基于海綿城市理念下城市道路排水系統的創新設計

解華，方詩圣

（合肥工業大學（宣城校區）建筑工程系，安徽 宣城 242000）

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基于海綿城市理念下城市道路排水系統的創新設計

解華，方詩圣

（合肥工業大學（宣城校區）建筑工程系，安徽 宣城 242000）

通過對國內外城市及宣城市道路排水系統現狀調研，討論了建設海綿型城市道路的設計思路和解決道路排水及雨水回收利用等問題的辦法，旨在實現城市和環境資源的協調發展。

海綿城市；城市道路；排水系統

0　前言

隨著經濟和社會的不斷發展以及快速城鎮化建設的推進，城市開發強度越來越高，道路大量的硬質鋪裝，改變了原有的自然生態本底和水文特征，城市與環境之間的矛盾在城市內澇與缺水并存現象中日益突出[1]。近幾年，“逢雨必澇”已成為不少城市“頭疼”的難題，同時也帶來了水生態惡化、水資源緊缺、水環境污染、水安全缺乏保障等一系列問題[2]。

2013年12月12日，習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》的講話中強調：“提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[3]。

1　海綿城市的理念

《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》[4]以及仇保興發表的《海綿城市（LID）的內涵、途徑與展望》[5]對“海綿城市”的概念給出了明確的定義：海綿城市，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。 海綿城市建設，以構建低影響開發的雨水系統為基本原則，將雨水短暫地存儲起來，緩慢下滲或匯集到生態水系系統，在減輕城市排水負擔的同時，有效提高原有市政排水設施抵御暴雨的能力，補充地下水、復活泉水和涵養水源，恢復城市地表的天然水系環境。其理論依據就是要解決系統性、綜合性的水問題。海綿城市已經成為我國城市建設的主要方向，許多城市都在積極探索海綿城市的建設，實現城市發展和環境資源協調。

2　國內外城市道路排水系統研究現狀

2.1國內研究現狀

國內對于城市道路排水及水處理系統的研究比西方國家起步晚，且大多采用傳統式的排水設施系統，相應的技術規范和要求較低[6]。隨著城市雨水利用技術的推廣和城市非點源污染控制的開展，雨水的凈化處理受到越來越多的重視[7]。例如在北京，一些地區的排水管網還是明代的設施，僅天安門等重點地區的雨水排水設計重現期比較高，其他地區的排水能力較低，導致近幾年頻繁發生積水。在贛州市，以宋代福壽溝為代表的城市排水系統至今依然發揮作用。在青島市，100多年前德國人規劃設計了完善的地下排水系統，讓青島遠離內澇的隱患，不過，隨著這兩個城市的發展，原有排水系統覆蓋的老城區遠離內澇威脅，但新城區卻在暴雨來襲時束手無策[8]。

2.2國外研究現狀

國外排水系統的發展進程大致可分為三個相對獨立又相互交錯的階段。第一階段是早期階段，第二階段是點源治理階段，第三階段是暴雨雨水管理階段。國外的排水系統在早起規劃時注重全局，具有良好的前瞻性。例如德國開發的MR（洼地－滲渠）城市暴雨管理與新系統在歐洲頗為流行。該系統包括各個就地設置的洼地、滲渠等組成部分，這些部分與帶有孔洞的排水管道（帶有可調節的溢流閥）連接，形成一個分散的雨水處理系統，設在雨水徑流形成的“源頭”，如靠近屋面、停車場等地方。通過雨水在低洼草地中短期儲存和在滲渠中的長期儲存，保證盡可能多的雨水得以下滲。MR系統代表了一種排水系統的新概念，即“徑流零增長”，這個概念的目標是“使城市范圍內的水量平衡更加接近其在這片地區發展起來之前的狀況”。其方法主要采用明渠收集，利用下滲洼地、綠化屋面、截蓄水塘等傳輸、儲存雨水，利用下凹式綠地和砂濾床等工程技術進行凈化，最后根據水質的要求，進行不同的利用。

美國的雨水排放系統以提高天然入滲能力為目的。如美國加州富雷斯諾市的“Leaky Areas”地下回灌系統，10年間（1971～1980）的地下水回灌總量為1.338億m3，年回灌量占該市年用水量的20%[9]。美國不但重視工程措施，而且還制定相應的法律法規對雨水利用給予支持，很多城市建立了屋頂蓄水和由入滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統。

