对市政雨排水系统可持续性设计的探讨

赵冬楠

（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

1 我国目前市政雨排水系统存在的问题

1.1 市政雨排水系统排水能力不足

城市内涝事故频发，其原因除了气象环境变化、极端降雨天气增多以外，最根本因素应归为我国日益加剧的城市化规模，带来的城区地表径流系数增大，可受纳生态面积变小，相应对接的现有市政雨排水系统能力不足、升级建设滞后。自然条件下，地表径流量为10%，蒸发量为40%；受城市化影响后，地面硬化率增高，地表径流量上升到55%，地下渗流量随之降低，加重了市政雨排水系统的排水压力。

1.2 市政雨排水的环境污染

市政雨排水的环境问题主要为初期雨水径流带来的面源污染。随着城市化发展，城区自然土壤被不透水路面替代，降雨渗透量变小，雨水地表径流增大，空气、建筑物及地面等累积污染物经雨水径流冲刷后汇集，污染物浓度或将高于典型性城市污水，将导致城市雨排水受纳水体环境污染。影响雨水径流污染的因素主要包括降雨历时、降雨强度、下垫面状态及降雨间隔时间等因素。落于透水下垫面范围的雨水有一定部分将下渗到地下，其径流雨水污染物浓度相较不透水地面范围内的小，因而屋面及道路初期雨水的污染相对严重。

2 我国海绵城市发展概述

海绵城市是指像海绵一样具有吸水、蓄水、渗水、排水和净水功能的城市，降雨时快速吸收、储存雨水，在需要的时候将蓄存的水“释放”出来，并加以利用的城市类型。海绵城市具有良好的弹性，能适应各种环境的变化，帮助解决城市雨水环境问题，还能在一定程度上应对自然灾害，增强城市的防御能力，提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。建设海绵城市势在构建一套可持续的城市雨水管理体系，维护水资源的生态平衡，是现代城市建设持续发展的前提，也是从根本上解决城市雨水问题的关键。

我国的海绵城市建设相较于发达国家来说起步较晚，自2014年住建部在《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》中首次明确提出创建海绵城市的概念，并对低生态影响城市开发提供了一系列的技术支持。2015年，国务院颁布《关于推进海绵城市建设的指导意见》，指出海绵城市建设的目标是达到70%的降雨可以就地消纳并利用，到2020年，20%的城市建设区要达到要求，到2030年，80%的城市建成区要达到要求。国家“十四五”规划和2035年远景目标的建议中要求“加强城镇老旧小区改造和社区建设，增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市”。与此同时，陆续选定海绵城市建设试点城市。在国家大力开展海绵城市建设的政策环境下，我国目前已有130多个城市制定了海绵城市建设方案，研究学者不断探索降雨径流模型、径流控制技术、城市绿色基建设施、海绵城市规划策略及可持续管理办法等。

3 市政雨排水系统可持续性设计方法探讨

海绵城市的构建离不开雨洪的管理和利用。在城市水资源短缺，而城市内涝又特别突出的环境下，合理管理和利用雨水资源就显得尤为重要。中央多次提出建设“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市，重点是将雨水进行收集并回用，利用生态使雨水多留少排，以此提升雨水利用率，高效管理城市雨水，因地制宜地采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施。

3.1 屋面雨水

屋面雨水径流量大，占城区雨水资源量65%左右，其水质污染相对较小，且易于收集，是市政雨水收集回用的主要研究对象。屋面初期雨水污染较严重，屋面径流中总氮、总磷含量较低，但浊度、悬浮物及COD指标相对较高。污染物的来源主要为大气中的污染物沉降以及来自屋面材料的污染物。不同屋面材料产生的污染有所不同，常见的屋面材料中，污染物浓度由高到低依次为沥青屋面、混凝土屋面、瓦屋面。有研究表明，锌屋面和瓦屋面的多环芳烃总量分别为232.6ng/L和197ng/L。而初期雨水的冲刷效果与屋面坡度关联性较大，而与降雨量、降雨强度、干燥时间等特征参数无显要相关性。需经过预处理，在经雨水立管收集进入后续处理系统之前，考虑通过弃流装置将初期较脏的雨水排至污水管道，经过弃流装置处理的雨水经后续处理后可用作城市的绿地浇灌、路面喷 洒、景观补水等。另外，也可以利用屋顶绿化，将雨水收集和生态景观有机结合，不仅节约能源和水资源，还可改善居住生态环境、净化城市空气等，是利用雨水的有效办法。

