市政道路下沉式绿地渗蓄性能探讨

摘 要：本文以厦门市海沧区灌新路项目为例，探讨了低渗透性土壤的渗蓄性能及改良方法、研究了土壤渗透性能、绿地下沉深度及下沉绿地面积百分比对绿地渗蓄性能的影响，提出了设计参数。在5年一遇重现期2h降雨条件下，粉质黏土与细砂配比为1∶0.5时，绿地积水深度比原土减少1/2，渗透时间比原土减少3/4，当配比为1∶1时，绿地无积水。绿地临界蓄水深h0与土壤稳定入渗率K呈线性减少关系，绿地下沉深度取0.1～0.25m，城市主干路下沉式绿地面积百分比f取15%～20%，次干路及支路f取10%，以期为下沉式绿地设计提供参考。

关键词：海绵城市；下沉式绿地；雨水渗蓄；低渗透性土壤；Uwater-Drainage

中图分类号：TU 98 " 文献标志码：A

随着城市的开发建设，城市下垫面变化越来越大，对水资源循环产生了较大的影响，1985—2018年，我国人工不透水面积增长了11倍[1]。各地提倡海绵城市建设，通过建设低影响开发设施，对降雨及径流进行过程控制，使城市下垫面变化前后水文特征接近。城市道路的正常通行是城市发展及居民生活的基本保障，因此暴雨季节道路的顺利排水至关重要。下沉式绿地因实施方便，生态效果好，在市政道路雨水调蓄方面应用广泛[2-3]。土壤渗透系数、绿地下沉深度及下沉绿地面积百分比等是影响下沉式绿地设计方案及渗蓄性能的关键因素，直接影响市政道路排水安全，本文结合厦门市海沧区灌新路市政道路项目，探讨了低渗透性土壤的渗蓄性能及改良方法、计算分析了土壤渗透性能、绿地下沉深度及下沉绿地面积百分比对下沉式绿地渗蓄性能的影响，提出了设计过程的相关参数，用 Uwater-Drainage模型对研究对象的低影响开发设施设计效果进行水文模拟计算与评价。

1 下沉式绿地的研究进展

我国目前的下沉式绿地是基于生物滞留技术，通过增强雨水的地下渗透、净化、蓄水、存储等特征来维持下垫面开发前后的水文特征。下沉式绿地主要由地表蓄水层、种植层、下渗层、绿地植被等组成。任树梅等[4]研究土壤稳定渗透系数0.3mm/min以上时，下沉式绿地调蓄能力、消减洪峰效果明显，当下沉深度为150mm，汇水区面积和绿地面积比为5时，不影响植物生长。程江等[5]研究下沉绿地下沉深度为100～300mm，绿地面积比为10%～30%时，渗蓄效果较好。

2 实例分析

2.1 项目概况

厦门市海沧区灌新路是厦门市“两环八射”快速路网架构的主要路段，道路等级为城市快速路，是厦门市海绵城市重要示范性道路。机动车道宽为11.5m，辅道宽为7.5m，中央分隔带宽为2.0m，人行道和非机动车道宽均为2.5m。项目LID设施包括下沉式绿地及慢行系统的透水铺装。

排水组织如下。①车行道排水路径：混凝土路面→路缘石开口→下沉式绿地。②人行道及非机动车道排水途径：透水铺装→土壤入渗→超量雨水径流入下沉式绿地。③绿化带排水途径：绿化带雨水→土壤下渗。④超量地表径流→溢流井→雨水管网系统。

本次选取100m路基标准区段作为研究对象。排水组织分析如图1所示。

2.2 土壤渗透性对下沉式绿地渗蓄的影响

厦门属于沿海城市，根据土壤的结构分布，一般为粉质黏土、风化花岗岩、砂土、粉砂等，土壤的渗透系数变化较大。研究项目原土为粉质黏土，渗透系数为4.16×10-6，渗透性较差。为了提高下沉式绿地的透水性，选取粒径0.25mm左右的细砂，对下沉式绿地原土壤进行改良，配置3种类型的下渗基质：原土、粉质黏土与细砂配比为1∶0.5、粉质黏土与细砂配比为1∶1。根据改良方案，用双环入渗法测定土壤下渗情况，测定结果用Horton 模型来分析土壤的渗透能力。经过改良后土壤渗透系数为2.10×10-5～8.78×10-5，见表1。

