中德生态园“三减一加”背景下的海绵型城市道路设计探索

王 钦 卢 钢 邴 帅 孙 伟 董瑞欣 / WANG Qin, LU Gang, BING Shuai, SUN Wei, DONG Ruixin

FALLBEISPIEL FR STRA ENPLANUNG IN DER SCHWAMMSTADT IM DEUTSCHCHINESISCHENKOPARK QINGDAO AUF BASIS DES "3 MINUS, 1 PLUS"-KONZEPTS

THE EXPLORATION OF SPONGE URBAN ROAD DESIGN BASED ON THE "RRRI"CONCEPT IN SINO-GERMAN ECOPARK

1 项目建设背景

随着近年来我国城镇化进程的突飞猛进，传统粗放式开发模式所导致的城市环境问题日益显现。城市下垫面中，不透水面积逐年激增，城市绿地被不断压缩，导致自然降雨落至地表后迅速汇集，阻断了地下水的补给路径，同时加剧了市政管网的排涝压力。

对于新时期城镇化建设面临的城市内涝等一系列水问题，习近平总书记于2013年12 月提出“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”，国务院办公厅也进一步要求推进海绵城市建设，对城市建设提出了新要求。

作为中德两国政府合作园区，青岛中德生态园（Sino-German Ecopark）多年来坚持“生态、智慧改善生活，开放、融合提升品质”发展理念，围绕“田园环境、绿色发展、美好生活”的发展愿景，致力于生态、绿色、可持续发展，积极践行低影响开发路径。在“海绵城市”建设的基础上，结合自身建设经验及需求，提出了“三减一加”的建设要求和方向：“减少雨水管线，实施海绵城市建设”、“减少污水管线，实施模块化中水回用”、“减少集中供热，实施分布式能源解决方案”、“加大可再生能源应用，进行德国DGNB①绿色认证体系的区域认证”。这4方面内容是园区落实生态建设的重要路径。

“三减一加”背景下，城市道路建设需要更加注重绿色、生态理念，以“灰绿结合”的手段，贯彻园区生态建设指标体系。为探索园区建设的新常态、新方法，在生态园9号线项目建设中，对不同的海绵型工程措施与设施进行试验性应用，进而为园区后续建设提供技术支撑。

图1 生态园9号线道路设计横断面

图2 生态园9号线道路设计纵断面

图3 雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统关系

图4 人行道（左）、自行车道（右）路面结构示意

2 生态园9号线项目

2.1 工程概况

设计道路西起生态园38号线，东至生态园环6号线，位于规划“商务居住区”内，为东西向城市支路，道路红线宽18m，两侧无绿化带，全长约240m。

道路设计横断面、纵断面如图1、2所示。

2.2 工程建设条件

（1）区域气象

区域地处沿海，属温带季风气候，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。终年气温较温和，日差变化较小。年平均气温12.5℃，夏季平均气温23.9℃，冬季平均气温-1.5℃。每年3～11月是农作物生长发育期。年平均晴天94天，旱天162天，阴天108天。年平均日照时数一般为2447.1小时，历年平均日照率为55%。

区域降水特点主要表现为年际变幅大、年内分配不均、具有较明显的地域性。区域年平均降水量778.9mm，年内降雨高度集中在6～9月，降雨量占全年降雨总量的65%～75%。多雨年（1975年）降水量1391.70mm，少雨年（1981年）降雨量为294.77mm。区域降雨特点对植物生长有一定的限制作用，因此对低影响开发措施及植物种植选择有一定程度的影响。

（2）现状下垫面

生态园9号线道路沿线主要为农田、林地。现状地势较为平坦，局部有台地，地貌类型为剥蚀残丘，地表植物较为稀疏，裸土较多。

参考《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（住房和城乡建设部，2015），现状场地雨量径流系数应介于绿地与非铺砌的土路面之间，以0.2考虑。对应现状年径流总量控制率80%。

