摘要:随着城市化进程的迅猛发展,传统给排水系统弊端尽显,城市内涝频发、水资源短缺及水生态恶化等问题接踵而至,严重制约城市的可持续发展。在此背景下,海绵城市概念应运而生,通过模仿自然水循环,构建具有“渗、滞、蓄、净、用、排”功能的新型给排水体系。本研究聚焦于海绵城市理念下给排水系统的构建,探索其如何重塑城市水生态,助力城市迈向绿色、韧性发展之路。
关键词:海绵城市；给排水系统；构建
基于海绵城市概念构建给排水系统至关重要。一方面,能有效应对城市内涝,强降雨时,透水铺装、雨水调蓄池等可吸纳滞留雨水,缓解排水压力。另一方面,利于水资源利用,收集的雨水净化后用于绿化、冲洗,污水转化中水回用。可保护生态环境,促进城市可持续发展。
一、海绵城市与给排水系统概述
海绵城市作为新一代城市雨洪管理概念,近年来备受关注。其国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”,形象地说,城市就如同海绵一般,在降雨时,具备吸收、存蓄、渗透、净化雨水的能力,既能补充地下水、调节水循环,又能在干旱缺水时,将蓄存的水释放出来加以利用,让水在城市中的迁移活动更加自然,展现出良好的“弹性”。海绵城市建设的核心要点可概括为“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针。
二、“渗”环节的构建步骤
(一)选用透水性铺装材料加强自然渗透
选用透水性铺装材料。第一,透水性地砖以其良好的透水性能、多样的款式和相对较低的成本,广泛应用于人行道、广场、小型停车场等区域。在铺设时,需先对基层进行处理,确保基层平整、坚实,一般要求基层的压实度达到95% 以上。然后,铺设一层厚度约为3-5厘米的中粗砂垫层,起到找平、缓冲的作用,中粗砂的含泥量不宜超过5%。接着,按照设计图案和要求铺设透水性地砖,砖与砖之间应预留2-3毫米的缝隙,以保证雨水能够顺畅渗入,缝隙可用细砂或透水水泥浆填充。第二,透水混凝土具有透水、透气、吸声降噪等多重优势,适用于公园步道、校园道路、小区内部道路等对景观和环境要求较高的场所。透水混凝土由水泥、骨料、外加剂和水按特定比例配制而成,其孔隙率一般在10%-20%之间。
(二)建设绿色基础设施减少地表径流
绿色屋顶,又称屋顶绿化,是指在建筑物屋顶上种植植被、设置排水系统等,使其具备雨水截留、净化和下渗功能的一种生态设施。绿色屋顶的构造一般包括防水层、隔根层、蓄排水层、过滤层、种植层和植被层。
防水层选用耐穿刺、耐腐蚀的防水材料,确保屋顶防水性能,其厚度应符合相关建筑规范要求；隔根层采用HDPE土工膜等材料,防止植物根系穿透防水层,造成屋顶渗漏；蓄排水层可选用聚苯乙烯泡沫板、陶粒等材料,既能储存一定量的雨水,又能在雨水过多时迅速排出,避免屋顶积水；过滤层采用聚酯纤维无纺布等材料,有效过滤雨水中的杂质,防止堵塞蓄排水层和种植层孔隙,保证雨水的顺畅下渗；种植层选用轻质、保水性好、富含养分的基质,如蛭石、泥炭土、珍珠岩等按一定比例混合而成；植被层选择耐旱、耐寒、耐瘠薄、根系浅且发达的植物品种,既能适应屋顶的特殊生长环境,又能起到良好的景观效果[1]。
三、“滞”环节的构建步骤
(一)规划雨水缓流路径延缓雨水流经速度
规划雨水缓流路径是构建海绵城市给排水系统“滞”环节的关键举措,其核心在于巧妙利用地形地貌,并合理设置人工障碍物,以实现雨水径流速度的有效延缓,进而减轻排水系统的瞬间压力。
