解華，方詩圣

（合肥工業(yè)大學(xué)（宣城校區(qū)）建筑工程系，安徽 宣城 242000）

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基于海綿城市理念下城市道路排水系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

解華，方詩圣

（合肥工業(yè)大學(xué)（宣城校區(qū)）建筑工程系，安徽 宣城 242000）

通過對國內(nèi)外城市及宣城市道路排水系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)研，討論了建設(shè)海綿型城市道路的設(shè)計(jì)思路和解決道路排水及雨水回收利用等問題的辦法，旨在實(shí)現(xiàn)城市和環(huán)境資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

海綿城市；城市道路；排水系統(tǒng)

0　前言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展以及快速城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，城市開發(fā)強(qiáng)度越來越高，道路大量的硬質(zhì)鋪裝，改變了原有的自然生態(tài)本底和水文特征，城市與環(huán)境之間的矛盾在城市內(nèi)澇與缺水并存現(xiàn)象中日益突出[1]。近幾年，“逢雨必澇”已成為不少城市“頭疼”的難題，同時(shí)也帶來了水生態(tài)惡化、水資源緊缺、水環(huán)境污染、水安全缺乏保障等一系列問題[2]。

2013年12月12日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中強(qiáng)調(diào)：“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[3]。

1　海綿城市的理念

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》[4]以及仇保興發(fā)表的《海綿城市（LID）的內(nèi)涵、途徑與展望》[5]對“海綿城市”的概念給出了明確的定義：海綿城市，是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。 海綿城市建設(shè)，以構(gòu)建低影響開發(fā)的雨水系統(tǒng)為基本原則，將雨水短暫地存儲(chǔ)起來，緩慢下滲或匯集到生態(tài)水系系統(tǒng)，在減輕城市排水負(fù)擔(dān)的同時(shí)，有效提高原有市政排水設(shè)施抵御暴雨的能力，補(bǔ)充地下水、復(fù)活泉水和涵養(yǎng)水源，恢復(fù)城市地表的天然水系環(huán)境。其理論依據(jù)就是要解決系統(tǒng)性、綜合性的水問題。海綿城市已經(jīng)成為我國城市建設(shè)的主要方向，許多城市都在積極探索海綿城市的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展和環(huán)境資源協(xié)調(diào)。

2　國內(nèi)外城市道路排水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于城市道路排水及水處理系統(tǒng)的研究比西方國家起步晚，且大多采用傳統(tǒng)式的排水設(shè)施系統(tǒng)，相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和要求較低[6]。隨著城市雨水利用技術(shù)的推廣和城市非點(diǎn)源污染控制的開展，雨水的凈化處理受到越來越多的重視[7]。例如在北京，一些地區(qū)的排水管網(wǎng)還是明代的設(shè)施，僅天安門等重點(diǎn)地區(qū)的雨水排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期比較高，其他地區(qū)的排水能力較低，導(dǎo)致近幾年頻繁發(fā)生積水。在贛州市，以宋代福壽溝為代表的城市排水系統(tǒng)至今依然發(fā)揮作用。在青島市，100多年前德國人規(guī)劃設(shè)計(jì)了完善的地下排水系統(tǒng)，讓青島遠(yuǎn)離內(nèi)澇的隱患，不過，隨著這兩個(gè)城市的發(fā)展，原有排水系統(tǒng)覆蓋的老城區(qū)遠(yuǎn)離內(nèi)澇威脅，但新城區(qū)卻在暴雨來襲時(shí)束手無策[8]。

