基于海绵城市理念下城市道路排水系统的创新设计

2016-08-23解华方诗圣

安徽建筑 2016年3期

关键词：边沟宣城调蓄

解华，方诗圣

（合肥工业大学（宣城校区）建筑工程系，安徽宣城 242000）

基于海绵城市理念下城市道路排水系统的创新设计

解华，方诗圣

（合肥工业大学（宣城校区）建筑工程系，安徽宣城 242000）

通过对国内外城市及宣城市道路排水系统现状调研，讨论了建设海绵型城市道路的设计思路和解决道路排水及雨水回收利用等问题的办法，旨在实现城市和环境资源的协调发展。

海绵城市；城市道路；排水系统

0　前言

随着经济和社会的不断发展以及快速城镇化建设的推进，城市开发强度越来越高，道路大量的硬质铺装，改变了原有的自然生态本底和水文特征，城市与环境之间的矛盾在城市内涝与缺水并存现象中日益突出[1]。近几年，“逢雨必涝”已成为不少城市“头疼”的难题，同时也带来了水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水安全缺乏保障等一系列问题[2]。

2013年12月12日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”[3]。

1　海绵城市的理念

《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》[4]以及仇保兴发表的《海绵城市（LID）的内涵、途径与展望》[5]对“海绵城市”的概念给出了明确的定义：海绵城市，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市建设，以构建低影响开发的雨水系统为基本原则，将雨水短暂地存储起来，缓慢下渗或汇集到生态水系系统，在减轻城市排水负担的同时，有效提高原有市政排水设施抵御暴雨的能力，补充地下水、复活泉水和涵养水源，恢复城市地表的天然水系环境。其理论依据就是要解决系统性、综合性的水问题。海绵城市已经成为我国城市建设的主要方向，许多城市都在积极探索海绵城市的建设，实现城市发展和环境资源协调。

2　国内外城市道路排水系统研究现状

2.1国内研究现状

国内对于城市道路排水及水处理系统的研究比西方国家起步晚，且大多采用传统式的排水设施系统，相应的技术规范和要求较低[6]。随着城市雨水利用技术的推广和城市非点源污染控制的开展，雨水的净化处理受到越来越多的重视[7]。例如在北京，一些地区的排水管网还是明代的设施，仅天安门等重点地区的雨水排水设计重现期比较高，其他地区的排水能力较低，导致近几年频繁发生积水。在赣州市，以宋代福寿沟为代表的城市排水系统至今依然发挥作用。在青岛市，100多年前德国人规划设计了完善的地下排水系统，让青岛远离内涝的隐患，不过，随着这两个城市的发展，原有排水系统覆盖的老城区远离内涝威胁，但新城区却在暴雨来袭时束手无策[8]。

2.2国外研究现状

国外排水系统的发展进程大致可分为三个相对独立又相互交错的阶段。第一阶段是早期阶段，第二阶段是点源治理阶段，第三阶段是暴雨雨水管理阶段。国外的排水系统在早起规划时注重全局，具有良好的前瞻性。例如德国开发的MR（洼地－渗渠）城市暴雨管理与新系统在欧洲颇为流行。该系统包括各个就地设置的洼地、渗渠等组成部分，这些部分与带有孔洞的排水管道（带有可调节的溢流阀）连接，形成一个分散的雨水处理系统，设在雨水径流形成的“源头”，如靠近屋面、停车场等地方。通过雨水在低洼草地中短期储存和在渗渠中的长期储存，保证尽可能多的雨水得以下渗。MR系统代表了一种排水系统的新概念，即“径流零增长”，这个概念的目标是“使城市范围内的水量平衡更加接近其在这片地区发展起来之前的状况”。其方法主要采用明渠收集，利用下渗洼地、绿化屋面、截蓄水塘等传输、储存雨水，利用下凹式绿地和砂滤床等工程技术进行净化，最后根据水质的要求，进行不同的利用。

美国的雨水排放系统以提高天然入渗能力为目的。如美国加州富雷斯诺市的“Leaky Areas”地下回灌系统，10年间（1971～1980）的地下水回灌总量为1.338亿m3，年回灌量占该市年用水量的20%[9]。美国不但重视工程措施，而且还制定相应的法律法规对雨水利用给予支持，很多城市建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统。

美国提出的BMP通过工程和非工程措施相结合的方法进行雨水的控制和处理，强调源头控制、自然与生态措施、非工程方法，以提高天然入渗能力为宗旨，雨水的利用主要是下渗补充地下水[10]。