3.2 路面雨水

以往城市道路多为不透水路面，面积约占城市总体的10%～40%，极易形成雨水径流。受区域环境、降雨条件等因素影响，初期雨水水质往往较差，总悬浮固体、有机物含量较高，远超雨水回用水质标准。因此，减少路面雨水径流、降低市政雨水管网压力、减少污水处理厂水处理负荷为亟待解决的关键所在。

减少路面雨水径流可采用透水铺装路面的工程措施，以达到有效渗透并收集雨水的效果。试验表明，全透水沥青路面的渗水系数可达4899mL/min，透水砖孔隙率为15%～20%时，渗水系数可达0.02cm/s。不足的是，透水铺装的透水性会随着时间的推移而下降，部分区域的透水铺装使用两年后透水性能下降了68%。故未来还需加强延长透水铺装材料使用周期的研究。此外，有研究发现经过透水铺装的径流雨水中的悬浮物、总氮、总磷的含量较低，对COD、重金属、油类都有一定的去除效果。

除此之外，建设生物滞留带也是一种常见工程举措，包括种植土-碎石绿化带、植草沟、植被缓冲带、下凹式绿地等，通过滞留、过滤、渗透的方式去除初期雨水中的污染物，在减缓雨水径流的同时净化雨水水质。有研究发现，60m长的植草沟对悬浮物、碳氢化合物和重金属的去除率分别为80%、75%、46%～67%；19m长的植被缓冲带可以去除74%的总磷、60%的总氮、58%的可溶性磷；将植被缓冲带与市政排水系统结合，在地下1.2m处营造厌氧环境，可去除85%的磷酸盐。滞留过程中雨水的水力停留时间越长、植被缓冲带长度越长、坡度越低、植被密度越大，污染物去除效果越显著：停留10、18分钟的悬浮物去除率分别为74.4%、97.2%；缓冲带植被密度由2500束/m2增加到10000束/m2时，悬浮物的去除率将提升45%。

3.3 末端集流设施

上述管网集流过程中的自然净化方式虽可去除一定量的污染物，但对于顽固难去除的物质而言，如何高效去除仍是雨水净化回用的难点之一。传统城市道路雨水排入合流制市政管道或分流制雨水管道，最终都送入污水处理厂统一处理。雨水径流具有水量不定量、水质不定性的特点，对市政污水处理厂具有不小的冲击性。于雨水管网末端修建集水池、人工湿地，既可削减洪峰流量、亦可在一定程度上利用自然生态的方法对雨水进行净化处理，是经济有效的工程措施。在市区内一般结合道路广场、停车场、公园绿地、城市水系等市政公共区域修建雨水蓄调池，是治理初期雨水的重要工程措施。而于管网末端借由城市自然生态水体修建生物滞留池除具调蓄功能以外，亦能降低甚至是难处理的污染物浓度，例如对重金属而言，在末端生物滞留系统中利用溶解性有机物（DOM）的协同作用就能对重金属起到较好作用，并且溶解性有机分子的量越小，络合作用随之增强。有研究证实，生物滞留池对径流中的悬浮物、磷、铅、锌的去除效果明显，去除率分别为82%、47%、73%、71%。

4 结语

本文回顾了我国的海绵城市发展历程，归纳了海绵城市的建设思路，而后总结了目前最适合我国国情的海绵城市建设及改造工程的设计方案。总体来说我国目前已经建成的海绵城市雨水系统初见成效，但还有许多需要优化之处，除了工程方面的设计优化外，还需要加强国家雨水宏观上的可持续性管理、加强区域雨水生态建设、并逐步完善相关法律法规，寄以实现国家雨水资源的宏观调配、提升我国对抗自然灾害的能力。如同其他发达国家一样，我国要想形成一套完善的雨水管理体系还要经历一个漫长的发展历程，要想推动这一进程就必需加强宣传普及海绵城市建设的意义和必要性，民众共同朝着建设可持续发展的生态城市而努力。