2.2國外研究現(xiàn)狀

國外排水系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程大致可分為三個(gè)相對獨(dú)立又相互交錯(cuò)的階段。第一階段是早期階段，第二階段是點(diǎn)源治理階段，第三階段是暴雨雨水管理階段。國外的排水系統(tǒng)在早起規(guī)劃時(shí)注重全局，具有良好的前瞻性。例如德國開發(fā)的MR（洼地－滲渠）城市暴雨管理與新系統(tǒng)在歐洲頗為流行。該系統(tǒng)包括各個(gè)就地設(shè)置的洼地、滲渠等組成部分，這些部分與帶有孔洞的排水管道（帶有可調(diào)節(jié)的溢流閥）連接，形成一個(gè)分散的雨水處理系統(tǒng)，設(shè)在雨水徑流形成的“源頭”，如靠近屋面、停車場等地方。通過雨水在低洼草地中短期儲(chǔ)存和在滲渠中的長期儲(chǔ)存，保證盡可能多的雨水得以下滲。MR系統(tǒng)代表了一種排水系統(tǒng)的新概念，即“徑流零增長”，這個(gè)概念的目標(biāo)是“使城市范圍內(nèi)的水量平衡更加接近其在這片地區(qū)發(fā)展起來之前的狀況”。其方法主要采用明渠收集，利用下滲洼地、綠化屋面、截蓄水塘等傳輸、儲(chǔ)存雨水，利用下凹式綠地和砂濾床等工程技術(shù)進(jìn)行凈化，最后根據(jù)水質(zhì)的要求，進(jìn)行不同的利用。

美國的雨水排放系統(tǒng)以提高天然入滲能力為目的。如美國加州富雷斯諾市的“Leaky Areas”地下回灌系統(tǒng)，10年間（1971～1980）的地下水回灌總量為1.338億m3，年回灌量占該市年用水量的20%[9]。美國不但重視工程措施，而且還制定相應(yīng)的法律法規(guī)對雨水利用給予支持，很多城市建立了屋頂蓄水和由入滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統(tǒng)。

美國提出的BMP通過工程和非工程措施相結(jié)合的方法進(jìn)行雨水的控制和處理，強(qiáng)調(diào)源頭控制、自然與生態(tài)措施、非工程方法，以提高天然入滲能力為宗旨，雨水的利用主要是下滲補(bǔ)充地下水[10]。

2.3宣城市道路排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及影響

宣城市區(qū)道路由城市快速路、主干路、次干路、支路組成。由于傳統(tǒng)城市建設(shè)模式，道路處處是硬化路面，城市變得很“硬”，不會(huì)呼吸，暴雨天氣容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇。城市排水設(shè)施落后，主要依靠管渠、泵站等“灰色”設(shè)施來排水，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以市中心狀元路主干道為例，該道路因排水設(shè)施不完善產(chǎn)生了許多危害和不利影響，具體有：

①通過路面表層滲入路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分，由于排水不暢，長期滯留在路基，嚴(yán)重影響路基強(qiáng)度，造成路基沖刷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)形成唧泥或斷裂等；

②該路面是瀝青路面，使得瀝青從集料表面脫落造成各種病害；

③夜間行車，由于城市路表面水分，路表水面將會(huì)對車燈光線造成反射現(xiàn)象，這種反射現(xiàn)象會(huì)引起駕駛員的錯(cuò)覺，進(jìn)而會(huì)影響道路行車安全；

④城市道路路表積水問題可能使堵車現(xiàn)象變得更為嚴(yán)重；

⑤雨水資源沒有得到很好的收集、利用。

3　建設(shè)宣城市海綿型城市道路排水系統(tǒng)的初步設(shè)想

安徽省宣城市為省級海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市，目前正在進(jìn)行申報(bào)第二批全國海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市[11]。為了體現(xiàn)宣城國家海綿城市創(chuàng)建、節(jié)能減排的理念，除了對雨水進(jìn)行快速有效的排除，還要將其進(jìn)行收集并循環(huán)利用，使雨水變成資源。

3.1設(shè)計(jì)方案

①設(shè)計(jì)一個(gè)新型的道路排水系統(tǒng)應(yīng)用于宣城市區(qū)主干道，解決宣城市區(qū)城市內(nèi)澇問題。本設(shè)計(jì)共分兩個(gè)排水路徑，其中一個(gè)排水路徑關(guān)鍵設(shè)計(jì)生態(tài)邊溝和綠地調(diào)蓄池；另一個(gè)排水路徑關(guān)鍵設(shè)計(jì)雨水智能板和雨水蓄水模塊箱，通過兩種途徑將道路的雨水排凈。

