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。随着城市化进程不断加快,城市道路面积不断增加,道路硬化用地面积占城市建设用地面积的15%~20%。目前在城市道路建设中,以满足城市道路功能为前提,在雨水控制和利用思路上主要体现了“排”,忽略了对生态保护的影响^[1] ,例如,大量的硬化地面减弱了雨水的渗透,雨季降水量大时容易形成洪峰,导致城市部分区域积水;同时,城市道路不透水面的大量存在,也助长了城市热岛效应^[2] ;此外,城市道路是径流雨水及其污染物产生的主要场所之一^[3,4]]。因此,对城市道路径流雨水的控制尤为重要。

　　 以厦门海绵城市建设试点区内某城市道路为研究对象,围绕城市道路海绵城市建设理念,明确城市道路海绵城市设计标准,重点解析海绵城市系统设计和具体工程措施设计,校核了海绵城市建设指标完成情况,并提出了海绵城市工程设施维护及管理的相应要求,探讨城市道路海绵城市方案优化设计,以期为城市道路海绵城市设计提供参考。

　　 该城市道路位于厦门海绵城市建设试点区中西部,总体呈南北走向,本次设计长度650m。道路原状机动车道宽7.5m,人行道宽3.5m,绿化退线宽8~10m,周边地块主要为厂区、绿化用地,改造前现状见图1。

　　 本次设计主要围绕海绵城市这一理念,改变传统的雨水收集排放系统,即路面雨水→雨水口→雨水口连接管→检查井→市政管网的“快排”系统,综合运用透水铺装、路缘石开口、植草沟、生物滞留等工程措施,将路面的雨水通过低影响开发设施使其在雨水径流量控制、面源污染控制和排水防涝方面取得效果。

　　 (1)雨水年径流总量控制率。通过海绵城市方案设计,使本条城市道路年净流总量控制率达到70%,即满足26.8mm雨水不外排的建设要求。

　　 (2)雨水年径流污染控制率。综合考虑厦门市初期雨水污染实际和城镇排水受纳水体水环境容量,参考国内外城镇初期雨水截流量,雨水利用设施的径流污染控制以尽可能降低水环境污染为目标,同时考虑初期雨水处理设施规模。本次设计初期雨水截流量按照10mm的降雨径流量计算。

　　 (3)排水防涝标准。采取综合措施,有效应对50年一遇暴雨。

　　 雨水管道均布置于道路中心线下,本次设计保留现状雨水主管及检查井,检查井井盖标高与设计路面标高保持一致。道路红线宽度20m=2m(人行道)+2m(生物滞留绿地)+2.5m(非机动车道)+3.5m(机动车道)+3.5 m(机动车道)+2.5 m(非机动车道)+2 m(生物滞留绿地)+2 m(人行道),本方案雨水综合利用主要是人行道及非机动车道采用透水铺装,道路两侧设置下凹式生物滞留设施,改造断面见图2。

　　 将侧分绿化带加宽至2.5m,并做成下凹绿地,路缘石开口,收集、滞留机动车道的汇水。结合本次设计道路的实际情况,推荐采用生物滞留设施,复杂型生物滞留设施可通过化学过程、物理过程、生物过程有效去除径流初期的污染物。

　　 生物滞留设施结构剖面自上至下为持水区/沉砂池/挡水堰/雨水溢流井、种植土壤层、砂滤层、卵石层,详见图3所示。生物滞留设施中材料参数见表1。

　　 结合景观道路沿线两侧种植钱根乔木的需要,本次设计生物滞留沟种植土壤层厚度采用120cm。下凹式生物滞留设施主要负责收集和处理沿线相邻车行道及人行道的径流雨水。下凹式生物滞留设施收集的雨水优先通过下渗进行水质和水量的处理(下渗雨水通过卵石层内的穿孔管收集);超出下渗能力的雨水在持水区持续蓄积,超量雨水将通过溢流口(溢流口高出持水区底部20cm或25cm)直接溢流至雨水管道系统。

　　 生物滞留设施植物的耐淹时间过长将会影响绿地植物的正常生长,因此在渗透设施容积深度确定以后,需要用绿地的淹水时间进行校核。经计算,生物滞留设施空池标准蓄水量排空时间t₀=11.1h,满足设计的最大雨水排空时间为24h。

　　 为提高地面透水能力及考虑到环保,采用透水性硬化地面做法,是提高地面透水能力的有效途径之一^[5,6] 。本项目非机动车道、人行道均采用透水砖材料,以便雨水入渗回补地下水,人行道采用环保透水性地砖铺面,由上至下主要结构分别为:8cm联锁透水砖、3cm中粗砂找平层、一层400g/m²土工布、15cm C15无砂透水混凝土、12cm级配碎石,如图4所示。

　　 透水铺装地面削减污染物的去除效果明显^[7] ,相关研究表明对COD、BOD₅、NH₃-N、TP、TN、SS均有良好的去除效果,能达到地表水Ⅱ类水质标准。

　　 非机动车道、人行道均坡向绿化退线。道路两侧绿化退线范围均较大,通过道路两侧的植草沟将路面雨水收集至退线内雨水花园滞留下渗。

　　 生态滞留沟入流系统是生态滞留沟的一个重要组成部分,其结构可影响到生态沟的净化效果、维护和使用寿命。目前应用较普遍的就是在路缘石上预留豁口,将径流道路滞留沟中。路缘石豁口可按式(1)计算:

　　 式中L———豁口长度,m;

　　 Q———设计径流量,m³/s;

　　 K₀———经验常数,一般取0.817;

