基于海綿城市理念的地鐵給排水系統(tǒng)研究

羅立娜，吳 鋒，張智鑫，譚 磊，林燦城，李榮智

(廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510000)

2012年4月“海綿城市”概念在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中首次被提出。在2013 年12月12日的《中央城鎮(zhèn)化工作會議》中，習近平總書記就針對城市給排水系統(tǒng)的講話中強調(diào):“提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市。”2015年4月2日，以通州區(qū)和延慶區(qū)等作為先行海綿理念示范區(qū)的16個城市開始試點建設。21世紀以來，海綿城市理念先后在市區(qū)路面建設工程、公共公園、綠色植物園等中得到應用與發(fā)展。海綿城市有一定的先進性、獨特性和有效性，本質(zhì)上海綿城市理念旨在實現(xiàn)回歸自然、順應自然、與自然的可持續(xù)發(fā)展。在保障市區(qū)水生態(tài)圈安全的基石上，以最小能源損耗方式開發(fā)新型給排水系統(tǒng)的構建，改變過往城市建設的弊端與不完善的發(fā)展理念，推動新型城市的可持續(xù)發(fā)展建設，從而實現(xiàn)人、城市與自然和諧共處的生態(tài)發(fā)展模式。海綿城市理念屬于新型城市在建設與實踐中衍生的新理念，也將成為我國近些年來解決雨水出路和水資源可持續(xù)利用的必由之路。

隨著國家對城市交通建設投入力度的逐漸增大，國內(nèi)地鐵車輛段建設數(shù)量、改建、擴建等工程也隨之增多。絕大多數(shù)的城市軌道交通線路位于地面以下，運行線路相當于處在一個相對密閉的空間，地鐵與外界連通的途徑只有通過風井、出入口及線路洞口等形式。一個地鐵區(qū)間隧道給排水系統(tǒng)能否正常運行，關乎到這一整段地鐵列車的安全運營。在城市發(fā)生洪澇災害時，洪水也將優(yōu)先進入地鐵內(nèi)部，并在外部地面條件未受影響的情況下，迅速波及地鐵整個連通區(qū)域，造成設備破壞等直接經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存大部分城市的給排水系統(tǒng)，初期設計時未充分考慮地鐵排水系統(tǒng)與區(qū)間土建結構、軌道等相關專業(yè)的接口協(xié)調(diào)，且近乎全部的降水都依賴著市政排水管網(wǎng)，導致大部分的地下車站在投入運營后出現(xiàn)比較嚴重的結構滲水現(xiàn)象，甚至部分城市還出現(xiàn)市政水管破裂后，未能控制好車站頂板、側墻防水設施質(zhì)量，導致車站站廳、站臺出現(xiàn)較大的滲水現(xiàn)象，給乘客出行帶來了不便。因此，在排水系統(tǒng)良好輸流條件的前提下，對地鐵給排水系統(tǒng)進行革新成為了當前地鐵排水系統(tǒng)優(yōu)化設計的一個重要課題。

1 現(xiàn)狀分析

地鐵建設項目的給排水設計在整體上既有普通建筑工程項目的共性，又有其作為一種地鐵工程設計的特色。地鐵運營處于相對封閉的環(huán)境中，且人員流動大，存在重大安全隱患，一旦發(fā)生問題，搶救工作困難且人力、資金損失巨大。地鐵的給排水系統(tǒng)是一個非常復雜且龐大的系統(tǒng)，主要分為給水和排水兩個系統(tǒng)。

1.1 給水系統(tǒng)

