基于海綿城市理論的相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用研究

王琦瑋，徐長坤，趙萌，李珺

（1.昆明理工大學，云南 昆明 650000；2.云南正元安泰建設(shè)工程設(shè)計咨詢有限公司，云南 昆明 650034）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計[1]，自2021年7月以來，河南多地市遭受連續(xù)暴雨侵襲，特別是“720鄭州特大洪水事件”對人民群眾的生命安全和財產(chǎn)造成嚴重損失，直接經(jīng)濟損失達409億元。此次事件暴露出我國城市在排澇減災(zāi)方面的短板，也說明海綿城市建設(shè)迫在眉睫。近年來，我國陸續(xù)頒布了多項政策用來彌補在海綿城市建設(shè)領(lǐng)域的空白?！凹铀侔l(fā)展海綿城市、韌性城市”“增強城市防洪排澇效率”等一系列目標要求也在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標的建議》中提出。目前，我國專家學者對海綿城市建設(shè)進行了諸多深入探索研究，也取得了一系列的成績。

1 海綿城市相關(guān)理論及其內(nèi)在聯(lián)系

1.1 海綿城市的定義

海綿城市[2-3]是城市高質(zhì)量發(fā)展進程中的產(chǎn)物，也是一種十分貼切的比喻形式。從字面意思來理解，是指將城市區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)系統(tǒng)類比為海綿，當城市進入雨季面對大范圍降水時，可以對天然降水進行高效的滲透、吸收、儲存和凈化。當?shù)搅顺鞘泻导净蚬┧蛔銜r，能釋放所儲存的水，使城市能主動靈活地處理不同環(huán)境氣候帶來的不利影響。

1.2 低影響開發(fā)理念

低影響開發(fā)理念（Low-Impact Development，LID）[4-5]由美國波特蘭等城市率先研究提出并加以應(yīng)用，該理念主要在源頭控制方面嚴加管控，最大效益地保證水文循環(huán)過程，利用各種技術(shù)，用綠色環(huán)保的生態(tài)方法來處理降水，控制地表徑流和徑流污染，使開發(fā)區(qū)域的水文狀況盡可能地接近于開發(fā)前的狀態(tài)。

1.3 水敏感性城市設(shè)計

水敏感性城市設(shè)計[6-7]，是20世紀末英國為了解決排水產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害、污染環(huán)境等問題率先提出的新型設(shè)計系統(tǒng)。此系統(tǒng)在設(shè)計初期就全方位地考慮了徑流水量、徑流水質(zhì)和景觀潛質(zhì)等因素，利用綜合處理方法，使城市整體的水循環(huán)狀況得到了極大的改善。

1.4 理論存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

除了上述介紹的3種設(shè)計理論外，國外對于城市治水問題還有很多對策，比如：日本制定了一項關(guān)于雨水儲留和滲透的專屬計劃，英國發(fā)明了一種可持續(xù)的排水系統(tǒng)等。盡管各種理論在提出內(nèi)容和實施措施上不是完全一致，但目標都是圍繞解決城市內(nèi)澇，改善徑流污染等問題。其本質(zhì)是使城市水循環(huán)恢復(fù)和保持在建設(shè)前的自然水文狀態(tài)。

2 海綿城市建設(shè)的相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用案例

2.1 源頭減排技術(shù)及應(yīng)用

在目前流行的源頭減排技術(shù)中，透水鋪裝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)是通過對城市滲透面積的增大來改善城市雨水徑流的措施。通常適用于人行道、大型廣場、露天停車場等一些車流量和地面荷載較小的建設(shè)工程中。透水鋪裝技術(shù)可有效提高城市地面的透水性，促進城市地表雨水的下滲率。表1為常見透水鋪裝材料的主要技術(shù)性能及適用場所[8]。