场地勘查资料显示，项目地表主要为素填土与粉土，渗透系数较高；设计路面标高以下2m左右向下为全风化花岗岩，土壤渗透性较差。

（3）区域规划条件

项目地势较高，属于汇水区的起点，无外围地表径流直接汇入。其地理位置位于区域一级水源保护区上游，距水库距离约500m，生态敏感性相对较高。在《青岛市黄岛区海绵城市专项规划》中，项目所处的管控分区要求年径流总量控制率不低于84%。项目设计暴雨重现期标准为2年。

作为试验性项目，为充分发挥其试验效果，按照年径流总量控制率90%进行设计，对应设计降雨量为59mm，接近于2年一遇暴雨120min累计降雨量。

图5 低影响开发设施典型设计单元平面

图6 低影响开发设施连接示意

图7 降雨－径流－排除历程

表1 雨量、流量综合径流系数测算表

表2 总调蓄容积

2.3 海绵型城市道路设计

（1）设计原则及策略

在海绵型城市设计过程中，遵循低影响开发雨水系统（Low Impact Development，LID）、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统相结合的原则（图3）。低影响开发雨水系统可以通过对雨水的渗透、储存、调节、转输与截污净化等功能，有效控制径流总量、径流峰值和径流污染；城市雨水管渠系统即传统排水系统，与低影响开发雨水系统共同组织径流雨水的收集、转输与排放；超标雨水径流排放系统，用来应对超过雨水管渠系统设计标准的雨水径流（住房和城乡建设部，2015）。

在低影响开发雨水系统设计中，遵循“灰绿结合，以绿为主”的设计原则。设计以控制地面初期雨水污染、降低径流总量、削减峰值流量为目的，优先考虑选用绿色生态设施截流自然降雨，同时采用灰色人工设施进一步控制雨水外排，提高控制指标。

（2）设计下垫面特性

设计道路横断面分布为1.75m（人行道）+2m（自行车道）+2.5m（绿篱）+7.5m（车行道）+2.5m（绿篱）+1.75m（人行道），其中人行道、自行车道采用透水型路面铺装结构。

根据下垫面结构设计及分布情况，测算其综合径流系数（表1）。

（3）相关设施设计

设计中综合采用了下沉式绿地、透水铺装、渗井、渗管、渗水模块等海绵型城市建设措施。

道路车行道采用排水降噪路面，提高道路性能，同时过滤初期雨水；两侧人行道、自行车道采用透水路面铺装，提高雨水入渗速度；道路绿篱采用下沉式绿地形式，内设渗井、渗管、渗水模块，综合加强雨水下渗。将道路每隔25m作为一个设计单元，在单元内有序组织雨水径流、滞纳、排除路径。

车行道路面雨水通过路缘石开口进入沉砂池，沉砂后流入下沉式绿地内；人行道雨水自然散排至下沉式绿地内。在设计单元末端设置依次设置渗井和阻滞带，收集下沉式绿地内无法消纳的雨水。渗井与绿篱下设置的渗管相连通，加强下渗作用，无法进一步消纳的雨水再次溢流进入北侧渗井。

道路北侧绿篱同样采用下沉式绿地形式，车行道路面雨水通过雨水口进入沉砂池，沉砂后进入渗井；人行道、自行车道雨水自然散排至下沉式绿地内。在设计单元末端设置依次设置渗井和阻滞带，收集下沉式绿地内无法消纳的雨水。渗井与绿篱下设置的渗水模块相连通，加强下渗作用，超标雨水最终溢流进入市政雨水管道（图5）。

低影响开发设施连接及溢流关系如图6所示。

项目设计范围内，自然降雨的降雨－径流－排除历程，如图7所示。

（4）径流污染控制措施

初期雨水所带来的径流污染，是海绵城市建设中需要解决的问题之一。工程中需要对初期雨水进行弃流，常用的弃流方法有容积法弃流、小管弃流（水流切换法）等，弃流形式包括自控弃流、渗透弃流、弃流池等。