地鐵給水系統(tǒng)的主要作用是為地鐵提供日常所涉及的各種用水，主要由生活用水(車站乘客、工作人員等日常用水)、生產(chǎn)用水(地鐵機器設備系統(tǒng)補水、水泵類用水)與消防用水3大部分組成；一般情況下，地鐵給水系統(tǒng)會將生活、生產(chǎn)和消防分成獨立的系統(tǒng)，3個系統(tǒng)之間不會彼此進行交接。地鐵給水系統(tǒng)主要由具備市政供水條件的管網(wǎng)(市政供水)、不具備市政供水條件的管網(wǎng)(自備井供水)兩個供水網(wǎng)供水；且在市政供水中，車站水源一般由兩路不同市政的管道供給，其中一路供給消防用水，另外一路分別供給生活、生產(chǎn)和消防用水，如圖1所示。

圖1 具備條件的管道網(wǎng)(市政供水)

在車站每一個供水網(wǎng)上又分為生活水管網(wǎng)、消防水管網(wǎng)兩大部分，生活水管網(wǎng)在車站內(nèi)布置成枝狀分布，消防水管網(wǎng)在車站與其車站區(qū)間內(nèi)形成一個環(huán)狀網(wǎng)分布，如圖2所示。

圖2 不具備條件的管道網(wǎng)(自備井供水)

1.2 排水系統(tǒng)

地鐵排水系統(tǒng)的主要作用是將污染水源從地鐵地段中排出，主要包括日常生活污水(衛(wèi)生間與澡房污水)、機組設備廢水、天窗雨水及地鐵站臺滲水，可分為排泄污水系統(tǒng)、機組廢水系統(tǒng)與站臺雨水系統(tǒng)3部分組成，采用遞進式排水方式。在地鐵站臺雨水系統(tǒng)中，車站會設置有相應的雨水泵房、地面排水口與排水溝等雨水處理設備。地鐵雨水通過站臺排水溝直接排放或者經(jīng)由排水口集聚后，從排水管道流入道心，再流入排泄污水系統(tǒng)或站外溝渠；雨水經(jīng)管道進入雨水泵房后，通過市政排水管道進入市政污水泵房。在機組廢水系統(tǒng)中，車站常設相應的廢水泵房、排水口與站外壓水井等廢水處理設備。工作原理:各項符合條件的廢水均由地漏匯集，經(jīng)排水管道網(wǎng)進入污水泵房，再經(jīng)過廢水加壓井加壓加能進入其它管道網(wǎng)。在排泄污水系統(tǒng)中，車站常會設有相應的污水泵房、站外壓水井、化糞池與聚水池等污水處理設備。各項符合條件的污水均會通過管道進入污水泵房，由污水壓力井加壓加能進入其它管道網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 地鐵排水系統(tǒng)

在污水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)中的廢水與污水進入不同的排水管網(wǎng)，分為以下2種情況：①具備市政條件。廢水：車站廢水由車站廢水泵及局排水泵排至車站外的壓力廢水井，再經(jīng)檢查井后匯入市政污水管道網(wǎng)。污水：車站污水由車站污水泵排至站外污水井，后流入站外化糞池，再匯入市政污水管網(wǎng)。②不具備市政條件。廢水：車站廢水由局排水泵排至站外壓力廢水井，后經(jīng)檢查井流入站外溝渠。污水：車站污水通過重力流匯入站外化糞池。

2 給排水系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1 系統(tǒng)設計部署

地鐵給排水工程建設重點在于“全”，在注重整體工程的同時，也囊括到設備間最大限度使用率工程、水資源保護專項工程等，將給排水系統(tǒng)、注意事項與過程數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)可視化體現(xiàn)，集全部數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理、信息交互協(xié)作等功能于一體，輔助地鐵工程建設單位管理設計與決策，促進各路工作全面有效落實。具體設計部署如下：

(1)空調(diào)專業(yè)負責處理設備用水量、排水量與給排水標準。

(2)房屋建筑設計專業(yè)負責用房面積設計與給排水及水消防設備布置。

(3)給排水專業(yè)負責地鐵地段區(qū)的排水口、廢水泵房、雨水泵房和污水泵房的地漏處與車站雨水溝槽的位置、尺寸及坡度。

(4)機電、配電等專業(yè)負責電線至各用電點控制柜處，給排水及消防設備電纜及數(shù)據(jù)電纜的布局擺放。

通過地鐵工程建設管理分配，搭建多單位協(xié)作平臺，以數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總分析為紐帶，把握地鐵各線段給排水工作重點，清單化管理需落實的事項，按體系梳理措施實施情況，高效協(xié)作完成地鐵給排水系統(tǒng)的建設工作。