雨水缓流带作为常见的人工障碍物,广泛应用于城市道路、广场等区域。其材质多样,常见的有混凝土、石材、塑料等。混凝土缓流带具有较高的强度和耐久性,适用于车流量较大的道路。缓流带的高度和间距设置需依据当地降雨强度、汇水面积等因素精确计算。一般而言,高度在10-30厘米之间,间距根据实际情况控制在3-10 米。
(二)布局雨水调蓄设施实现有效滞蓄
合理布局雨水调蓄设施是实现雨水有效滞蓄的关键,不同区域因其功能特性各异,对调蓄设施的需求与设计要点也不尽相同。常用的调蓄设施有雨水花园、生物滞留池、雨水湿地、下沉式广场等。雨水湿地的设计遵循生态原则,内部构建浅水区、深水区、挺水植物区、沉水植物区等不同功能分区。
四、“蓄”环节的构建步骤
(一)大型雨水储蓄设施的建设
大型雨水储蓄设施作为海绵城市给排水系统的关键节点,肩负着储存雨水、调节水量的重任,其建设涵盖选址、容量确定以及结构设计等多个关键环节。靠近用水区域是首要原则,地势较低处的话,能充分借助重力作用,使雨水自然汇聚,减少抽升雨水所需的能耗。但同时必须兼顾地质条件,避开地震多发区、岩溶发育区等不良地质地段。在地震活跃区域,若强行建设,一旦遭遇地震,雨水储蓄设施受损,不仅无法正常蓄水,还可能引发次生灾害,如雨水泄漏导致周边地基下陷等。
(二)雨水储蓄设施与给排水管网的连接
雨水储蓄设施与给排水管网的有效连接是实现海绵城市雨水有序调控的关键纽带,合理设置进水口、出水口等连接部位。进水口作为雨水进入储蓄设施的首要通道,其设计需与周边汇水区域紧密适配。对于屋面雨水收集,若建筑物为平顶屋面,可采用雨水斗与雨水立管相结合的方式,雨水斗选用不锈钢材质,具备良好的防堵塞性能,其进水口面积根据屋面面积与当地降雨强度计算确定,一般按照当地5年一遇降雨强度,每100平方米屋面设置直径不小于100毫米的雨水斗,雨水斗与屋面交接处做好密封处理,防止雨水渗漏；雨水立管管径依据汇水面积与立管数量,通过水力计算确定,通常管径在100-200毫米之间,采用UPVC管或镀锌钢管,确保雨水能够迅速、顺畅地导入储蓄设施。
五、“净”环节的构建步骤
(一)构建生物滤池净化雨水
在雨水收集前端,生物滤池作为一种高效的净化设施被广泛应用。滤料的选择与装填对于生物滤池的性能起着决定性作用。常见的滤料有火山岩、陶粒、聚氨酯泡沫等。在装填时,需根据滤池的设计要求和滤料特性,合理确定装填高度与密度,一般装填高度在1-2米之间,确保滤料层既具有良好的渗透性,又能保证微生物与雨水有足够的接触时间,通常接触时间控制在30-60分钟,以实现对雨水的深度净化。
(二)人工湿地对污水全方位净化
人工湿地作为一种兼具生态景观与水质净化功能的设施,在雨水和污水净化领域表现卓越。利用模拟自然湿地生态系统,由水生植物、基质和微生物三大要素协同作用,对污水进行全方位净化。湿地植物如芦苇、菖蒲、美人蕉等,根系发达且具有较强的适应性。在生长过程中,通过根系直接吸收污水中的氮、磷等营养物质,用于自身生长发育。
六、“用”环节的构建步骤
(一)合理回用非传统水源
城市绿化灌溉作为非传统水源的重要应用方向之一,对于维持城市绿地生态系统的健康发展起着至关重要的作用。不同类型的植被在生长过程中对水分的需求各异,这就要求绿化灌溉系统的设计必须精准匹配这些需求。常见的喷头类型包括旋转喷头、散射喷头、滴灌喷头等。旋转喷头具有较远的射程和较大的覆盖面积,适用于大面积草坪的灌溉,其喷洒均匀度高,能够确保草坪得到均匀的水分滋养[2]。
(二)保障回用过程中的水质安全
