秦皇大道位于陕西西咸新区沣西新城核心区, 是一条南北向城市主干道。道路北起统一路, 南至横八路, 全长2.43km, 红线宽度80m, 红线外两侧各有35m绿化退让。2011年开工建设, 2012年通车运行, 承担着极为重要的区域交通枢纽功能。2015年下半年, 按照海绵城市建设要求启动了改造工作。

　　 沣西新城地处温带大陆性半干湿气候区。在大气环流和地形综合作用下, 夏季炎热多雨, 冬季寒冷干燥。多年平均降水量520mm, 其中7~9月降雨占全年降雨量50%以上 (见图1) , 且多以暴雨形式出现 (见图2) , 极易造成洪、涝和水土流失等自然灾害。

　　 (1) 地下水:区域地下水以大气降水及地下径流补给为主, 直接补给来源为两侧渭河及沣河。地下水自南向北径流, 潜水位埋深7.9~16.1m, 目前处于缓慢下降趋势, 水位年变幅0.5~1.0m。水质类型为碳酸、硫酸、钙、钾、钠型水。

　　 (2) 工程地质:根据岩土工程勘察报告, 拟建场地为非自重湿陷黄土场地, 湿陷性等级为1级。区域上层原状土中黄土状土与粉质黏土含量较高, 下渗性能较差, 难以满足生物滞留设施雨水直接下渗要求 (双环法实测项目区土壤饱和渗透速率1.2×10^-7~4.6×10^-7m/s) 。

　　 秦皇大道改造前, 道路横断面设计如图3所示。下垫面类型、面积及径流系数^[1]取值参见表1。

　　 秦皇大道整体地势平坦, 场地标高最低点387.43m, 最高点388.96m, 最大纵坡0.75%, 最小纵坡0.35%, 最小坡长190m。道路纵坡一方面会引导雨水向低点汇聚, 在管网传输能力不足时, 容易造成积涝;另一方面会对利用侧分带设置的LID设施有效调蓄功能发挥产生不利影响, 对雨水在设施内流速及土壤冲刷侵蚀控制等带来困难。

　　 秦皇大道采用分流制排水系统, 雨水管网已经建成, 主要收集路面及两侧地块径流。设计标准2年一遇, 所用暴雨强度公式^[2]详见式 (1) , 管道埋深2~4m, 管径DN500~1 000, 服务面积63hm²。

　　 式中q———暴雨强度, L/ (s·hm²) ;

　　 P———设计重现期, 年;

　　 t———降雨历时, min, t=t₁+t₂;

　　 t₁———起点集水时间, 取10~25min;

　　 t₂———管内雨水流行时间, min。

　　 秦皇大道雨水管网分属2大排水分区 (见图4) 。其中北段 (统一路-横四路) 位于渭河2#排水系统, 雨水经管网收集后由沣景路雨水泵站提升排入渭河, 渭河 (沣西段) 现状水质呈地表水V类水平^[3];南段 (横四路-横八路) 位于绿廊排水系统, 雨水经开元路向西排入新城雨洪调蓄枢纽单元———中心绿廊, 其现状水质不低于地表水Ⅳ类。

　　 秦皇大道北段所在渭河2#排水分区汇水面积3.07km², 现状管网末端埋深地下9.42 m, 低于渭河主河道水面约5.4m, 低于河滩8.5m, 雨水无法重力流排入渭河, 主要依靠末端泵站提升。规划的沣景路雨水泵站设计流量11.84m³/s, 单泵设计水量9 000m³/h, 扬程16.5m, 电机功率630kW、工作电压10kV, 按此核算, 年径流排放体积约89.4万m³, 年排水能耗高达6.26万kW·h。

　　 秦皇大道南段雨水受纳体中心绿廊作为新城终端雨洪调蓄枢纽、生态廊道与水资源涵养利用中心, 其近期水质为地表Ⅳ类, 远期规划达到地表Ⅲ类水平。秦皇大道作为衔接源头地块、区域管网、中心绿廊的骨干纽带, 其径流雨水携带大量下垫面污染物 (SS、COD、TN、TP、重金属、油脂等) 输入绿廊, 极易造成水系污染及生态系统破坏。

