基于海綿城市理念的市政道路建設(shè)探究

張翠英， 張 英

(1.浙江水利水電學(xué)院 經(jīng)濟與管理學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2.浙江水利水電學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

2016年我國城鎮(zhèn)化率為57.35%，標志著我國已經(jīng)進入城市化的工業(yè)大國。城市是人類社會發(fā)展的高度集成化表現(xiàn)，是擁有自然屬性和社會屬性的復(fù)合系統(tǒng)。這兩方面屬性的協(xié)調(diào)發(fā)展才能造就穩(wěn)定、韌性的城市系統(tǒng)[1]。在城鎮(zhèn)化歷程中，湖泊、濕地等天然氣孔被填埋，水泥、混凝土硬殼迅猛地擴張，約70%的城市降雨形成徑流。城市中“逢雨必澇、遇澇則癱”的狀況已是常態(tài)[2]。當(dāng)雨后水潮退去，城市硬殼下的地下水漏斗又宣告水資源的危機。暴雨導(dǎo)致的洪澇和城市普遍的缺水兩種狀況的對立困擾和影響著我國的城市化進程。

自20世紀90年代以來，我國湖泊面積減少了15%，濕地退化了28%。城市面臨著內(nèi)澇、水資源短缺、水體富營養(yǎng)化等一系列水生態(tài)問題。這些現(xiàn)象表明：城市發(fā)展歷程與自然生態(tài)進程的平衡態(tài)勢間發(fā)生了重大偏離。城市建設(shè)要從“人改造水”到“人適應(yīng)水，人水和諧共處”的根本性觀念轉(zhuǎn)變[3]。海綿城市立足于我國當(dāng)前實際的水情特征和水問題，符合了我國當(dāng)前城市建設(shè)的需要[4]。

1 洪水災(zāi)害分析

1.1 洪水災(zāi)害構(gòu)成

洪水災(zāi)害是洪水作用于人類社會的產(chǎn)物，是由于異常天氣及水利工事等原因引起了江、河、湖水量的快速上升和水位上漲，突破了河道的約束，給人們的日常生活和生產(chǎn)帶來極大的損失。洪水災(zāi)害是由承災(zāi)體、致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境等組成的復(fù)雜大系統(tǒng)。城市洪水災(zāi)害可歸結(jié)為地理位置、水文條件破壞、城市地表固化、下水道不足、城市小氣候變化和其他因素等方面。洪水災(zāi)害的致災(zāi)因子通常是臺風(fēng)、暴雨等惡劣天氣；孕災(zāi)環(huán)境包括地形地理、河流網(wǎng)絡(luò)、植被土壤等。承災(zāi)體主要是:人、建筑物、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、環(huán)境等。洪水災(zāi)害所造成的損失，不僅與洪水強度有關(guān)，而且與承災(zāi)體密切相關(guān)。

1.2 洪水災(zāi)害成因分析

洪水是浙江發(fā)生最頻繁、損失最嚴重的自然災(zāi)害，造成的損失居各類災(zāi)害損失之首。降雨是洪水致災(zāi)的主要因素，浙江年降水量為1 600 mm～1 800 mm，是全國年降水量最大的地區(qū)之一，歷年降水量情況見表1。降雨強度越大、歷時越長、范圍越廣，越容易形成特大洪水。浙江的經(jīng)濟發(fā)展快，人口密度大，一旦發(fā)生洪水災(zāi)害就會遭受巨大的損失。

表1 浙江歷年降水量及折合水資源量

注：其中2007年—2015年數(shù)據(jù)來源于歷年表浙江水資源公報，2016年數(shù)據(jù)來源于中國水資源公報。

浙江省每年5月—9月的降水量占到全年的60.61%。省會杭州年均降水量1 540 mm，5月—9月的降水量占到全年降水量的58.28%，強的夏季降水量是導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害的直接原因。如此大的降水量直接影響著城市的排水組織和設(shè)計，年徑流總量的去向是研究路面排水時不可回避的問題。

1.3 城市年徑流量去向

城市年徑流量去向有兩個組織模式：傳統(tǒng)排水組織模式和海綿城市排水組織模式。這兩種組織模式下的年徑流總量去向如圖1所示。傳統(tǒng)城市排水模式下，年平均徑流量的去向有三個途徑：水分蒸發(fā)、排入城市管網(wǎng)和滲入地下，其中年平均徑流量的70%以上從城市各級管網(wǎng)排走。海綿城市設(shè)計中年徑流量的30%排入管網(wǎng)，絕大部分降水量通過“下滲入地”和“收集貯備”方式來有效減排并加以利用。雨水下滲主要設(shè)施有：地面透水鋪裝、下沉式綠地、生物滯留帶等；雨水收集貯備則可通過蓄水池、雨水罐、濕塘、雨水濕地等設(shè)施來實現(xiàn)。