在回用非传统水源的过程中,保障水质安全是重中之重,这直接关系到人体健康和环境生态平衡。为确保水质符合使用标准,需采取一系列严格的保障措施,其中消毒方法属于关键环节。紫外线消毒作为一种物理消毒方法,具有诸多优势。其原理是基于核酸对紫外线的吸收特性,特定波长的紫外线(主要是UVC波段,波长为200-280nm)能够破坏细菌、病毒等微生物的DNA或RNA分子结构,阻止其复制和繁殖,从而达到消毒杀菌的目的。
七、“排”环节的构建步骤
(一)排水管网系统的优化设计
排水管网系统直接关系到雨水和污水能否顺畅排出,城市能否免受内涝困扰。管径确定是排水管网设计的核心要素之一,需依据科学严谨的水力计算来精准选型。流速的选取同样关键,既要保证污水中的固体颗粒不沉淀淤积,又要防止流速过高对管道造成冲刷损坏。一般来说,污水管流速在0.6-1.0 米/秒为宜,雨水管流速可根据管径大小在0.75-2.0米/秒范围内取值。管材选择直接影响排水管网的性能、寿命与建设成本。钢筋混凝土管凭借其制造工艺成熟、成本相对较低、抗压强度高的优势,在大管径排水工程中广泛应用,尤其适用于承受较大外压的深埋管道。塑料管如硬聚氯乙烯管(PVC-U)、高密度聚乙烯管(HDPE)等,具有内壁光滑、水流阻力小、耐腐蚀、重量轻、施工便捷等显著优点。
(二)排水泵站等排水设施的建设与升级改造
排水泵站在应对极端降雨、地势低洼区域排水等方面发挥着关键作用,其建设与升级改造涵盖分类、选址、设备选型等多个关键要点,关乎城市排水的及时性与有效性。排水泵站依据排水对象和功能差异,可细分为雨水泵站、污水泵站以及合流泵站。雨水泵站主要负责在暴雨期间迅速排除大量雨水,防止城市内涝,其运行具有明显的季节性和间歇性特点,通常在雨季时满负荷运转,旱季则处于备用状态。污水泵站则承担着收集和输送生活污水、工业废水的重任,需全年稳定运行,确保污水能够及时、有序地流向污水处理厂进行达标处理。合流泵站主要应用于采用合流制排水系统的区域,既要在雨季处理雨水和污水的混合水流,又要在旱季单独输送污水,对设备的适应性和运行管理要求较高。
八、结束语
基于海绵城市概念的给排水系统构建对于解决现代城市面临的水资源短缺、内涝频发等问题具有重要意义。不仅能够提高城市的水资源利用效率,增强防洪排涝能力,改善生态环境,还能够推动城市的可持续发展,为城市居民创造更加美好的生活环境。
参考文献:
[1]许素艳.海绵城市理念在住宅建筑给排水设计中的应用[J].居舍,2024(35):101-103.
[2]张锋.海绵城市措施在雨水回收利用系统工程中应用研究[J].中国建筑金属结构,2024,23(11):90-92.
(作者系中联西北工程设计研究院有限公司工程师)
关键词:海绵城市；给排水系统；构建
基于海绵城市概念构建给排水系统至关重要。一方面,能有效应对城市内涝,强降雨时,透水铺装、雨水调蓄池等可吸纳滞留雨水,缓解排水压力。另一方面,利于水资源利用,收集的雨水净化后用于绿化、冲洗,污水转化中水回用。可保护生态环境,促进城市可持续发展。
一、海绵城市与给排水系统概述
海绵城市作为新一代城市雨洪管理概念,近年来备受关注。其国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”,形象地说,城市就如同海绵一般,在降雨时,具备吸收、存蓄、渗透、净化雨水的能力,既能补充地下水、调节水循环,又能在干旱缺水时,将蓄存的水释放出来加以利用,让水在城市中的迁移活动更加自然,展现出良好的“弹性”。海绵城市建设的核心要点可概括为“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针。
二、“渗”环节的构建步骤
