基于海绵城市理念的高速公路服务区LID 方案优选

■张生学

(河北省交通规划设计院， 石家庄 050011)

作为高速公路的重要附属设施，服务区发挥着不可替代的作用，由于服务区面积较大，对雨水的排放要求比较高， 如何实现服务区雨洪的绿色、高效、可持续管理，是当前服务区规划建设的重要任务之一[1-2]。

传统的高速公路服务区存在建筑数量少，规模小且分散，排水系统相对独立、屋面和硬化路面等不透水下垫面面积较大、水资源综合利用效率较低、季节性缺水现象比较普遍等问题，因此，需要对传统高速公路服务区进行改造升级[3-7]。当前，基于低影响开发(LID)为核心理论的海绵城市建设受到政府的高度重视和大力支持，其主要目的就是要建设自然存蓄、渗透、净化和循环利用的海绵城市，实现人与自然的可持续发展。 因此，将LID 应用于高速公路服务区，将会极大改善服务区的生态环境，带来巨大的环境、经济和社会效益[8]。

文章结合某隧道服务区，将海绵城市理念应用到高速公路服务区改造工程中， 分别构建了高、低强度2 套不同的低影响开发系统设计方案， 并对2种方案进行了比选，可为海绵城市理念在高速公路服务区设计、改造中的推广应用提供借鉴。

1 基于海绵城市理念的低影响开发系统

1.1 海绵城市理念

海绵城市是新一代城市雨洪管理理念，是指让城市具有“海绵功能”，使其在雨季时吸水、蓄水、渗水和净水，旱季时将“吸收”的水量加以利用的水资源管理策略和方法，海绵城市最终的目的是构建水生态基础设施，实现城市在适应环境变化和应对雨水灾害时能够表现出良好的“弹性功能”，实现水在城市中自由迁移[9-11]。 海绵城市的建设主要从以下3个方面进行考虑：(1)要加大对建设地原有生态系统的保护力度；(2)要逐步实现建设地的生态修复和恢复；(3)低影响开发。

1.2 低影响开发系统

国际上通常将海绵城市称为“低影响开发雨水系统构建，简称低影响开发系统”，低影响开发系统的发展主要经历了5 个过程： 第一阶段是水量管理，第二阶段是水质管理，第三阶段是资源化利用，第四阶段是水生态修复，第五阶段是可持续水循环，见图1。 低影响开发的核心思想是通过LID设施来实现对建设地开发前后的水资源科学管理，最终达到径流总量控制、径流峰值控制和径流污染控制。

图1 低影响开发系统发展历程

1.3 LID 设计原则

经过多年的发展， 已开发出多种LID 设施，根据功能的不同，可将其划分为渗透型、储蓄型、调节型、传输型和截污净化型。LID 设施的设计选取需要重点考虑以下几个方面：(1)要与建设地的场地条件相适应，如用地类型、土壤类型及地形坡度等；(2)注重LID 设施的空间需求性， 如占地地面；(3)LID 设计需要考虑经济性， 如建设成本、 维护成本等；(4)LID 设计需要考虑下垫面情况，如不透水率、汇流面积等。 LID 设施设计原则见图2。

图2 LID 设施设计原则

2 案例分析

2.1 工程背景

某隧道服务区位于亚热带高原季风气候，多年平均降雨量达到1477 mm， 其中86.82%的降雨量集中在每年的5-10 月，降雨量年间分布极不均匀，季节性缺水现象十分严重。 服务区以中山地貌为主，西侧和背侧均是由填方地基构成的边坡，高度达到8 m，东侧则是以挖方边坡为主，最高也达到8 m， 服务区地表以下主要以壤质砂土和粉细砂层为主，具有良好的渗透性。 服务区规划建设面积为32598 m2，主要建设项目包括综合楼、修车间、行车道、停车位、交警用房、消防水泵房等，主要区域的下垫面特征见表1。

表1 服务区下垫面分布情况

2.2 LID 设计控制目标及参数

控制目标：(1)径流总量控制率取80%，对应的设计降雨量值为22.83 mm，对应的当地降雨重现期为0.0568 年；(2)在P=5 的降雨重现期下，对服务区径流洪峰的设计削减率应大于等于10%。

设计参数：根据控制目标和服务区现场实际情况，选用透水砖面层、透水沥青、下凹式绿地、雨水花园和绿色屋顶作为服务区的主要LID 设施。 其中，透水砖采用陶瓷透水砖，要求渗透系数大于等于0.15 mm/s，透水沥青路面选用Ⅲ型，空隙率介于18%～25%，厚度大于等于30 cm；下凹式绿地的下凹深度为0.2 m，下凹比例大于等于50%；雨水花园的蓄水深度为30 cm；绿色屋顶的种植层厚度为25 cm。

2.3 LID 方案设计

方案一：综合考虑经济、安全或者低密度改造等要求，选用透水沥青路面、透水砖铺装、雨水花园以及下凹式绿地作为服务区LID 设施的主要结构组成部分，每种LID 的平面布局情况见图3。该方案下透水沥青路面面积为2817 m2， 雨量径流系数为0.30，透水砖铺装面积为3548 m2，雨量径流系数为0.40，水泥混凝土路面的面积为15080 m2，雨量径流系数为0.90，硬化屋顶面积为3934 m2，雨量径流系数为0.90，普通绿地面积为2818 m2，雨量径流系数为0.15，下凹绿地(3989 m2)和雨水花园(412 m2)不考虑雨量径流系数，那么就可以计算得到服务区的综合径流系数φ：