表1 常見透水鋪裝材料的主要技術(shù)性能及適用場所

朱曉娟等[9]研究了一種縫隙式透水鋪裝技術(shù)。該技術(shù)只需采用尺寸為20 cm×10 cm×10 cm的普通混凝土磚，就能使其抗震、吸潮、強度等性能達到CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》的要求。此技術(shù)主要依靠縫隙對雨水進行下滲收集，該團隊對不同縫隙間距下的滲透性能進行對比研究，分別選取6、8、10 mm的縫隙間距，同時用小尺寸粒徑顆粒將縫隙進行填充。表2為縫隙式透水鋪裝在不同縫隙寬度下的滲透性能對比。

表2 不同縫隙寬度下透水鋪裝的滲透性能

根據(jù)CJJ/T 188—2012的相關(guān)規(guī)定，需保證路面的滲透系數(shù)達到0.1 mm/s以上。綜合考慮建設(shè)項目投用后的觀賞效果和路人行走的便捷性，項目施工過程中縫隙寬度一般控制在8 mm左右。由表2可知，當縫隙寬度為8 mm時，其滲透系數(shù)為0.11 mm/s，符合CJJ/T 188—2012的要求。項目組根據(jù)鎮(zhèn)江市年徑流總量的控制率（70%~80%），得到不同時期的降雨量分別為23.6、28.6、35.3 mm。將這些數(shù)據(jù)按鎮(zhèn)江市長歷時雨型進行分配，將工況一的滲透系數(shù)定為0.11 mm/s，工況二的滲透系數(shù)衰減2個數(shù)量級，定為1.1×10-3mm/s，分別進行下滲校核分析。結(jié)果表明，在工況一的條件下，縫隙式透水鋪裝的下滲狀態(tài)良好，下滲量高于降水量；在工況二的條件下，當降水量達到峰值后，隨著降雨的增強，下滲狀態(tài)接近于飽和，路面隨即產(chǎn)生地表徑流。再加上控制率的上升，地表徑流量也隨之增大，在3種不同降雨環(huán)境下，徑流系數(shù)分別達0.29、0.055、0.286。

同時，針對透水鋪裝存在下滲性能日漸衰減的問題，該團隊提出了相應(yīng)的養(yǎng)護措施。包括利用高壓水槍對鋪裝地面進行不定期沖洗維護，去除堵塞物，保證下滲率；采用專業(yè)機械對透水路面進行恢復(fù)等。鑒于縫隙式透水鋪磚具有材料價格便宜，下滲性能優(yōu)良且恢復(fù)速度快，便于施工管理等優(yōu)點，現(xiàn)已應(yīng)用于鎮(zhèn)江市老城區(qū)海綿城市改造項目中。

2.2 過程控制技術(shù)及應(yīng)用

海綿城市建設(shè)除源頭減排外，還應(yīng)當注意雨水匯流過程中的控制。因為海綿城市建設(shè)的目的就在于更好地實現(xiàn)雨洪管理，減少城市內(nèi)澇，對雨水盡可能地進行存儲和凈化，加速雨水的循環(huán)利用。但是面對當下傳統(tǒng)的道路硬化現(xiàn)狀，雨水徑流過程中并不能得到有效的調(diào)蓄和凈化。因此，可利用調(diào)蓄池或一體化水處理措施解決這一系列問題。表3為常見調(diào)蓄措施的優(yōu)缺點。

表3 常見調(diào)蓄措施的優(yōu)缺點

工程中通常會采用一些傳統(tǒng)的調(diào)蓄設(shè)備，如混凝土調(diào)蓄池或者定制大型的鋼制水池。這些存儲裝置一般會安裝在空曠的露天場所，這就會在后期蓄水過程中暴露出其弊端，池中存水可能會由于溫度的升高而蒸發(fā)，導致水量減少；面對地面錯綜復(fù)雜的環(huán)境條件，存水被二次污染的幾率也會大大增加；裝置一旦出現(xiàn)遺漏損壞，補修難度和成本都比較大。