(一)选用透水性铺装材料加强自然渗透
选用透水性铺装材料。第一,透水性地砖以其良好的透水性能、多样的款式和相对较低的成本,广泛应用于人行道、广场、小型停车场等区域。在铺设时,需先对基层进行处理,确保基层平整、坚实,一般要求基层的压实度达到95% 以上。然后,铺设一层厚度约为3-5厘米的中粗砂垫层,起到找平、缓冲的作用,中粗砂的含泥量不宜超过5%。接着,按照设计图案和要求铺设透水性地砖,砖与砖之间应预留2-3毫米的缝隙,以保证雨水能够顺畅渗入,缝隙可用细砂或透水水泥浆填充。第二,透水混凝土具有透水、透气、吸声降噪等多重优势,适用于公园步道、校园道路、小区内部道路等对景观和环境要求较高的场所。透水混凝土由水泥、骨料、外加剂和水按特定比例配制而成,其孔隙率一般在10%-20%之间。
(二)建设绿色基础设施减少地表径流
绿色屋顶,又称屋顶绿化,是指在建筑物屋顶上种植植被、设置排水系统等,使其具备雨水截留、净化和下渗功能的一种生态设施。绿色屋顶的构造一般包括防水层、隔根层、蓄排水层、过滤层、种植层和植被层。
防水层选用耐穿刺、耐腐蚀的防水材料,确保屋顶防水性能,其厚度应符合相关建筑规范要求；隔根层采用HDPE土工膜等材料,防止植物根系穿透防水层,造成屋顶渗漏；蓄排水层可选用聚苯乙烯泡沫板、陶粒等材料,既能储存一定量的雨水,又能在雨水过多时迅速排出,避免屋顶积水；过滤层采用聚酯纤维无纺布等材料,有效过滤雨水中的杂质,防止堵塞蓄排水层和种植层孔隙,保证雨水的顺畅下渗；种植层选用轻质、保水性好、富含养分的基质,如蛭石、泥炭土、珍珠岩等按一定比例混合而成；植被层选择耐旱、耐寒、耐瘠薄、根系浅且发达的植物品种,既能适应屋顶的特殊生长环境,又能起到良好的景观效果[1]。
三、“滞”环节的构建步骤
(一)规划雨水缓流路径延缓雨水流经速度
规划雨水缓流路径是构建海绵城市给排水系统“滞”环节的关键举措,其核心在于巧妙利用地形地貌,并合理设置人工障碍物,以实现雨水径流速度的有效延缓,进而减轻排水系统的瞬间压力。
雨水缓流带作为常见的人工障碍物,广泛应用于城市道路、广场等区域。其材质多样,常见的有混凝土、石材、塑料等。混凝土缓流带具有较高的强度和耐久性,适用于车流量较大的道路。缓流带的高度和间距设置需依据当地降雨强度、汇水面积等因素精确计算。一般而言,高度在10-30厘米之间,间距根据实际情况控制在3-10 米。
(二)布局雨水调蓄设施实现有效滞蓄
合理布局雨水调蓄设施是实现雨水有效滞蓄的关键,不同区域因其功能特性各异,对调蓄设施的需求与设计要点也不尽相同。常用的调蓄设施有雨水花园、生物滞留池、雨水湿地、下沉式广场等。雨水湿地的设计遵循生态原则,内部构建浅水区、深水区、挺水植物区、沉水植物区等不同功能分区。
四、“蓄”环节的构建步骤
(一)大型雨水储蓄设施的建设
大型雨水储蓄设施作为海绵城市给排水系统的关键节点,肩负着储存雨水、调节水量的重任,其建设涵盖选址、容量确定以及结构设计等多个关键环节。靠近用水区域是首要原则,地势较低处的话,能充分借助重力作用,使雨水自然汇聚,减少抽升雨水所需的能耗。但同时必须兼顾地质条件,避开地震多发区、岩溶发育区等不良地质地段。在地震活跃区域,若强行建设,一旦遭遇地震,雨水储蓄设施受损,不仅无法正常蓄水,还可能引发次生灾害,如雨水泄漏导致周边地基下陷等。
(二)雨水储蓄设施与给排水管网的连接