　　 S———纵向坡度;

　　 n———曼宁系数,一般可取0.016;

　　 i———路面横向坡度。

　　 结合立箅式雨水口进水量综合考虑,确定路缘石豁口的开口长度确定为每间隔15m设置1.5m的路缘石豁口。道路起点至道路桩号K0+208段,由于设计道路坡度为1.78%,路缘石开口收集雨水难度比较大,本次设计道路坡度大于1.5%段采用环保雨水口收集路面雨水。设计路缘石为花岗岩,C15混凝土后背,规格为15cm×80cm×130cm,本次设计路缘石开口为每15m设置一处开口对路面径流进行引入,路缘石开口尺寸为80cm×7.5cm,并设置铸铁格栅防止异物进入绿地。

　　 生物滞留设施间隔20~30m设置一处溢流雨水口,当雨水超过海绵城市收纳能力时,通过溢流设施排入市政管网。溢流雨水口采用模块混凝土结构,规格为680mm×1 300mm,溢流口最大过流流量为30L/s。

　　 路缘石后侧设置80cm×20cm×12.5cm沉泥槽(PVC沉淀槽),沉泥槽采用钢筋混凝土底座,底座规格130cm×30cm×20cm。

　　 挡水堰采用卵石堆砌,顶宽为20cm,底宽40cm,高度20cm,基础50cm细石混凝土垫层。挡水堰设置于雨水溢流口下游,避免下游就近路缘石开口雨水造成短流,挡水堰根据雨水溢流口设置间隔约为30m。

　　 城市道路雨水收集系统设计详见图5所示。

　　 定义水量控制比率=(渗透量+空池最大蓄水量)/进水量,可知水量控制比率越高,说明溢流外排的径流雨水量越少,当水量控制比率值≥1时,说明设施能够完全控制设计范围内的雨水量而不外排。另外,下凹式生物滞留设施空池标准蓄水量为水池在流入雨水溢流口所需要雨水量,超出空池标准蓄水高度的雨水通过雨水溢流口流入雨水管道系统。取机动车道径流系数取0.9,则双侧2.5生物滞留沟对雨水径流量控制能力见表2。

　　 由表2可知,按照海绵城市要求年径流总量控制70%设计降雨量条件下的生物滞留沟都不发生溢流,能满足海绵城市的径流总量控制目标。

　　 设计按照每延米生物滞留沟处理其侧面车行道、人行道相应每延米的初期雨水量计算。另外,定义空池最大蓄水量为水池在不考虑下渗和溢流口外溢情况下的最大蓄水量。当空池最大蓄水量≥初期雨水径流控制量时,说明设施能够完全控制设计范围内的初期雨水携带的污染物量。在降雨后期或者降雨停止后,设施内滞留的污染物将通过设施内的植物吸附分解,或土壤及填料的过滤等方式得以有效地去除。生物滞留沟对初期雨水污染控制能力见表3。由表3可知,本次设计中的双侧生物滞留沟能够完全控制设计范围内的初期雨水污染。

　　 生物滞留设施植物的耐淹时间过长将会影响绿地植物的正常生长,因此在渗透设施容积深度确定以后,需要用绿地的淹水时间进行校核。绿地淹水时间与持水深度、土壤渗透系数有关,校核是按照最不利情况进行计算,即空池标准水深(渗透设施蓄水高度达雨水溢流口)时,雨水全部下渗所需的时间,见式(2):

　　 式中t₀———绿地淹水时间,h;

　　 W_p———产流历时内的蓄积水量,m³;

　　 A₀———渗滤设施直接接受降雨的面积,m²;

　　 K———平均渗透系数,取10^-5m/s。

　　 经计算,生物滞留沟空池标准蓄水量排空时间t₀=11.1h,满足设计的最大雨水排空时间为24h的要求。

　　 本设计中采用的海绵城市工程措施不改变传统设计中的雨水管道系统(雨水管道系统设计重现期标准为3年一遇),雨水通过开口路缘石进入绿地,并在绿地沿线设置沉淀槽/沉砂池、溢流雨水口等排水构筑物,溢流雨水口与市政雨水排水系统相连,路面降水经过绿地渗透后利用雨水系统进行排放。

　　 (1)应建立健全低影响开发设施的维护管理制度和操作规程,配备专职管理人员和相应检测手段,并对管理人员和操作人员加强专业技术培训。

　　 (2)低影响开发雨水设施的维护管理部门应做好雨季来临前和雨季期间设施的检修和维护管理,保障设施运行正常、安全运行。

　　 (3)低影响开发设施的维护管理部门宜对设施的效果进行检测和评估,确保设施的功能得以正常发挥。

　　 应及时补种修剪植物、清除杂草;进水口不能有效收集汇水面径流雨水时,应加大进水口规模或进行局部下凹等;进水口、溢流口因冲刷造成水土流失时,应设置碎石缓冲或采取其他防冲刷措施;进水口、溢流口堵塞或积淤导致过水不畅时,应及时情理垃圾与沉积物;调蓄空间因沉积物导致调蓄能力不足时,应及时情理沉积物;边坡出现坍塌时,应进行加固;由于坡度导致调蓄空间调蓄能力不足时,应增加档水堰或抬高档水堰、溢流口高层;当调蓄空间雨水和排空时间超过36h时,应及时置换树皮覆盖层或表层种植土;储水水质不符合设计要求时应换填填料;由于坡度大导致沟内水流流速超过设计流速时,应增设档水堰或抬高档水堰高层。具体维护频率见表4。

　　 随着海绵城市理念的迅速推广,城市道路海绵城市设计也从观念和理念上逐步向工程落地方面发展。结合厦门海绵城市建设实践,探讨了目前城市道路海绵城市设计的主要工程措施,厦门在以后的研究中应增加相应监测设备,为定量评价城市道路海绵城市建设效果提供更为直观的数据。总之,随着工程实践和基础研究的进一步开展,再配合上一定的技术革新措施,城市道路海绵城市设计势必走向一个新的高度。