圖1年徑流總量去向示意圖

在洪水災(zāi)害發(fā)生前后，采取適宜、有力的措施，就會減輕洪水災(zāi)害可能造成的損失。低影響開發(fā)思想認為雨水是“資源”而不是造成麻煩的“廢物”。海綿城市創(chuàng)建對年降雨量大于800 mm的城市排水防澇效果明顯。海綿城市建設(shè)中通過有效組織徑流量的合理去向，進行雨水的合理調(diào)蓄、切實減少雨水徑流污染等，逐步改善水環(huán)境和水生態(tài)，保障城市發(fā)展與自然生態(tài)的和諧共存，使城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的水文功能趨于動態(tài)平衡，最終解決城市內(nèi)澇問題。

2 海綿城市建設(shè)

內(nèi)澇是我國60%以上城市必須面臨的常態(tài)化問題。城市傳統(tǒng)排洪澇的規(guī)劃理念是將雨水“快速排除”和在“末端集中”，卻忽視了城市整體水文過程的系統(tǒng)性，導(dǎo)致將上游洪水的破壞力快速、強化、放大地轉(zhuǎn)移給下游地區(qū)，引發(fā)了“水”與“土”分離，“地表水”與“地下水”分離等環(huán)境問題[5]。海綿城市建設(shè)指城市能做到在下雨時吸(蓄)水、滲(凈)水，在城市需要時能釋水。海綿城市這種在下雨時吸收并積蓄雨水，在需要時放出和利用水的新型排水防澇思想，給出了解決城市水生態(tài)循環(huán)的新思路和途徑。

海綿城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對雨水帶來的災(zāi)害等方面具有良好的彈(韌)性。城市建設(shè)運用建筑物、綠化用地、城市廣場、交通道路、水系等基礎(chǔ)設(shè)施為載體，利用滲透、滯留、蓄存、凈化、回用、外排等多種生態(tài)化技術(shù)和手段，實現(xiàn)徑流雨水控制目標，恢復(fù)城市良性的自然水文循環(huán)[6]。基于源頭的低影響開發(fā)和低影響開發(fā)設(shè)施是海綿城市建設(shè)的核心內(nèi)容。

2.1 低影響開發(fā)系統(tǒng)

低影響開發(fā)是按照對城市生態(tài)環(huán)境影響最低的建設(shè)理念來對城市進行開發(fā)、規(guī)劃、建設(shè)、協(xié)調(diào)和管控。在此過程中，通過城市雨水徑流源頭控制機制和設(shè)計處理技術(shù)，有效控制雨水所帶來的徑流量，維持開發(fā)前后城市的自然水文循環(huán)狀態(tài)和水文特征基本不變。低影響開發(fā)主要指建構(gòu)和優(yōu)化城市水系，有效發(fā)揮城市自然水體的調(diào)節(jié)作用；規(guī)劃改造城市建設(shè)模塊，通過雨水調(diào)蓄系統(tǒng)保留和積存雨水等。低影響開發(fā)理念對城市規(guī)劃和管理產(chǎn)生了根本性的影響[7]，實現(xiàn)人和自然和諧共處，系統(tǒng)、可持續(xù)地解決城市水問題及水生態(tài)修復(fù)問題。

2.2 低影響開發(fā)設(shè)施

低影響開發(fā)設(shè)施是低影響開發(fā)中“滯、蓄、滲、凈、用、排”六維一體的綜合排水工程設(shè)施的總稱，包括：透水鋪裝、人工濕地、生物滯留設(shè)施、滲井、下沉式綠地、植草溝、植被緩沖帶等[8]。各類低影響開發(fā)設(shè)施的主要作用見表2。

表2 低影響開發(fā)設(shè)施分類及配置目的

3 海綿城市道路建設(shè)

傳統(tǒng)市政模式認為，雨水排得越多、越快、越通暢越好，傳統(tǒng)排水模式?jīng)]有考慮水的循環(huán)利用，加大了城市干旱和洪澇災(zāi)害的概率。海綿城市規(guī)劃設(shè)計統(tǒng)籌考慮城市建設(shè)中的內(nèi)澇防治、雨水資源化和水生態(tài)修復(fù)等問題。

