【给排水精品案例】第二十五期：海绵城市经典案例之西咸新区沣西新城秦皇大道

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项目概况：

秦皇大道位于陕西西咸新区沣西新城核心区，是一条南北向城市主干道。道路北起统一路，南至横八路，全长2.43 km，红线宽度80 m，红线外两侧各有35 m绿化退让。2015年下半年，按照海绵城市建设要求启动了改造工作。

基本条件分析：

气象及降雨条件：在大气环流和地形综合作用下，夏季炎热多雨，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（见图1），且多以暴雨形式出现（见图2），极易造成洪、涝和水土流失等自然灾害。

水文地质条件：

 （1）地下水：区域地下水以大气降水及地下径流补给为主，直接补给来源为两侧渭河及沣河。地下水自南向北径流，潜水位埋深7.9~16.1 m，目前处于缓慢下降趋势，水位年变幅0.5～1.0 m。水质类型为碳酸、硫酸、钙、钾、钠型水。

（2）工程地质：根据岩土工程勘察报告，拟建场地为非自重湿陷黄土场地，湿陷性等级为1级。区域上层原状土中黄土状土与粉质黏土含量较高，下渗性能较差，难以满足生物滞留设施雨水直接下渗要求。

下垫面条件：

 秦皇大道改造前，道路横断面设计如图3所示。下垫面类型、面积及径流系数取值参见表1。

竖向条件：

秦皇大道整体地势平坦，场地标高最低点387.43 m，最高点388.96 m，最大纵坡0.75%，最小纵坡0.35%，最小坡长190 m。道路纵坡一方面会引导雨水向低点汇聚，在管网传输能力不足时，容易造成积涝。

管网条件：

秦皇大道采用分流制排水系统，雨水管网已经建成，主要收集路面及两侧地块径流。设计标准2年一遇，管道埋深2~4 m，管径DN500~1 000，服务面积63 hm2。

区域雨水组织排放及受纳水体条件：

秦皇大道雨水管网分属2大排水分区（见图4）。其中北段（统一路-横四路）位于渭河2#排水系统，雨水经管网收集后由沣景路雨水泵站提升排入渭河，渭河（沣西段）现状水质呈地表水V类水平；南段（横四路-横八路）位于绿廊排水系统，雨水经开元路向西排入新城雨洪调蓄枢纽单元——中心绿廊，其现状水质不低于地表水Ⅳ类。

改造面临的突出问题及需求：

区域排水过度依赖末端提升，能耗高；雨水受纳体水环境保护要求高，季节性面源污染风险大；

传统排水存在局限，控制能力不足，积水频发，威胁区域交通安全。

土壤地质环境特殊性为LID设计带来挑战：

 秦皇大道所在区域原状土壤渗透性能较差，影响LID设施渗蓄功能发挥，如何改良原状土，系统提升其透水、保水及截污净化等性能成为首要解决的问题；区域地质属非自重湿陷性黄土，虽等级不高，但浸水发生结构破坏、承载能力骤降、崩解沉降变形的风险依旧很大，这就为开展LID设计时如何处理好雨水下渗和道路基础结构安全的关系带来挑战。

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核心指标——年径流总量控制率确定

径流体积控制：

依据住建部发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，沣西新城位于我国大陆年径流总量控制率第Ⅱ分区，雨水径流总量宜控制在80%~85%(见图5）；结合新城开发建设前本地水文及地质特征，以开发后径流总量不大于开发前为目标，编制《沣西新城核心区低影响开发专项规划》。

根据低影响开发总体力度控制及LID设施区域配置要求，确定不同地块年径流总量控制分解指标。其中秦皇大道年径流总量控制率85%，对应设计降雨量19.2 mm。

系统建设目标：

改造目标如下：

（1）年径流总量控制率达到85%，对应设计降雨量19.2 mm。

（2）通过源头LID建设，耦合管网及超标雨水径流排放系统，可有效应对汇水区50年一遇暴雨。

（3）年径流污染总量削减率（以TSS计）达到60%以上。

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设计调蓄容积计算：

子汇水分区划分：

通过竖向分析，秦皇大道现状红线范围内共有6个相对高点、5个相对低点，按照“高—低—高”方式将秦皇大道划分为5个子汇水分区，分区域进行控制（见图6）。各子汇水分区道路横断面、下垫面情况基本一致。