2.3宣城市道路排水系统现状及影响

宣城市区道路由城市快速路、主干路、次干路、支路组成。由于传统城市建设模式，道路处处是硬化路面，城市变得很“硬”，不会呼吸，暴雨天气容易产生城市内涝。城市排水设施落后，主要依靠管渠、泵站等“灰色”设施来排水，调查发现，以市中心状元路主干道为例，该道路因排水设施不完善产生了许多危害和不利影响，具体有：

①通过路面表层渗入路基结构内部的水分，由于排水不畅，长期滞留在路基，严重影响路基强度，造成路基冲刷，严重时还会形成唧泥或断裂等；

②该路面是沥青路面，使得沥青从集料表面脱落造成各种病害；

③夜间行车，由于城市路表面水分，路表水面将会对车灯光线造成反射现象，这种反射现象会引起驾驶员的错觉，进而会影响道路行车安全；

④城市道路路表积水问题可能使堵车现象变得更为严重；

⑤雨水资源没有得到很好的收集、利用。

3　建设宣城市海绵型城市道路排水系统的初步设想

安徽省宣城市为省级海绵城市建设试点城市，目前正在进行申报第二批全国海绵城市建设试点城市[11]。为了体现宣城国家海绵城市创建、节能减排的理念，除了对雨水进行快速有效的排除，还要将其进行收集并循环利用，使雨水变成资源。

3.1设计方案

①设计一个新型的道路排水系统应用于宣城市区主干道，解决宣城市区城市内涝问题。本设计共分两个排水路径，其中一个排水路径关键设计生态边沟和绿地调蓄池；另一个排水路径关键设计雨水智能板和雨水蓄水模块箱，通过两种途径将道路的雨水排净。

②设计雨水过滤净化回收装置应用于道路雨水的再生利用，解决宣城市区雨水资源浪费的问题。设计净化装置，将蓄水箱的水根据不同用水点对水质要求，分别进行处理，对净化后的水进行分质利用。方案设计图如图1所示。

图1　道路雨水排水节水方案图

由图1，道路雨水排水系统及收集利用过程如下。

①天然降雨通过两种途径进入雨水蓄水模块箱：一是通过道路横坡度，流入下凹式绿化带与盲沟之下的生态边沟，进入绿地调蓄池，一部分下渗，一部分通过主雨水汇总管进入雨水蓄水模块箱；二是直接通过透水沥青混合料的上面层进入雨水智能板，通过改进PVC管的特殊作用，雨水再进入雨水蓄水模块箱。该设计巧妙地将城市道路雨水排水系统的方式分为了两类：横向排水和竖向排水，加快了道路排水的速度，有效防治了城市的内涝。

②蓄水模块箱里的水经提升泵抽取，通过PVC管进入过滤净化装置，变成了具有很多利用途径的再生水。宣城市区有很多“海绵体”，例如宛陵湖，可以直接将道路收集处理的雨水排放至此，这样不仅可以调蓄水源，美化环境，而且避免了未经过处理的污染雨水直接排放，造成水体污染和环境破坏。同时也可以送入自来水厂等进一步综合利用。

3.2方案的设计特点

3.2.1生态边沟

生态边沟是下凹式绿化带与集水井相结合的一种雨水收集方式，沟面为草坪，下铺滤料。生态边沟设于路边，道路车行道边侧石边不设雨水口，雨水直接流入沟内，通过滤料下渗侧继续下渗入地下。

当雨量较大，部分流入集水井，部分在集水井两侧雨水未能及时下渗时，可在沟面径流进入平入式雨水口，流入雨水管内[12]。生态边沟的设计原理如图2所示。

图2　生态边沟设计图

生态边沟有如下特点：①集水口收集能力扩大；②对路面污染物有效过滤；③减少径流量；④避免雨水口堵塞和路面积水现象；⑤生态景观好。

3.2.2绿地调蓄池

绿地调蓄池是将通过道路横坡度缓慢排到绿化带生态边沟的雨水汇流到其中，汇集的雨水缓慢释放，一部分进入河湖水体或下渗入地下，一部分通过雨水横支管进入雨水蓄水模块箱，以此削减雨季洪峰流量，调节土壤的水体平衡[13]。

绿地调蓄池具有三大特点：一是调蓄雨水，削减洪峰，通过蓄留、下渗和限流措施，控制短时间内大流量雨水进入湖河水体，削减洪峰流量；二是净化雨水，防止水土流失，通过沉淀和过滤，滞留雨水中的泥沙；三是调蓄设施以绿地等形式布置，保持原有绿化功能。

