西北半干旱地区既有城市道路海绵化改造模式探索——以西宁为例

高 源

王媛媛*

何俊超

白伟岚

郭明青

在中国城市建设用地中，道路用地一般占总用地的10%～15%，但产生的径流污染(以悬浮物SS计)对受纳水体的贡献度却高达50%，尤其降雨初期的径流污染最为严重[1-2]。雨水作为一种自然水资源，就地利用对缓解城市用水矛盾意义重大，但雨水水质的好坏直接影响着其利用程度的多少[3]。因此，如何实现城市道路雨水径流的有效净化与利用，已成为西北半干旱地区海绵城市建设的重要内容之一。

2015—2019年分2批共计30个城市开展了国家海绵城市试点建设，在不同的自然条件和城市本底下，城市道路海绵设施的应用效果、适应性存在地域差异[4]。试点的探索与应用多聚焦在道路海绵建设的设计方法、技术要点和运行效果上。如孙烨等结合低影响开发及排水防涝系统与道路、景观设计衔接，探索了一种适用于嘉兴的城市海绵道路优化设计手法[5]；马玉采用多类海绵设施对上海临港区某道路进行了改造，并给出了监测运行效果[6]；王希诚以济南东部某区道路改造为例，对常用的道路海绵设计思路和应用措施要点进行了总结[7]；付振等以池州齐山大道工程实践，提出了多目标海绵型道路的雨洪控制系统，重点强调场地条件的关系衔接、整体方案的优化布置[8]；黄宁俊等以西咸新区海绵道路建设为例，总结了适用性设施的设计要点和实际运行效果[9]；针对湿陷性黄土特殊地质问题，张亮提出海绵道路建设应避免采用深层、大型入渗的低影响开发设施，采用浅层、小型入渗设施时应采取防渗措施，车行道路不建议采用透水沥青和水泥[10]。

据统计，30个海绵试点城市中，约70%的试点区域位于城市建成区，大部分道路用地为已建道路[11]。既有道路多受竖向条件、地上和地下空间、路基结构安全及交通出行等因素的制约，海绵改造难度较大。西北半干旱地区因其降水少、风沙大、初期雨水水质较差，雨水排入道路绿化带后的景观效果较差，同时也因局部湿陷性黄土问题，使道路雨水径流排入下凹道路绿化带后存在道路塌方风险。加之西北地区生态环境脆弱，因道路海绵化改造产生的大面积植被破坏很难快速恢复，若处理不当会加剧生态环境的恶化，故既有道路海绵化改造建设模式亟待进一步的探索研究。

1 西宁城市道路海绵化改造项目概况

本次改造的8条城市道路均位于海绵城市试点区内。试点区位于西宁中心城区西部，总面积21.61km2，湟水河以南地势为南高北低、西高东低，湟水河以北地势为北高南低、西高东低。本次道路改造项目为七纵一横。七纵是文苑路、光华路、文汇路、文逸路、文博路、文成路、盛昌路，一横是海西路。道路位置详见图1。

图1 西宁海绵城市试点区8条道路位置分布图

现状场地土壤以厚黑粘淤土、厚黄淤土及厚黑淤土为主，土壤成分主要为粉土，属稍湿的弱透水层，土壤渗透系数均大于5×10-6m/s；场地整体分为Ⅰ级非自重湿陷性和Ⅱ级自重湿陷性，文博路部分路段存在湿陷性黄土。

道路中央绿化分隔带的竖向高程高于两侧道路，道路横坡以中央隔离带为中心两边排水，不具备滞水条件；边侧绿化隔离带较窄且不连续，宽度基本在1～3m，部分道路无机非隔离带；隔离带种植土高于地面，且局部覆土埋设照明、通信等市政管线，可操作空间有限，源头控制难度较大。

南北走向的城市道路纵坡较大，径流系数大，降雨时迅速形成径流峰值；各道路现状排水均为传统快排模式，由雨水篦子收集至雨水管网(管径在DN600～1 000)，就近排入湟水河。各道路周边基本无可利用绿地空间，但末端存在大型调蓄湿地，分别为湟水河、火烧沟湿地公园。

道路绿化带内植被以小乔木和灌木为主，长势基本良好。

2 西北半干旱地区既有道路海绵化改造技术模式探索

2.1 既有道路海绵化改造技术路线

既有道路海绵化改造应根据现状场地条件和区域控制目标，综合考虑经济、环境、社会等因素，通过方案经济技术分析合理确定技术路线。本次道路海绵化改造技术路线详见图2。

图2 道路海绵化改造技术路线图

结合西北半干旱地区气候特征，道路海绵化改造采用源头削减和末端处理相结合的方式。以雨水径流污染物去除为主要目标，确定道路绿化带内的海绵设施类型及规模，设施类型以“净”为主，“净”“用”结合。

