海绵城市建设理念在市政道路设计中的应用综述

刘 鑫 陈 颖

(湖南工业大学土木工程学院,湖南 株洲 412007)

在工业经济和城市建设快速发展的过程中,由于城市规划、建设理念滞后,导致城市内涝、城市水污染、城市水资源缺少等问题愈发严重。自2012年4月“低碳城市与区域发展科技论坛”上首次提出“海绵城市”这一概念以来,各地地方政府,均出台了各类关于海绵城市建设的政策、法规和标准[1]。海绵城市建设旨在通过城市规划和建设管理,实现雨水自然蓄积、自然渗透、自然净化[2]。在海绵城市推进建设过程中,市政道路的海绵化建设往往发挥着重要的引导作用[3]。水泥混凝土因具有良好的力学性能和耐久性,成本低廉,施工工艺简单,有利于夜间行车等优点,而被广泛应用于市政道路中[4]。然而其所造成的后果则是自然水循环系统遭到破坏,城市地表不透水面积比例增大、雨水下渗量减少、市政排水系统的负荷加重、城市地下水位降低,导致城市中地表径流污染严重,水质遭受污染,地下水无法得到补充,在遇到高强度降雨时易发生洪涝灾害[5-7]。原有的天然水塘、洼地、沟渠等被人为填筑,削弱了对雨水的调蓄作用[8-9]。因此,在城市建设时应着重考虑市政道路海绵化,把对自然水循环系统的影响降到最低。

低影响开发(Low Impact Development,LID)是20世纪90年代末发展起来的暴雨管理和面源污染处理技术,旨在通过分散的、小规模的源头控制来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制,使开发地区尽量接近于自然的水文循环[10]。立足于这一背景,本文以渗透、滞留、净化、存蓄、排放及再利用市政道路地表径流为目标,将海绵城市建设理念应用到市政道路设计中,综合采用低影响开发(LID)设施来改善、治理传统市政道路的雨水收集处理方式,充分发挥植被、道路等对雨水径流的缓冲、吸纳、净化作用,建设蕴含海绵城市建设理念的市政道路排水系统[11]。

1 海绵城市市政道路的相关概念

海绵城市,即城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要水时将蓄存的水“释放”并加以利用,而其建设理念则是将自然途径与人工措施结合,对城市生态环境进行恢复式改造[12]。从而达到改善和保护城市自然生态环境、雨水资源收集再利用、补充城市地下水、减少地表径流污染及降低城市洪涝发生概率的目的。

在海绵城市建设过程中,雨水径流的控制和非点源污染的治理尤为重要,城市地表径流是城市中非点源污染的主要来源,城市地表径流污染是仅次于农业非点源污染的第二大污染源[13]。其中含有大量污染物质,包括悬浮颗粒物、持久性有机污染物、农药、重金属、氮磷等营养元素、有机质、其他有代表性的工业源化合物等[14]。市政道路则是城市地表雨水径流产生、汇集与排放的主要区域。

渗透、滞留、净化、存蓄、排放及再利用市政道路地表径流是海绵城市建设中的重要内容之一[15]。传统的市政道路雨水收集排放系统是路面雨水→雨水口→雨水口连接管→检查井→市政管网的快排系统[16]。传统的道路路面、绿化带及人行道存在着排涝压力大、径流污染严重、生态环境破坏等严峻问题,铺装难以满足径流控制的要求。因此,需要对道路建设充分贯彻海绵城市理念,尽可能保证道路达到径流控制的指标,减轻下游径流控制设施负担[17]。通过结合海绵城市建设理念来预防治理城市内涝、控制减轻道路径流污染、改善市政道路周边生态环境等,即建设蕴含海绵城市理念的市政道路排水系统:路面雨水→下沉式生物绿带→雨水溢流口→市政排水系统[18]。

2 海绵城市市政道路排水

根据横断面布置类型的不同,市政道路可分为单幅路、双幅路、三幅路以及四幅路[19],本文着重从四幅路来阐述海绵城市建设理念在市政道路中的应用,见图1。四幅路的横断面一般由人行道、绿化分隔带、非机动车道、机非分隔带、机动车道、中央分隔带组成,在市政道路设计中可以根据实际道路组成来选择合适的低影响开发(LID)设施。

图1 四幅路雨水低影响开发系统流程示意图[20]

