海绵道路系统化设计应用研究

刘 艳，侯文杰

(1.安徽省公安教育研究院，安徽 合肥 230031；2.安徽省公安厅警察训练总队，安徽 合肥 230031)

不透水区域的增加、雨水设施建设不足、排水系统不完善，造成了城市内涝灾害、热岛效应和径流污染，影响车辆通行及行车安全，严重威胁了人民生命财产安全，这也是城镇化发展到一定程度的必然问题。“使城市既有‘面子’，更有‘里子’”的海绵城市建设旨在更多的利用自然力量排水，增加水系循环能力，提高水资源利用率，增强城市防洪排涝能力，建设自然存积、自然渗透、自然净化多功能系统。海绵城市的建设是解决当下城市热岛效应和内涝问题的根本方略，其中海绵道路的系统化应用为人与自然和谐共生提供改善方案，减少群众生活烦恼，保障人民生命财产安全，同时也减轻了政府部门在洪涝时期的工作压力。

1 齐山大道现状分析

池州市近年来的快速发展增加了大量的污染物，通过雨水径流进入水体、河道，再加之基础设施相对不完善，城市水体受到污染，水质逐年恶化，经初步估算，池州市每年由雨水进入水体污染物总量超过1.2万吨/年，清溪河部分水体呈现黑臭现象。池州市历年内涝灾害频繁，雨水设施、排水系统不完善，对行车安全和人民财产安全造成了一定的威胁。位于池州市贵池区内的齐山大道是池州市海绵城市项目示范路段，包括南段 （陵阳大道-高速转盘）以及北段 （九华山大道—陵阳大道）两个标段。齐山大道设计全长3.9km，其中北段设计全长约1.6km，道路红线宽度38m，南段全长约2.3km，道路红线范围60m。

齐山大道北段的道路红线宽度38m=2.5m人行道+3m非机动车道+2m机非分隔带+23m机动车道+2m机非分隔带+3m非机动车道+2.5m人行道。路面的铺装材料均采用沥青混凝土，不利于雨水的分散及下渗；部分路段采用的是人行道与非机动车道一体，这样这样的混行交通对行人的安全造成威胁，且对路面损坏较大。齐山大道北段横断面布置型式如图1所示。

图1 齐山大道北段横断面布置型式

2 基于LID的齐山大道横断面设计

对齐山大道的机动车道、非机动车道、人行道、道路绿带、阶梯湿地几个部分分别进行低影响开发横断面设计，最后给出齐山大道整体横断面设计图。

1）机动车道

齐山大道的现机动车道路面采用的是沥青混凝土材料，发生小雨路面即出现径流，路面湿滑易积水，且积水会产生反光威胁着行车安全。研究针对齐山大道机动车道采用大孔隙开级配排水式沥青磨耗层（Open Graded Friction Course,OGFC）透水铺装路面，大孔隙排水快，且具有抗滑、抗车辙及降噪作用[1]。在路面结构的基层和中下面层采用非透水性材料来避免雨水渗入路基，破坏路基强度；在上面层采用透水沥青混凝土，雨水渗入内部后，沿中下面层的横坡顺利排入道路盲沟和绿化分隔带中；在基层与非机动车道相接处预留一定空间埋设排水管，将雨水纵向收集至雨水检查井内[2]，图如2所示。

图2 齐山大道透水机动车道路面结构图

2）非机动车道和人行道

对齐山大道的人行道和非机动车道进行分离，分别采用透水水泥混凝土铺装和透水砖铺装，减少路面积水的湿滑现象，提高出行的安全性和舒适性[3]。如图3所示，路面雨水通过透水面层，经过排水管汇入雨水收集处，人行横道路侧接下凹植草沟，雨水渗入土壤，不仅可以解决路面积水问题，还可以达到灌溉绿植，调节路表温度和湿度等目的。

图3 齐山大道透水非机动车道和人行道路面结构图

3）道路绿带

机非分隔带采用下沉式分车绿带，采用开孔路缘石将两侧机动车道内的降雨径流汇集至机非分隔带内，让雨水自然流渗到道路红线外的LID设施中[4]。如图4所示，人行道与绿地的分隔带设计为3m宽，非机动车道和人行道上的雨水径流流入雨水滞留带内被吸收削弱。

图4 齐山大道道路绿带结构图

4）阶梯湿地

阶梯湿地布置在人行道与公园相接的一侧，结合防洪、景观兼顾绿化带的同时，为市民提供了一处休闲观赏的空间。挡墙设500mm宽，植物带设3000mm宽，低处接2000mm的人行步道，如图5所示。

图5 齐山大道阶梯湿地结构图

5）齐山大道整体横断面设计

道路红线宽度38m=2.5m人行道+3m非机动车道+2m机非分隔带+23m机动车道+2m机非分隔带+3m非机动车道+2.5m人行道。其中机非隔离带采用植草沟、生物滞留池、下沉式绿地、雨水花园等绿化设施[5]，如图6所示。