　　 秦皇大道全段汇水面积较大, 强降雨后短时可汇集大量雨水;绿化带边缘高于路面, 雨水沿绿化带边缘雨水篦子直接排走, 无法下渗、滞蓄, 径流源头控制不足;道路纵坡存在低洼, 加之下游管网及泵站尚未建成, 自建成以来多次发生积涝, 严重威胁交通安全。

　　 一方面, 秦皇大道所在区域原状土壤渗透性能较差, 影响LID设施渗蓄功能发挥, 如何改良原状土, 系统提升其透水、保水 (基于植物生长需要) 及截污净化 (基于面源污染控制) 等性能成为首要解决的问题;另一方面, 区域地质属非自重湿陷性黄土, 虽等级不高 (Ⅰ级) , 但浸水发生结构破坏、承载能力骤降、崩解沉降变形的风险依旧很大, 这就为开展LID设计时如何处理好雨水下渗和道路基础结构安全的关系带来挑战。

　　 依据住建部发布的《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建 (试行) 》, 沣西新城位于我国大陆年径流总量控制率第Ⅱ分区, 雨水径流总量宜控制在80%~85% (见图5) ;结合新城开发建设前本地水文及地质特征, 以开发后径流总量不大于开发前为目标, 编制《沣西新城核心区低影响开发专项规划》^[4]。根据低影响开发总体力度控制及LID设施区域配置要求, 确定不同地块年径流总量控制分解指标。其中秦皇大道年径流总量控制率85%, 对应设计降雨量19.2mm。

　　 根据秦皇大道雨水排放受纳水体———中心绿廊近期地表水质Ⅳ类保护控制要求及径流污染外排总量不大于开发前的基本原则^[5], 以道路外排水水质 (以COD计) 优于地表水Ⅳ类标准限值为目标, 计算所需年径流总量控制率不应低于84.6%。计算公式如下:

　　 式中α———年径流总量控制率, %;

　　 H———多年平均降雨量, mm;

　　 Ψ———区域综合雨量径流系数, 以接近开发前自然绿地状态0.2计;

　　 A———区域汇水面积, hm²;

　　 C₀———区域雨水径流COD外排浓度, mg/L, 按地表水Ⅳ类限值设定, 30mg/L;

　　 C_i———区域雨水径流COD污染物初始浓度, mg/L, 此处, 采用实测场次降雨COD事件污染物平均浓度 (EMC) 设定, 取值105mg/L;

　　 β———LID设施对COD平均去除率, 此处根据当地典型LID设施监测, 以63%估算。

　　 综合式 (1) 、式 (2) 考虑, 确定秦皇大道年径流总量控制率目标为85%, 对应设计降雨量19.2mm。

　　 根据低影响开发专项规划中秦皇大道径流总量及污染控制分解指标要求, 统筹考虑项目自身径流控制及与周边地块、水体等水量、水质衔接关系, 确定其改造目标如下:

　　 (1) 年径流总量控制率达到85%, 对应设计降雨量19.2mm。

　　 (2) 通过源头LID建设, 耦合管网及超标雨水径流排放系统, 可有效应对汇水区50年一遇暴雨。

　　 (3) 年径流污染总量削减率 (以TSS计) 达到60%以上。

　　 通过竖向分析, 秦皇大道现状红线范围内共有6个相对高点、5个相对低点, 按照“高—低—高”方式将秦皇大道划分为5个子汇水分区, 分区域进行控制 (见图6) 。各子汇水分区道路横断面、下垫面情况基本一致。

　　 式中V_x———设计调蓄容积, m³;

　　 H———设计降雨量, 取85%年径流总量控制率对应设计降雨量19.2mm;

　　 φ———综合雨量径流系数;

　　 F———汇水面积, hm²。

　　 海绵城市核心思想之一是将建设地块水文状况维持或恢复至自然状态, 重点对建设后硬化区域产流进行控制^[6]。依据该原则, 绿地本身接近自然下垫面产汇流状态, 因而地块内绿地径流可不考虑在所需控制容积内^[1], 然而实践中, 绿地产流势必汇入工程LID设施内并占据一定蓄水空间, 若仅考虑硬化区域径流, 则实际年径流总量控制率可能低于设计值。考虑上述因素, 采用2种算法计算子汇水分区所需控制容积, 对比分析后确定。

