摘要
通過分析秦皇大道現狀雨水排放系統存在問題及其環境本底特征，在確保交通安全的前提下，依據低影響開發設計原則及規劃指標要求，結合紅線內外綠地空間與豎向條件，系統開展低影響改造及設施布局。
1 改造前基礎條件及問題分析
項目概況：
秦皇大道位于陜西西咸新區灃西新城核心區，是一條南北向城市主干道。道路北起統一路，南至橫八路，全長2.43 km，紅線寬度80 m，紅線外兩側各有35 m綠化退讓。2015年下半年，按照海綿城市建設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（見圖2），極易造成洪、澇和水土流失等自然災害。
水文地質條件：
（1）地下水：區域地下水以大氣降水及地下徑流補給為主，直接補給來源為兩側渭河及灃河。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。水質類型為碳酸、硫酸、鈣、鉀、鈉型水。
（2）工程地質：根據巖土工程勘察報告，擬建場地為非自重濕陷黃土場地，濕陷性等級為1級。區域上層原狀土中黃土狀土與粉質黏土含量較高，下滲性能較差，難以滿足生物滯留設施雨水直接下滲要求。
下墊面條件：
秦皇大道改造前，道路橫斷面設計如圖3所示。下墊面類型、面積及徑流系數取值參見表1。
豎向條件：
秦皇大道整體地勢平坦，場地標高最低點387.43 m，最高點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雨水向低點匯聚，在管網傳輸能力不足時，容易造成積澇。
管網條件：
秦皇大道采用分流制排水系統，雨水管網已經建成，主要收集路面及兩側地塊徑流。設計標準2年一遇，管道埋深2~4 m，管徑DN500~1 000，服務面積63 hm2。
區域雨水組織排放及受納水體條件：
秦皇大道雨水管網分屬2大排水分區（見圖4）。其中北段（統一路-橫四路）位于渭河2#排水系統，雨水經管網收集后由灃景路雨水泵站提升排入渭河，渭河（灃西段）現狀水質呈地表水V類水平；南段（橫四路-橫八路）位于綠廊排水系統，雨水經開元路向西排入新城雨洪調蓄樞紐單元——中心綠廊，其現狀水質不低于地表水Ⅳ類。
改造面臨的突出問題及需求：
區域排水過度依賴末端提升，能耗高；雨水受納體水環境保護要求高，季節性面源污染風險大；
傳統排水存在局限，控制能力不足，積水頻發，威脅區域交通安全。
土壤地質環境特殊性為LID設計帶來挑戰：
秦皇大道所在區域原狀土壤滲透性能較差，影響LID設施滲蓄功能發揮，如何改良原狀土，系統提升其透水、保水及截污凈化等性能成為首要解決的問題；區域地質屬非自重濕陷性黃土，雖等級不高，但浸水發生結構破壞、承載能力驟降、崩解沉降變形的風險依舊很大，這就為開展LID設計時如何處理好雨水下滲和道路基礎結構安全的關系帶來挑戰。
2 改造目標確定
核心指標——年徑流總量控制率確定
徑流體積控制：
依據住建部發布的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，灃西新城位于我國大陸年徑流總量控制率第Ⅱ分區，雨水徑流總量宜控制在80%~85%(見圖5）；結合新城開發建設前本地水文及地質特征，以開發后徑流總量不大于開發前為目標，編制《灃西新城核心區低影響開發專項規劃》。根據低影響開發總體力度控制及LID設施區域配置要求，確定不同地塊年徑流總量控制分解指標。其中秦皇大道年徑流總量控制率85%，對應設計降雨量19.2 mm。
系統建設目標：
改造目標如下：
（1）年徑流總量控制率達到85%，對應設計降雨量19.2 mm。
（2）通過源頭LID建設，耦合管網及超標雨水徑流排放系統，可有效應對匯水區50年一遇暴雨。
（3）年徑流污染總量削減率（以TSS計）達到60%以上。
3 改造方案設計與實施
設計調蓄容積計算：
子匯水分區劃分：通過豎向分析，秦皇大道現狀紅線范圍內共有6個相對高點、5個相對低點，按照“高—低—高”方式將秦皇大道劃分為5個子匯水分區，分區域進行控制（見圖6）。各子匯水分區道路橫斷面、下墊面情況基本一致。
綠地本身接近自然下墊面產匯流狀態，因而地塊內綠地徑流可不考慮在所需控制容積內，然而實踐中，綠地產流勢必匯入工程LID設施內并占據一定蓄水空間，若僅考慮硬化區域徑流，則實際年徑流總量控制率可能低于設計值。考慮上述因素，采用2種算法計算子匯水分區所需控制容積，對比分析后確定。
調蓄容積計算：
以1號子匯水分區為例，計算所需控制容積如表2所示。項目設計考慮到實際建設時綠地產流匯入及既有喬木、管線和附屬構筑物避讓等因素會導致LID設施有效容積衰減，故在算法Ⅱ確定的調蓄容積基礎上額外增加5%安全余量，得出1號子匯水分區總需控制容積為571.8 m3 。依此類推，詳細計算其他分區調蓄容積如表3所示。
工藝流程及設施選擇 ：
秦皇大道改造的核心思想為構建“源頭減排、管網傳輸、排澇除險”相結合的綜合雨水管理系統（見圖7）。
設計中利用道路機非分隔帶、綠籬帶進行下凹處理；通過低點路緣石開口，將機動、非機動車道雨水引入側分帶，并在路緣石豁口后設置攔污槽進行截污、消能；機非分隔帶內根據豎向變化，分段設置傳輸型草溝、生物滯留草溝和雨水花園，實現雨水分段傳輸、凈化與下滲；人行步道有機更新，將不透水鋪裝改造為透水鋪裝；通過上述措施有效實現雨水徑流及污染的源頭減排。在側分帶內新增雨水溢流口，與現有雨水井連接，將超出LID設施容納能力的雨水溢流排放至現狀雨水管，充分發揮既有管網排水功能。