2.2 系統(tǒng)運維控制平臺設計

系統(tǒng)運維控制平臺按照GB 50015—2019《建筑給水排水設計規(guī)范》、RFJ 02—2009《軌道交通工程人民防空設計規(guī)范》、國家或地方其他標準規(guī)范要求，依托于精密算法、模糊控制算法為設計導向，充分整合虛擬化資源與基礎給排水設施資源，以虛擬運維平臺為核心，從環(huán)境可視化、設施可視化、配線可視化、容量可視化、管線可視化等多種視角為數(shù)據(jù)中心全方位構建三維可視化運維服務管理體系，實現(xiàn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展、能源最大利用化以及數(shù)據(jù)中心日常運維工作的電子化、規(guī)范化、流程化，使管理者在系統(tǒng)運維控制平臺中心能夠隨時追蹤整個系統(tǒng)與各個管線的運行狀態(tài)，并以最快的速度完成監(jiān)測數(shù)據(jù)與智慧城市綜合管理平臺的信息交互，實現(xiàn)地鐵新型給排水系統(tǒng)全過程分析和響應。

一般情況下，系統(tǒng)收集風亭、車站進出口的雨水及區(qū)間隧道滲漏雨水，經(jīng)沉淀后，通過水泵泵至地面出水口，再經(jīng)過濾槽過濾后，灌溉地表層植被。如遇火災，可通過高壓水泵泵入?yún)^(qū)間消防管或地面出水口，實施滅火作業(yè)。如遇暴雨、大暴雨天氣，降水量超出市政雨水管道的排水能力時，地面降水可通過裝有雨水篦子的進水口流入地鐵新型給排水系統(tǒng)，并暫時積存在系統(tǒng)的蓄水沉淀池內(nèi)，直至達到警戒線后關閉進水口，待強降水過后將存積水泵至市政雨水管道或地面綠化帶。如遇洪水涌入地鐵，可通過高壓水泵將涌入地鐵的洪水直接泵出至地面。工作原理及基本架構如圖4、5所示。

2.3 出水口裝置設計

地鐵現(xiàn)有給排水系統(tǒng)無法實現(xiàn)對城市水資源的高效回收利用，本文在查閱大量相關文獻后，基于海綿城市理念結合地鐵智慧給排水系統(tǒng)特點設計了一種新型出水口裝置，如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)運維控制平臺工作原理

圖5 系統(tǒng)運維控制平臺基本架構

圖6 地鐵新型給排水系統(tǒng)出水口裝置

出水口裝置位于地面綠化帶內(nèi)，通過管道連接地鐵泵房，運維平臺根據(jù)監(jiān)控信息判斷旱、澇及火災情況，將地鐵內(nèi)泵房水泵至地面用于灌溉、排洪或消防。主導管配有加壓裝置，發(fā)生洪災或火災時可通過加壓將泵房內(nèi)的水排出地面；雨水淡季或干旱時，泵房內(nèi)的積存水通過主導管延伸出的側管泵出，進入小型蓄水容器，再經(jīng)過內(nèi)外壁夾層中陶粒對水中顆粒懸浮物的吸附凈化，形成灌溉水，滿足地表植被生長的需求。出水口裝置連接地鐵給排水系統(tǒng)實現(xiàn)“智慧”排水，泵房積水通過凈化處理用于灌溉，更好地貫徹了綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，裝置耐用、維護簡單，后期損壞易更換。

2.4 輔助排水系統(tǒng)設計

為保證地鐵排水系統(tǒng)在洪澇、漏水等特殊時期下能正常運行，在地鐵排水系統(tǒng)項目設計中補充同層次的輔助排水系統(tǒng)，提升排水效率，其工作流程如圖7所示。

