摘要

通過分析秦皇大道現(xiàn)狀雨水排放系統(tǒng)存在問題及其環(huán)境本底特征，在確保交通安全的前提下，依據(jù)低影響開發(fā)設(shè)計原則及規(guī)劃指標(biāo)要求，結(jié)合紅線內(nèi)外綠地空間與豎向條件，系統(tǒng)開展低影響改造及設(shè)施布局。

1 改造前基礎(chǔ)條件及問題分析

項(xiàng)目概況：

秦皇大道位于陜西西咸新區(qū)灃西新城核心區(qū)，是一條南北向城市主干道。道路北起統(tǒng)一路，南至橫八路，全長2.43 km，紅線寬度80 m，紅線外兩側(cè)各有35 m綠化退讓。2015年下半年，按照海綿城市建設(shè)要求啟動了改造工作。

基本條件分析：

氣象及降雨條件：在大氣環(huán)流和地形綜合作用下，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降水量520 mm，其中7~9月降雨占全年降雨量50％以上（見圖1），且多以暴雨形式出現(xiàn)（見圖2），極易造成洪、澇和水土流失等自然災(zāi)害。

水文地質(zhì)條件：

（1）地下水：區(qū)域地下水以大氣降水及地下徑流補(bǔ)給為主，直接補(bǔ)給來源為兩側(cè)渭河及灃河。地下水自南向北徑流，潛水位埋深7.9~16.1 m，目前處于緩慢下降趨勢，水位年變幅0.5～1.0 m。水質(zhì)類型為碳酸、硫酸、鈣、鉀、鈉型水。

（2）工程地質(zhì)：根據(jù)巖土工程勘察報告，擬建場地為非自重濕陷黃土場地，濕陷性等級為1級。區(qū)域上層原狀土中黃土狀土與粉質(zhì)黏土含量較高，下滲性能較差，難以滿足生物滯留設(shè)施雨水直接下滲要求。

下墊面條件：

 秦皇大道改造前，道路橫斷面設(shè)計如圖3所示。下墊面類型、面積及徑流系數(shù)取值參見表1。

豎向條件：

秦皇大道整體地勢平坦，場地標(biāo)高最低點(diǎn)387.43 m，最高點(diǎn)388.96 m，最大縱坡0.75%，最小縱坡0.35%，最小坡長190 m。道路縱坡一方面會引導(dǎo)雨水向低點(diǎn)匯聚，在管網(wǎng)傳輸能力不足時，容易造成積澇。

管網(wǎng)條件：

秦皇大道采用分流制排水系統(tǒng)，雨水管網(wǎng)已經(jīng)建成，主要收集路面及兩側(cè)地塊徑流。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2年一遇，管道埋深2~4 m，管徑DN500~1 000，服務(wù)面積63 hm2。

區(qū)域雨水組織排放及受納水體條件：

秦皇大道雨水管網(wǎng)分屬2大排水分區(qū)（見圖4）。其中北段（統(tǒng)一路-橫四路）位于渭河2#排水系統(tǒng)，雨水經(jīng)管網(wǎng)收集后由灃景路雨水泵站提升排入渭河，渭河（灃西段）現(xiàn)狀水質(zhì)呈地表水V類水平；南段（橫四路-橫八路）位于綠廊排水系統(tǒng)，雨水經(jīng)開元路向西排入新城雨洪調(diào)蓄樞紐單元——中心綠廊，其現(xiàn)狀水質(zhì)不低于地表水Ⅳ類。

改造面臨的突出問題及需求：

區(qū)域排水過度依賴末端提升，能耗高；雨水受納體水環(huán)境保護(hù)要求高，季節(jié)性面源污染風(fēng)險大；

傳統(tǒng)排水存在局限，控制能力不足，積水頻發(fā)，威脅區(qū)域交通安全。

土壤地質(zhì)環(huán)境特殊性為LID設(shè)計帶來挑戰(zhàn)：

 秦皇大道所在區(qū)域原狀土壤滲透性能較差，影響LID設(shè)施滲蓄功能發(fā)揮，如何改良原狀土，系統(tǒng)提升其透水、保水及截污凈化等性能成為首要解決的問題；區(qū)域地質(zhì)屬非自重濕陷性黃土，雖等級不高，但浸水發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、承載能力驟降、崩解沉降變形的風(fēng)險依舊很大，這就為開展LID設(shè)計時如何處理好雨水下滲和道路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)系帶來挑戰(zhàn)。