美國提出的BMP通過工程和非工程措施相結合的方法進行雨水的控制和處理，強調源頭控制、自然與生態措施、非工程方法，以提高天然入滲能力為宗旨，雨水的利用主要是下滲補充地下水[10]。

2.3宣城市道路排水系統現狀及影響

宣城市區道路由城市快速路、主干路、次干路、支路組成。由于傳統城市建設模式，道路處處是硬化路面，城市變得很“硬”，不會呼吸，暴雨天氣容易產生城市內澇。城市排水設施落后，主要依靠管渠、泵站等“灰色”設施來排水，調查發現，以市中心狀元路主干道為例，該道路因排水設施不完善產生了許多危害和不利影響，具體有：

①通過路面表層滲入路基結構內部的水分，由于排水不暢，長期滯留在路基，嚴重影響路基強度，造成路基沖刷，嚴重時還會形成唧泥或斷裂等；

②該路面是瀝青路面，使得瀝青從集料表面脫落造成各種病害；

③夜間行車，由于城市路表面水分，路表水面將會對車燈光線造成反射現象，這種反射現象會引起駕駛員的錯覺，進而會影響道路行車安全；

④城市道路路表積水問題可能使堵車現象變得更為嚴重；

⑤雨水資源沒有得到很好的收集、利用。

3　建設宣城市海綿型城市道路排水系統的初步設想

安徽省宣城市為省級海綿城市建設試點城市，目前正在進行申報第二批全國海綿城市建設試點城市[11]。為了體現宣城國家海綿城市創建、節能減排的理念，除了對雨水進行快速有效的排除，還要將其進行收集并循環利用，使雨水變成資源。

3.1設計方案

①設計一個新型的道路排水系統應用于宣城市區主干道，解決宣城市區城市內澇問題。本設計共分兩個排水路徑，其中一個排水路徑關鍵設計生態邊溝和綠地調蓄池；另一個排水路徑關鍵設計雨水智能板和雨水蓄水模塊箱，通過兩種途徑將道路的雨水排凈。

②設計雨水過濾凈化回收裝置應用于道路雨水的再生利用，解決宣城市區雨水資源浪費的問題。設計凈化裝置，將蓄水箱的水根據不同用水點對水質要求，分別進行處理，對凈化后的水進行分質利用。方案設計圖如圖1所示。

圖1　道路雨水排水節水方案圖

由圖1，道路雨水排水系統及收集利用過程如下。

①天然降雨通過兩種途徑進入雨水蓄水模塊箱：一是通過道路橫坡度，流入下凹式綠化帶與盲溝之下的生態邊溝，進入綠地調蓄池，一部分下滲，一部分通過主雨水匯總管進入雨水蓄水模塊箱；二是直接通過透水瀝青混合料的上面層進入雨水智能板，通過改進PVC管的特殊作用，雨水再進入雨水蓄水模塊箱。該設計巧妙地將城市道路雨水排水系統的方式分為了兩類：橫向排水和豎向排水，加快了道路排水的速度，有效防治了城市的內澇。

②蓄水模塊箱里的水經提升泵抽取，通過PVC管進入過濾凈化裝置，變成了具有很多利用途徑的再生水。宣城市區有很多“海綿體”，例如宛陵湖，可以直接將道路收集處理的雨水排放至此，這樣不僅可以調蓄水源，美化環境，而且避免了未經過處理的污染雨水直接排放，造成水體污染和環境破壞。同時也可以送入自來水廠等進一步綜合利用。

3.2方案的設計特點

3.2.1生態邊溝

生態邊溝是下凹式綠化帶與集水井相結合的一種雨水收集方式，溝面為草坪，下鋪濾料。生態邊溝設于路邊，道路車行道邊側石邊不設雨水口，雨水直接流入溝內，通過濾料下滲側繼續下滲入地下。

當雨量較大，部分流入集水井，部分在集水井兩側雨水未能及時下滲時，可在溝面徑流進入平入式雨水口，流入雨水管內[12]。生態邊溝的設計原理如圖2所示。

圖2　生態邊溝設計圖

生態邊溝有如下特點：①集水口收集能力擴大；②對路面污染物有效過濾；③減少徑流量；④避免雨水口堵塞和路面積水現象；⑤生態景觀好。

3.2.2綠地調蓄池

綠地調蓄池是將通過道路橫坡度緩慢排到綠化帶生態邊溝的雨水匯流到其中，匯集的雨水緩慢釋放，一部分進入河湖水體或下滲入地下，一部分通過雨水橫支管進入雨水蓄水模塊箱，以此削減雨季洪峰流量，調節土壤的水體平衡[13]。

