为传统的沥青混合料路面，厚度64 cm，原设计路面结构组成为4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+36 cm水泥稳定碎石基层+18 cm低剂量水泥稳定碎石底基层。

同时，该道路采用雨污分流制排水系统，雨水管（D1000～D2000）双侧布置，雨水管尺寸计算依据气象部门最新发布的暴雨强度公式。路面雨水径流排向两侧的雨水口，经雨水管排出。

（2）排水方案优化。基于海绵城市理念，笔者将原设计方案中的中间分隔带增设雨水口，路侧带的树池替换为生态树池，右侧设置转输型植草沟，人行道使用透水方砖，机非混行车道使用透水沥青路面，见图1。雨水径流走向为：机非混合车道汇集的雨水可排向两侧+中间雨水口，多余雨水流入植草沟，最终均流向沿线的下凹式绿地。

图1 海绵城市道路横断面布置

（3）设计目标。通过对汕头市气象局提供的1991—2020年近30年逐日降水量资料（不包括降雪），将日降雨量由小到大进行排序（扣除≤2 mm的降雨事件）。统计分析得出汕头市年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系，见表2，并以此作为海绵城市规划、建设和管理的控制性指标。因此，该项目年径流总量控制率取 70%时，对应设计降雨30.34 mm。

表2 年径流总量控制率对应设计降雨量

3.2 雨水设计流量

在使用雨洪管理模型模拟降雨之前，需要先对道路进行分区，并根据沿线各分区内的汇水面积计算出道路汇水流量。根据《室外排水设计规范》（GB50014—2021）的规定，设计汇水流量计算公式为（1）～（2）：

式中，Q——雨水设计流量（L/s）；——综合径流系数，不同区域加权平均；F——汇水面积（ha）；q——设计暴雨强度（L/s），由暴雨强度公式计算；P——暴雨重现期；t——降雨历时（min）。

该道路共划分为A～E 5个汇水分区，经计算，不同区域的综合径流系数和汇水面积见表3。

表3 海绵城市道路径流量计算

3.3 海绵城市道路效果评价

（1）雨洪管理模型计算方法和程序。雨洪管理模型最早是由美国某高校开发的动态降雨—径流演算模型，即通过构建道路汇水面积、排水节点、LID设施等来模拟某一区域内降雨情况。在雨洪管理模型中，路面汇流计算是采用“非线性水库法”，并和曼宁公式联立求解[5]，见式（3）：

式中，A——汇水区面积（m2）；v——汇水区蓄水量（m3）；h——水深（m）；i——降雨强度（m/s）。

雨洪管理模型计算路面径流的主要程序有[6]：第一，将道路进行分区，结合CAD文件建模；第二，确定排水管道、排水节点、LID设施等对象的个数、位置和组合方案，并编辑各个对象的属性；第三，根据降雨参数，设置路面径流计算的有关信息（如步长、LID设施参数等）；第四，开始计算，还可根据研究需要导出相关计算图表。

（2）不同开发模式下路面径流。利用雨洪管理模型，计算了暴雨重现期=10年时，场地开发前、传统城市道路开发、海绵城市道路开发下的路面径流量，计算结果见图2。

图2 不同开发模式下路面径流

计算结果表明：海绵城市道路开发模式下的雨水径流峰值是传统城市道路的0.45倍，且径流峰值出现时间延迟了约75 min。同时，海绵城市道路的径流量与场地开发前比较接近（水文环境相似），满足海绵城市建设技术指南的相关要求，也说明海绵城市道路开发在雨水径流控制方面效果更好。

（3）降雨重现期对海绵城市道路径流的影响。利用雨洪管理模型，计算了暴雨重现期为10年、20年、30年、40年、50年时，海绵城市道路的路面径流量峰值，并利用origin软件内置的Logistic函数对暴雨重现期和雨水径流峰值的关系进行拟合，相关系数达到了0.99，满足工程需求，如图3所示。

图3 不同暴雨重现期海绵城市道路雨水径流峰值

由图3可知：暴雨重现期为10年、20年、30年、40年、50年时，海绵城市道路的雨水径流峰值分别为218LPS、268LPS、333LPS、428LPS、716LPS， 重 现 期每增加10年，路面雨水径流峰值会增加22.9%、24.3%、28.6%、67.3%。这说明：随着暴雨重现期的增加，海绵城市道路的雨水径流峰值不断提高，但提高速率并不是均匀的，即降雨强度越大，海绵城市道路雨水控制效果越差。

4 结语

该文主要研究了海绵城市道路的建设需求、影响因素、设计思路、LID设施及组合方法等，并以某次干路为研究对象，对海绵城市理念的应用效果进行评价。主要得到以下结论：①海绵城市道路设计目标是减小道路雨水峰值流量、提升道路雨水水质、提高道路雨水利用率等，设计期间应综合考虑各种直接和间接因素；②海绵城市道路设计的关键是要选择透水铺装、生物滞留设施等LID设施来增加城市的透水面积，并做好与周围建筑物、城市水系的连接；③海绵城市道路的径流量整体与场地开发前比较接近，但雨水径流峰值会随着暴雨重现期的增加而增加。研究结果表明，海绵城市道路可以较好地控制雨水径流。