绿地本身接近自然下垫面产汇流状态，因而地块内绿地径流可不考虑在所需控制容积内，然而实践中，绿地产流势必汇入工程LID设施内并占据一定蓄水空间，若仅考虑硬化区域径流，则实际年径流总量控制率可能低于设计值。

考虑上述因素，采用2种算法计算子汇水分区所需控制容积，对比分析后确定。

调蓄容积计算：

 以1号子汇水分区为例，计算所需控制容积如表2所示。项目设计考虑到实际建设时绿地产流汇入及既有乔木、管线和附属构筑物避让等因素会导致LID设施有效容积衰减，故在算法Ⅱ确定的调蓄容积基础上额外增加5%安全余量，得出1号子汇水分区总需控制容积为571.8 m3 。依此类推，详细计算其他分区调蓄容积如表3所示。

工艺流程及设施选择 ：

秦皇大道改造的核心思想为构建“源头减排、管网传输、排涝除险”相结合的综合雨水管理系统（见图7）。

设计中利用道路机非分隔带、绿篱带进行下凹处理；通过低点路缘石开口，将机动、非机动车道雨水引入侧分带，并在路缘石豁口后设置拦污槽进行截污、消能；机非分隔带内根据竖向变化，分段设置传输型草沟、生物滞留草沟和雨水花园，实现雨水分段传输、净化与下渗；人行步道有机更新，将不透水铺装改造为透水铺装；通过上述措施有效实现雨水径流及污染的源头减排。在侧分带内新增雨水溢流口，与现有雨水井连接，将超出LID设施容纳能力的雨水溢流排放至现状雨水管，充分发挥既有管网排水功能。

设施布局：

根据秦皇大道各子汇水分区所需调蓄容积及下垫面属性，统筹考虑红线内外绿地空间及降雨控制条件（设计降雨和50年一遇降雨情形），结合LID设施径流组织及管网衔接关系，合理开展设施布局（详见图8~图10）。

设施规模试算与达标分析：

 计算方法：

Vk=As(h1β1+h2β2+h3β3)ζ（4）

式中 Vk——设施控制调蓄容积，m3；

 As——设施面积，按垂直下渗水平投影面积计算，hm2；

 h1——设施临时蓄水深度，m；

 h2——设施种植土层深度，m；

 h3——设施排蓄水层深度，m；

 β1、β2、β3——有效调蓄容积系数，根据各层介质孔隙率、含水率、压实度等属性确定，本项目设计时β1取1、β2取0.3、β3取0.4；

 ζ——容积折减系数，根据设施横断面有效面积（扣除既有乔木、管线和附属构筑物避让等所导致LID设施有效容积衰减的面积）占等宽、高的矩形面积比例确定。

设施控制容积计算及达标情况：

 以1号子汇水分区为例，根据其采用的设施组合，计算设施控制容积如表4所示。

 依此类推，详细计算5个子汇水分区设施控制容积，各分区设施控制总容积均能满足本分区调蓄容积需求（见表3）。经核算，秦皇大道LID改造实际总控制容积2 887.5 m3，满足设计调蓄容积2 851.6 m3的要求，反算相当于20.9 mm降雨量，对应年径流总量控制率87%，满足规划控制目标（85%，19.2 mm）要求。

LID改造后下垫面径流系数变化：

秦皇大道改造后下垫面包括：沥青路面、硬质铺装、透水铺装、绿地4类，各类型下垫面面积及径流系数取值参见表5。经计算，改造后下垫面综合雨量径流系数为0.721，相比改造前（见表1）下降0.024，一定程度削减了区域雨水产流，缓解了径流排放压力。