当遇到降雨时,机动车道的一部分雨水经透水铺装下渗到滤水层,另外一部分机动车道雨水径流则从中央分隔带汇流至路缘石侧石开口进入机非分隔带中的生物滞留池,雨水先后通过覆盖层、过滤层及砾石层的过滤,净化处理后流入导流管汇流至地下雨水管,见图2;非机动车道的一部分雨水经透水铺装下渗到滤水层,另外一部分非机动车道雨水径流流入绿化分隔带中,经绿化分隔带生物滞留池处理后汇入地下雨水管;人行道的雨水径流经透水铺装流入地下,补充城市地下水。经处理后流入雨水管的雨水收集至蓄水设施中,可用于绿化、道路浇洒等。当雨水过多时,中央分隔带、机非分离带和绿化分隔带的超量雨水径流经溢流口流入市政雨水管网,人行道的超量雨水径流流入绿化分隔带[21]。

图2 市政道路雨水排放示意图[21]

对于面源污染,尽可能地在其发生源头就将其污染物截留,防止污染物通过雨水径流进行扩散,通过生物滞留池、植草沟、雨水花园和透水铺装等低影响开发设施,避免过多的地表悬浮颗粒物、有机污染物、氮和磷等营养元素和重金属进入市政排水管网,造成更严重的水体污染,将地表径流携带的污染物质转化成绿色植被生长所需要的营养物质[22-23]。

3 海绵城市市政道路设计

3.1 行车道路面

传统市政道路机动车道路面材料一般为混凝土或沥青,在道路设计时,机动车道横坡坡度一般为1.5%,在海绵城市建设中,在满足市政道路路面和路基的强度及稳定性等要求下,可以视交通荷载的等级和实际需求来选择是否使用透水材料[24]。当交通荷载等级为特重、重和中等时,不宜采用透水材料来铺设,应按照《城市道路工程设计规范》(CTJ 37—2012)和《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 37—2012)来设计铺设;当交通荷载等级为轻交通时,可以采用透水材料来铺设[25],并在透水铺装下铺设滤水层及防水土工布,避免雨水下渗破坏路基,下渗雨水通过滤水层进入雨水管道输送到市政排水管网或者蓄水池中。当降雨量过大时,雨水径流大于透水铺装的最大承载量时,雨水径流可以汇流通过路缘石侧石开口进入机非分隔带中的生物滞留池中[26]。

透水铺装主要分为透水性混凝土、透水性沥青和透水性地砖三种类型,其中透水性混凝土和透水性沥青常用于主、次干道及支路行车道,透水性地砖常用于人行道。透水性混凝土属于全透水型,透水性沥青则属于半透水型,在市政道路设计中,透水铺装的孔隙率应大于8%,在15%～25%比较合适。在不同环境下,对市政道路的性能要求不同,雨水通过透水铺装渗入地下,可直接渗入面层、基层或路基,需要结合城市地势地况、降雨量、水文地质、气候环境、地下水位高度、温差以及土质类型等实际情况来综合考量设计,合理地选择透水铺装结构层及材料,让各结构层能够相互协调,最大限度发挥作用[27-29]。透水沥青结构类型见图3。

图3 透水沥青结构类型[27]

3.2 人行道

人行道可以全部采用透水铺装,一般使用透水砖作为面层铺装材料,透水砖常见的有混凝土透水砖、陶瓷透水砖、自然砂透水砖等[30]。透水砖路面的种类需根据实际情况选用,并在满足透水性能要求的前提下,符合雨水排放的要求和标准,同时在设计时必须考虑到透水砖路面是否需要承受机动车荷载,并依据实际情况选择合适的透水砖路面结构层,透水砖路面结构层一般由透水砖面层、找平层、基层、垫层组成[31]。在人行道设计时,可以参照《海绵城市工程设计图集:低影响开发雨水控制及利用》来规划透水砖路面各结构层的厚度,并根据实际情况来设置人行道横坡坡度。

降雨时,当雨水量小于透水砖路面下渗能力时,雨水可以经过透水砖各结构层的过滤、吸附等处理下渗到地下,补充地下水,维系城市自然水循环;当雨水量大于下渗量时,一部分雨水经过透水砖下渗到地下,另外一部分则形成雨水径流进入绿化分隔带生物滞留池中[32]。城市人行道透水砖路面结构层见图4。

图4 城市人行道透水砖路面结构层[33]

3.3 机非、绿化分隔带生物滞留池设置

行车道雨水径流通过路缘石侧石开口流入砾石缓冲带,再进入生物滞留池中[34],经过植被的吸附、净化去除雨水中的一部分污染物,再经过土壤覆盖层、过滤层及砾石层的吸附、过滤、净化,雨水径流中携带的污染大部分都被去除,雨水再透过针刺土工布进入地下雨水管网,雨水管网可以视实际情况连接市政排水管网或蓄水设施。在生物滞留池靠近行车道的一面必须铺设防渗土工布,防止雨水渗入行车道路基,造成路面塌陷[35]。生物滞留池剖面见图5。

