基于海綿城市理念的市政排水工程設(shè)計(jì)探討

【摘要】城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)已成為城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)的“以排為主”的市政排水工程設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)新形勢(shì)下防洪排澇的需求。海綿城市理念關(guān)注系統(tǒng)性的雨洪管理，注重源頭減排、過(guò)程削峰、末端調(diào)控的全過(guò)程控制。文章基于某市的實(shí)踐案例，剖析傳統(tǒng)排水工程設(shè)計(jì)方案在應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí)的不足，提出基于“滲、滯、蓄、凈、用、排”的多級(jí)調(diào)蓄排水系統(tǒng)構(gòu)建策略，并分析其相對(duì)于傳統(tǒng)方案的優(yōu)化改進(jìn)和實(shí)施難點(diǎn)，為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

【關(guān)鍵詞】海綿城市；排水工程；內(nèi)澇防治；調(diào)蓄排水系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】TU992 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0051-03

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展加快了城市化進(jìn)程，路面硬底化程度逐漸提高，增大了暴雨期間徑流量，給城市排水系統(tǒng)帶來(lái)巨大壓力。傳統(tǒng)的市政排水工程設(shè)計(jì)過(guò)于依賴管網(wǎng)的排水能力，忽視了雨水的滲透、滯留與調(diào)蓄。在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí)，管網(wǎng)的排水能力無(wú)法滿足需求，極易引發(fā)內(nèi)澇。海綿城市理念關(guān)注系統(tǒng)性的雨洪管理，注重源頭減排、過(guò)程削峰、末端調(diào)控的全過(guò)程控制，為傳統(tǒng)排水防澇工程體系的優(yōu)化重構(gòu)提供了新思路。

1 工程案例分析

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于市中心城區(qū)西部，占地面積為8.6 km2，下轄5個(gè)街道，其地勢(shì)西北高、東南低，屬山前沖積扇地貌，城市化水平較高，不透水面積比例超過(guò)75%。排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期1年，受地形等條件限制，部分區(qū)域排水不暢，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)突出。2016年7月，該區(qū)遭遇百年一遇特大暴雨襲擊，降水量高達(dá)285 mm，區(qū)內(nèi)多處嚴(yán)重積水，積水時(shí)間超過(guò)12 h。為提升區(qū)域排水防澇能力，該區(qū)開(kāi)展了排水防澇設(shè)施提升改造工程，但受傳統(tǒng)排水工程設(shè)計(jì)思路影響，該工程方案重“排”輕“蓄”，在2017年7月的強(qiáng)降雨中暴露出諸多不足。

1.2 傳統(tǒng)排水工程設(shè)計(jì)方案分析

1.2.1 源頭減排措施缺乏，快速排水加劇管網(wǎng)壓力

傳統(tǒng)排水工程設(shè)計(jì)方案以快速排水為核心，過(guò)于依賴管網(wǎng)設(shè)施，對(duì)源頭減排措施不夠重視。區(qū)內(nèi)大量采用不透水硬化鋪裝，綠地空間較少，雨水下滲能力差，雖然在小區(qū)、廣場(chǎng)等節(jié)點(diǎn)布設(shè)了小型雨水花園，但規(guī)模小、數(shù)量少，對(duì)徑流的滯蓄、消納作用有限?，F(xiàn)狀排水管網(wǎng)存在錯(cuò)接漏接問(wèn)題，不同水質(zhì)的雨污混流現(xiàn)象嚴(yán)重，雨水?dāng)y帶大量污染物快速排入管網(wǎng)，加大了管網(wǎng)排水壓力。在2017年7月的強(qiáng)降雨過(guò)程中，地表徑流無(wú)法就地消納，快速匯流于道路、管網(wǎng)，造成局部路段嚴(yán)重積水[1]。

1.2.2 調(diào)蓄空間不足，難以應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)降雨

針對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨，方案通過(guò)新建雨水管線、提標(biāo)改造泵站等措施，提高管網(wǎng)過(guò)水能力，并在低洼地段新建調(diào)蓄池，但調(diào)蓄規(guī)模偏小，僅能應(yīng)對(duì)常規(guī)降雨。因?qū)ΜF(xiàn)狀水體調(diào)蓄能力挖掘不足，未能將河道、湖泊納入系統(tǒng)性調(diào)蓄，在2017年7月的降雨中，現(xiàn)狀調(diào)蓄設(shè)施很快滿負(fù)荷運(yùn)行，部分低洼路段積水嚴(yán)重。

