净水技术 | 海绵城市建设在城市道路设计中的应用及要点分析

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海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用。海绵城市建设应遵循生态优先等原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下,最大限度实现雨水在城市区域积存、渗透和净化,提高雨水资源化水平，保护生态环境。城市道路是城市空间的重要组成部分，在城市建设中占有很重要的地位，在不断加快的城市化进程中，道路面积不断增加，其路基范围内收集到的雨水量非常可观，关乎居民出行、社会发展和生存环境，将海绵城市理念运用在城市道路设计中可以有效改善城市内部生态环境，增强城市防洪抗洪能力，为城市绿化提供水分滋养等。因此，针对城市道路的海绵城市设计有着十分重要的意义，本文以济南市东部某区的城市道路实际设计中应用海绵城市为例，介绍目前常用的海绵城市设计思路和具体措施，并对技术措施进行要点分析。1 项目简介项目区域位于济南市东部某区域，道路设计段全长为570 m，道路红线宽度为25 m，其中机动车道宽度为7 m，人行道宽度为2 m×3 m，非机动车行道宽度为2 m×3 m，绿化带宽度为2 m×3 m。道路纵断设计与区域竖向设计相结合，整体为南高北低，最大设计纵坡为4.4%，最小设计纵坡为0.53%。雨水设计采用济南市暴雨强度公式计算流量，如式(1)。

(1)设计道路属于济南中心城区，设计重现期取P=2年，综合径流系数ψ取0.6。雨水管道采用单侧布置，除收集道路的雨水外，还收集两侧地块的水，汇水范围约为46 000 m2，经计算雨水管径为DN600～DN800，坡度同道路坡度，埋深不低于1.4 m，雨水最终排至下游河道。2 水文气象分析济南市多年平均降水量为648.0 mm，降水空间分布不均，总的分布趋势是由东南往西北递减。南部中低山区年均降水为700.0～750.0 mm，中部丘陵山区年均降水为600.0～700.0 mm，北部平原区年均降水为550.0～600.0 mm。济南市多年平均径流深为113.6 mm，径流量年际变化幅度大，而且丰枯水期交替出现，并往往发生连续丰水、枯水情况，河川径流量主要受降水补给，季节变化明显。全年径流量有75%～85%集中在汛期，其中约有55%～65%集中在7月、8月。因此，在汛期减缓地面径流量，可以大大增强城市防洪排涝能力。下垫面对地面径流量的影响很大，不透水地面阻碍水下渗，加快水流速，增大地表径流量，使得降雨入渗对地下水的补给量减少，径流峰值提前，径流系数增大。同时，不透水地面能够累计如垃圾残渣、重金属、悬浮物等大量污染物，当出现降雨时，这些污染物随地表径流冲刷到受纳水体，严重影响水体水质。水质的恶化使得河流生境恶化生态环境，降低生物多样性降低。道路周边规划为居住小区，不透水地面包括建筑屋面、小区道路及相关铺装，绿化面积一般较低。因此，本条道路周边区域配合道路海绵城市设施，可明显提升整个区域的雨水缓流效果，增强雨水净化能力。为配合海绵城市建设，道路绿化分隔带采用下沉式绿地，减缓地面径流量，雨水未按照以往的方式直接汇入雨水管道排走，而是雨水降至路面后先沿道路2%的横坡排至绿化带内，由绿地进行下渗和吸收表层积水，强化市政道路水源涵养能力，多余的雨水通过设置在下沉式绿地中的溢流口进行收集，而后排放到城市雨水管网(图1)。

图1 海绵城市道路布置横断面图3 海绵城市指标控制雨量径流系数选取采用《海绵城市设计规程》(J 13469—2016)中表3.1.3不同下垫面径流系数确定。此外，根据济南市海绵城市项目建设经验，确定新建道路的年径流总量控制率原则上不低于75%，改造道路的年径流总量控制率原则上不低于65%。本道路的综合径流系数加权平均计算如表1所示。表1 道路的综合径流系数加权平均计算