图5 生物滞留池剖面图[35]

3.4 路缘石

路缘石是生物滞留池的重要组成之一,在市政道路设计中,常见的路缘石有带孔路缘石、镶嵌式路缘石、开口路缘石、溢流式路缘石、沉淀暗沟铺装带路缘石、双溢流路缘石等。而在海绵城市建设时,一般通过设置路缘石侧石开口来收集雨水进入机非分隔带中的生物滞留池中,路缘石侧石开口一般不高于行车道路面。视实际情况,可以选择透水路缘石,它既能衔接透水铺装行车道,使透水路面结构层积水能够透过透水路缘石进入生物滞留池。路缘石侧石设置见图6。

图6 路缘石侧石设置示意图[33]

为了防止雨水冲刷以及垃圾随雨水径流进入,导致破坏生物滞留池,在路缘石侧石开口处应铺设砾石带,设置一定量的卵石,起到缓冲和净化作用,后期应定期清理[25]。路缘石侧石开口平面见图7。

图7 路缘石侧石开口平面示意图[25]

3.5 植被选择

植被在生物滞留池中起着举足轻重的作用,是保持、涵养水土以及净化雨水的主要途径,同时可以有效缓解城市热岛效应[36],生物滞留池中的植被选择应遵循以下原则[37-38]:

a.优先选用当地植被。当地植被能够更好地适应当地的环境、气候,且相对成本更低,在本地植被不适用于生物滞留池的情况下可以选择与本地植被生态习性相近的外地植被,同时必须考虑是否有生物入侵的可能。

b.选用耐旱为主兼能耐涝的植被。生态滞留池中的水量往往和降雨量有关,大部分时间内,滞留池内水量很少,并且在有降雨时有可能出现雨水淹没植被的情况,所以要求植被能够承受长时间干旱和短时间水淹的情况。

c.选用景观效果好的植被。在设计过程中,还需要考虑植被的景观效果,可以根据植被花期、颜色来搭配设计。

d.选用根系发达、净化力强的植被。根系不发达的植被在暴雨时容易被雨水冲刷,同时要求植被兼具净化力强,以便更好地吸附雨水中携带的污染物。

e.选用易生存、维护成本低的植被。在满足上述条件的情况下,考虑植被相关成本,尽量选择具有相同功能,但价格更低或者更易存活的植被,降低后续管理等带来的成本。

3.6 土壤

土壤是生物滞留池最基本的组成结构,是生物滞留池吸附、过滤、降解雨水径流污染的重要场所。土壤主要有三种类型:砂土、黏土以及壤土。砂土透水能力强,但保水能力差;黏土透水能力差,但保水能力强。在实际施工中一般以开挖原土回填为主,生物滞留池中的土壤应满足透水、保水的条件,在雨天能够保证雨水快速下渗,并储存一部分水在土壤中,吸附、过滤、净化雨水中携带的污染物。同时还需提供满足生物滞留池植被生长的基本条件,如当地原土不满足上述条件,可以异地更换土壤或者对当地土壤进行改良。在海绵城市市政道路设计时,应合理地结合地形、降雨量、土壤类型以及透水保水需求,计算最优土壤配比,使处理雨水径流污染物的效率最大化[39]。

3.7 雨水溢流口

为了防止暴雨时进入生物滞留池的雨水径流过多,雨水进入滞留池的速度大于下渗速度,也为了防止植物因缺氧死亡,在生物滞留池设计时,应每隔一段距离设置一个雨水溢流口,超量雨水通过雨水溢流口进入市政排水管网中。雨水溢流口设置距离根据路缘石侧石开口设置距离以及生物滞留池处理雨水的效率等实际情况综合考虑,并在雨水溢流口下游设置挡水堰。

3.8 蓄水设施

经过透水铺装、生物滞留池过滤、吸附、净化后的雨水汇集到雨水管进入蓄水设施中存蓄,可以用作绿化浇洒、道路洒水、景观水体用水,提高雨水资源的利用率[40]。蓄水设施容积应根据当地降雨量、透水铺装及生物滞留池雨水处理量、用水平衡需求综合确定[41]。

4 总结及展望

市政道路雨水径流污染是城市面源污染的主要来源,也是海绵城市建设中的一大难题。本文对海绵城市理念下的市政道路设计进行了分析研究,综合利用道路、人行道透水铺装以及分隔带设置生物滞留池来渗透、滞留、净化、存蓄、排放及再利用雨水径流,实现了道路对径流污染的削减及控制,能够保护、调节和修复城市原有水循环系统,对海绵城市建设具有极大意义。