②設(shè)計(jì)雨水過濾凈化回收裝置應(yīng)用于道路雨水的再生利用，解決宣城市區(qū)雨水資源浪費(fèi)的問題。設(shè)計(jì)凈化裝置，將蓄水箱的水根據(jù)不同用水點(diǎn)對水質(zhì)要求，分別進(jìn)行處理，對凈化后的水進(jìn)行分質(zhì)利用。方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1　道路雨水排水節(jié)水方案圖

由圖1，道路雨水排水系統(tǒng)及收集利用過程如下。

①天然降雨通過兩種途徑進(jìn)入雨水蓄水模塊箱：一是通過道路橫坡度，流入下凹式綠化帶與盲溝之下的生態(tài)邊溝，進(jìn)入綠地調(diào)蓄池，一部分下滲，一部分通過主雨水匯總管進(jìn)入雨水蓄水模塊箱；二是直接通過透水瀝青混合料的上面層進(jìn)入雨水智能板，通過改進(jìn)PVC管的特殊作用，雨水再進(jìn)入雨水蓄水模塊箱。該設(shè)計(jì)巧妙地將城市道路雨水排水系統(tǒng)的方式分為了兩類：橫向排水和豎向排水，加快了道路排水的速度，有效防治了城市的內(nèi)澇。

②蓄水模塊箱里的水經(jīng)提升泵抽取，通過PVC管進(jìn)入過濾凈化裝置，變成了具有很多利用途徑的再生水。宣城市區(qū)有很多“海綿體”，例如宛陵湖，可以直接將道路收集處理的雨水排放至此，這樣不僅可以調(diào)蓄水源，美化環(huán)境，而且避免了未經(jīng)過處理的污染雨水直接排放，造成水體污染和環(huán)境破壞。同時(shí)也可以送入自來水廠等進(jìn)一步綜合利用。

3.2方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.2.1生態(tài)邊溝

生態(tài)邊溝是下凹式綠化帶與集水井相結(jié)合的一種雨水收集方式，溝面為草坪，下鋪濾料。生態(tài)邊溝設(shè)于路邊，道路車行道邊側(cè)石邊不設(shè)雨水口，雨水直接流入溝內(nèi)，通過濾料下滲側(cè)繼續(xù)下滲入地下。

當(dāng)雨量較大，部分流入集水井，部分在集水井兩側(cè)雨水未能及時(shí)下滲時(shí)，可在溝面徑流進(jìn)入平入式雨水口，流入雨水管內(nèi)[12]。生態(tài)邊溝的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2　生態(tài)邊溝設(shè)計(jì)圖

生態(tài)邊溝有如下特點(diǎn)：①集水口收集能力擴(kuò)大；②對路面污染物有效過濾；③減少徑流量；④避免雨水口堵塞和路面積水現(xiàn)象；⑤生態(tài)景觀好。

3.2.2綠地調(diào)蓄池

綠地調(diào)蓄池是將通過道路橫坡度緩慢排到綠化帶生態(tài)邊溝的雨水匯流到其中，匯集的雨水緩慢釋放，一部分進(jìn)入河湖水體或下滲入地下，一部分通過雨水橫支管進(jìn)入雨水蓄水模塊箱，以此削減雨季洪峰流量，調(diào)節(jié)土壤的水體平衡[13]。

綠地調(diào)蓄池具有三大特點(diǎn)：一是調(diào)蓄雨水，削減洪峰，通過蓄留、下滲和限流措施，控制短時(shí)間內(nèi)大流量雨水進(jìn)入湖河水體，削減洪峰流量；二是凈化雨水，防止水土流失，通過沉淀和過濾，滯留雨水中的泥沙；三是調(diào)蓄設(shè)施以綠地等形式布置，保持原有綠化功能。

