临沂大学中央绿地海绵城市道路设计研究

朱登元 ，英战勇

（1.临沂大学 土木工程与建筑学院，山东 临沂276005；2.临沂市人民公园，山东 临沂276000；3.临沂市BIM技术工程研究中心，山东 临沂276012）

通过海绵城市建设可有效控制城市降雨径流，最大限度地减少城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏。在城市道路设计中多从行车道透水路面、人行道透水铺装、道路绿化带、平路缘石、雨水口与边沟、横向路幅设计等工程措施方面来体现海绵城市建设理念[1-7]，而对于海绵城市道路通过平面线形、纵断面高程和横断面的整体设计以及结合雨水湿地、生态滞留设施的改造等来实现对雨水管理的研究报道较少。

临沂大学中央绿地海绵城市道路的设计研究，是采用无人机倾斜摄影结合GPS现场测量生成数字地形，对研究区域内的下垫面测量统计、地形与地质勘探调查，按照临沂市海绵城市建设管控分区指标要求，进行中央绿地道路的平面、纵断面、横断面设计以及路面结构设计、材料组成设计，结合土方利用扩大人工湿塘、修建生态滞留设施对路线区域雨水进行全部管理利用。对年径流总量控制率、透水铺装面积、下凹式绿地面积、绿色屋顶面积、调蓄设施容积等管控指标进行了设计研究，实现了海绵城市道路建设理念。

一、海绵城市理念概述

传统城市开发建设由于过度依靠管网进行排水和不透水下垫面的过度增长，破坏了水的自然循环路径，使水文特征发生变化，对城市水生态、水环境、水资源等造成巨大影响，放大了灾害风险。而海绵城市是通过城市规划、建设的管控，从“源头减排、过程控制、系统治理”着手，综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等技术措施，统筹协调水量与水质、生态与安全、分布与集中、绿色与灰色、景观与功能、岸上与岸下、地上与地下等关系，有效控制城市降雨径流，最大限度地减少城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏，使城市能够像“海绵”一样，在适应环境变化、抵御自然灾害等方面具有良好的“弹性”，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式，有利于达到修复城市水生态、涵养城市水资源、改善城市水环境、保障城市水安全、复兴城市水文化的多重目标。[8]

海绵城市建设为系统性工程，通常结合建筑与小区、城市道路、城市绿地与广场、城市水系等工程进行，涉及给排水、城市道路、园林绿化、雨水控制与利用等方面的内容。位于临沂市高校园区的临沂大学中央绿地改造提升、水系整治和校园道路规划建设贯彻了海绵城市建设理念。

二、项目现状

临沂大学校区是高校园区的一部分，由美国EDSA公司进行整体概念性规划设计。大学作为“城市之肺”，林木覆盖、植被茂盛，公共园林、大水体、多起伏；临沂大学是学术文化氛围浓厚，自然、人文环境和谐的生态化校园。校园位于临沂市海绵城市管控分区10号区域内，如图1所示。

图1 临沂大学管控区图

临沂市多年平均降雨量为871.97mm，高于山东全境年平均降雨量710mm，年最大降水量1417mm（1960年），最小降水530mm（1988年）。降水量在时空分布上极不均匀，由于受季风影响显著，降水量冬夏差异悬殊，年内分布极不均匀，降水主要集中在汛期（6～9月份），汛期降水量约占全年降水量的74%，春、夏、秋、冬四季降水量分别占年降水总量的15%、63%、18%和4%。

《临沂市海绵城市专项规划》推荐的临沂城区暴雨强度如式(1)所示。

临沂大学校内现有交通组织是以5km内环路为主，师生上下课期间人车混行带来的安全问题、交通拥堵问题十分突出，中央绿地道路主要是为解决此问题而规划设计，同时作为师生进入绿地进行休读、亲水的便捷通道。内环路以内中央绿地共占地1446725m2，其中建筑屋顶93099m2，硬质路面136793 m2，块材铺砌52281m2，水面158504m2，绿地面积1006047m2，计算现状综合径流系数0.368，显著低于临沂城区综合雨量径流系数（0.68）。

中央绿地水系发达，各水系联通，但联通水系间的涵管跨径较小，导致各水体间流通不畅，各水系旱涝不均；中央绿地覆盖土层较薄，上覆为冲洪积堆积的粘性土，下伏基岩为泥岩、泥灰岩地层，渗透性及水分涵养能力弱。