经计算，本道路的综合径流系数计算为0.56。本次道路下机非隔离带采用下凹式绿地形式，下沉式绿地内采用挡水坎分隔，使下沉式绿化带充分吸收雨水，使平均蓄水深度为10 cm(具体原因见下文5.4节介绍)，蓄水容积为256.6 m3，设计降雨量为32.34 mm。根据《海绵城市建设技术指南》，济南市径流控制率与降雨量的关系如表2所示。因本工程设计降雨量为32.34 mm，通过内插法计算，年径流控制率可达78%，满足年径流控制总量不低于75%的要求。表2 济南市径流控制率与降雨量的关系

4 海绵总体设计思路海绵城市的建设目标为促进雨水径流下渗以及削减雨水径流面源污染，海绵城市的建设措施以“渗”、“滞”、“蓄”、“排”为主，总体设计思路如下。(1)机非隔离带采用下沉式绿地或者生物滞留带，道路雨水先进入下沉绿地或生物滞留带，经充分净化、下渗后溢流至雨水管渠系统。(2)人行道道路采用透水路面，增加雨水下渗量。(3)行道树池采用生态树池。(4)本道路红线外为居住小区，小区道路周边少量雨水可通过人行道进入机非隔离带中，而后进入雨水系统中。(5)由于道路系统控制雨水量的条件有限，达到径流控制总量目标需从整个区域总体考虑，完成不了的雨水量可转移到其他系统解决。具体道路海绵雨水系统流程如图2所示。

图2 道路海绵雨水系统流程图5 下沉式绿地及其附属设备5.1 下沉式绿地设计传统道路雨水收集方式为直接在车行道两侧设计雨水口，收集红线范围内汇入的雨水，未经处理，直接经雨水管道排走。因此，传统雨水收集方式具有水质差、雨水径流量大、易产生城市内涝等缺点。下沉式绿地设计有效的增强了绿地对降雨的下渗功能，增大了土体的含水率，同时也增大了道路绿化部分对降雨的蓄存量，使得排水系统设计达到海绵城市的设计要求。下沉式绿化带下沉深度取20 cm。下凹式绿地土层厚度为1 m，可以种植乔木、灌木、草本，自上而下结构依次为：蓄水层、草皮覆盖层、种植土和原土层。下凹式绿地覆盖层为50 mm厚，采用干枯的树叶、树皮等，不要采用木屑等容易浮起的材料作为覆盖层；绿化带中，在雨水进水口处不能种植较大的树木，以防止涌水；在溢流井周围1 m范围内不能种植乔木；在下沉绿带靠近机动车道和非机动车道两侧边缘，设置防水土工布，以减少下沉雨水对路基的影响。下沉式绿化带剖面图，如图3所示。

图3 下沉式绿带剖面图5.2 梳型路缘石进水口机动车道及非机动车道路缘石每间隔一段距离，需要设计雨水进水口为路面雨水进入留有通道。目前常用的几种形式为：“三高一低”做法、开孔路缘石做法、梳型路缘石做法等等。本次设计采用梳型路缘石做法，如图4所示。

图4 梳型路缘石示意图在梳形路缘石前后1.0 m范围内道路下沉3～5 cm，并设置道路散水，方便道路雨水收集。雨水通过梳形立缘石，进入机非隔离带，绿化带内对应路缘石开孔位置铺设碎石混凝土以减缓冲刷和校正雨水流态、流速。5.3 净水石笼设计绿化带要采取措施对渗透以及汇聚的流水进行过滤。过滤地面积水是为了增强水资源的清洁度，这些积水会通过市政道路排水系统进入城市水地下水资源收集处，因此，要在收集之前进行过滤，提高水资源清洁度。雨水经过碎石层流态校正及流速缓冲后，进入石笼中，经过石笼截流、沉淀等净化处理后，流出至下沉式绿化带中。石笼尺寸为150 cm×70 cm×30 cm，采用直径为10～15 cm的卵石组成，所有的卵石级配必须良好，其设计剖面图如图5所示。要从根本上解决地名检索中的地理空间的层次结构特性和地名表达的模糊性，就必须结合地名描述、地理空间、计算机、网络等相关知识和技术，从整体上进行把握，构建基于地名本体的语义网实现基于语义的地名检索服务[2]。