圖7 輔助排水工作流程

輔助排水系統(tǒng)是基于地鐵新型給排水系統(tǒng)的系統(tǒng)運維控制平臺設計研發(fā)的一種新型排水系統(tǒng)，包括設置于地上的污水監(jiān)測器以及安裝于所述污水檢測器上端的太陽能電池板、設置于地面的地漏；地漏內(nèi)安裝有控制地漏孔開啟與閉合的控制組件，控制組件受控于地上的污水檢測器、設置于地下的排污器、太陽能蓄電池、污水加壓器以及安裝于污水加壓器的水箱，水箱側面均與排水管道連通，頂端開口與污水加壓器連通。該輔助排水系統(tǒng)在運作期間，通過地上的污水監(jiān)測器進行運作或關閉。排污器開啟時，可經(jīng)位于地面的智能地漏對地面污水產(chǎn)生一定的吸力，加快污水由地漏進水孔流入排水管道，再通過污水加壓器對污水加壓，由排水管道出口進入市政排水系統(tǒng)或者地鐵排水系統(tǒng)，加速后的污水廢水能一定程度上解決排水管道常常出現(xiàn)的堵塞問題，保證市政排水系統(tǒng)的通暢。輔助排水系統(tǒng)能起到將地面污水快速排掉及疏通市政排水管道的效果，具結構如圖8所示。

圖8 地鐵輔助排水系統(tǒng)結構

2.5 蓄水沉淀池設計

蓄水沉淀池主要利用蓄積污水、廢水與雨水，并充分利用重力、離心力等作用來除去水中的懸浮物以及一些有害物質(zhì)，兼有蓄水積存和水質(zhì)凈化的功能，是地鐵新型給排水系統(tǒng)重要組成部分。設計應考慮當?shù)氐罔F經(jīng)濟水平和發(fā)展條件，并對可能出現(xiàn)的危情進行綜合分析。在地形、氣候和環(huán)境條件適宜的情況下，根據(jù)雨水綜合利用法對蓄水池建筑容積進行計算，通過對降雨量、廢棄流動率、徑流速度系數(shù)及匯水面積等各種參數(shù)相結合，計算所需要的蓄水沉淀池容量表達式為：

V=(hy-δ)ψcF/1000

(1)

式中，V—蓄水池容積，m3；hy—設計降雨強度(降雨量)，mm；δ—初期雨水棄流量，mm；ψc—雨量徑流系數(shù)；F—匯水面積，m2。

依據(jù)式1可計算出蓄水池建筑容積值，綜合考慮地鐵建設中人力物力投入與技術要求等參數(shù)衡量構建地鐵新型排水系統(tǒng)的蓄水沉淀池。

新型地鐵給排水系統(tǒng)的蓄水沉淀池采用磁電凈水技術，選用新型納米級帶磁性混絮劑，通過改變原水中雜質(zhì)膠體性質(zhì)后，促進雜質(zhì)以磁介質(zhì)作為核心進行凝聚結合，在絮凝劑、攪拌等作用下使晶體聚集增大，而后進入最后工藝。強磁分離凈水磁電凈水技術可以有效地解決水中的沉淀物及一些有害物質(zhì)。實踐應用表明，對TR的去除率可達到40%，對COD的去除率可達到45%，對有害物質(zhì)的去除率可達到95%，相比傳統(tǒng)凈水工藝，直接處理成本降低35%。此外，該磁電凈水技術所用的吸附劑可以重復回收利用，符合海綿城市的可持續(xù)發(fā)展理念。