根据改良土壤渗透性能，分析5年一遇重现期降雨历时2h的绿地雨水渗蓄性能。本次采用芝加哥雨型分析计算，5年一遇重现期2h的降雨量为78mm，5min降雨量峰值为12.6mm。不考虑地下水位、蒸发、雨水管网系统等因素的影响，不同基质配比积水及下渗情况结果[6]见表2。

结果表明，当粉质黏土与细砂配比1∶0.5时，5年一遇重现期降雨历时2h，下沉式绿地蓄水深度为原土的1/2，渗透时间比原土缩短约3/4，当粉质黏土与细砂配比1∶1时，5年一遇重现期降雨历时2h，下沉式绿地无积水，改良后基质下渗效果明显提高。根据积水深度、渗透时间、植物耐淹性能及经济效益，项目设置粉质黏土与细砂配置比为1∶0.5。

2.3 绿地下沉深度对渗蓄的影响

下沉深度是影响下沉式绿地雨水渗蓄的重要因素，在一定程度上，下沉深度越大，下沉式绿地的蓄水能力越强，减少雨水径流，消减洪峰能力越明显，但下沉深度太大，会对景观效果产生一定影响，且不利于植物生长。合适的绿地下沉深度既可以满足调蓄水量需求又可保证景观效果。用η表示下沉式绿地渗蓄雨水量与汇水面积内降雨量的百分比，根据雨量平衡分析，得出公式（1）、公式（2）。

（1）

式中：Wx为下沉绿地储水量，m³；Wc为下沉绿地渗水量，m³；h为降雨量，mm；F0为下沉绿地面积，㎡；F1为剩余汇流面积（扣除下沉绿地面积）㎡；ψ为径流系数。

Wc=3600β×K×J×As×ts "（2）

式中：β为安全系数；K为土壤渗透系数，m/s；J为水力坡降；As为渗水下垫面面积，㎡；ts为下渗时间，h。

当η为100%时，雨水全部进入下沉式绿地渗蓄，道路不产生径流，将此时的下沉式绿地蓄水深度定义为临界蓄水深h0，ts取2h，得出公式（3）。

（3）

式中：h0，m；f为下沉式绿地面积与总汇水面积百分比。

设定边界条件f为16.5%（对应道路绿化带宽度为3m，侧分带宽度为2.0m），在不同的K值下，计算设计重现期为1a、3a、5a、10a下的临界蓄水深，结果如图2所示。

根据以上分析结果，得出下沉式绿地临界蓄水深与雨水量呈线性增长关系，雨水量越大，h0越大。在相同雨水量条件下，下沉式绿地临界蓄水深与土壤稳定入渗率呈线性减少关系，K值越大，h0越小。研究下沉式绿地粉质黏土与细砂1∶1配比条件下，小于5年一遇降雨的h0为0，雨水可全部下渗，与表2的计算结果一致。研究下沉式绿地粉质黏土与细砂1∶0.5配比条件下，重现期为1a、3a、5a、10a对应的h0分别为0.10m、0.17m、0.21m、0.66m。当下沉式绿地面积百分比不小于16.5%，设计重现期不大于5年一遇时，结合地区下沉式绿地一般渗透速率，对应绿地下沉深度可取0.1～0.25m，既可以保证一定的蓄水量，又可保证多类型植物的正常生长。计算结果与厦门市海绵城市建设技术规范及目前的相关研究一致。

2.4 下沉式绿地面积百分比对渗蓄的影响

将下沉式绿地面积与流入绿地总汇面积比定义为下沉式绿地面积百分比f，土壤渗透系数一定，f越大，下沉式绿地的调蓄能力越强。设定边界条件，土壤稳定渗透系数为2.10×10-5m/s，蓄水深度为0.2m，计算不同下沉式绿地面积百分比f条件下，下沉式绿地的渗蓄情况，见表3。

在设定的边界条件下，对不大于3年一遇的降雨来说，当f≥20%时，渗蓄率η大于100，此时降雨全部进入绿地渗蓄。对5年一遇的降雨来说，当f≥25%时，渗蓄率η大于100，此时降雨全部进入绿地渗蓄。厦门地区城市主干路及快速路设计重现期一般取5a，道路径流控制率一般要求不小于70%，次干路及支路设计重现期一般取1a～3a，道路径流控制率一般要求不小于55%，因此城市主干路及快速路下沉式绿地面积百分比f为15%～20%，次干路及支路下沉式绿地面积百分比f为10%。结合厦门快速路布置特点，本研究项目f为16.5%，对应道路绿化带宽度为3m，侧分带宽度为2m。