既有道路雨水径流应通过有组织的汇流与转输，经缓冲、截污等预处理后引入道路红线内、外绿地，并通过设置在绿地内的以雨水蓄存、调节、净化为主要功能的海绵设施进行处理，同时收集处理的雨水径流统一在各排水分区雨水管网总排口，利用管线截控、末端调蓄、雨水湿地进行净化与回用。

2.2 既有道路海绵化改造控制目标的确定

根据西北半干旱地区自身特征，道路海绵化建设主要实现雨水径流的污染净化和控制利用，通常以年径流总量控制率为其核心目标。理论情况下，通过分析路面监测的降雨径流数据，利用降雨径流污染物浓度变化绘制M(V)曲线，综合得出研究区道路径流的初期冲刷效应，以此确定出经济有效的初期径流控制量[12-13]。笔者利用西宁典型道路的监测数据分析，通过上述计算方法，初步得出道路径流的初期径流控制量至少应大于4mm，对应年径流总量控制率45%；理论径流控制目标宜取13mm，对应年径流总量控制率85%，具体如图3所示。

图3 西宁市政道路累计污染负荷(以SS计)占比与降雨深度关系图

西宁市年均降雨量为410mm，且集中于6—9月，道路初期雨水水质较差，且存在长时间干旱、短时间易涝的问题。本项目结合各类型道路改造的场地状况，因地制宜确定道路源头控制目标和区域协调目标。重点结合各道路附属绿地情况及透水铺装建设需求，确定道路海绵化改造的主要目标为控制道路径流污染，同时人行道考虑市民行走舒适度，适量采用透水铺装，确定海绵管控目标见表1。

表1 西宁海绵城市试点区8条道路海绵化改造设计目标表

2.3 既有道路海绵化改造分类

为总结西宁城市道路海绵化改造模式，本设计根据道路级别、道路横断面类型、道路横纵坡及现状排水设施布局情况，将8条道路归纳为4种道路海绵化改造类型。

将文苑路、文汇路、文博路和文成路归纳为第一类型道路，其主要特点为道路纵坡较大、边侧绿带较宽(2.0～3.0m)且植物长势较好，边侧绿化带均高于车行道20cm。人行道较宽(3.0～4.0m)。可考虑将边侧绿化带下凹后滞蓄和净化人行道与车行道的雨水径流。

将文逸路、盛昌路归纳为第二类型道路，其主要特点为道路边侧绿化带较窄(1.0～1.5m)，且车行道一侧均为立道牙，植物长势一般。人行道宽度为3.0m。可考虑将边侧绿化带下凹后仅滞蓄和净化人行道的雨水径流。

光华路为第三类型道路，其场地特点为边侧绿化带宽3.0m，绿地覆土低于车行道路面，边侧道牙为平道牙。可考虑边侧绿化带下凹后对人行道和车行道雨水径流的收集与消纳。

海西路为第四类型道路，其场地特点为无绿化带、局部有树池，均为立道牙。人行道宽度为1.5～2.5m。可考虑分段合并树池以增加绿化面积，收集和滞蓄人行道与车行道的雨水径流。

2.4 既有道路海绵化改造的设施选择

统筹考虑竖向坡度调整、顺坡引流改造、覆土管线保护、优质土壤改良、植被景观效果突显、防渗处理、路基安全防护、设施管理养护等实际问题，试点区道路海绵改造采用“模块设施”嵌入的做法，以最小化干扰现状道路生态环境。基于8条城市道路海绵化改造项目，探索了5种类型的模块设施。

2.4.1 模块A设施

在附近无市政雨水口的道路绿化带低点布置模块A设施，滞留与传导收集的人行道和车行道地表径流。技术流程：人行道雨水通过导流渠汇入锁边石笼最终进入模块A；车行道雨水通过引水石、排水路缘石、卵石缓冲带，最终汇入模块A；而模块A汇流的超标雨水则通过砾石排水层、锁边石笼、渗透沟汇入下一个雨水设施。做法详见图4。

图4 模块A结构断面图(单位：mm)

2.4.2 模块B设施

在附近有市政雨水口的道路绿化带低点布置模块B设施，作用为滞留净化人行道和车行道的地表径流。技术流程：人行道雨水通过导流渠汇入锁边石笼最终汇入模块B；车行道雨水通过引水石、排水路缘石、卵石缓冲带，最终汇入模块B；而模块B汇流的超标雨水及上游渗透沟的汇水，则通过溢流井汇入附近的原市政雨水口，最终排入城市雨水管网。做法详见图5。