圖9 蓄水沉淀池結構

地鐵排水系統(tǒng)的污水廢水在初沉池進行初步處理后，經(jīng)增壓泵作用下開始進入磁電凈水的第一道工藝，通過加藥區(qū)提供的帶磁性物質(zhì)與帶新型納米級帶磁性混絮劑，在攪拌機的機械攪拌下，雜質(zhì)與帶磁性物質(zhì)形成微磁絮狀晶體；含有微磁絮狀晶體的水再次在增壓泵作用下進入磁電凈水的第二道工藝強磁分離機。在磁性物質(zhì)回收系統(tǒng)的強磁吸引作用下，目標水源將會實現(xiàn)一種固液分離現(xiàn)象，含有微磁絮狀晶體的污泥通過排泥管道處理回收，重新投加、重復利用，其余分離出來的液體則進入磁電凈水的第三道工藝，在最后一個砂濾池中進一步處理過濾后，排放到市政管網(wǎng)或者地鐵管網(wǎng)。

本文以新型納米級帶磁性混絮劑的回收率為評定指標，蓄水沉淀池可持續(xù)性能表達式為：

(2)

式中，ε—磁介質(zhì)回收率，%；α0—磁回收設備入料磁性物含量；α1—磁回收設備吸附物磁性物含量；α2—磁回收設備尾泥磁性物含量。上述公式的新型納米級帶磁性混絮劑的回收率數(shù)據(jù)通過一系列查表試算求出。

本文以溫州市西片污水處理廠進行取樣并提純，以式2計算相應數(shù)據(jù)的帶磁性混絮劑回收率，計算結果見表1。

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)對比并預測帶磁性混絮劑回收率軌跡分布率，如圖10所示。結合表1與圖10分析，可得出在采用磁電凈水技術并保持對有害物質(zhì)的去除率可達95%的情況下，對帶磁性混絮劑回收率也均達到99.50%以上。

3 社會經(jīng)濟效益分析

(1)互融共通。利用地鐵沿城市主干道布設的特點，將地鐵給排水系統(tǒng)和海綿城市建設相結合，通過采用保護性干預技術，對水資源進行綠色處理、分散蓄滯、緩釋慢排和合理利用，實現(xiàn)綠化、排澇、消防的功能，在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”。

表1 帶磁性混絮劑回收率

圖10 帶磁性混絮劑回收率軌跡分布率

(2)信息共享。地鐵運維智慧智能海綿城市系統(tǒng)通過地鐵運維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡平臺對各個地鐵監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行實時采集和綜合分析，將這些地鐵實時數(shù)據(jù)信息都上傳至完全可視化的海綿城市地下地鐵管線上并綜合利用運營社會管理信息服務平臺，實現(xiàn)了地鐵信息實時數(shù)據(jù)采集，使之更加有效地綜合優(yōu)化了地鐵資源配置，節(jié)約了地鐵社會管理費用和運營成本，提高了地鐵信息基礎資源的綜合利用率。

(3)有機結合。在切實確保我國城市地下排水和防汛安全的基本條件前提下，充分與蓄水沉淀池、系統(tǒng)運維控制平臺等其它基礎設備“有機結合”，來管理和組織地表排水與調(diào)蓄功能，綜合有效地調(diào)配地鐵資源配置，使之達到最大使用效果，從而改善我國城市水環(huán)境污染和達到節(jié)約能源高效率的目標。

4 結語

系統(tǒng)部署設計能大幅度提高地鐵新型給排水工程的設計精度及覆蓋度，全面并有效地解決地鐵水資源的流量與水壓力的均勻分布問題，進一步提升地鐵設施的最大使用率。出水口裝置、蓄水沉淀池、輔助排水系統(tǒng)設計與系統(tǒng)運維控制平臺的設計應用，有效解決傳統(tǒng)地鐵給排水常見問題，清除地鐵生活污水排放堵塞現(xiàn)狀，杜絕污染廢水的再次污染，提高地鐵日常運行質(zhì)量。本文提出的地鐵新型給排水系統(tǒng)將推動地鐵工程建設與城市建設工作的深度融合，推進海綿城市理念朝軌道交通建設方向發(fā)展，助力未來智慧城市建設。