3.1 海綿城市道路中技術(shù)設(shè)施

透水磚、透水混凝土、鵝卵石等是常見的透水路面鋪裝形式[9]。透水磚和透水混凝土鋪裝常用于人行道和非機動車道的鋪裝，透水瀝青混凝土鋪裝可用于機動車道。透水路面鋪狀可補充地下水，削減峰值流量，并能初步凈化雨水。道路路面鋪裝有半滲透性鋪裝和全滲透性鋪裝兩種方式。全滲透性鋪裝方式見圖2。路面構(gòu)造層次為面層、基層、墊層和土基。通過改變水的表面張力，全透式路面面層把雨水吸收到透水磚內(nèi)。透水性良好的基層主要起下滲作用。墊層不但排水，還能防止因毛細現(xiàn)象的水體上升，以保障路面的整體穩(wěn)定性。土基則能保存地下水，解決地基沉降并滿足植物水分補給問題。

圖2透水路面透水示意圖

植草溝在收集、輸送、排放徑流雨水方面具有一定的作用。植草溝建設(shè)及維護費用低，與景觀結(jié)合性好，但易受場地條件制約。種植植草溝的場地要求為：邊坡坡度宜在1∶3內(nèi)，縱坡坡度宜在4%以內(nèi)。

生物滯留設(shè)施常用于道路周邊綠化，一般是在地勢較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)對雨水進行“蓄”、“滲”、“凈”的設(shè)施。常見的設(shè)施有：雨水花園、生物滯留帶、生態(tài)樹池等。

3.2 城市徑流系數(shù)

杭州位于杭嘉湖平原地帶，區(qū)域內(nèi)水網(wǎng)縱橫、水域面積大，屬于天然的海綿城市。但隨著幾年來人口的聚集和經(jīng)濟的騰飛，城市內(nèi)的不透水區(qū)域快速攀升。后天的人力改變了整個區(qū)域內(nèi)匯水的天然布局，造成徑流系數(shù)的快速加大。

表3為工程應(yīng)用中常見材質(zhì)路面的雨水徑流系數(shù)。數(shù)據(jù)表明：透水磚面層的透水性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝土和瀝青路面，透水磚路面雨水的下滲率約為混凝土路面的6～7倍。根據(jù)杭州市城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定：12～18層高層建筑的建筑密度≤24%，容積率≤3.0。新建住宅小區(qū)綠化率為30%～40%，建筑密度20%～30%，道路廣場占地比重30%以上。如果能全部在廣場、停車場、人行道鋪設(shè)透水磚，保證徑流量水平不大于小區(qū)未開發(fā)前的徑流狀態(tài)，就可以極大地減少城市快速、大規(guī)模建設(shè)中的洪澇災(zāi)害所帶來的社會壓力。通過保證住宅小區(qū)內(nèi)的綠化率，限制建筑密度比、增加透水地面比率等途徑提高區(qū)域內(nèi)路面的排水排澇能力。

2014杭州年降水總量均值1 663.28 mm，地表水資源量161.31億m3，徑流深為965 mm，地表水資源量占浙江省地表水資源量的14.4%。綜合杭州2014年平均降雨量、徑流系數(shù)等數(shù)據(jù)后，按照占地面積為10 000 m2計算得出年降雨量(m3/a)，不同材質(zhì)路面年雨水下滲量(m3/a)、下滲率等數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同材質(zhì)路面的雨水下滲情況

透水混凝土徑流系數(shù)與降雨量關(guān)系見表4[10]?；炷谅访娈a(chǎn)匯流特點實驗中(25 min，小降雨量)，降雨量與徑流系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式為冪函數(shù)。

表4 混凝土路面徑流系數(shù)與降雨量

綜合考慮城區(qū)功能劃分、人口密集程度等因素后，杭州綜合徑流系數(shù)為0.6～0.8。實地抽樣調(diào)研結(jié)果表明：城市化程度高的區(qū)域，其徑流系數(shù)就大，兩者間的變化趨勢趨向于一致。

3.3 透水性鋪裝材料

透水性鋪裝材料具有良好的透水性、透氣性，高孔隙率等優(yōu)點。采用透水性鋪裝材料進行路面、廣場、人行道的鋪貼將有效減輕城市排水防澇系統(tǒng)的壓力。下雨天時，雨水通過路面透水鋪裝快速下滲到土基并被貯備在土壤中[11]，大大減少路面徑流；天氣放晴時，滲入透水地面下的水分蒸發(fā)入大氣中，有效補充空氣濕度、改善地面植物生存條件，減緩城市熱島現(xiàn)象的出現(xiàn)。由于其所帶來的優(yōu)良生態(tài)環(huán)境，透水性路面被形象地譽為“會呼吸”的路面。