1.2.3 末端排放把關(guān)不嚴(yán)，污染治理存在短板

方案對(duì)排水管網(wǎng)末端的溢流雨水控制不力，未設(shè)置專門(mén)的溢流污染削減設(shè)施，導(dǎo)致管網(wǎng)溢流進(jìn)入河道，造成周邊水體污染。雨水回用設(shè)施考慮不足，僅在個(gè)別建筑小區(qū)布設(shè)雨水集蓄池，收集利用屋面雨水，區(qū)域?qū)用娴南到y(tǒng)性雨水回用尚未形成，大量雨水資源未得到有效利用，在此次降雨中，部分路段積水出現(xiàn)污染物超標(biāo)現(xiàn)象，給水環(huán)境安全帶來(lái)隱患。

2 “海綿城市”理念下的排水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

針對(duì)傳統(tǒng)排水工程設(shè)計(jì)的不足，項(xiàng)目提出基于“滲、滯、蓄、凈、用、排”的多級(jí)調(diào)蓄排水系統(tǒng)構(gòu)建策略，從源頭、過(guò)程到末端進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以期從容應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)降雨。

2.1 源頭減排，滲透雨水削減徑流

海綿城市建設(shè)應(yīng)秉承“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術(shù)措施，形成全過(guò)程、系統(tǒng)性的雨洪管理。其中，“滲”是源頭減排的關(guān)鍵，通過(guò)布設(shè)滲透設(shè)施，優(yōu)化地表下墊面條件，最大限度地減少不透水面積，增強(qiáng)雨水下滲入滲能力，可在源頭顯著削減地表徑流，降低管網(wǎng)排水壓力。在小區(qū)、學(xué)校等區(qū)域，應(yīng)大力推廣屋頂綠化、透水鋪裝、可滲水磚等海綿設(shè)施，通過(guò)在建筑屋面鋪設(shè)植被基質(zhì)層，不僅可以美化環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候，還能充分吸納屋面雨水，延緩徑流。合理采用透水性鋪裝材料，如透水磚、植草磚等，可以引導(dǎo)路面雨水快速下滲匯入土壤，涵養(yǎng)地下水。在室外景觀綠地中適當(dāng)布設(shè)下凹式綠地，利用地形高差匯集雨水，增加滲透面積，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間[2]。

1）在城市道路、廣場(chǎng)等市政公共空間，應(yīng)增設(shè)滲水井、滲水池、滲透管等設(shè)施，引導(dǎo)周邊路面雨水、屋面雨水快速匯入滲透設(shè)施進(jìn)而滲入地下。

2）針對(duì)交通流量大、地面污染嚴(yán)重的城市主干道，可采用生態(tài)樹(shù)池等截污型滲透設(shè)施，利用植被、土壤的攔截凈化作用，去除徑流中的污染物后再滲透入地。

3）在人行道、非機(jī)動(dòng)車道等路段，可鋪設(shè)透水性鋪裝，引導(dǎo)路面雨水入滲補(bǔ)給地下水。

4）針對(duì)工業(yè)區(qū)、老舊小區(qū)等用地，應(yīng)以海綿化改造為切入點(diǎn)，采取“見(jiàn)縫插針”的策略，利用空地、庭院等增設(shè)滲透型綠地，通過(guò)草坪、下凹式綠地、雨水花園等形式，匯集屋面、道路的雨水徑流并滯留滲透。

5）對(duì)硬化地面進(jìn)行海綿化改造，采用透水性鋪裝替換原有的不透水硬化地面，增加滲透面積。

6）結(jié)合小區(qū)景觀環(huán)境提升，布設(shè)雨水花園、樹(shù)池等海綿設(shè)施，提升景觀效果的同時(shí)，發(fā)揮滲透雨水的作用。

通過(guò)在源頭實(shí)施“滲”的措施，可最大程度減少地表徑流的產(chǎn)生，延緩匯流速度，平衡自然水文循環(huán)。采取透水鋪裝、屋頂綠化等滲透措施后，可使得75%以上的降雨徑流通過(guò)下滲、蒸發(fā)等自然過(guò)程消納，地表徑流峰值流量削減40%以上，可見(jiàn)源頭滲透在減輕管網(wǎng)排水壓力、緩解內(nèi)澇方面具有關(guān)鍵作用。

2.2 過(guò)程調(diào)蓄，削峰錯(cuò)峰減少積水

面對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)降雨，單純依靠源頭滲透措施難以充分消納雨水，應(yīng)進(jìn)一步利用現(xiàn)狀綠地、水系、洼地等要素，構(gòu)建多級(jí)調(diào)蓄體系，發(fā)揮削峰錯(cuò)峰作用，減少積水風(fēng)險(xiǎn)。

1）在各類公共綠地空間如學(xué)校、公園等，應(yīng)布設(shè)多種形式的調(diào)蓄設(shè)施，包括雨水塘、下沉式綠地、低影響開(kāi)發(fā)雨水控制與處理設(shè)施（LID設(shè)施）等，通過(guò)地形高差匯集周邊道路、廣場(chǎng)、屋面等不透水性的雨水徑流。經(jīng)過(guò)綠地土壤滲濾、植被吸收等自然過(guò)程，一方面可凈化徑流水質(zhì)，去除重金屬、氮磷等污染物質(zhì)，另一方面經(jīng)調(diào)蓄后可補(bǔ)充地下水，維系水文平衡。