　　 以1号子汇水分区为例, 计算所需控制容积如表2所示。项目设计考虑到实际建设时绿地产流汇入及既有乔木、管线和附属构筑物避让等因素会导致LID设施有效容积衰减, 故在算法Ⅱ确定的调蓄容积基础上额外增加5%安全余量, 得出1号子汇水分区总需控制容积为571.8m³。依此类推, 详细计算其他分区调蓄容积如表3所示。

　　 秦皇大道改造的核心思想为构建“源头减排、管网传输、排涝除险”相结合的综合雨水管理系统 (见图7) 。

　　 设计中利用道路机非分隔带、绿篱带进行下凹处理;通过低点路缘石开口, 将机动、非机动车道雨水引入侧分带, 并在路缘石豁口后设置拦污槽进行截污、消能;机非分隔带内根据竖向变化, 分段设置传输型草沟、生物滞留草沟和雨水花园, 实现雨水分段传输、净化与下渗;人行步道有机更新, 将不透水铺装改造为透水铺装;通过上述措施有效实现雨水径流及污染的源头减排。在侧分带内新增雨水溢流口, 与现有雨水井连接, 将超出LID设施容纳能力的雨水溢流排放至现状雨水管, 充分发挥既有管网排水功能。此外, 利用红线外35m退让绿地, 构建传输型草沟, 并在易涝积水点处设置雨水塘;通过在人行道下设置暗涵构建雨水行泄通道, 对超出LID调蓄及管网传输能力的径流进行调节, 并通过溢流口、放空管与既有管网衔接, 待管网传输能力恢复后, 超出雨水塘调节水位的雨水溢流进入管网或经放空管排空, 实现排涝除险。

　　 根据秦皇大道各子汇水分区所需调蓄容积及下垫面属性, 统筹考虑红线内外绿地空间及降雨控制条件 (设计降雨和50年一遇降雨情形) , 结合LID设施径流组织及管网衔接关系, 合理开展设施布局 (详见图8~图10) 。

　　 式中V_k———设施控制调蓄容积, m³;

　　 A_s———设施面积, 按垂直下渗水平投影面积计算, hm²;

　　 h₁———设施临时蓄水深度, m;

　　 h₂———设施种植土层深度, m;

　　 h₃———设施排蓄水层深度, m;

　　 β₁、β₂、β₃———有效调蓄容积系数, 根据各层介质孔隙率、含水率、压实度等属性确定, 本项目设计时β₁取1、β₂取0.3、β₃取0.4;

　　 ζ———容积折减系数, 根据设施横断面有效面积 (扣除既有乔木、管线和附属构筑物避让等所导致LID设施有效容积衰减的面积) 占等宽、高的矩形面积比例确定。

　　 以1号子汇水分区为例, 根据其采用的设施组合, 计算设施控制容积如表4所示。

　　 依此类推, 详细计算5个子汇水分区设施控制容积, 各分区设施控制总容积均能满足本分区调蓄容积需求 (见表3) 。经核算, 秦皇大道LID改造实际总控制容积2 887.5 m³, 满足设计调蓄容积2 851.6m³的要求, 反算相当于20.9 mm降雨量, 对应年径流总量控制率87%, 满足规划控制目标 (85%, 19.2mm) 要求。

　　 秦皇大道改造后下垫面包括:沥青路面、硬质铺装、透水铺装、绿地4类, 各类型下垫面面积及径流系数取值参见表5。经计算, 改造后下垫面综合雨量径流系数为0.721, 相比改造前 (见表1) 下降0.024, 一定程度削减了区域雨水产流, 缓解了径流排放压力。

　　 径流雨水沿路牙开口进入侧分带时会夹带垃圾、泥土等物质, 长期可导致LID设施表层板结、透水性能下降, 且易造成冲蚀。因此, 设计时在路牙开口处增设拦污槽 (内填10~25mm建筑垃圾再生骨料) 可有效滤除雨水杂质、分散径流并消能。其结构设计如图11所示。