為了避免以上情況，康靖坤[10]對新型聚丙烯（PP）模塊拼裝水池進行試驗研究。該類型水池具有良好的抗壓性能，拼裝材料綠色環(huán)保且容易運輸。但是由于安裝方式為地下安裝，也有可能發(fā)生土壤中雨水滲透造成水污染和密封措施不到位的問題。針對這些問題，作者采用定性及定量分析法、現(xiàn)場勘探法對其做出解答：可采用鋪設(shè)復(fù)合土工膜（兩布一膜）的方法，使水池與外界土壤隔離，避免發(fā)生滲透，但要注意復(fù)合土工膜應(yīng)具備耐根穿刺的要求。為防止水池漏水，需避免不必要的焊接接縫，采用大幅面整張土工膜。為驗證焊縫是否合格，工程實施中需進行閉水試驗，直至水池不漏水為止。

在某小區(qū)海綿城市改造工程中，采用外形尺寸為9.7 m×3.8 m×3.0 m的PP模塊拼裝水池進行雨水收集，調(diào)蓄量為112 m3，調(diào)蓄效果安全可靠[10]。

2.3 系統(tǒng)治理技術(shù)及應(yīng)用

系統(tǒng)治理的一個重要方面是水環(huán)境，源頭削減和過程控制可以限制大部分外部污染物進入河道，但在實際工作中仍存在一些情況，如海綿城市的一些建設(shè)用地覆蓋不全、設(shè)計方案不周全等。鑒于許多城市河流流動性小、補給不足、河流兩岸土地緊張的現(xiàn)狀，廣泛采用綜合泵站與綜合水處理設(shè)備相結(jié)合的方式。綜合后，河道下游取水，經(jīng)處理后向上游排放，不僅可改善水體質(zhì)量，而且為河道增加了生態(tài)基流，提高了河道的自我管理能力。此外，針對不同水質(zhì)的污染物，采用具有針對性的的技術(shù)手段，可促進污染負荷的去除。

以某市海綿城市建設(shè)中的一條內(nèi)河為例，該河道長約4000 m，春冬兩季流量小，夏秋汛期流量大。河道沒有干凈的水源補給，長期處于死水狀態(tài)，總體為劣Ⅴ類水體。面對此河道復(fù)雜的背景，王哲曉等[11]采用超磁分離技術(shù)，對水體進行整治。超磁分離凈化設(shè)備[12-13]主要依靠一組強磁力分離機進行運轉(zhuǎn)。當流體流入磁盤，將受到磁盤間強磁場力的作用，其中含有的磁性懸浮物質(zhì)因受到磁力吸附而留在磁盤上。再隨著磁盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心作用，將干凈的水分離出去。磁盤的轉(zhuǎn)速保持在1～3 r/min。當磁盤上大量淤積懸浮物時，刮泥裝置開始運轉(zhuǎn)將吸附泥渣刮入“螺旋輸送機”，最終轉(zhuǎn)運至渣池。清理過后的磁盤便可開始下一輪的進水，形成周而復(fù)始的凈化過程。此設(shè)備處理量大，出水水質(zhì)好。超磁分離技術(shù)與傳統(tǒng)工藝的經(jīng)濟指標對比如表4、表5所示。

表4 某河道治理工程中以“超磁分離技術(shù)”為核心工藝與“混凝+沉淀+普通過濾+消毒”傳統(tǒng)工藝經(jīng)濟指標對比

表5 某河道治理工程中超磁分離凈化設(shè)備與斜板沉淀池工藝運行費用對比

從表4、表5可以看出，雖然超磁分離技術(shù)的初期建設(shè)及安裝費用高于“混凝+沉淀+普通過濾+消毒”的傳統(tǒng)工藝，但從長遠看，超磁分離技術(shù)具有效率高、占地小、藥劑用量少、耗能低等優(yōu)點，是取代傳統(tǒng)工藝的最佳選擇。

河道治理工程中，先由加壓泵站將下游河道污水傳送至超磁混凝分離系統(tǒng)中，并將混凝劑、助凝劑及磁種混合投入系統(tǒng)。此3種物質(zhì)的投加促進了水中懸浮物形成易于沉淀分離的絮狀體。通過超磁分離技術(shù)處理后，水體中的SS、COD、TP、色度等指標大幅減小，河道水質(zhì)得到明顯改善。