2）對(duì)于城區(qū)內(nèi)的低洼地帶，尤其是易發(fā)生內(nèi)澇積水的區(qū)域，應(yīng)充分利用現(xiàn)狀地形地貌，通過(guò)開(kāi)挖調(diào)蓄塘、調(diào)節(jié)池等，增加雨水行洪通道，削減峰值流量，緩解排水管網(wǎng)壓力，發(fā)揮事發(fā)地風(fēng)險(xiǎn)隔離與安全防護(hù)作用。應(yīng)科學(xué)評(píng)估調(diào)蓄空間的選址，盡量選用荒地、廢棄地、坑塘沼澤等非傳統(tǒng)建設(shè)用地，避免大規(guī)模占用耕地、林地等生態(tài)用地。在調(diào)蓄量設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分考慮匯水面積、降雨特征、排水能力等因素，優(yōu)化調(diào)蓄容積，保證雨洪高峰時(shí)段的調(diào)節(jié)削峰能力。

3）對(duì)于城市河道、湖泊等自然水系，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化其行洪排澇功能，通過(guò)打通河湖連通、疏浚河道、增大過(guò)流斷面，提高整體行洪排澇能力。在蓄滯洪區(qū)布設(shè)開(kāi)口式堤防，建設(shè)生態(tài)駁岸，利用植被緩沖、生物塘等近自然設(shè)施，延緩峰值流量，凈化徑流水質(zhì)[3]。針對(duì)地表徑流中污染物含量較高的初期雨水，應(yīng)在進(jìn)入調(diào)蓄空間前設(shè)置初期雨水棄流裝置，將含污染物的雨水引入污水處理系統(tǒng)，避免混入調(diào)蓄空間影響水質(zhì)。注意調(diào)蓄空間的日常管養(yǎng)，及時(shí)清淤疏浚，保持良好的調(diào)蓄功能。根據(jù)測(cè)算，分散式就地調(diào)蓄可使匯流時(shí)間延長(zhǎng)1～2 h，洪峰流量削減20%～30%，大大減輕排水管網(wǎng)的壓力，降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 末端強(qiáng)化，分質(zhì)處置減少直排

針對(duì)超出調(diào)蓄能力、排入城市管網(wǎng)及受納水體的溢流雨水，應(yīng)借助生態(tài)凈化與回用措施，進(jìn)一步強(qiáng)化末端控制，削減對(duì)水環(huán)境的影響。在易發(fā)生管網(wǎng)溢流的排水口，布設(shè)溢流雨水凈化設(shè)施，利用自然力削減溢流雨水中懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）等污染負(fù)荷，提高排入自然水體的水質(zhì)，改善水環(huán)境。在公園綠地、居住小區(qū)等用地，應(yīng)充分挖掘低洼地帶的調(diào)蓄潛力，建設(shè)雨水濕地，通過(guò)合理構(gòu)建“基質(zhì)－植物－微生物”的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，利用沉淀、過(guò)濾、吸附、離子交換、微生物降解等多種凈化機(jī)制，去除調(diào)蓄后雨水中殘留的污染物，控制面源污染。凈化后的尾水可進(jìn)一步回用于綠化、景觀用水等，實(shí)現(xiàn)水資源的梯級(jí)利用。雨水濕地的建設(shè)應(yīng)因地制宜，選擇水位穩(wěn)定、周邊污染負(fù)荷較輕的區(qū)域布設(shè)，并結(jié)合周邊景觀環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)生態(tài)、景觀、休閑等多重效益。

在源頭和過(guò)程中充分利用雨水調(diào)蓄、凈化的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)屋面、道路、廣場(chǎng)等不同標(biāo)準(zhǔn)雨水的收集回用，經(jīng)凈化處理后可用于綠化灌溉、道路沖洗、景觀環(huán)境用水、市政雜用等，替代自來(lái)水，緩解城市供水壓力[4]。雨水回用工藝應(yīng)科學(xué)選擇，對(duì)水質(zhì)要求較高的市政車輛沖洗用水，可采用混凝沉淀、過(guò)濾、消毒等常規(guī)凈化工藝。對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較低的綠化、道路沖洗用水，可僅采取初期雨水棄流、沉淀等簡(jiǎn)易工藝。在末端實(shí)施分質(zhì)處置、串聯(lián)凈化、梯級(jí)利用等措施，對(duì)溢流、收集的雨水進(jìn)行協(xié)同控制，將內(nèi)源污染物攔截在管網(wǎng)外，促進(jìn)水體水質(zhì)改善，進(jìn)而提升再生水利用率，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制。建設(shè)雨水濕地，可削減60%以上的化學(xué)需氧量、氨氮、總氮等污染物，溢流污染控制成效顯著。雨水回用可使水資源利用效率提高30%以上，大幅減輕供水壓力。由此可見(jiàn)，末端凈化與回用在打通“從源頭到末端”的全過(guò)程控制鏈條中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3 創(chuàng)新方案的優(yōu)勢(shì)分析與實(shí)施難點(diǎn)