3.2.3雨水智能板

该设施埋设在道路上面层和中面层之间，能对雨水进行感应，在雨天将透过上面层（透水材料）往下渗的水进行强力吸收，在晴天通过阳光的感应，和车辆荷载、重力的共同作用下将在智能雨水板的浓缩水通过改进PVC管道（安有光感应器，能够感知光的作用而产生压力）将其汇入位于路基上部面层下部的一个雨水蓄水模块箱系统。其效果图示见图3所示。

图3　绿地调蓄池图

道路分为面层（上、中、下面层）和基层，雨水智能板是置于道路上面层和中面层之间，据了解水是影响道路强度、刚度和稳定性的最重要因素。雨水智能板具有高强吸水性，能够阻止绝大多数雨水进入基层，进而不能对道路稳定性产生影响；其次，雨水智能板具有优越的抗压性能，能够较好满足强度和刚度的要求，但是为了保险起见，在施工时需要对上面层和中面层进行适当的增厚1～3cm，而且路面一定要铺磨耗层；最后，雨水智能板是一种可回收的绿色材料，不会对环境产生影响，使用年限比较久。

雨水智能板特性：抗压性（能够满足路面车辆荷载的满布情况，能够抵抗地面的车荷载而不至于破坏），高强吸水性（就像一个高强海绵一样几乎能够将水都吸在它体内，成为浓缩水），耐久性（有着50年的设计寿命周期），环保性（该板所采用的材料是新型智能的材料，可以回收，对环境零污染）。

雨水智能板创新点：传统道路的排水方式都是通过做坡度排入边沟和下水道管，这往往造成了排水的不均匀，排水不充分，导致积水严重，不能起到有效排水节水的作用。雨水智能板创新性的将透水性的上面层透过的一部分水，利用纵向排水，和通过自身材料的高强吸水性，利用感应系统来进行水资源的收集，然后再通过净水装置，变成可以利用的水。这样可以加速排水并缓解城市的内涝，收集雨水进行循环利用。

图4　通过雨水智能板排水系统图

3.2.4雨水过滤净化装置

该雨水过滤装置埋置在地底深处，与蓄水模块箱通过PVC管相连，道路上的雨水的主要杂质是一些悬浮颗粒物[14]。因此我们可以先对其进行物理处理，即用筛网进行过滤，然后再用旋流分离器，借助电力的作用，利用离心力，将雨和颗粒进行分离，从而进行过滤雨水的净化作用，这样的水基本上可以用作灌溉、绿化、农业、工业用水，再经过自来水厂的一些处理就可以变成生活用水。其装置图见图5所示。

图5　雨水过滤净化装置图

4　结论

通过对宣城市区道路排水系统的现状调查，结合对国内外道路雨水处理情况的研究，提出了宣城市道路排水系统解决方案，设计出道路雨水排放同时进行的两个排水方式，重点创新设计了生态边沟、绿地调蓄池、雨水智能板、雨水过滤净化装置。该理念在宣城市城市道路建设中加以应用，将会有力推动宣城市创办国家级海绵城市进程，为建设美丽宣城发挥重要作用。

[1]谢映霞.从城市内涝灾害频发看排水规划的发展趋势[J].城市规划，2013（2）：45.

[2]章林伟.海绵城市建设概论[J].给水排水，2015，41（6）：1-7.

[3]习近平.在中央城镇化工作会议的讲话[R].2013.

[4]建城函（2014）275号，关于印发海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）的通知[Z].

[5]仇保兴.海绵城市（LID）的内涵、途径与展望[J].建设科技，2015（1）：12.

[6]王敏敏.城市道路综合排水系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[7]吴庆洲，等.城水相依显特色，排蓄并举防雨潦——古城水系防洪排涝历史经验的借鉴与当代城市防涝的对策[J].城市规划，2014（8）：71-72.

[8]林佳.传承、借鉴与创新—中国城市的治水之道[J].中国减灾，2015 （19）：31.

[9]常艳.浅谈城市雨水排放系统[J].山西建筑，2004，30（18）：118.

[10]倪华明，等.城市雨水回收利用现状及发展-上海案例[J].净水技术，2012，31（2）：1-5.

[11]财办建[2015]4号，关于组织申报2015年海绵城市建设试点城市的通知[Z].

[12]汪坤，等.几种公路边沟应用效果评价[J].公路交通技术，2014（3）：1-5.