綠地調蓄池具有三大特點：一是調蓄雨水，削減洪峰，通過蓄留、下滲和限流措施，控制短時間內大流量雨水進入湖河水體，削減洪峰流量；二是凈化雨水，防止水土流失，通過沉淀和過濾，滯留雨水中的泥沙；三是調蓄設施以綠地等形式布置，保持原有綠化功能。

3.2.3雨水智能板

該設施埋設在道路上面層和中面層之間，能對雨水進行感應，在雨天將透過上面層（透水材料）往下滲的水進行強力吸收，在晴天通過陽光的感應，和車輛荷載、重力的共同作用下將在智能雨水板的濃縮水通過改進PVC管道（安有光感應器，能夠感知光的作用而產生壓力）將其匯入位于路基上部面層下部的一個雨水蓄水模塊箱系統。其效果圖示見圖3所示。

圖3　綠地調蓄池圖

道路分為面層（上、中、下面層）和基層，雨水智能板是置于道路上面層和中面層之間，據了解水是影響道路強度、剛度和穩定性的最重要因素。雨水智能板具有高強吸水性，能夠阻止絕大多數雨水進入基層，進而不能對道路穩定性產生影響；其次，雨水智能板具有優越的抗壓性能，能夠較好滿足強度和剛度的要求，但是為了保險起見，在施工時需要對上面層和中面層進行適當的增厚1～3cm，而且路面一定要鋪磨耗層；最后，雨水智能板是一種可回收的綠色材料，不會對環境產生影響，使用年限比較久。

雨水智能板特性：抗壓性（能夠滿足路面車輛荷載的滿布情況，能夠抵抗地面的車荷載而不至于破壞），高強吸水性（就像一個高強海綿一樣幾乎能夠將水都吸在它體內，成為濃縮水），耐久性（有著50年的設計壽命周期），環保性（該板所采用的材料是新型智能的材料，可以回收，對環境零污染）。

雨水智能板創新點：傳統道路的排水方式都是通過做坡度排入邊溝和下水道管，這往往造成了排水的不均勻，排水不充分，導致積水嚴重，不能起到有效排水節水的作用。雨水智能板創新性的將透水性的上面層透過的一部分水，利用縱向排水，和通過自身材料的高強吸水性，利用感應系統來進行水資源的收集，然后再通過凈水裝置，變成可以利用的水。這樣可以加速排水并緩解城市的內澇，收集雨水進行循環利用。

圖4　通過雨水智能板排水系統圖

3.2.4雨水過濾凈化裝置

該雨水過濾裝置埋置在地底深處，與蓄水模塊箱通過PVC管相連，道路上的雨水的主要雜質是一些懸浮顆粒物[14]。因此我們可以先對其進行物理處理，即用篩網進行過濾，然后再用旋流分離器，借助電力的作用，利用離心力，將雨和顆粒進行分離，從而進行過濾雨水的凈化作用，這樣的水基本上可以用作灌溉、綠化、農業、工業用水，再經過自來水廠的一些處理就可以變成生活用水。其裝置圖見圖5所示。

圖5　雨水過濾凈化裝置圖

4　結論

通過對宣城市區道路排水系統的現狀調查，結合對國內外道路雨水處理情況的研究，提出了宣城市道路排水系統解決方案，設計出道路雨水排放同時進行的兩個排水方式，重點創新設計了生態邊溝、綠地調蓄池、雨水智能板、雨水過濾凈化裝置。該理念在宣城市城市道路建設中加以應用，將會有力推動宣城市創辦國家級海綿城市進程，為建設美麗宣城發揮重要作用。

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[2]章林偉.海綿城市建設概論[J].給水排水，2015，41（6）：1-7.

[3]習近平.在中央城鎮化工作會議的講話[R].2013.

[4]建城函（2014）275號，關于印發海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）的通知[Z].

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[11]財辦建[2015]4號，關于組織申報2015年海綿城市建設試點城市的通知[Z].

[12]汪坤，等.幾種公路邊溝應用效果評價[J].公路交通技術，2014（3）：1-5.

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TU992

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1007-7359(2016)03-0025-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.007

解華（1995-），女，安徽安慶人，合肥工業大學（宣城校區）在讀本科，專業：土木工程。