本文基于海綿城市理念的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略具備多方面的優(yōu)勢(shì)，其系統(tǒng)性更強(qiáng)。不同于傳統(tǒng)“重灰設(shè)施、輕綠設(shè)施”的排水防澇思路，該方案從源頭、過(guò)程到末端進(jìn)行全過(guò)程控制，涵蓋滲、滯、蓄、凈、用、排等環(huán)節(jié)，各項(xiàng)措施之間相互協(xié)同、耦合增效，形成系統(tǒng)完整的“海綿體”。這種多措并舉、全鏈條控制的理念，有利于實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇防治、水資源利用、水環(huán)境改善、水生態(tài)保護(hù)等多重目標(biāo)，彰顯了海綿城市建設(shè)的綜合效益。利用城區(qū)內(nèi)低洼地帶、公園綠地、廢棄地等非傳統(tǒng)建設(shè)空間布設(shè)調(diào)蓄設(shè)施，可顯著減少大規(guī)模管線鋪設(shè)工程，減少對(duì)城市有限土地的占用，節(jié)省工程用地，降低綜合成本。海綿設(shè)施本身如雨水花園、下沉式綠地等，兼具景觀游憩功能，既能凈化調(diào)蓄雨水，又可提升城市景觀內(nèi)涵，一舉多得。與常規(guī)灰色排水基礎(chǔ)設(shè)施相比，此方案生態(tài)性更佳，通過(guò)采用生態(tài)樹(shù)池、人工濕地、生態(tài)駁岸等仿生、近自然的生態(tài)設(shè)施，利用“植物－土壤－微生物”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，削減徑流污染負(fù)荷，涵養(yǎng)水源，營(yíng)造自然水景觀，有利于城市水環(huán)境質(zhì)量改善，生物多樣性提升[5]。

然而，方案實(shí)施仍面臨諸多挑戰(zhàn)。①跨部門(mén)協(xié)同有待提高。新型城市排水防澇工程建設(shè)不同于常規(guī)市政設(shè)施建設(shè)，涉及規(guī)劃、住建、水務(wù)、園林、環(huán)保等多個(gè)部門(mén)，各部門(mén)間職責(zé)邊界模糊，缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，業(yè)務(wù)協(xié)同與信息共享不暢，制約了工程的系統(tǒng)性實(shí)施；②建設(shè)模式有待創(chuàng)新。相較于傳統(tǒng)排水管網(wǎng)等灰色設(shè)施，生態(tài)型海綿設(shè)施在建設(shè)、運(yùn)維等方面的投資回報(bào)率相對(duì)較低，單純依靠主管部門(mén)投資難以為繼。須建立部門(mén)主導(dǎo)、社會(huì)參與、市場(chǎng)運(yùn)作的多元化投融資機(jī)制，吸引社會(huì)資本參與，拓寬建設(shè)資金來(lái)源渠道，同時(shí)鼓勵(lì)主管部門(mén)和社會(huì)資本合作（PPP）等創(chuàng)新建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，建立風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)和利益共享機(jī)制，調(diào)動(dòng)社會(huì)力量參與的積極性；③管理機(jī)制有待健全。傳統(tǒng)排水設(shè)施管理重“建”輕“管”，設(shè)施養(yǎng)護(hù)資金投入不足，精細(xì)化管理水平不高，而海綿設(shè)施全生命周期管理對(duì)跨部門(mén)協(xié)同、多專業(yè)融合提出了更高要求，需構(gòu)建系統(tǒng)完善的設(shè)施運(yùn)行維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，明晰管理權(quán)責(zé)，創(chuàng)新管理方式方法，提升設(shè)施精細(xì)化管控水平，確保其功能的長(zhǎng)效發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

海綿城市建設(shè)是適應(yīng)氣候變化、提升城市排水防澇能力的重要舉措，面對(duì)新形勢(shì)下內(nèi)澇防治的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須樹(shù)立系統(tǒng)思維，創(chuàng)新工程設(shè)計(jì)理念。基于海綿城市理念的多級(jí)調(diào)蓄排水系統(tǒng)構(gòu)建策略，可為破解城市內(nèi)澇之困提供新思路、新方法。但其落地實(shí)施仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需要各方通力協(xié)作、共同推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)城市良性“海綿化”運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]麻芳（1984—），女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，工程師，研究方向：市政排水。