图6 齐山大道横断面布置型式

3 齐山大道设计效果水文模拟评价

将齐山大道分为南北两个标段，采用SWMM模型分别对齐山大道在未开发道路、传统城市道路和海绵城市道路三种情形下进行模拟分析，从而对齐山大道的海绵城市道路设计效果进行水文模拟评价。

3.1 基本数据的获取

模拟路段为池州市贵池区齐山大道，平均红线宽51m，路长3900m，红线外绿地宽约为36.2m，依据测算结果，齐山大道红线内面积为19.88ha，红线外绿地面积为14.1256ha，总面积为34.0056ha。

1）降雨序列

根据池州市气象局提供的资料，2016年7月2、3、4日为池州市典型大到暴雨天气。依据7月3日齐山大道的小时降雨量，做出如表1所示的4:00-10:00降雨序列。

表1 2016年7月3日降雨序列

2）气候

根据池州市气象局官网的历史数据可知，近年来年平均温度16.1℃，最热月7月，平均温度28.7℃；最冷月1月，平均温度3.1℃。年均降水量1400--2200mm，平均蒸发量1443.8毫米。平均相对湿度为78%，年均日照率45%，年均无霜期220天。春夏多为东风，秋冬多为东北风。池州市2016年的月平均气温如表2所示。

表2 池州市2016年月平均气温

3.2 未开发道路模拟

未开发道路是自然地理状态下，没有经过人类开发建设的、保有自然水文生态系统的道路。

1）区域概化

未开发道路区域可概化为1个汇水流域Z1，1条管网G1，1个铰点 J1和 1个排放口P1，概化结果如图7所示。

图7 未开发道路区域概化结果

2）区域属性和参数设置

此流域面积为34.0056ha，这里的宽度即为道路长度，为3900m，根据未开发道路的自然排水最小坡度，这里将道路坡度取值为0.3%。未经开发的自然道路多为泥土和植被草皮，因此不透水性取值为5%，又由于自然路面大多种植灌木绿植，这里将透水性粗糙系数N取值为0.62，并且透水性凹地蓄水深度 （mm）取值为7.00[6]。

3）SWMM模拟结果导出及分析

将未开发道路模拟的相关属性及参数输入SWMM模型中执行后，计算显示地表径流结果误差为-0.33%，流量结果误差为-0.17%，均在允许的误差范围内。4：00-10:00，6个小时按照15min一个步长输出雨水流量，结果分别为2.57，4.21，4.25，4.25，22.58，22.67，22.67，22.68，1 30.93，232.17，383.32，557.97，593.19，668.35，737.83，800.85，678.29，616.93，564.98，520.47，455.7 7，407.25，365.77，329.89（LPS）。 模拟结果以时间序列图形式导出，如图8所示。

图8 未开发道路SWMM模拟结果

从图8中可发现，前1、2两小时雨水流量较小，没有排出道路区域，2：00后流量逐渐增加，在4：00时达到最高，峰值流量在为800.85LPS，后两小时内逐渐下降，径流总量为8148.84LPS。

3.3 传统城市道路模拟

1）区域概化

对南北走向的齐山大道分为南北两块区域进行研究，齐山大道北段面积为10.40ha，宽度为 1600m，南段面积为 23.16ha，宽度为 2300m。管线总长3900m。将此区域概化为2个子汇水区域 Z1、Z2，2 条雨水管线 G1、G2，2 个铰点 J1、J2和一个出水口P1。区域概化结果如图9所示。

图9 传统城市道路区域概化结果

2）区域属性和参数设置

自然绿地经过人类开发建设后，成为传统城市道路，将硬化道路面积和道路绿带及道路红线外绿地面积分别划为不透水面积和透水面积。通过对国内外文献及技术指南的调查，结合安徽省池州市城市建设重点工程管理办提供的齐山大道实际资料，相关参数设计结果如表3和表4所示。

表3 子区域的参数值

表4 铰点及管道的参数值

3）SWMM模拟结果导出及分析

将传统城市道路模拟的相关属性及参数输入SWMM模型中执行后，计算显示地表径流结果误差为-0.24%，流量结果误差为-0.07%，均在允许的误差范围内。4：00-10:00，6个小时按照15min一个步长输出雨水流量，结果分别为0.76，6.16，16.17，23.87，72.57，136.75，161.13，16 7.49，647.99，994.21，1218.41，1428.45，1245.87，1 199.00，1207.83，1218.94，859.34，644.05，534.59，463.62，371.25，294.43，243.11，205.12（LPS）。模拟结果以时间序列图形式导出，如图10所示。

图10 传统城市道路SWMM模拟结果

从图10可以看出，雨水流量前1小时较小，说明没有排出研究区域，2：00时雨水流量快速增加，在3：00时达到最高，峰值流量高达1428.45LPS，1小时后雨水流量逐渐降低。径流总量高达13361.11LPS，透水效果差。