三、设计研究重点解决的问题

临沂大学中央绿地海绵城市道路设计重点解决问题之一：师生上下课期间人车混行带来的安全问题、交通拥堵问题以及方便师生进入中央绿地休读的问题。

重点解决的问题之二：中央绿地道路的修建在达到设计目的同时，尽量减少对原生态的影响，即贯彻执行海绵城市建设理念的问题。依据《临沂市海绵城市专项规划》[9]临沂年径流总量控制率不得低于75%，对应的设计降雨量为30.7mm；面源污染消减率 （以SS计）70%；水系生态岸线改造率达到95%；雨水资源利用率达到1%。临沂大学中央绿地海绵城市道路工程位于临沂市10号海绵城市建设管控分区，按照临沂市海绵城市建设的要求，雨水年径流总量控制率需达到77.3%以上，对应的设计降雨量为33.6mm，具体要求如表1所示。

表1 临沂市中心城区海绵设施建设10号管控分区指标表

四、海绵道路设计

道路设计研究结合实际地质、地形与功能要求对雨水进行了全方位的管理，贯彻了海绵城市建设理念。设计道路总长1.466km，其中文心路0.548km，明义北路0.918km；设计行车速度30km/h；沥青混凝土路面，路面宽度10m，包括一座5—13m中桥，三座圆管涵洞。建设工程预算为750万元。路线平面线形以曲线为主，如图2所示。

（一）路线平纵横设计

路线平面、纵断面、横断面三个方面的设计在尊重美国EDSA公司校园总体规划的基础上，充分结合海绵城市建设理念，取消沿线传统的落水井与排水管设计，对全部雨水进行管控利用。平面设计沿湖而不近水，增长雨水的渗透路径；纵断面设计以填方为主，使路面高程略高于原地面，形成下沉式绿地；路基填筑的土方来源于扩大人工湖面的利用方，最大限度地绿色环保施工；横断面设计为自然边坡排水 （坡度 1：3），设置植草沟并在地形较低处设置生物滞留设施。

（二）路面布置与结构设计

路面结构采用4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粗式沥青混凝土+18cm水泥稳定碎石+18cm水泥稳定碎石；上面层4cm细粒式沥青混凝土采用降噪路面材料设计；路面两侧设置透水碎石路肩。详见图3路基标准横断图。

图2 路线平面线形设计

图3 路基标准横断图

（三）雨水管理设计

中央绿地道路雨水管理设计充分考虑了路线所经区域土质覆盖层较浅、地形起伏不大的地质、地形特点，尽可能减小对原有生态环境的影响。

1.平面雨水管理。

平面雨水设计考虑了硬化路面的空间布局对降雨径流的影响，遵从路线平面位置沿湖而不近水的原则，路线平均横向距离湿塘水面200m以上，使所有路面雨水均经自然渗滤后再汇入人工湖泊湿塘，降低调蓄雨水污染物的同时增长了雨水的渗流路径，达到海绵城市“渗、滞、蓄、净、用”的目的。

2.横向雨水管理。

路线横向雨水管理通过设计路面排水横坡（2%）和路基缓坡（1：3），并取消路缘石使雨水自然分散排放至路侧绿地植草沟，减小了绿地雨量径流系数；为防止雨水对道路的冲刷，增设了透水碎石路肩；为避免因道路的修建破坏了原土壤渗流环境，特别是在横向路线低洼处设置了渗水盲沟；为顺畅沟通中央绿地各水系，增加了三道圆管涵。

3.纵向雨水管理。

精心的纵断面设计是实现海绵城市道路建设理念的关键，所有路线纵坡坡度均＜2%，并且不得为平坡。纵向排水是通过在路侧设置植草浅沟，渗流、引流至附近湖泊水体，对雨水进行调蓄。路面设计标高平均高出原地表0.5m左右，形成下沉式绿地100多万平方米。

五、效果评价

（一）综合径流系数

内环路区域内共1446725m2，其中硬化汇水面面积为424178m2，道路修建前后综合径流系数计算对比详细如表2所示，参数取值参照相关文献。[10]