相关研究表明，初期雨水中SS（Suspended Solids，固体悬浮物）和COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）污染水平较高，同时SS与COD的污染程度存在一定的线性相关性。因此对于初期雨水，采用沉砂沉淀分离等物理方法去除SS，可同步有效地降低初期雨水中的污染物（尹澄清，2010）。

图8 下沉式绿地进水口大样

图9 沉砂式雨水口大样

图10 绿篱过水断面示意

图11 绿篱过水断面简化示意

为减少海绵型城市设施的后期养护难度，提高系统运行寿命，本次设计采用容积式弃流方法，在车行道雨水进入下渗路径之前设置弃流池，通过沉砂的方式处理初期雨水（图8、9）。沉砂池内的雨水后期通过自然蒸发和人工清理的方式进行排除。

2.4 海绵型城市道路设计计算

（1）总调蓄容积

总调蓄容积按容积法计算（住房和城乡建设部，2015），计算公式如下：

式中：

H－设计降雨厚度，mm；

φ－雨量综合径流系数；

F－汇水面积，ha。

总调蓄容积计算如表2所示。

（2）径流污染控制

设计采用容积式弃流方式对初期雨水进行处理，初期雨水弃流量按照容积法计算（住房和城乡建设部，2015），计算公式如下：

式中：

H’－初期雨水弃流厚度，mm；

φ－雨量径流系数；

F－汇水面积，hm2。

设计弃流池对车行道初期雨水进行处理，单个弃流池最大服务面积约110m2，初期雨水弃流厚度按照5mm计，初期雨水弃流量计算如表3所示。

（3）调蓄及渗透能力

本次设计中的渗井、渗管、渗水模块均以渗透为主要功能，其渗透量按下式计算：

式中：

K－土壤渗透系数，m/s；

J－水力坡度；

As－有效渗透面积，m2；

ts－渗透时间，s。

工程全线共设置DN200无砂混凝土渗管263m，PE渗水模块（1.2m×0.6m×0.6m）296块，土壤渗透系数根据勘察资料取1×10-5m/s，渗透历时按照场次降雨时间2h计，计算其渗透量（表4）。

渗井、渗管、渗水模块所需的有效调蓄容积按下式计算（住房和城乡建设部，2015）：

式中：

Vs－渗透设施的有效调蓄容积，包括设施顶部和结构内部蓄水空间的容积，m3；

V－总调蓄容积，m3；

V’－初期雨水弃流量，m3；

Wp－渗透量，m3。

考虑到本项目中渗井、下沉式绿地内的调蓄容积有限，设计中不再考虑其调蓄能力。设计有效调蓄容积仅计入渗管、渗水模块的内部调蓄容积。有效调蓄容积计算如表5所示。

（4）下沉式绿篱排水能力

项目中，下沉式绿地除了承担雨水下渗的功能以外，还需承担道路路面雨水的排除功能，因此对暴雨时绿篱的过流能力进行复核。设计中选取最不利单元进行测算（北京市市政工程设计研究总院，2004）。

设计雨水流量按照传统推理公式测算，如下式：

式中：

Ψ－流量综合径流系数；

Q－设计暴雨强度，L /（s·hm2）；

F－汇水面积，hm2。

流量综合径流系数根据下垫面条件后，为0.57，最不利单元服务面积为200m2。设计暴雨强度按照当地暴雨强度公式计算，在设计标准为暴雨重现期2a，地面集水时间2min时，设计暴雨强度为436.61 L /（s·hm2），计算出最不利单元设计雨水流量（表6）。