3 國內(nèi)海綿城市建設(shè)中存在的問題

當前，國家對海綿城市建設(shè)的重視程度越來越高，政策導向十分明顯。相關(guān)單位紛紛積極響應(yīng)，試點工程在全國范圍內(nèi)如火如荼地進行，為今后海綿城市建設(shè)和城市發(fā)展提供了新的機遇。但與此同時，由于各種風險因素的影響，我國海綿城市建設(shè)也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

3.1 內(nèi)涵認識不清

國外早已對雨水管理有了了解和實踐，所以對該體系有著獨到的見解和建設(shè)經(jīng)驗。而在我國，海綿城市概念形成的時間并不長，盡管國內(nèi)學者和業(yè)內(nèi)人士也在不斷探索和研究，但海綿城市的建設(shè)和管理是一個系統(tǒng)工程，涉及到許多學科的交叉配合，不同的部門和行業(yè)都涉及到海綿城市建設(shè)理念，需要重新梳理。海綿城市的建設(shè)與管理不僅僅是城市排水系統(tǒng)的建設(shè)與管理，還涉及到城市環(huán)境、經(jīng)濟等各方面，需要進行統(tǒng)籌安排。有關(guān)部門和行業(yè)只有深入認識海綿城市的內(nèi)涵意義，才能積極推進海綿城市的建設(shè)與管理。一旦誤解了海綿城市的內(nèi)涵，很容易偏離建設(shè)項目的初衷，不能有效發(fā)揮其防污、防洪、節(jié)水等多種功能[14]。

3.2 技術(shù)體系不健全

在現(xiàn)有海綿城市技術(shù)體系中，對于海綿設(shè)施的定義并不明確[15]。目前，在規(guī)劃海綿城市的建設(shè)和檢驗其建設(shè)效果時，注意力往往集中在低影響的開發(fā)設(shè)施上，如透水路面、綠色屋頂和儲存措施。這使得人們很容易產(chǎn)生一種錯覺，認為海綿城市的建設(shè)很容易。事實上，除低影響開發(fā)設(shè)施外，常規(guī)雨水管道和溝渠、初期雨水的凈化和儲蓄、污水收集處理和回收利用等與水系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)施都是海綿設(shè)施，包括綠色設(shè)施和灰色設(shè)施，是屬于綜合且復(fù)雜的涉水設(shè)施體系，而不是簡單的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)。另外，地方層面在技術(shù)體系上主要以國家要求為準，并未做出重大突破。但也有一些地區(qū)，特別是試點地區(qū)在規(guī)劃建設(shè)管控方面進行了大膽的創(chuàng)新，將海綿城市從雨水系統(tǒng)擴展到城市綜合水系統(tǒng)。

3.3 設(shè)施功能衰減問題

與傳統(tǒng)的城市管網(wǎng)系統(tǒng)一樣，海綿設(shè)施在長期運行的情況下也會出現(xiàn)其功能減化，效果不佳的問題。研究顯示[16]，透水鋪裝的滲透性通常只能維持2年時間，2年后其滲透性能驟降60%左右，4年后幾乎不再透水；個別地區(qū)的綠色建筑屋頂上也出現(xiàn)過水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生堵塞，致使綠色植物大量死亡的現(xiàn)象。我國海綿城市建設(shè)還處于初步試點階段，可供人們參考借鑒的成功案例相對較少，面對上述問題，解決思路也比較匱乏。此外，對于海綿設(shè)施使用壽命的問題，尚未有專家學者提出明確的計算方法體系，這將會影響海綿城市管理運營系統(tǒng)的發(fā)展。

4 結(jié)語

海綿城市建設(shè)的工程量是十分巨大且艱難的。評價一項工程的質(zhì)量，不能只看到研究探索出的先進建設(shè)技術(shù)，也要考慮到該工程項目后期的運營和管理。當下，海綿城市在我國發(fā)展迅猛，一定要做到兩頭兼顧。對成功案例積極總結(jié)經(jīng)驗，對薄弱環(huán)節(jié)加大研究投入。早日做到對雨水“來之即存”“存之即凈”“凈之即用”。讓我們遠離城市內(nèi)澇，消除“城市看?！钡睦_。