目前常見的透水性鋪裝材料有：混凝土透水磚、砂透水磚、陶瓷透水磚等?；炷镣杆u是將砂、石用膠凝材料或黏結(jié)劑攪拌混合后壓制、養(yǎng)護而成。陶瓷透水磚以煤矸石、廢瓷磚、石英、高嶺土等工業(yè)廢渣和建筑垃圾為主制作而成。這種發(fā)展理念既重復(fù)利用了材料，減輕了環(huán)境污染[12-14]，又提高了經(jīng)濟效益，保護了整體的生態(tài)環(huán)境。

不同材質(zhì)透水磚的性能指標見表5[15]。影響透水磚選擇的主要因素是透水系數(shù)和透水持久性。砂基透水磚在透水系數(shù)和透水持久性中優(yōu)勢明顯。透水性路面可以降低地面70%～80%的徑流量，可降低排水系統(tǒng)建設(shè)成本的60%。

表5 透水磚實驗數(shù)據(jù)

注：透水持久性以1 g/L濃度的泥水滲透60 min時的透水系數(shù)表示。

3.4 工程案例

某市政道路全長28.9 km，為東西走向。道路標準斷面寬度為24 m，道路橫坡2%。道路所在地區(qū)年降水量1 712 mm。

在滿足路面載重要求、減緩內(nèi)澇和水災(zāi)、生態(tài)性和經(jīng)濟性好等業(yè)主要求前提下，項目按照以綠色生態(tài)功能為導(dǎo)向，考慮低影響開發(fā)控制性指標，實現(xiàn)實用性和觀賞性并重的原則進行設(shè)計。該道路設(shè)置12 m寬機動車道(瀝青混凝土路面)，兩側(cè)各3 m寬綠化帶，3 m寬非機動車道(人行道)。道路總面積為63.58萬m2。綠化帶和人行道承擔(dān)著路面雨水的調(diào)蓄作用。人行道為透水面磚鋪裝，雨水可快速滲入基層和土壤層中。綠化帶中設(shè)置LID樹池，樹木四周滿鋪草皮(設(shè)置1.5%坡度)和碎石緩沖帶，有效提高綠化帶對雨水的下滲量，減少水土流失，也賦予了道路豐富的立面效果。

根據(jù)本地的年均降雨量，得到年徑流總量控制率所對應(yīng)的設(shè)計降雨量。隨后計算出道路降雨總量，接下來運用加權(quán)平均法計算得到綜合雨量徑流系數(shù)。本例計算得到綜合雨量徑流系數(shù)為0.509，其中綠地、機動車道、人行道徑流系數(shù)分別取 0.160、0.890和0.240。

進行道路海面城市低影響雨水系統(tǒng)設(shè)計出的道路標準斷面見圖3。人行道鋪裝構(gòu)造層次(見圖4)為：① 200 mm×200 mm×60 mm透水磚面層；② 20 mm中砂找平層；③ 180 mm無砂透水混凝土基層；④ 120 mm級配碎石墊層；⑤ 土基夯實平整。

依據(jù)構(gòu)造層次的不同，人行道透水磚鋪設(shè)綜合單價為150 元/m2～180 元/m2，其中：無砂透水混凝土基層：50 元/m2～60 元/m2；級配碎石墊層：12 元/m2～18 元/m2；透水磚及找平層：80 元/m2～120 元/m2。本例中透水磚鋪設(shè)綜合單價為155.82 元/m2。透水磚鋪設(shè)綜合單價約為普通人行道地磚鋪設(shè)單價的1.2倍～1.4倍。雖然在建設(shè)期透水磚路面的前期投入比傳統(tǒng)路面大，但綜合考慮路面的生態(tài)效益和壽命期內(nèi)的整體建設(shè)效益，透水磚路面整體優(yōu)勢明顯。

圖3 道路設(shè)計斷面圖

圖4人行道透水磚鋪裝圖

4 結(jié) 論

隨著城市化和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市需要生態(tài)的、穩(wěn)定的、可持續(xù)發(fā)展的方法來保持和恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的健康。在不增加末端基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，打造一個表面布滿吸水孔洞的海綿城市，保證在降水期間雨水被飽滿吸收并排入水體，在需要時釋放和利用水[16]，這種思路是解決洪澇災(zāi)害和城市缺水兩種狀況并存的最好辦法。通過分析城市年徑流量去向及探討低影響開發(fā)，結(jié)合某市政道路工程案例進行了海綿城市道路建設(shè)中路面建設(shè)的規(guī)劃要求、城市綜合徑流系數(shù)、透水性鋪裝等問題的探究。