2.5 Uwater-Drainage模型分析

根据以上研究结果，项目下沉式绿地下渗基质选取粉质黏土与细砂配比1∶0.5进行改良，基质厚度为60cm，绿地下沉深度取0.2m，下沉式绿地面积百分比f为16.5%，设计重现期5年一遇，采用Uwater-Drainage模型对研究对象的低影响开发设施设计效果进行水文模拟计算与评价[7]。

2.5.1 下沉式绿地指标分析

模型计算分析结果见表4，当达到片区规划控制降雨量目标26.8mm时，粉质黏土作为下沉式绿地基质层，有效蓄水深度为0.14m，蓄水下渗时间为19.0h，经过1∶0.5原土细砂改良的基质层，有效蓄水深度为0.12m，蓄水下渗时间为3.7h，改良后蓄水下渗时间明显缩短，调蓄雨水可稳定快速下渗，绿地景观效果好。

2.5.2 LID设施前后雨水径流分析

本研究对象LID设施包括下沉式绿地及人行道非机动车道的透水铺装，对无LID设施下垫面及实施LID设施后下垫面进行模拟分析，结果如图3所示。从图中雨水径流量曲线可以看出，降雨30min时雨量最大，出现洪峰，实施LID设施前后洪峰径流量分别为133L/s和52L/s，最大径流削减量可达到86L/s，LID设施可大大消减洪峰径流量，且使用LID设施后，整个降雨过程径流量降低均较明显。

2.5.3 LID设施调蓄下雨水管网流量变化分析

对研究对象在相同降雨条件下的两种情况进行模拟：不计周边地块雨水汇入无LID设施；不计周边地块雨水汇入有LID设施，模拟重现期均为5年一遇。结果表明，当降雨历时30min时，雨水管道内的水深达到最大，在无LID设施情况下，降雨量最大时的管道最大充满度为0.36～0.38，在设有LID设施情况下，管道最大充满度为0.14～0.15，在LID设施的调蓄下，道路路面雨水流量减少约62%。

3 结论

当下沉式绿地土壤基质渗透能力较差时，应对土壤基质进行改良提高渗透性。以研究项目粉质黏土基质为例，粉质黏土与细砂配比改良后（1∶0.5），渗透系数比原土提高约5倍，5年一遇重现期降雨历时2h，下沉式绿地积水深度比原土减少1/2，渗透时间比原土缩短约3/4，粉质黏土与细砂配比改良后（1∶1），渗透系数比原土提高约20倍，5年一遇重现期降雨历时2h，下沉式绿地无积水。根据模拟结果，项目下沉式绿地原土与细砂配比改良后（1∶0.5），年径流总量控制率为70%，下沉式绿地需要蓄水深度为0.12m，比原土壤基质减少0.2m，下渗时间为3.7h，比原土壤基质缩短15.3h，改良后的土壤基质可保证多类型植物正常生长。

在相同雨水量条件下，下沉式绿地临界蓄水深与土壤稳定入渗率呈线性减少关系，K值越大，h0越小。下沉式绿地面积百分比不小于16.5%，设计重现期不大于5年一遇时，结合地区下沉式绿地一般渗透速率，对应绿地下沉深度可取0.1～0.25m。

设定边界条件，土壤稳定渗透系数K=2.10×10-5m/s，蓄水深度为0.2m，城市主干路及快速路下沉式绿地面积百分比f为15%～20%，次干路及支路下沉式绿地面积百分比f为10%。

灌新路（环湾大道至烟厂段）项目已实施，海绵设施运行良好，本文研究可为后续工程提供参考。

参考文献

[1]GONG P ， LI X ， WANG J ，et al.Annual maps of global artificial

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2020（236）：111510.

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[3]厦门市城市规划设计研究院.海绵城市建设技术规范：DB3502/Z 5055—2020[S].厦门：市政园林局，2020：2.

[4]任树梅，周纪明，刘红，等. 利用下凹式绿地增加雨水蓄渗效果的分析与计算. 中国农业大学学报，2004（1）：50-54.

[5]程江，徐启新，杨凯，等.下凹式绿地雨水渗蓄效应及其影响因素[J].给水排水，2007， 33（5）：45-49.

[6]苏定江，靳俊伟，刘亭役.低影响开发设计中容积法应用探讨[J].中国给水排水， 2018， 34（17）：128-133.

[7]刘昌明， 张永勇， 王中根，等. 维护良性水循环的城镇化LID 模式：海绵城市规划方法与技术初步探讨[J]. 自然资源学报， 2016（16）：8-14.