海绵城市视角下城市绿地地下调蓄装置的设计与应用

2018-06-14李刚

水利规划与设计 2018年5期

李刚

(黑山县水利勘测设计队，辽宁黑山 121400)

近年来，随着城市规模的不断扩大，内涝灾害频发，已经成为政府和广大社会公众普遍关注的焦点[1]。要解决这一现代城市顽疾，建设海绵城市无疑是最有效的手段。城市绿地面积广大，不仅在改善城市自然生态环境方面具有重要作用，同时还具有涵蓄雨水，促进雨水资源化利用的重要潜能[2]。城市绿地地下调蓄装置作为海绵城市建设中的重要绿色基础设施，能够在不改变绿地功能，不增加用地面积的条件下，达到蓄纳雨水、减少外排雨水量、实现雨水的资源化利用、改善城市生态环境等多种目标，具有节省投资、安全可靠等特点，在城市内涝治理中具有广阔的应用前景。

1 技术背景

随着我国城镇化进程的加快，城市规模逐年扩大，但是基础设施建设却相对滞后。在我国的大城市，一场强降雨过后，往往会发生比较严重的内涝。由于降雨量远超城市排水系统的排水能力，导致年年防涝年年涝，进而引发严重的社会问题。

目前，治理城市内涝目前主要有两种方式：一是建设生态城市和绿色雨水基础设施，其主要手段是将绿化池进行下沉设计，利用下沉部分和土壤蓄水[3]。但是，这种方式不利于植物生长，也不利于雨水的面污染控制，会带来较多的负面效应。二是在城市地下建设大型调蓄池，但是这种手段不仅需要巨量投资，且容积有限，难以从根本上解决城市内涝问题[4]。因此，只有进行技术创新，充分发挥城市绿地的调蓄作用，更好地调蓄雨水，才能从根本上解决城市内涝问题。

2 城市绿地地下调蓄装置的技术内容

2.1 设计的基本思路

基于技术背景分析，文章提出一种应用于城市绿地的地下雨水调蓄装置，以更好地实现城市绿地空间对雨水的调蓄作用[5]。该装置主要由进水口、蓄水体和排水沟等部分构成，其平面图如图1所示。

图1 绿地地下调蓄装置平面图

2.1.1 进水口设计

地面或路面的雨水经过坡面或排水沟等预先设计的集雨设施引至进水口。进水口的数量、尺寸和位置应该根据调蓄装置的具体参数设定，一般而言，集雨面积8～30m2设计一个进水口，如果条件允许可以多设，以便更好地收集雨水。进水口可以单边设计，亦可双边设计，在位置选择上应尽量靠近检查井，以便于排水和管道布置。为防止垃圾和树叶等杂物进入，应在进水口处设置拦污栅。在进水口与土层之间设置U型挡土墙，U型凹槽内为进水井，其中用卵石或碎石等粗颗粒材料填筑至蓄水层，挡土墙上部设置混凝土盖板。进水井的顶面应低于进水口5～10cm，并在顶面覆盖可拆卸拦污网，作为第二道拦污装置。

2.1.2 蓄水体设计

蓄水体主要由城市绿地和地下空间构成，形状视绿地的形状而定，自上而下分为种植层、蓄水层和基底层，其结构如图2所示。蓄水体的主要作用是利用蓄水层的多孔材料吸附和存储雨水，实现雨水的就地吸纳，以达到消减内涝的作用，同时其蓄积的大量雨水可以通过重力下渗作用补充地下水，实现雨水的资源化利用。

图2 绿地地下调蓄装置剖面图

种植层是蓄水体的最上层，一般稍高于地面或路面，其厚度要满足植物的生长需求。因此，其厚度跟覆土的类型和种植植物的种类有关，但是最低不少于30cm，如果需要栽植乔木，应预留出足够的厚度。在种植层和蓄水层之间设置一层土工布。

蓄水层位于种植层下，由煤渣、红砖、矿渣等高吸附性、强渗透性的多孔材料填充，其尺寸由蓄水量确定[6]。在地下水位较高的南方城市，蓄水层的底面应高于当地的地下水位，在该层与周围土体之间应设置一层土工布，以防止相邻土层中的细土颗粒向蓄水层渗透，影响其蓄水功能。蓄水层的作用不仅是蓄积雨水，还有吸附污染物的作用，避免地面雨水直接渗入地层，污染地下水。由于蓄水层的材料来源广泛、价格低廉，可以达到节能减排、变废为宝的目的。