　　 鉴于湿陷性黄土地质雨水下渗威胁路基安全, 改造时在进水口处设计了一种“L”型钢筋混凝土防水挡墙 (见图11) , 用于路基侧向支挡及雨水侧渗规避。设置后, 侧分带LID改造时可直接垂直下挖, 减小对路基、路面影响。同时, 挡墙紧贴路牙, 可发挥靠背支撑作用。挡墙采用C30钢筋混凝土结构, 8m一节, 设伸缩缝, 结构底宽50cm, 高度根据生物滞留设施尺寸调整, 一般要求垫层底低于道路路基底50cm。与传统砖砌支护、防水土工布敷设 (易破损) 相比, 混凝土挡墙隔水效果更好, 抗弯能力更高, 对路基支撑也更强。该结构较传统防水砖墙造价差异不大 (180~240元/m) , 且只在侧分带低点土壤换填段 (生态滞留草沟、雨水花园处) 使用, 不会大幅增加投资, 同时解决了雨水下渗与路基安全矛盾。

　　 一种布置在侧分带起端入流处及树木、检查井等构筑物基础处, 用于转输径流。与道路纵坡同坡, 只做表面下凹, 底部不换填, 种植35~50 mm高地被植物, 草沟与车行道或辅道衔接处设置防渗土工布。另一种布置在道路红线外绿化退让内, 用于转输透水铺装排出的径流雨水。2种结构基本相同, 做法详见图12。

　　 布置于侧分带内传输型草沟下游纵向低点处, 与传输型草沟长度比为1∶2.2。生态滞留草沟和雨水花园结构相同 (换填长度≤30m的区域称雨水花园) , 自上而下为覆盖层、换填层、碎石层 (见图13) 。覆盖层位于土壤表层, 由碎树皮、木屑组成, 厚5cm, 用以保持土壤水分, 避免表面板结导致透气性降低。换填层 (树、检查井、路灯基础等位置不换填) , 用于提高土壤渗蓄能力, 厚50cm;改造中利用常见农林业废弃物椰糠, 与原状土、沙子按40%粗砂:40%原土:20%椰糠体积比混合, 在模拟自然压实条件下, 满足初始下渗率≥150mm/h, 稳态下渗率≥75mm/h, TSS去除率≥70%, 适宜植物生长等要求。砾石层用于排水, 厚40cm, 内设透水盲管, 遇树木或构筑物处适当弯曲, 就近接入溢流口或雨水井内。

　　 侧分带内雨水在生物滞留设施内下渗、滞蓄、净化并缓排, 当遇到极端降雨时, 来不及下渗的超标雨水则通过溢流雨水口 (见图13) 进入管道系统;雨水口下游1~2m处设置挡流堰 (堰高与溢流雨水口齐平) , 以减缓流速, 提高设施蓄渗及截污性能^[7]。

　　 植物是LID设施的重要组成。改造中, 侧分带内乔木保持不动, 地被植物优选根系发达、净化力强、既耐涝又抗旱的本土植物栽植, 并适当搭配部分外来物种, 以实现海绵与景观功能的有机融合 (见表6) 。

　　 秦皇大道两侧人行道下供电通信电缆管沟埋深较浅, 仅有0.3m。设计时, 在保障路基强度和稳定前提下, 将人行道硬质铺装改造为浅层透水砖铺装结构 (兼有孔隙和缝隙透水) , 透水基层内设置排水管并与红线外传输型草沟衔接, 形成局部雨水源头渗滞系统 (见图14) 。

　　 秦皇大道共有5处高程低点, 采用SWMM软件进行内涝模拟发现:下游雨水管网通畅情况下, 50年一遇暴雨发生时, 有3处低点内涝风险较大。设计时充分利用项目红线外35m绿化退让, 在三处低点人行道下设置排水暗涵, 将路上经LID设施消纳、管网转输仍不能及时排除的涝水引至红线外绿化带中, 通过分散式调节塘进行涝水调节 (见图15) 。

