海绵城市视角下小区不透水基础设施改造设计研究

周 密

由于城市发展过程中增加的不透水下垫面（不透水路面、停车场和人行道等）占比增加，老城区常见“热岛效应”，易导致城市内涝现象，下垫面设施的透水性能常用径流系数表征，其数值大小直接影响地面雨水的径流量，因此对城市老旧小区中的不透水基础设施进行改造设计，降低其径流系数，对预防城市内涝、缓解城市积水、降低城市雨洪压力以及减少雨水径流污染具有积极作用[1]。

本文研究对象为某住宅小区的精品建设项目提质改造工程，社区规模为11.6 hm2，位于老城区的市中心地带，有两条城市次干道分别从东南和西北方向贯穿社区。该社区有市政雨水排水系统，雨水管道的管径为400 ～600 mm，在非机动车道下。社区老旧且人口密集，周边交通环境相对复杂，在设计和施工的过程中均要考虑对周边居民的影响。该社区的原下垫面类型如表1 所示。

表1 原下垫面类型

2.1 透水铺装

通过分析原下垫面类型发现，现有下垫面结构中，硬质地面、屋顶、不透水的车位和人行道等占比达到61%以上，透水设施的占比未达到海绵城市设计中“确保新建城区的硬化地面中可渗透地面面积不低于40%”的要求。因此，通过采取将不透水的硬质地面改造成透水铺装的设施来提高小区整体的透水设施占比。具体做法是将原不透水或透水性能低的部分，如原有的硬质地面、硬质屋顶等，改造成透水性能较高的结构形式，以降低设计区域整体的径流系数[2]。

透水铺装在小区改造设计的技术要点在于合理选用透水铺装材料和结构形式，当前用于透水铺装的材料主要有透水沥青、透水混凝土、透水砖等。其中，透水沥青路面多用于城市快速路、高速公路等需要具备一定负荷能力的机动车道路；
透水水泥混凝土多用于轻负荷的机动车道、人行道或园区内便捷道路；
透水砖则多用于人行道路。透水铺装结构从土基条件和交通量上可分为表层排水型、基层储排水型和全透型[3]。人行道透水铺装设计图如图1 所示，透水铺装结构层图如图2 所示。

图2 透水铺装结构层图（来源：作者自绘）

2.2 下沉式绿地

《海绵城市建设技术指南》中指出，通常情况下，下沉式绿地的年径流总量外排率为15%～20%[4]，这有利于消减降雨的峰值流量。

本项目中采用的下沉式绿地的构造至上而下设置蓄水层、植被及种植土层、碎石垫层和原土，设计中对级配碎石的孔隙率、压实度和公称粒径等提出了具体要求，如连续孔隙率不小于10%，压实度达到93%，公称最大粒径不宜大于26.5 mm 等，以达到空隙均匀、调蓄净化的目的。下沉式绿地在小区改造设计的技术要点在于道路横断面设计应优化道路横坡坡向、路面与道路绿化带及周边绿地的竖向关系，便于径流雨水汇入绿地内。

因此，在设计时绿地与周边地块衔接处设计1 ∶3 自然放坡，同时考虑路沿石开孔等施工技术措施，以便周边地块的径流雨水能够顺利且迅速地排入下沉式绿地中。图3 为下沉式绿地设计图，具体长度根据溢流口的位置确定。

图3 下沉式绿地设计图（来源：作者自绘）

2.3 生态植草沟

生态植草沟的作用机理跟下沉式绿地有一定的相似之处，主要利用植被和人工填料来截流、入渗道路的地表径流，然后通过溢流管将超标雨水排入市政排水系统。生态植草沟的设计常需要与现场地势相结合，尽量利用现有地势较低处的原有天然沟渠，结合植物、土壤和微生物系统的蓄渗、净化作用，起到分流雨水的目的[5]。

生态植草沟在小区改造设计的技术要点在于处理好与道路绿化带的关系，当生态植草用于道路绿化带时，按其设计的位置不同可分为雨水花园、生物滞留带、高位花坛及生态树池等不同的作用形式。一般来说，生物滞留设施宜分散布置且规模不宜过大，生物滞留设施面积与汇水面面积之比一般为5%～10%，生物滞留设施结构层外侧及底部应设置高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）防渗膜，防止周围原土侵入，内部采用砾石和种植土填料，符合植物种植及园林绿化养护管理技术要求。生态植草沟设计如图4 所示。

图4 生态植草沟设计（来源：作者自绘）

项目划分为4 个海绵设计区，以一区为例，通过“海绵”设计改造后，地面径流关系如图5 所示。在一区的改造设计中，利用现有地形将小区西侧地势较低地段的原始绿地，改造设计成下凹绿地并下置蓄水池，使雨水渗透的同时又能收集超标雨水，待雨水峰值过后排放至市政雨水管网系统。一区设置分散性生物滞留设施，主要适用于建筑、道路及停车场的周边绿地，地面径流通过自然坡度衔接或路沿石开孔回流到植草沟。其他海绵设计分区的总体方案皆采用低冲击开发（Low Impact Development，LID）设计模式，将不透水的灰色基础设施与透水的绿色生态系统有效结合，充分发挥绿地、透水铺装等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用[6]。设计方案中针对LID设施，距离建筑基础水平距离小于3 m，或在靠近机动车道等雨水下渗易造成影响的区域，于设施外侧设置防渗，防止次生灾害发生[4]。在下沉式绿地中通常会设置溢流口，LID 设施设置溢流口一般高出绿地100 mm，溢流口设置距离通常不超过50 m。

图5 地面径流关系图（来源：作者自绘）

目前，我国正大力推进海绵型城市建设，其本质在于改变传统城市道路雨水系统“以快排为主”的建设理念，充分利用城市的绿地、生态滞留设施、透水铺装等LID 技术，使城市开发建设后的水文特征接近开发前的状态。本项目通过改造设计，下垫面类型发生了明显的变化，其主要参数如表2 所示。

表2 改造后的下垫面类型

为充分发挥透水铺装、生态植草沟等“海绵型排水设施”对雨水的吸纳、蓄渗和净化等作用，本文提出海绵城市的改造措施。

通过研究透水铺装路面结构类型及径流关系，构建透水铺装路面、绿色生态沟渠与排水管渠系统结合的排水系统，合理布局不透水的基础设施与透水设施，并针对不透水设施提出改造方案，利用道路、植草沟、透水铺装、管道系统等多种结构综合排水。从改造前后的下垫面分析数据可以看出，径流系数明显降低，为建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市提供重要保障，完全符合海绵城市建设理念和发展需求，具有广阔的应用前景。