图5 模块B结构断面图(单位：mm)

2.4.3 模块C设施

在附近无市政雨水口的道路绿化带低点布置模块C设施，滞留和净化人行道的地表径流。技术流程：人行道雨水依靠道路横坡，通过砾石缓冲带汇入模块C，形成200mm深的滞水层，滞留、净化与消纳雨水。做法详见图6。

图6 模块C结构断面图(单位：mm)

2.4.4 模块D设施

在附近无市政雨水口的道路低点与场地客水汇集处的道路绿化带内布置模块D设施，滞留、净化人行道和车行道的地表径流。技术流程：人行道雨水通过导流渠汇入石笼缓冲带(模块D)，道路雨水通过砾石缓冲带进入绿化带；绿化带内的地表径流按照绿地竖向纵坡坡度进行汇流，石笼缓冲带(设施D)对汇流进行分段滞留、净化与消纳，减少地表径流的冲刷。设施D为组合式石笼模块，在车行道进水一侧设置可拆卸的过滤石笼模块，采用3层不同粒径的过滤砾石，净化车行道雨水径流中携带的污染物。做法详见图7。

图7 模块D结构断面图(单位：mm)

2.4.5 模块E设施

在附近有市政雨水口的道路低点绿化带内连续布置模块E设施，滞留与净化人行道和车行道的地表径流。技术流程：人行道雨水径流通过地表径流进入模块E，车行道雨水径流通过引水石和排水型路缘石进入模块E调蓄，超过设计降雨量的雨水径流通过溢流雨水口排入原市政雨水口。做法详见图8。

图8 模块E结构断面图(单位：mm)

3 西宁城市道路海绵化改造方案

3.1 不同类型城市道路的海绵化改造方案

3.1.1 第一类道路改造方案

第一类型道路采用“模块A＋模块B”的组合形式。通过导流渠、引水石和排水型路缘石收集人行道与车行道的地表径流；在现状道路最低点设置道牙开口，并将边侧绿地下挖1.1m，布置海绵设施模块进行雨水的滞留与净化，设计滞水深度为250mm。模块A收集的雨水通过渗透沟传输至模块B，并由模块B的溢流设施排至市政雨水管网。道路末端雨水排放口则通过湟水河湿地公园的前置塘、人工湿地进行调蓄净化，用于水系的季节性补水。道路海绵化改造平面详见图9。

图9 第一类道路海绵化改造平面图(文博路)

3.1.2 第二类道路改造方案

第二类型道路采用模块C设施。将原边侧绿化带沿人行道一侧外扩至1.5m宽，布置0.2m宽砾石带，收集人行道雨水径流，并将原人行道路边侧绿带局部下沉，布置模块C，滞留净化雨水。盛昌路末端雨水排放口通过湟水河湿地公园的前置塘、人工湿地进行调蓄净化，用于水系的季节性补水；文逸路的末端雨水排放口就近利用火烧沟景观湿地的植被缓冲带进行净化利用，补给湿地生态用水。道路设施布置详见图10。

图10 第二类道路海绵化改造平面图(文逸路)

3.1.3 第三类道路改造方案

保留原车行道及人行道路面结构不变，在绿化带中局部嵌入模块D设施。人行道雨水通过导流渠汇入模块D，车行道雨水通过地表漫流汇入边侧下沉式绿化带，道路设施布置详见图11。末端雨水排放口通过湟水河湿地公园的前置塘、人工湿地进行调蓄净化，用于水系的季节性补水。

图11 第三类道路海绵化改造平面图(光华路)

3.1.4 第四类道路改造方案

保留原车行道及人行道路面结构不变，将人行道上的树池分段连通，形成带状下沉式绿地空间。在保护下沉绿地空间内乔木安全的前提下，在道路边缘设置引水石与道牙开口，收集车行道及人行道的雨水径流至模块E设施，并由模块E的溢流设施排至市政雨水管网。道路海绵化改造设施布置详见图12。

图12 第四类道路海绵化改造布置示意图(海西路)

3.2 西北半干旱地区道路海绵化改造注意事项

1)西北多为川道河谷地形，道路坡度对海绵设施的布置位置至关重要。对于路面破损严重的道路，设计路面翻新后的竖向坡度，使路面径流通过开口道牙汇集至海绵设施模块内。道路纵坡不宜大于横坡坡度1.5%，坡度越大，设施集水效果越不佳。对于纵坡大于横坡的路段，应根据路面过车荷载、集水方式，合理确定引水石的构造和行车防护措施。本案例中引水石深度设置为20mm，宽度250mm，位于边侧绿带与车行道交界处，作用为引导车行道雨水径流至模块设施。