3.4 海绵城市道路模拟

1）区域概化

齐山大道海绵城市道路系统研究区域内设计采用透水铺装、植草沟、雨水花园、生态树池、雨水滞留带、雨水过滤带、阶梯湿地、前置塘等LID设施。

研究设计的齐山大道海绵城市道路系统研究区域总面积为34.0056ha，其中路面全部采用透水沥青混凝土和透水砖，透水铺装面积为16.2309ha，不透水路面面积为1.7003ha，植草沟面积为1.95ha，雨水滞留池面积为1.4998ha，雨水过滤带面积为0.2515ha，前置塘面积为0.2643ha，阶梯湿地面积为0.3080ha，雨水花园面积为0.8672ha，生态树池面积为0.1996ha。

对传统不透水的齐山大道进行基于LID系统化设计后，根据道路的用地性质及低影响开发设施的分类，将研究区域按面积比例概化为10个子汇水区域、5条管线、5个铰点和1个排放口。子区域1为不透水区域，占总面积的5%；子区域2为普通绿地区域，占31.57%；子区域3为雨水过滤带区域，占0.74%；子区域4为植草沟区域，占5.73%；子区域5为生态树池区域，占0.59%；子区域6为雨水花园区域，占2.55%；子区域7为雨水滞留池区域，占1.4998%；子区域8为阶梯湿地区域，占0.91%；子区域9为前置塘区域，占0.78%；子区域10为透水铺装区域，占47.73%。区域概化结果如图11所示。

图11 海绵城市道路情景下的区域概化结果

2）区域属性和参数设置

传统城市道路经过基于LID理念设计成为海绵城市道路后，其研究区域中部分不透水机动车道等路面的不透水性为100%，普通绿地的不透水性为5%。对照传统城市道路设计，通过对国内外文献和SWMM用户手册中典型参数的调查，并且结合我国海绵城市建设标准，各子区域相关参数设计结果如表5和表6所示。

表5 子区域的参数值

表6 铰点及管道的参数值

3）SWMM模拟结果导出及分析

将海绵城市道路模拟的相关属性及参数输入SWMM模型中执行后，计算显示地表径流结果误差为-0.16%，流量结果误差为-0.52%，均在允许的误差范围内。4：00-10:00，6个小时按照15min一个步长输出雨水流量，结果分别为0.01，0.03，0.05，0.07，0.17，0.35，0.73，1.64，9.37，7 1.98，326.07，705.89，919.94，901.09，864.84，839.3 7，741.16，614.18，516.54，450.53，393.69，342.34，298.56，264.06（LPS）。 模拟结果以时间序列图形式导出，如图12所示。

图12 海绵城市道路SWMM模拟结果

从图12可以看出，前2小时雨水流量较小，基本被透水性路面和LID设施吸收，2：00时开始的一个半小时内，从管道G5排除的雨水量逐渐增加，并且径流量在3:15时达到高峰，径流数值为 919.94LPS，4：00时后雨水排放量逐渐减少。径流总量为8262.66LPS，透水效果好。

3.5 三种道路状态SWMM模拟结果分析

对以上三种道路状态SWMM模拟结果进行分析可见，对自然道路进行不透水硬化路面开发后，道路系统的雨水峰值流量明显增加，是开发前的1.784倍，且雨水径流峰值时间提前了60min到达，且雨水径流总量是为开发道路系统的1.640倍。说明自然道路在开发后，绿地面积减少，大面积的硬化路面增加了道路系统的不透水性，造成路表雨水径流量激增，给城市雨水管网带来巨大压力，同时也会带来城市内涝灾害。

海绵城市道路开发后，道路系统的雨水峰值流量明显下降，是传统城市道路系统的0.643倍，且到达峰值的时间推迟了15min，径流总量比传统城市道路系统减少了5098.450LPS，接近自然未开发道路状态的水文环境。说明海绵城市道路的LID设施吸收了大量的雨水，较之传统城市道路而言，海绵城市道路能够有效应对强降雨天气，推迟雨水径流峰值到达时间、削减峰值流量和道路系统的径流总量，减小雨水管网的压力，防止城市内部洪涝现象的发生。

图13 三种道路状态下的雨水流量对比图

4 总结

根据 《海绵城市建设技术指南》、《室外排水设计规范》（2014版），针对齐山大道整体横断面海绵道路系统化应用提出改造措施。采用SWMM模型，对总长为3900m的齐山大道路段在未开发道路系统、传统城市道路系统和海绵城市道路系统三种状态下进行了水文模拟，得出结论：城市道路在进行海绵道路系统优化后，更加接近未开发的道路，LID设施会加快路面雨水径流的渗透和吸收，更有利于保护城市道路的生态环境。