式中：Fi表示每种下垫面的面积/m2， 表示每种下垫面的雨量径流系数； 为服务区总面积/m2。

根据服务区的综合径流系数就可以得到服务区所需要的调蓄容积V：

式中：H表示设计降雨量/mm。

图3 方案一LID 设施设计布局

方案二：相对于方案一，方案二属于高强度的LID 设计布局，其在透水沥青路面、透水砖铺装、雨水花园及下凹式绿地基础上，还充分利用了绿色屋顶进行服务区改造，每种LID 设施布局情况见图4。在方案二中：透水沥青路面面积为2817 m2，雨量径流系数为0.30，透水砖铺装面积为3548 m2，雨量径流系数为0.40， 水泥混凝土路面的面积为15080 m2，雨量径流系数为0.90， 硬化屋顶面积减小至612 m2，雨量径流系数为0.90， 绿色屋顶面积为3322 m2，雨量径流系数为0.35，普通绿地面积为1301 m2，雨量径流系数为0.15，下凹绿地(5506 m2)和雨水花园(412 m2)不考虑雨量径流系数。 同理，可以计算得到服务区的综合径流系数φ：

服务区所需的调蓄容积V：

图4 方案二LID 设施设计布局

3 方案比选

3.1 径流控制效果

图5 径流控制效果

不同降雨重现期下方案一、二对径流峰值和总量的削减情况见图5。从图中可以看到：由于方案二采取了高强度LID 设计，在大部分屋顶设计中均采用了绿色屋顶设计方案，而方案一只采用了硬化屋顶设计方式，同时方案二普通绿地的面积(转化为下凹式绿地)较方案一减小50%以上，因此方案二在不同降雨重现期下的径流峰值削减率和径流总量削减率均要大于方案一。在重现期0.1 年、2 年、5 年和15 年情况下， 方案一的径流峰值削减率为62.6%、59.8%、57.9%和57.5%， 方案二的径流峰值削减率为72.1%、66.7%、65.4%和63.3%，方案二较方案一平均提升约7.4%； 在重现期0.1 年、2 年、5年和15 年下，方案一的径流总量削减率为53.9%、48.9%、45.9%和42.9%， 方案二的径流总量削减率为70.5%、60%、56.4%和52.6%，方案二较方案一平均提升约12%。

3.2 节点溢流控制效果

图6 节点溢流控制效果

以P=15 年的降雨重现期为分析情况， 对改造前、方案一及方案二下的高峰管渠水位剖面线进行了分析，结果见图6。从图6 中可以看到：在改造前，服务区在P=15 年的降雨重现期下，会有10 个溢流检查井(管渠)出现满载情况，满载持续时间为降雨开始后48～63 min，持续时间为15 min；方案一会有2 个溢流检查井(管渠)出现满载情况，满载持续时间为降雨开始后51～54 min，持续时间为3 min；而方案二在降雨后没有出现管渠溢流情况。 综上可以看出：在进行低影响开发后，服务区的管网排水压力将大幅度降低， 在应对极端暴雨自然灾害的情况下，能够发挥较好的蓄水能力，特别是在采取高强度LID 设计后，不会出现管渠溢流现象。

3.3 经济性分析

根据市场行情，对方案一和方案二的LID 设施造价进行了分析计算， 结果见表2。 从表中可以看到：虽然方案二在采取高强度设计之后，其径流控制效果和节点溢流控制效果较方案一有较大幅度的提升，但由于绿色屋顶的建设成本较高，以及后期的维护成本较高，造成方案二的总造价较方案一高出83.6%，因此，还需要对2 种方案进行综合比较，才能最终决定哪种方案更优。

表2 2 种方案造价分析

3.4 综合比较分析

采用层次分析法构建该服务低影响开发系统的综合评价指标体系，见图7。该体系包括3 个准则层和6 个指标层，3 个准则层分别是环境效益、经济效益和社会效益， 指标权重分别为0.726、0.172 和0.102，6 个指标层分别是径流总量控制、 径流峰值控制、单位面积建设成本、单位面积维护管理成本、生态景观价值，以及公众教育价值，指标权重分别为0.581、0.145、0.143、0.029、0.091 和0.011。

图7 综合评价指标体系

根据层次分析计算原则，分别计算出6 个指标的得分情况，见图8。 从图中可以看到：方案一的径流总量控制、径流峰值控制、恩该景观价值和公共教育价值得分均低于方案二，但建设成本和维护成本的得分高于方案二；根据指标层和准则层的的指标权重，分别计算得到方案一和方案二下服务区低影响开发系统的综合评分：

图8 方案指标得分情况

方 案 一：0.726×(0.581×81+0.145×78)+0.172×(0.143×95+0.029×94)+0.102×(0.091×74+0.011×78)=82.3

方 案 二：0.726×(0.581×87+0.145×86)+0.172×(0.143×78+0.029×76)+0.102×(0.091×98+0.011×96)=86.4

综上所述， 虽然方案二的造价高于方案一，但具有更好的环境效益和社会效益，综合评分优于方案一，因此，建议采用方案二作为该服务区低影响开发系统的最终设计方案。

4 结论

基于海绵城市理论的低影响开发系统构建是今后城市及配套设施建设的一大发展方向，政府也将继续大力倡导和扶持低影响开发系统的建设。 文章以某高速公路服务区为例，设计了低强度和高强度2 种LID 设计方案，并进行了方案的比选，结果表明：高强度的LID 设计方案虽然建设成本和维护成本高于低强度的设计方案，但其具有更好的径流控制效果、公共教育价值和生态景观价值，通过层次分析法得到的方案二得分高于方案一， 因此，建议本服务区采用方案二(高强度)LID 设计方案进行改造。