2 改造目標(biāo)確定

核心指標(biāo)——年徑流總量控制率確定

徑流體積控制：

依據(jù)住建部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，灃西新城位于我國大陸年徑流總量控制率第Ⅱ分區(qū)，雨水徑流總量宜控制在80%~85%(見圖5）；結(jié)合新城開發(fā)建設(shè)前本地水文及地質(zhì)特征，以開發(fā)后徑流總量不大于開發(fā)前為目標(biāo)，編制《灃西新城核心區(qū)低影響開發(fā)專項(xiàng)規(guī)劃》。根據(jù)低影響開發(fā)總體力度控制及LID設(shè)施區(qū)域配置要求，確定不同地塊年徑流總量控制分解指標(biāo)。其中秦皇大道年徑流總量控制率85%，對應(yīng)設(shè)計降雨量19.2 mm。

系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)：

 改造目標(biāo)如下：

（1）年徑流總量控制率達(dá)到85%，對應(yīng)設(shè)計降雨量19.2 mm。

（2）通過源頭LID建設(shè)，耦合管網(wǎng)及超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)，可有效應(yīng)對匯水區(qū)50年一遇暴雨。

（3）年徑流污染總量削減率（以TSS計）達(dá)到60%以上。

3 改造方案設(shè)計與實(shí)施

設(shè)計調(diào)蓄容積計算：

 子匯水分區(qū)劃分：通過豎向分析，秦皇大道現(xiàn)狀紅線范圍內(nèi)共有6個相對高點(diǎn)、5個相對低點(diǎn)，按照“高—低—高”方式將秦皇大道劃分為5個子匯水分區(qū)，分區(qū)域進(jìn)行控制（見圖6）。各子匯水分區(qū)道路橫斷面、下墊面情況基本一致。

綠地本身接近自然下墊面產(chǎn)匯流狀態(tài)，因而地塊內(nèi)綠地徑流可不考慮在所需控制容積內(nèi)，然而實(shí)踐中，綠地產(chǎn)流勢必匯入工程LID設(shè)施內(nèi)并占據(jù)一定蓄水空間，若僅考慮硬化區(qū)域徑流，則實(shí)際年徑流總量控制率可能低于設(shè)計值?？紤]上述因素，采用2種算法計算子匯水分區(qū)所需控制容積，對比分析后確定。

調(diào)蓄容積計算：

 以1號子匯水分區(qū)為例，計算所需控制容積如表2所示。項(xiàng)目設(shè)計考慮到實(shí)際建設(shè)時綠地產(chǎn)流匯入及既有喬木、管線和附屬構(gòu)筑物避讓等因素會導(dǎo)致LID設(shè)施有效容積衰減，故在算法Ⅱ確定的調(diào)蓄容積基礎(chǔ)上額外增加5%安全余量，得出1號子匯水分區(qū)總需控制容積為571.8 m3 。依此類推，詳細(xì)計算其他分區(qū)調(diào)蓄容積如表3所示。

工藝流程及設(shè)施選擇 ：

秦皇大道改造的核心思想為構(gòu)建“源頭減排、管網(wǎng)傳輸、排澇除險”相結(jié)合的綜合雨水管理系統(tǒng)（見圖7）。

設(shè)計中利用道路機(jī)非分隔帶、綠籬帶進(jìn)行下凹處理；通過低點(diǎn)路緣石開口，將機(jī)動、非機(jī)動車道雨水引入側(cè)分帶，并在路緣石豁口后設(shè)置攔污槽進(jìn)行截污、消能；機(jī)非分隔帶內(nèi)根據(jù)豎向變化，分段設(shè)置傳輸型草溝、生物滯留草溝和雨水花園，實(shí)現(xiàn)雨水分段傳輸、凈化與下滲；人行步道有機(jī)更新，將不透水鋪裝改造為透水鋪裝；通過上述措施有效實(shí)現(xiàn)雨水徑流及污染的源頭減排。在側(cè)分帶內(nèi)新增雨水溢流口，與現(xiàn)有雨水井連接，將超出LID設(shè)施容納能力的雨水溢流排放至現(xiàn)狀雨水管，充分發(fā)揮既有管網(wǎng)排水功能。