2)西北地区初期雨水径流污染较重，道牙开口处应设置截污设施，防止落叶及污泥堵塞设施。春雨前对截污设施及时清理，可杜绝含融雪剂的雨水流至设施内，腐蚀雨水设施，对设施内植物生长造成影响。西宁截污设施断面如图13所示。

图13 截污设施断面示意图(单位：mm)

3)针对湿陷性黄土地质条件，应对道路海绵设施采用侧面及底面三面包式防渗，较大挖深时应设置锁边石，以加强对原路基的保护。为防止绿化用水侵入路基，造成路基安全的破坏，模块A/B设施在绿化带底部设置防水复合土工膜(两布一膜)。由于绿化带内种植土下挖1.1m，考虑到立缘石和人行道的稳定性，在立缘石绿化带一侧设置垫石，以防倾覆，人行道靠绿化带一侧设置锁边石，保证人行道的稳定性。设施结构做法详见图14。同时配置具有良好渗透性又保墒的优质改良土壤。西宁通过场地试验，得出改良土壤配比为原土:沙土:种植土＝1:1:1。

图14 路基结构防护示意图(单位：mm)

4)透水材料选择方面，人行道宜布设面层透水的铺装，既保证道路使用安全，又兼顾行人行走舒适度。使用融雪剂的积雪不宜堆放在透水设施区域。

4 海绵改造实施效果

项目完工后，依据道路实际完工调蓄容积进行反算，得出对应的完工指标见表2。由表可见，项目在年径流总量控制率/设计降雨量、SS削减率、调蓄容积方面均优于设计目标值。项目因地制宜采用半透水人行道路面结构，也给类似项目提供了湿陷性黄土地区透水铺装应用借鉴。

表2 西宁海绵城市试点区8条道路海绵化改造完工指标表

依据《西宁市海绵城市建设试点区监测考核评估报告》，改造后的8条道路在2018—2019年雨季发挥了较好的源头减排作用。试点区对文苑路的模块A设施、文汇路的模块B设施及光华路无客水影响的半幅道路雨水管道进出水口进行了监测，监测结果见表3。结果显示，实施的道路改造项目和海绵模块设施均具有良好的调控效果，可以减少径流总量、降低径流峰值、延迟峰值时间。其中，海绵模块设施在8.5～26.0mm单场降雨条件下，对径流总量控制率为77.4%～92.8%，对峰值出现时间延迟5～20min，对应SS削减率为49.6%～79.8%；光华路在2019年全年降雨中，实测年径流总量控制率为79%，SS削减率为49.8%，优于海绵改造设计的目标要求。

表3 西宁海绵城市试点区海绵设施监测效果表

项目完工后，道路雨水径流实现了就地净化和消纳，提高了市政排口的出水水质，改善了城市水环境质量状况。道路绿化带内的植被景观得到快速修复且长势良好。半透水铺装人行道提升了市民行走舒适度，改善了西宁市容市貌，增强了市民获得感，实现了“小雨不积水、大雨不内涝”的建设效果。道路建成实景照片见图15～20。

图15 文博路实景图

图16 文汇路实景图

图17 文成路实景图

图18 文苑路实景图

图19 盛昌路实景图

图20 光华路实景图

5 结语

1)西北半干旱地区城市道路海绵化改造项目以问题为导向，综合统筹合理性、可持续性、经济性及文化性等方面，因地制宜设置生物滞留设施，就地消纳雨水并做好初期雨水净化处理。不建议做大量的过程调蓄池；建议采用低维护海绵设施和应用当地抗性强的湿生植物，保证雨水设施持续发挥海绵功能。

2)鉴于西北半干旱地区湿陷性黄土地质条件，城市道路海绵化改造应加强道路安全防护措施。道路海绵设施采用侧面及底面三面包式防渗，设置锁边石笼加强对原路基的保护，防止较大挖深造成地面垮塌。同时应处理好海绵设施的溢流标高，将超过设计降雨量的雨水及时排出，防止设施内植物长势不佳或溢流井内产生黑臭现象。

3)西北半干旱地区生态本底脆弱，道路海绵化改造应最大限度地保留长势良好的植物，重点保护乔木和大型灌木不被破坏。西宁针对不同道路形式设计了模块A/B/C/D/E，以确保最小干扰现状生态环境。模块采用嵌入式施工操作，方便施工监管。经监测效果分析，实施的道路改造项目和海绵模块设施均具有良好的调控效果，较好地控制了径流总量、削减了SS径流污染、延迟了峰值时间，为西北半干旱地区同类型城市道路海绵化改造提供可复制、可推广的借鉴。

注：文中图片均由高源拍摄或绘制。