一般地区，可以采取原土层作为基底层，并在与上部的蓄水层之间设置一层土工布，在土工布上铺设厚度不小于10cm的粗砂。如果基层为回填土，则要选择黏性土，并分层夯实。

2.1.3 排水系统

排水系统主要由集水块、排水管道和水工逆止阀三部分组成。其中，集水块为不锈钢网围成的长方体结构，外部包裹一层土工布。集水块的尺寸应按照蓄水体的大小设定，并设置在排水口附近，便于雨水排放。为了增强集水效果，可以在蓄水层内设置管壁密布空洞的集水管，所有的集水管分级连接与集水块一起构成集水管网结构[7]。排水管起于集水块，通向检查井并与水工逆止阀相连接。水工逆止阀的控制高程设计为检查井内的最低水位。如果蓄积的雨水需要利用，可将所有的排水管接入总管，将雨水导入配套的蓄水池；如果蓄积的雨水不需要利用，则结合城市的河道、湖泊、排水管网就近排放[8]。

2.2 城市绿地地下调蓄装置的施工流程与要点

(1)新建或改建绿地时，按照蓄水层的深度进行基坑开挖；为保证挡土墙的稳定，需要在两侧预留一定宽度；在基坑开挖过程中，采取台阶开挖或边坡喷锚等工程措施，保障基坑壁的稳定。

(2)在基坑底部和两侧铺设土工布时，应先固定好上端，然后沿基坑壁下放，并做好各幅土工布之间的连接，以保证其功能发挥。

(3)从蓄水体至检查井按照预设线路挖沟并铺设排水管。

(4)按照设计尺寸制作集水块，在外部包裹一层土工布，在排水管插入处预留孔洞。

(5)在基坑底部土工布上铺设厚度不小于10cm的粗砂，然后人工填埋吸附材料，在填埋时要小心施工，以防棱角扎破土工布，在填埋至预定高度后，进行表面平整，并铺设土工布且与两侧的土工布连为一体。

(6)进行进水口施工，安装U型挡板，并用粗颗粒材料填筑进水井，在顶面覆盖可拆卸的拦污网，然后安装拦污栅和盖板。

(7)回填种植土至预定高程；如果属于改建绿地，则需要比原来高程高出5～10cm。

3 运行原理与效果分析

3.1 运行原理

绿地地下调蓄装置可以利用蓄水层水位与检查井水位之间的差值，实现自动蓄水和排放，无需任何动力和人工操作。

当蓄水层内无水或水位低于检查井内水位时，水工逆止阀处于关闭状态，不能反向进水。当城市遭受暴雨袭击时，雨水将不断流进蓄水层内，直至蓄水层蓄满为止。显然，在城市绿地的功能和规模不变的前提下，地下调蓄装置可以提供有效的滞洪空间，提高城市的防内涝能力。

降雨结束后，检查井水位必将持续降低。在水位下降到一定程度后，水工逆止阀由水压作用打开，蓄水层内的水将不断汇流于集水块内，然后经排水管向城市排水系统排放，为下次调蓄雨水腾出空间。低于集水块部分的雨水将通过重力下渗作用补充地下水。

3.2 运行效益分析

(1)据测算，蓄水层采用碎砖或煤渣等材料时，可以有效吸收蓄水层体积15%～25%的雨水，也就是每立方米的蓄水层可调蓄雨水0.15～0.25m3。按照每小时30mm的降雨计算，可以接纳4～7m2面积的降雨；如果按每小时50mm的降雨计算，则可接纳2～4m2范围内的降雨。由于城市绿地分布均匀，总面积广大，如果该装置结合绿地建设得到普及应用，可以有效消减城市内涝，同时不影响景观设计，便于施工。

(2)蓄水层采用的是高渗透性和吸附性的填筑材料，能有效吸附雨水中的磷酸根等有害污染物，避免其随雨水渗入地下，造成地下水污染。同时，这些材料多为建筑废弃物，该装置为建筑垃圾的资源化利用提供了新途径。

(3)在蓄水层内蓄积的雨水，不仅可以实现自动排放，还可以通过排水管进入蓄水池，实现雨水资源的多元化利用。此外，蓄水层中的雨水还可以通过渗透作用补充地下水或被周围植物根系吸收，使雨水资源得到充分利用。