設(shè)施布局：

根據(jù)秦皇大道各子匯水分區(qū)所需調(diào)蓄容積及下墊面屬性，統(tǒng)籌考慮紅線內(nèi)外綠地空間及降雨控制條件（設(shè)計降雨和50年一遇降雨情形），結(jié)合LID設(shè)施徑流組織及管網(wǎng)銜接關(guān)系，合理開展設(shè)施布局（詳見圖8~圖10）。

設(shè)施規(guī)模試算與達(dá)標(biāo)分析：

 計算方法：

Vk=As(h1β1+h2β2+h3β3)ζ（4）

式中 Vk——設(shè)施控制調(diào)蓄容積，m3；

 As——設(shè)施面積，按垂直下滲水平投影面積計算，hm2；

 h1——設(shè)施臨時蓄水深度，m；

 h2——設(shè)施種植土層深度，m；

 h3——設(shè)施排蓄水層深度，m；

 β1、β2、β3——有效調(diào)蓄容積系數(shù)，根據(jù)各層介質(zhì)孔隙率、含水率、壓實(shí)度等屬性確定，本項(xiàng)目設(shè)計時β1取1、β2取0.3、β3取0.4；

 ζ——容積折減系數(shù)，根據(jù)設(shè)施橫斷面有效面積（扣除既有喬木、管線和附屬構(gòu)筑物避讓等所導(dǎo)致LID設(shè)施有效容積衰減的面積）占等寬、高的矩形面積比例確定。

設(shè)施控制容積計算及達(dá)標(biāo)情況：

 以1號子匯水分區(qū)為例，根據(jù)其采用的設(shè)施組合，計算設(shè)施控制容積如表4所示。

 依此類推，詳細(xì)計算5個子匯水分區(qū)設(shè)施控制容積，各分區(qū)設(shè)施控制總?cè)莘e均能滿足本分區(qū)調(diào)蓄容積需求（見表3）。經(jīng)核算，秦皇大道LID改造實(shí)際總控制容積2 887.5 m3，滿足設(shè)計調(diào)蓄容積2 851.6 m3的要求，反算相當(dāng)于20.9 mm降雨量，對應(yīng)年徑流總量控制率87%，滿足規(guī)劃控制目標(biāo)（85%，19.2 mm）要求。

LID改造后下墊面徑流系數(shù)變化：

秦皇大道改造后下墊面包括：瀝青路面、硬質(zhì)鋪裝、透水鋪裝、綠地4類，各類型下墊面面積及徑流系數(shù)取值參見表5。經(jīng)計算，改造后下墊面綜合雨量徑流系數(shù)為0.721，相比改造前（見表1）下降0.024，一定程度削減了區(qū)域雨水產(chǎn)流，緩解了徑流排放壓力。

典型設(shè)施節(jié)點(diǎn)設(shè)計：

側(cè)分帶LID設(shè)施做法：

 攔污槽：設(shè)計時在路牙開口處增設(shè)攔污槽（內(nèi)填10~25 mm建筑垃圾再生骨料）可有效濾除雨水雜質(zhì)、分散徑流并消能。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖11所示。

L型鋼筋混凝土防水擋墻：

 鑒于濕陷性黃土地質(zhì)雨水下滲威脅路基安全，改造時在進(jìn)水口處設(shè)計了一種“L”型鋼筋混凝土防水擋墻（見圖11），用于路基側(cè)向支擋及雨水側(cè)滲規(guī)避。

傳輸型草溝：

一種布置在側(cè)分帶起端入流處及樹木、檢查井等構(gòu)筑物基礎(chǔ)處，用于轉(zhuǎn)輸徑流。與道路縱坡同坡，只做表面下凹，底部不換填，種植35~50 mm高地被植物，草溝與車行道或輔道銜接處設(shè)置防滲土工布。另一種布置在道路紅線外綠化退讓內(nèi)，用于轉(zhuǎn)輸透水鋪裝排出的徑流雨水。2種結(jié)構(gòu)基本相同，做法詳見圖12。