绿篱设计断面如图10所示。

绿篱内过水能力可按流量及流速公式计算。计算之前，对过水断面进行一定程度上的简化（图11）以便计算，同时暂不考虑植物对其影响。

水流断面的平均流速按下式计算：

式中：

n－粗糙系数；

R－水力半径，m；

i－水力坡降。

绿篱设计过水能力按下式计算：

式中：

A－过水断面面积，m2；

v－平均流速，m/s。

相关研究表明，植草沟的粗糙系数主要与植草沟材质、不规则程度、断面变化程度、植被、植草沟堰、植草沟曲折程度等因素有关（刘燕 等，2008；Cowan W.，1956），根据Cowan（1956）提出的经验公式估算，本项目中绿篱粗糙系数n=0.2。暂不考虑植物影响，根据简化后的绿篱过水断面，可得出过水断面面积0.18m2，湿周2.05m，水力半径0.088m。水力坡降取道路坡度0.018。绿篱过水能力计算表如表7所示。

考虑到实际过水能力受植物阻挡，实际流量取设计过水能力的50%，即12L/s，能够满足排水需求。

表3 初期雨水弃流量

表4 工程渗透量

表5 有效调蓄容积

表6 设计雨水流量

表7 绿篱过水能力

图12 项目实景

图13 透水铺装实景

2.5 项目建成效果

项目建成至今，海绵型城市相关设施运行良好，经过一个气候周期检验，年径流总量控制效果达到预期。在实际运行过程中，相较于周边道路，雨水径流量明显得到了有效控制，同时道路周边景观环境得到了改善，充分发挥了项目的试点作用（图12～14）。

图15 富源二号路实景

图14 绿篱内弃流池实景

图16 生态园31号线意向

3 园区其他海绵型城市道路的应用

海绵型城市道路措施在生态园9号线的成功应用，为园区同类项目提供了充分的技术支撑和试验验证。

在园区其他道路建设中，结合生态园9号线工程实践研究，采用了多种形式的低影响开发措施。相对于传统开发模式，降低了不透水下垫面比例，控制了雨水径流总量；实现径流峰值时刻后移，一定程度上减轻了城市市政排水管网的压力；避免了初期雨水直接外排，为降低城市面源污染做出了贡献。

园区的富源二号路（图15），在海绵城市技术措施方面采用了无砂混凝土渗井、渗管，替代了生态园九号线中的成品检查井，在保证透水效果的条件下，有效降低了工程成本；采用集中式蓄水池，替代了生态园九号线中的渗水模块。蓄水池内收集的雨水定期回用于道路浇洒、绿化等，进一步实现了雨水回用。

生态园31号线（图16）位于园区南部山体区域，两侧地块分布零散，开发强度低，水系丰富。设计中借鉴了公路排水组织方式，保留山体现状冲沟，同时在道路两侧利用嵌草砖设置了排水明沟，取代了常规市政雨水管道，进一步践行了低影响开发理念，最小化工程建设对自然环境的破坏。

4 结语

随着园区“三减一加”理念的进一步深入落实，各类低影响开发措施在建设项目中的重要性日益提高。在城市道路建设中，通过合理的建设、设计和运营管理，能够减少人类生产建设对自然环境的破坏。通过近年来的探索，园区已经找到了与其理念相符的海绵型城市道路建设方式。未来，园区将利用监测设备和物联网技术，实现海绵城市建设的定量评估，确保生态、绿色园区建设的可持续发展。

注释

① 全 称 为“Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen”， 德 国可持续建筑评估体系。

[1]住房和城乡建设部. 海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建(试行)[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2015.

[2] 尹澄清. 城市面源污染的控制原理和技术[J]. 环境水质学国家重点实验室,2010.

[3] 北京市市政工程设计研究总院. 给水排水设计手册:城镇排水[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2004.

[4] 刘燕, 尹澄清, 车伍. 植草沟在城市面源污染控制系统的应用[J]. 环境工程学报, 2008, 2(3).

[5] Cowan W. Estimating hydraulic roughness coefficients[J]. Agric Engrg, 1956.