　　 每个调节塘设前置塘 (沉淀预处理) 和蓄渗区 (调节、下渗) 两部分。涝水可通过调节塘内设置的放空管接入附近雨水井, 雨量减小时, 通过雨水管道将涝水排走;超出调节水位的溢流雨水则通过调节塘边缘的溢流雨水口排入管网。3处涝水风险点调节塘规模如表7所示, 内涝模拟参数详见表8。表8中, 模拟方法:产流采用Horton扭损法, 汇流采用Laurenson非线型法;设计雨型:50年一遇24h降雨 (详见图2) ;边界条件:秦皇大道排水组织, 详见2.1.6中图4。管道参数为:曼宁系数0.014, 沿程阻力损失系数0.025, 进口局部阻力损失系数0.5, 出口局部阻力损失系数0.5。

　　 年径流总量控制率基于多年日降雨量统计分析而来。考虑到降雨随机性, 本项目采用LID设施年径流总量控制率对应的24h降雨进行模拟。结果显示 (见图18a) , 24h降雨量≤19.2mm时, 传统开发模式秦皇大道汇水区径流峰值流量q₁=0.32m³/s, LID改造后外排流量为0, 削峰100%。

　　 50年一遇降雨模拟显示 (见图18b) , 传统开发模式径流峰值流量q₁=2.63m³/s, LID改造后径流峰值流量q₂=2.23m³/s, 削峰15.2%;峰现时间较传统开发模式滞后约5min。

　　 秦皇大道改造前, 1~2年一遇重现期降雨发生时, 积水深度≥15cm, 时间≥2h, 面积≥500m²的内涝积水点共有3处 (见图19) 。LID改造后, 根据6场成涝监测数据, 确定设计降雨条件下2处积水得到消除, 1处积水显著改善。对比改造前2015年8月2日 (30.4mm, 5h, 2年一遇单峰降雨) 与改造后2016年6月23日 (31.4mm, 6h, 2年一遇单峰降雨) 两场相似暴雨发现:①②号积水点基本消除;③号积水点得到明显缓解, 最大积水面积减少70%, 积水深度降低53%, 积水时间缩短85%以上。

　　 秦皇大道主体工程改造完成后, 进行了5场降雨监测, 结果显示:侧分带LID设施对TSS、TP、COD、NH₃-H等去除效果明显, 径流污染负荷削减率[按式 (5) 计算]^[12]分别可达:64%~89%、56%~74%、49%~64%和70%~88% (见图20) 。

　　 式中R_L———污染物负荷削减率, %;

　　 C_in、C_out———分别为进、出水污染物瞬时浓度, mg/L;

　　 Q_in、Q_out———分别为进、出水瞬时流量, L/s;

　　 T———场次降雨历时, s;

　　 C_{j (in)} 、C_{j (out)} ———分别为采样时段进、出水污染物浓度, mg/L;

　　 Q_{j (in)} 、Q_{j (out)} ———分别为采样时段进、出水流量, L/s;

　　 Δt_j———第j个采样间隔, s, 满足;

　　 N———场次降雨采样间隔数。

　　 目前, 秦皇大道已完成侧分带LID改造, 正在进行人行道透水铺装及红线外调节塘建设。经初步监测与模拟分析, 已发挥出较佳的海绵效益。

　　 (1) 年径流总量控制率测算可达87%, 50年一遇24h降雨峰值流量模拟削减达15.2%, 可有效降低下游管网及末端泵站排水压力。

　　 (2) 现状场次降雨径流污染物负荷削减率:TSS64%~89%、COD 49%~64%、TP 56%~74%、NH₃-N 70%~88%, 有效实现径流污染源头控制, 降低了末端受纳水体污染风险。

　　 (3) 道路积水状况得到显著改善, 中小降雨无明显积水产生。随着下游管网及泵站工程建设完善, 区域排水防涝能力将进一步提升。

　　 (4) 通过“L”型钢筋混凝土挡墙支护和生物滞留介质人工换填等技术手段较好解决了湿陷性黄土地质、原土渗透性能差等制约低影响设计的不利因素, 后续将根据长效监测与模拟验证进一步优化改进。