生態(tài)滯留草溝、雨水花園：

植物是LID設(shè)施的重要組成。改造中，側(cè)分帶內(nèi)喬木保持不動，地被植物優(yōu)選根系發(fā)達(dá)、凈化力強(qiáng)、既耐澇又抗旱的本土植物栽植，并適當(dāng)搭配部分外來物種，以實(shí)現(xiàn)海綿與景觀功能的有機(jī)融合（見表6）。

人行道透水鋪裝做法：

秦皇大道兩側(cè)人行道下供電通信電纜管溝埋深較淺，僅有0.3 m。設(shè)計時，在保障路基強(qiáng)度和穩(wěn)定前提下，將人行道硬質(zhì)鋪裝改造為淺層透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)（兼有孔隙和縫隙透水），透水基層內(nèi)設(shè)置排水管并與紅線外傳輸型草溝銜接，形成局部雨水源頭滲滯系統(tǒng)（見圖14）。

低點(diǎn)行泄通道及調(diào)節(jié)塘做法：

秦皇大道共有5處高程低點(diǎn)，采用SWMM軟件進(jìn)行內(nèi)澇模擬發(fā)現(xiàn)：下游雨水管網(wǎng)通暢情況下，50年一遇暴雨發(fā)生時，有3處低點(diǎn)內(nèi)澇風(fēng)險較大。設(shè)計時充分利用項(xiàng)目紅線外35 m綠化退讓，在三處低點(diǎn)人行道下設(shè)置排水暗涵，將路上經(jīng)LID設(shè)施消納、管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸仍不能及時排除的澇水引至紅線外綠化帶中，通過分散式調(diào)節(jié)塘進(jìn)行澇水調(diào)節(jié)（見圖15）。

處澇水風(fēng)險點(diǎn)調(diào)節(jié)塘規(guī)模如表7所示，內(nèi)澇模擬參數(shù)詳見表8。表8中，

模擬方法：產(chǎn)流采用Horton扭損法，匯流采用Laurenson非線型法；

設(shè)計雨型：50年一遇24 h降雨（詳見圖2）；

邊界條件：秦皇大道排水組織，詳見2.1.6中圖4。管道參數(shù)為：

曼寧系數(shù)0.014，沿程阻力損失系數(shù)0.025，

進(jìn)口局部阻力損失系數(shù)0.5，出口局部阻力損失系數(shù)0.5。

4 改造效果

直觀效果(見圖16~圖17)

模擬評估及監(jiān)測分析：

年徑流總量控制率達(dá)標(biāo)分析

年徑流總量控制率基于多年日降雨量統(tǒng)計分析而來。考慮到降雨隨機(jī)性，本項(xiàng)目采用LID設(shè)施年徑流總量控制率對應(yīng)的24 h降雨進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示（見圖18a），24 h降雨量≤19.2 mm時，傳統(tǒng)開發(fā)模式秦皇大道匯水區(qū)徑流峰值流量q1=0.32 m3/s，LID改造后外排流量為0，削峰100%。

50年一遇24 h暴雨徑流峰值分析：

 50年一遇降雨模擬顯示（見圖18b），傳統(tǒng)開發(fā)模式徑流峰值流量q1=2.63 m3/s，LID改造后徑流峰值流量q2=2.23 m3/s，削峰15.2%；峰現(xiàn)時間較傳統(tǒng)開發(fā)模式滯后約5 min。

道路積水改善情況分析：

 秦皇大道改造前，1~2年一遇重現(xiàn)期降雨發(fā)生時，積水深度≥15 cm，時間≥2 h，面積≥500 m2的內(nèi)澇積水點(diǎn)共有3處（見圖19）。LID改造后，根據(jù)6場成澇監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定設(shè)計降雨條件下2處積水得到消除，1處積水顯著改善。對比改造前2015年8月2日（30.4 mm，5 h，2年一遇單峰降雨）與改造后2016年6月23日（31.4 mm，6 h，2年一遇單峰降雨）兩場相似暴雨發(fā)現(xiàn)：①②號積水點(diǎn)基本消除；③號積水點(diǎn)得到明顯緩解，最大積水面積減少70%，積水深度降低53%，積水時間縮短85%以上。

5 結(jié)論

 目前，秦皇大道已完成側(cè)分帶LID改造，正在進(jìn)行人行道透水鋪裝及紅線外調(diào)節(jié)塘建設(shè)。經(jīng)初步監(jiān)測與模擬分析，已發(fā)揮出較佳的海綿效益。