图5 石笼设计剖面图5.4 挡水坎及溢流雨水口雨水海绵溢流系统与城市排水管网良好结合是保证海绵城市效果的关键，而溢流雨水口作为两者的连接点，作用十分重要。这样一旦绿化带中积存的雨水流量过大就可以从排水管道进入市政地下管网系统，缓解绿化带积水滞蓄压力。一般情况下，在分隔带下游设有溢流雨水口，溢流口高出种植土20 cm，超量雨水溢流排至雨水管渠系统。为保证蓄水量，在绿化带内设仿木桩C15混凝土预制件挡水坎。当挡水坎前设有溢流口时，挡水坎高出下凹式绿地23 cm，其他位置挡水坎高出下凹式绿地20 cm。挡水坎布置间距根据纵坡大小确定，如式(2)。

(2)其中：L—间距，m；H—下沉式绿化带下沉深度，m，本设计取0.2 m；i—区间道路纵坡大小，本设计取0.53%～4.4%。采用此措施可以保证下沉式绿化带10 cm的存水量。6 透水人行道铺装人行道设计中，应充分利用透水性路面材料，实现路面径流的下渗。采用彩色透水路面，防止路面积水，快速实现雨水渗透，同时还可以维持土壤湿度，有效维护地下水及土壤环境的生态平衡。为保证透水人行道收水效果，人行道下一般不设置电力沟、热力、雨水等较大管径的管线，可以设置给水、中水管道等小管径管线。除管线自身不透水外，管线回填时需在管线周边进行压实处理，会影响透水人行道下渗量，从而降低整体效果。本次设计人行道采用透水人行道花砖，透水砖透水系数应≥0.01 cm/s，有效孔隙率应≥15%，防滑指标BPN≥60，抗压强度等级不小于Cc40，抗折强度不小于6 kN，其他物理性能应满足《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)要求。透水混凝土28 d抗压强度≥25 MPa，抗弯拉强度≥3.0 MPa，透水系数≥0.05 cm/s，有效孔隙率应≥15%。级配碎石集料有效孔隙率应≥15%且≤20%，压实度满足路基设计示意(图6)要求，CBR≥80%。

图6 透水人行道铺装图7 效益评估道路海绵城市，会使道路设计造价增加，但梳型路缘石、净水石笼、挡水坎等组成都采用工程常用材质制作，因此，增加量较小。雨水经下沉式绿化带内的碎石层及生态树池减缓流速后，可有效减少雨水径流量，推迟雨水洪峰时间，从而有效的环节城市道路排水压力，减少城市洪水。此外，雨水经过净水石笼处理后，水质得到有效净化，初期雨水水质变好，减少下游河道污染量，可有效改善城市生态环境，净化城市水资源。8 结论随着海绵城市理念的迅速推广，城市道路的海绵城市技术也开始迅速发展和利用。海绵城市作为一种符合时代发展需求的设计理论，应用于城市道路设计中，加强对道路雨水径流的截留和利用，不仅可以有效的缓解城市道路排水压力、减小城市洪水内涝，还能够提高雨水资源利用、改善城市生态环境、净化城市水资源、减少水污染等。本文结合济南东部地区某项目道路海绵城市建设实践，对目前城市道路相关的常用海绵城市设计思路和相关设计措施进行介绍，并对具体技术措施进行设计要点和注意事项分析，为相关设计人员提供参考和借鉴。来源：《净水技术》，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。