表2 综合径流系数计算对比表

由表2可知，中央绿地区域修建海绵城市道路后综合径流系数为0.374，比原状综合径流系数(0.368)稍大，但比采用传统道路设计综合径流系数(0.385)减小3%。主要原因是传统道路设计路基边坡坡度为1：1.5，而海绵城市道路采用了1：3的路基边坡坡度；采用了下沉式绿地设计的高路基设计，以及利用了扩大水域面积的路基土方、透水碎石路肩等措施。

（二）雨水调蓄能力

雨水径流总量按式(2)计算

式中：W—雨水径流总量（m3）；

ψc—雨量综合径流系数；

hy—设计降雨量（mm）；

F—汇水面积（hm2）。

对应33.6mm设计降雨量，道路修建后临沂大学中央绿地雨水径流总量为W=10×0.374×33.6×144.67=18179m3。中央绿地湿塘扩建后面积为159490m2，若按100%控制利用率，水位仅上升114mm，具有足够的调蓄能力。道路修建后增加14660m2硬化路面，综合径流系数略有提升，但通过扩大水域面积增加1972m3湿塘容积，达到了每千平方米硬化面积增加调蓄雨水135m3的能力，调蓄设施容积达20万立方，实现了低影响开发(LID)目的。

（三）年径流总量控制率

临沂市多年平均降雨量为871.91mm，对应计算临沂大学中央绿地区域形成年径流总量138324m3。如果发生多日连续降雨，累计降雨量达171mm以上时，由于中央绿地下伏基岩透水性较差、上覆土层较薄，中央绿地土层吸水饱和后将达到24.75万立方米最大承受能力，详细计算如表3所示。

表3 中央绿地区域蓄水能力计算表

文献[11]总结临沂市区48年来暴雨时间分布特点表明：日降雨量100mm以上的大暴雨日平均每年2.7天，依据径流体积控制规模，计算临沂大学中央绿地年径流总量控制率可达88.6%以上，远高于管控区块的指标要求。

依据《临沂市海绵城市专项规划》推荐的年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系如表4所示。

对应的曲线如图4所示，拟合其函数表达如式(3)所示。

式中x为设计降雨量，y为年径流总量控制率。

依据临沂市区平均水平，2.7天降雨171mm，设计降雨量为63.3mm，查询此关系曲线，对应年径流总量控制率为88.2%，与按径流体积控制规模计算结果一致。

表4 临沂年径流总量控制率与对应设计降雨量表

图4 临沂年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系

表5 海绵城市建设管控指标达成度对比表

（四）管控指标达成度

对照临沂市中心城区海绵设施建设10号管控分区指标，临沂大学中央绿地海绵城市道路建设对指标达成度进行了对比分析，详细如表5所示。

研究区域面积占10号管控分区的5%，按面积等效计算，年径流问题控制率、下凹式绿地面积、调蓄设施容积三项指标大幅度达成，但透水铺装面积、绿色屋顶面积两项指标没有达成，这为以后临沂大学的海绵城市建设工作指明了努力的方向。

六、结语与讨论

通过对临沂大学中央绿地海绵城市道路设计，研究了路线平、纵、横设计与雨水管理，对照管控分区的建设指标要求，分析了海绵城市道路建设效果，主要结论有：

（1）临沂大学中央绿地道路在缓解校园交通人车混行安全问题的同时贯彻海绵城市建设理念，实现对路面雨水的全部管理利用。

（2）海绵城市道路设计在考虑透水路面、透水铺装、绿化带、路缘石、雨水口与边沟等工程措施之外，更应从平、纵、横总体设计入手贯彻海绵城市建设理念。临沂大学中央绿地海绵城市道路设计比传统理念道路设计的综合径流系数降低3%，年径流总量控制率可达88.6%以上，调蓄雨水的能力达到了每千平方米硬化面积增加135m3，雨水管控效果明显。

（3）通过对海绵城市建设管控指标达成度的分析，透水铺装和绿色屋顶建设是临沂大学海绵城市建设的方向。

（4）设计研究仅对年径流总量控制率、径流体积、调蓄能力等海绵城市建设指标进行了分析，下一步需要通过SWMM软件数值模拟、室内试验、现场检测等方法对内涝防治、城市水体环境质量、城市热岛缓解等方面进行研究。