城市绿色道路径流雨水控制利用与设计

时间：2024-07-28

朱敏，党清平

(1.中国市政工程西南设计研究总院深圳分院，广东深圳518003；2.深圳市市政工程咨询中心有限公司，广东深圳518028)

随着城市化的进程，郊区、农村、山林逐渐被城区、道路取代，人类的建设改变了地表原始地形和天然的排水流域，大部分降水无法渗入地面进行自然水循环，而是漫流进入道路雨水管渠排直接排入江河水体，这样无疑加大了径流量，缩短了汇流时间，最终增大了雨洪流量和洪峰峰值，导致城市水患加剧，内涝灾害频发。道路作为城市重要组成部分，其下埋设的雨水系统对雨、洪排放至关重要。采用低冲击模式建设绿色城市道路，雨水系统设计遵循自然水循环规律，还原降水分配，合理规划降水过程中下渗、滞留以及回用的雨水量，实现雨水的下渗、收集、回用以及排放等过程的控制，有效减少因暴雨而引发的洪涝灾害，同时开辟水资源利用的新途径。

1 城市绿色道路径流控制目标

一个自然植被覆盖的林区，雨水下渗量、蒸发量和地表径流量分别约占降雨总量的50 %、40 %、10 %；而城市化后硬地比例大大增加，以商业区为例，不透水地面的比例高达60 %～90 %，雨水下渗量和蒸发量迅速下降为降雨总量的5 %和20 %左右，地表径流量则增加至降雨总量的75 %，增大了雨水管渠的负担。城市绿色道路是以低冲击开发为目标，使建成区域内的雨水径流量、地面污染物排放量基本维持在开发前水平，对周边环境几乎无影响或者有较小影响，具体要求是规划控制径流雨水，增大其下渗量和回用率，使其接近开发前的状态，从而减少地面径流。深圳市规定采用低冲击开发的道路雨量径流系数不大于0.40。

2 道路径流雨水水质分析及利用性

城市市政道路主要由车道、人行道和绿地组成，除了路面雨水，雨水系统还接收附近地块的径流雨水。径流雨水水质与地理环境、周边地块性质、道路等级、降雨强度和降雨历时有密不可分的关系。降雨初期雨水由于面源污染，水质较差，根据交通量和地块属性初雨水质有以下四类。

I类：以绿地为主道路初雨SS在100 mg/L以下，COD小于100 mg/L；

II类：轻交通量道路、居住小区道路初雨SS在100～400 mg/L之间，COD在100～400 mg/L之间；

III类：中交通量道路、公共建筑、商业区道路初雨SS在500～1 000 mg/L之间，COD在400～800 mg/L之间；

IV类：重交通量道路初雨SS大于1 000 mg/L，COD大于800 mg/L。

可见初雨水质指标远超再生水回用指标，如作为回用系统的源水利用则需进行处理，其处理流程复杂、投资回报和利用性较低，故一般弃流初雨；随着环境保护意识的增强，部分地区收集初雨后排入污水系统或简单处理后排入附近水体。在无实测资料时，地面弃流可按照3～5 mm径流厚度计[1]。

I、II、III类区域弃流后的雨水较为清洁，可作为回用系统源水，经过沉淀、过滤和消毒等工艺后回用。

IV类区域路面污染较为严重，建议其地面径流不作为回收系统源水用。

3 道路雨水控制利用系统概述

绿色道路雨水工程设计包括雨水水质分析，确定雨水分流形式、用途和排放途径，并进行相应的收集、调蓄、处理、回用和排放等系统设计。

道路雨水控制利用示意图详见图1。

4 绿色道路低冲击开发设计

以深圳市某道路设计为例，该路利用下凹绿地、透水路面以及雨水收集回用系统，达到分流雨水、控制路面径流、缓解暴雨对雨水收集管路和排放水体的冲击。

4.1 雨水水质分析

道路位于深圳东北部，地处规划商住混合区，由于无实测径流水质资料，故参考II类轻交通量道路初雨指标和澳门类似道路监测数据进行分析。表1中数据分别为澳门商住混合区地面径流实测数据、地表水V类标准、城镇杂用水(城市绿化)和景观环境用水的再生水水质(河道类)的相关指标。

图1 道路雨水控制利用示意

由表1可以看出，商住混合区地面径流水CODMn和TSS平均值为67.97 mg/L和119.3 mg/L，超过地表V类水、绿化和观赏性景观水标准；TP的平均值超过V类和观赏性景观水指标；TN的平均值在绿化和观赏性景观水标准内，但是超过V类水体标准；Cu、Zn、Pb均满足V类水体要求。如果考虑弃流初雨仅收集较洁净雨水，后期地面径流指标会优于以上数据。故设计弃流径流厚度不低于5 mm，弃流后的雨水进入收集系统。