設施布局：
根據秦皇大道各子匯水分區所需調蓄容積及下墊面屬性，統籌考慮紅線內外綠地空間及降雨控制條件（設計降雨和50年一遇降雨情形），結合LID設施徑流組織及管網銜接關系，合理開展設施布局（詳見圖8~圖10）。
設施規模試算與達標分析：
計算方法：
Vk=As(h1β1+h2β2+h3β3)ζ（4）
式中 Vk——設施控制調蓄容積，m3；
As——設施面積，按垂直下滲水平投影面積計算，hm2；
h1——設施臨時蓄水深度，m；
h2——設施種植土層深度，m；
h3——設施排蓄水層深度，m；
β1、β2、β3——有效調蓄容積系數，根據各層介質孔隙率、含水率、壓實度等屬性確定，本項目設計時β1取1、β2取0.3、β3取0.4；
ζ——容積折減系數，根據設施橫斷面有效面積（扣除既有喬木、管線和附屬構筑物避讓等所導致LID設施有效容積衰減的面積）占等寬、高的矩形面積比例確定。
設施控制容積計算及達標情況：
以1號子匯水分區為例，根據其采用的設施組合，計算設施控制容積如表4所示。
依此類推，詳細計算5個子匯水分區設施控制容積，各分區設施控制總容積均能滿足本分區調蓄容積需求（見表3）。經核算，秦皇大道LID改造實際總控制容積2 887.5 m3，滿足設計調蓄容積2 851.6 m3的要求，反算相當于20.9 mm降雨量，對應年徑流總量控制率87%，滿足規劃控制目標（85%，19.2 mm）要求。
LID改造后下墊面徑流系數變化：
秦皇大道改造后下墊面包括：瀝青路面、硬質鋪裝、透水鋪裝、綠地4類，各類型下墊面面積及徑流系數取值參見表5。經計算，改造后下墊面綜合雨量徑流系數為0.721，相比改造前（見表1）下降0.024，一定程度削減了區域雨水產流，緩解了徑流排放壓力。
典型設施節點設計：
側分帶LID設施做法：
攔污槽：設計時在路牙開口處增設攔污槽（內填10~25 mm建筑垃圾再生骨料）可有效濾除雨水雜質、分散徑流并消能。其結構設計如圖11所示。
L型鋼筋混凝土防水擋墻：
鑒于濕陷性黃土地質雨水下滲威脅路基安全，改造時在進水口處設計了一種“L”型鋼筋混凝土防水擋墻（見圖11），用于路基側向支擋及雨水側滲規避。
傳輸型草溝：
一種布置在側分帶起端入流處及樹木、檢查井等構筑物基礎處，用于轉輸徑流。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置防滲土工布。另一種布置在道路紅線外綠化退讓內，用于轉輸透水鋪裝排出的徑流雨水。2種結構基本相同，做法詳見圖12。
生態滯留草溝、雨水花園：
植物是LID設施的重要組成。改造中，側分帶內喬木保持不動，地被植物優選根系發達、凈化力強、既耐澇又抗旱的本土植物栽植，并適當搭配部分外來物種，以實現海綿與景觀功能的有機融合（見表6）。
人行道透水鋪裝做法：
秦皇大道兩側人行道下供電通信電纜管溝埋深較淺，僅有0.3 m。設計時，在保障路基強度和穩定前提下，將人行道硬質鋪裝改造為淺層透水磚鋪裝結構（兼有孔隙和縫隙透水），透水基層內設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（見圖14）。
低點行泄通道及調節塘做法：
秦皇大道共有5處高程低點，采用SWMM軟件進行內澇模擬發現：下游雨水管網通暢情況下，50年一遇暴雨發生時，有3處低點內澇風險較大。設計時充分利用項目紅線外35 m綠化退讓，在三處低點人行道下設置排水暗涵，將路上經LID設施消納、管網轉輸仍不能及時排除的澇水引至紅線外綠化帶中，通過分散式調節塘進行澇水調節（見圖15）。
處澇水風險點調節塘規模如表7所示，內澇模擬參數詳見表8。表8中，
模擬方法：產流采用Horton扭損法，匯流采用Laurenson非線型法；
設計雨型：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。管道參數為：
曼寧系數0.014，沿程阻力損失系數0.025，
進口局部阻力損失系數0.5，出口局部阻力損失系數0.5。
4 改造效果
直觀效果(見圖16~圖17)
模擬評估及監測分析：
年徑流總量控制率達標分析
年徑流總量控制率基于多年日降雨量統計分析而來。考慮到降雨隨機性，本項目采用LID設施年徑流總量控制率對應的24 h降雨進行模擬。結果顯示（見圖18a），24 h降雨量≤19.2 mm時，傳統開發模式秦皇大道匯水區徑流峰值流量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），傳統開發模式徑流峰值流量q1=2.63 m3/s，LID改造后徑流峰值流量q2=2.23 m3/s，削峰15.2%；峰現時間較傳統開發模式滯后約5 min。
道路積水改善情況分析：
秦皇大道改造前，1~2年一遇重現期降雨發生時，積水深度≥15 cm，時間≥2 h，面積≥500 m2的內澇積水點共有3處（見圖19）。LID改造后，根據6場成澇監測數據，確定設計降雨條件下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）兩場相似暴雨發現：①②號積水點基本消除；③號積水點得到明顯緩解，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 結論
目前，秦皇大道已完成側分帶LID改造，正在進行人行道透水鋪裝及紅線外調節塘建設。經初步監測與模擬分析，已發揮出較佳的海綿效益。