典型设施节点设计：

侧分带LID设施做法：

 拦污槽：设计时在路牙开口处增设拦污槽（内填10~25 mm建筑垃圾再生骨料）可有效滤除雨水杂质、分散径流并消能。其结构设计如图11所示。

L型钢筋混凝土防水挡墙：

 鉴于湿陷性黄土地质雨水下渗威胁路基安全，改造时在进水口处设计了一种“L”型钢筋混凝土防水挡墙（见图11），用于路基侧向支挡及雨水侧渗规避。

传输型草沟：

一种布置在侧分带起端入流处及树木、检查井等构筑物基础处，用于转输径流。与道路纵坡同坡，只做表面下凹，底部不换填，种植35~50 mm高地被植物，草沟与车行道或辅道衔接处设置防渗土工布。另一种布置在道路红线外绿化退让内，用于转输透水铺装排出的径流雨水。2种结构基本相同，做法详见图12。

生态滞留草沟、雨水花园：

植物是LID设施的重要组成。改造中，侧分带内乔木保持不动，地被植物优选根系发达、净化力强、既耐涝又抗旱的本土植物栽植，并适当搭配部分外来物种，以实现海绵与景观功能的有机融合（见表6）。

人行道透水铺装做法：

秦皇大道两侧人行道下供电通信电缆管沟埋深较浅，仅有0.3 m。设计时，在保障路基强度和稳定前提下，将人行道硬质铺装改造为浅层透水砖铺装结构（兼有孔隙和缝隙透水），透水基层内设置排水管并与红线外传输型草沟衔接，形成局部雨水源头渗滞系统（见图14）。

低点行泄通道及调节塘做法：

秦皇大道共有5处高程低点，采用SWMM软件进行内涝模拟发现：下游雨水管网通畅情况下，50年一遇暴雨发生时，有3处低点内涝风险较大。设计时充分利用项目红线外35 m绿化退让，在三处低点人行道下设置排水暗涵，将路上经LID设施消纳、管网转输仍不能及时排除的涝水引至红线外绿化带中，通过分散式调节塘进行涝水调节（见图15）。

处涝水风险点调节塘规模如表7所示，内涝模拟参数详见表8。

表8中：

模拟方法：产流采用Horton扭损法，汇流采用Laurenson非线型法；

设计雨型：50年一遇24 h降雨（详见图2）；

边界条件：秦皇大道排水组织，详见2.1.6中图4；

管道参数为：曼宁系数0.014，沿程阻力损失系数0.025，进口局部阻力损失系数0.5，出口局部阻力损失系数0.5。

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直观效果(见图16~图17)

模拟评估及监测分析：

年径流总量控制率达标分析

年径流总量控制率基于多年日降雨量统计分析而来。考虑到降雨随机性，本项目采用LID设施年径流总量控制率对应的24 h降雨进行模拟。结果显示（见图18a），24 h降雨量≤19.2 mm时，传统开发模式秦皇大道汇水区径流峰值流量q1=0.32 m3/s，LID改造后外排流量为0，削峰100%。

50年一遇24 h暴雨径流峰值分析：

 50年一遇降雨模拟显示（见图18b），传统开发模式径流峰值流量q1=2.63 m3/s，LID改造后径流峰值流量q2=2.23 m3/s，削峰15.2%；峰现时间较传统开发模式滞后约5 min。

道路积水改善情况分析：

 秦皇大道改造前，1~2年一遇重现期降雨发生时，积水深度≥15 cm，时间≥2 h，面积≥500 m2的内涝积水点共有3处（见图19）。LID改造后，根据6场成涝监测数据，确定设计降雨条件下2处积水得到消除，1处积水显著改善。对比改造前2015年8月2日（30.4 mm，5 h，2年一遇单峰降雨）与改造后2016年6月23日（31.4 mm，6 h，2年一遇单峰降雨）两场相似暴雨发现：①②号积水点基本消除；③号积水点得到明显缓解，最大积水面积减少70%，积水深度降低53%，积水时间缩短85%以上。