3.2.3雨水智能板

該設(shè)施埋設(shè)在道路上面層和中面層之間，能對雨水進(jìn)行感應(yīng)，在雨天將透過上面層（透水材料）往下滲的水進(jìn)行強(qiáng)力吸收，在晴天通過陽光的感應(yīng)，和車輛荷載、重力的共同作用下將在智能雨水板的濃縮水通過改進(jìn)PVC管道（安有光感應(yīng)器，能夠感知光的作用而產(chǎn)生壓力）將其匯入位于路基上部面層下部的一個(gè)雨水蓄水模塊箱系統(tǒng)。其效果圖示見圖3所示。

圖3　綠地調(diào)蓄池圖

道路分為面層（上、中、下面層）和基層，雨水智能板是置于道路上面層和中面層之間，據(jù)了解水是影響道路強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的最重要因素。雨水智能板具有高強(qiáng)吸水性，能夠阻止絕大多數(shù)雨水進(jìn)入基層，進(jìn)而不能對道路穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；其次，雨水智能板具有優(yōu)越的抗壓性能，能夠較好滿足強(qiáng)度和剛度的要求，但是為了保險(xiǎn)起見，在施工時(shí)需要對上面層和中面層進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑龊?～3cm，而且路面一定要鋪磨耗層；最后，雨水智能板是一種可回收的綠色材料，不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響，使用年限比較久。

雨水智能板特性：抗壓性（能夠滿足路面車輛荷載的滿布情況，能夠抵抗地面的車荷載而不至于破壞），高強(qiáng)吸水性（就像一個(gè)高強(qiáng)海綿一樣幾乎能夠?qū)⑺嘉谒w內(nèi)，成為濃縮水），耐久性（有著50年的設(shè)計(jì)壽命周期），環(huán)保性（該板所采用的材料是新型智能的材料，可以回收，對環(huán)境零污染）。

雨水智能板創(chuàng)新點(diǎn)：傳統(tǒng)道路的排水方式都是通過做坡度排入邊溝和下水道管，這往往造成了排水的不均勻，排水不充分，導(dǎo)致積水嚴(yán)重，不能起到有效排水節(jié)水的作用。雨水智能板創(chuàng)新性的將透水性的上面層透過的一部分水，利用縱向排水，和通過自身材料的高強(qiáng)吸水性，利用感應(yīng)系統(tǒng)來進(jìn)行水資源的收集，然后再通過凈水裝置，變成可以利用的水。這樣可以加速排水并緩解城市的內(nèi)澇，收集雨水進(jìn)行循環(huán)利用。

圖4　通過雨水智能板排水系統(tǒng)圖

3.2.4雨水過濾凈化裝置

該雨水過濾裝置埋置在地底深處，與蓄水模塊箱通過PVC管相連，道路上的雨水的主要雜質(zhì)是一些懸浮顆粒物[14]。因此我們可以先對其進(jìn)行物理處理，即用篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，然后再用旋流分離器，借助電力的作用，利用離心力，將雨和顆粒進(jìn)行分離，從而進(jìn)行過濾雨水的凈化作用，這樣的水基本上可以用作灌溉、綠化、農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水，再經(jīng)過自來水廠的一些處理就可以變成生活用水。其裝置圖見圖5所示。

圖5　雨水過濾凈化裝置圖

4　結(jié)論

通過對宣城市區(qū)道路排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合對國內(nèi)外道路雨水處理情況的研究，提出了宣城市道路排水系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)出道路雨水排放同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)排水方式，重點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了生態(tài)邊溝、綠地調(diào)蓄池、雨水智能板、雨水過濾凈化裝置。該理念在宣城市城市道路建設(shè)中加以應(yīng)用，將會(huì)有力推動(dòng)宣城市創(chuàng)辦國家級海綿城市進(jìn)程，為建設(shè)美麗宣城發(fā)揮重要作用。

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TU992

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1007-7359(2016)03-0025-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.007

解華（1995-），女，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)（宣城校區(qū)）在讀本科，專業(yè)：土木工程。