4.2 设计参数

4.2.1 设计重现期和暴雨强度公式

根据该道路所处地区性质、地形和气候特征，雨水系统设计重现期采用2年，暴雨强度公式为：

表1 澳门商住混合区、公园绿地地面径流监测数据及相关标准指标

注：( )内数字为平均值。

q=1455.259/(t+4.097)0.518[(L/(s·hm2)]

式中：t为降雨历时(min)t=t1+mt2。

t1为地面集雨时间(min)，街坊取t1=8～12 min;m为折减系数，当地面坡度<0.002时,取m=2；当地面坡度在0.002～0.005之间时,取m=1.5；当地面坡度>0.005时,取m=1。

t2为管内流行时间(min)。

4.2.2 渗透系数

雨水入渗系数的土壤渗透系数宜为10-6～10-3m/s[1]。针对深圳市，25℃时，绿地表层土壤渗透系数约1.2×10-5m/s[3]。

该项目道路地下水埋深大于1.0 m，满足雨水渗透的水文地质要求。

4.2.3 综合径流系数

根据规范，车行道路面径流系数为0.85～0.90，人行道径流系数为0.50～0.60。设计引入低冲击建设绿色道路理念，综合径流系数目标为0.4。径流系数采用加权平均法进行计算，结果如表2。

表2 道路面积与综合径流系数计算表

注：道路总宽36 m，以100 m道路计。

4.3 工程方案设计

4.3.1 下凹式绿地

下凹式绿地是一种渗透贮存设施，在一定程度上可弥补降水和渗透的不均衡，减少硬化地面的外排水量，分流雨水，同时可减缓径流洪峰，起到调蓄作用。

常规道路绿地高出车行道0.15 m，地面径流雨水通过设置在车行道道牙处雨水口收集，如图2，这样车行道的雨水全部进入雨水管道，给管路系统带来不小的冲击。

图2 常规道路横断面布置

综合植物截流、土壤蓄水、植被耐淹性等因素考虑，将绿地标高降低0.15 m，形成下凹绿地。雨水由设置在绿地内或车行道和绿地交接处的溢流雨水口收集，雨水口顶冒出绿地0.05 m，低于车行道和人行道0.10 m，具体高程详见图3。经过绿地下凹设计，第一，使非绿地铺装表面产生的初雨汇入下凹绿地，通过土壤的过滤截再渗进入地下水循环系统，起到了弃流及净化的作用；第二，由于雨水口高出绿地约0.05 m，大到暴雨时可起到调蓄作用；第三，雨水口收集的上层较洁净的雨水便于后续回收利用。

图3 绿色道路横断面布置

4.3.2 人行道透水路面设计

人行道采用透水砖和透水基础。透水砖是以无机非金属材料为主要原料，经过成型工艺处理后制成的，具有较强透水性能，规范规定透水系数≥0.3 mm/s(一等品)；保水系数≥1.0 g/cm2[4]。透水砖下渗系数大于0.07 m/s时可保证2年重现期暴雨初期雨水全部下渗。设计采用透水系数≥0.5 mm/s高性能透水砖。为了便于雨水滞留，人行道设计坡度不大于2 %。

透水路面除了有渗透雨水降低径流的作用，还有过滤污染物的作用。人行道设置透水铺装地砖和透水基础，可以去除SS 50 %～70 %，COD 30 %～53 %。

4.3.3 雨水管道收集系统

收集系统由雨水口和雨水管道组成。为防治树叶、垃圾和较大悬浮固体等污染物进入，在雨水箅子下设置截污挂篮。在雨水管道间隔约150 m左右设置雨水沉泥井，并定期人工清理，保证雨水收集系统不被阻塞。

由于本道路路幅限制，无富裕地面设置调蓄和处理系统，所以将雨水输送至下游2 km外空地统一处理。

经过低冲击设计，径流雨水量减少约22 %，减小了下游雨水管道直径，节约了投资。另外，远期的雨水回用后，还可以提供该区域的绿化用水，社会、环境、经济效益明显。

4.3.4 路基处理

路基是道路的重要组成部分。为避免雨水浸入路基及路面结构层，造成道路整体强度下降，影响道路使用寿命，在分隔带两侧与路基相接处，采取防水处理措施，阻止雨水浸入道路路基范围，使多余的雨水通过溢流雨水口进入雨水管道系统，保证路基的整体稳定性。