雨水储蓄设施与给排水管网的有效连接是实现海绵城市雨水有序调控的关键纽带,合理设置进水口、出水口等连接部位。进水口作为雨水进入储蓄设施的首要通道,其设计需与周边汇水区域紧密适配。对于屋面雨水收集,若建筑物为平顶屋面,可采用雨水斗与雨水立管相结合的方式,雨水斗选用不锈钢材质,具备良好的防堵塞性能,其进水口面积根据屋面面积与当地降雨强度计算确定,一般按照当地5年一遇降雨强度,每100平方米屋面设置直径不小于100毫米的雨水斗,雨水斗与屋面交接处做好密封处理,防止雨水渗漏；雨水立管管径依据汇水面积与立管数量,通过水力计算确定,通常管径在100-200毫米之间,采用UPVC管或镀锌钢管,确保雨水能够迅速、顺畅地导入储蓄设施。
五、“净”环节的构建步骤
(一)构建生物滤池净化雨水
在雨水收集前端,生物滤池作为一种高效的净化设施被广泛应用。滤料的选择与装填对于生物滤池的性能起着决定性作用。常见的滤料有火山岩、陶粒、聚氨酯泡沫等。在装填时,需根据滤池的设计要求和滤料特性,合理确定装填高度与密度,一般装填高度在1-2米之间,确保滤料层既具有良好的渗透性,又能保证微生物与雨水有足够的接触时间,通常接触时间控制在30-60分钟,以实现对雨水的深度净化。
(二)人工湿地对污水全方位净化
人工湿地作为一种兼具生态景观与水质净化功能的设施,在雨水和污水净化领域表现卓越。利用模拟自然湿地生态系统,由水生植物、基质和微生物三大要素协同作用,对污水进行全方位净化。湿地植物如芦苇、菖蒲、美人蕉等,根系发达且具有较强的适应性。在生长过程中,通过根系直接吸收污水中的氮、磷等营养物质,用于自身生长发育。
六、“用”环节的构建步骤
(一)合理回用非传统水源
城市绿化灌溉作为非传统水源的重要应用方向之一,对于维持城市绿地生态系统的健康发展起着至关重要的作用。不同类型的植被在生长过程中对水分的需求各异,这就要求绿化灌溉系统的设计必须精准匹配这些需求。常见的喷头类型包括旋转喷头、散射喷头、滴灌喷头等。旋转喷头具有较远的射程和较大的覆盖面积,适用于大面积草坪的灌溉,其喷洒均匀度高,能够确保草坪得到均匀的水分滋养[2]。
(二)保障回用过程中的水质安全
在回用非传统水源的过程中,保障水质安全是重中之重,这直接关系到人体健康和环境生态平衡。为确保水质符合使用标准,需采取一系列严格的保障措施,其中消毒方法属于关键环节。紫外线消毒作为一种物理消毒方法,具有诸多优势。其原理是基于核酸对紫外线的吸收特性,特定波长的紫外线(主要是UVC波段,波长为200-280nm)能够破坏细菌、病毒等微生物的DNA或RNA分子结构,阻止其复制和繁殖,从而达到消毒杀菌的目的。
七、“排”环节的构建步骤
(一)排水管网系统的优化设计
排水管网系统直接关系到雨水和污水能否顺畅排出,城市能否免受内涝困扰。管径确定是排水管网设计的核心要素之一,需依据科学严谨的水力计算来精准选型。流速的选取同样关键,既要保证污水中的固体颗粒不沉淀淤积,又要防止流速过高对管道造成冲刷损坏。一般来说,污水管流速在0.6-1.0 米/秒为宜,雨水管流速可根据管径大小在0.75-2.0米/秒范围内取值。管材选择直接影响排水管网的性能、寿命与建设成本。钢筋混凝土管凭借其制造工艺成熟、成本相对较低、抗压强度高的优势,在大管径排水工程中广泛应用,尤其适用于承受较大外压的深埋管道。塑料管如硬聚氯乙烯管(PVC-U)、高密度聚乙烯管(HDPE)等,具有内壁光滑、水流阻力小、耐腐蚀、重量轻、施工便捷等显著优点。
(二)排水泵站等排水设施的建设与升级改造
排水泵站在应对极端降雨、地势低洼区域排水等方面发挥着关键作用,其建设与升级改造涵盖分类、选址、设备选型等多个关键要点,关乎城市排水的及时性与有效性。排水泵站依据排水对象和功能差异,可细分为雨水泵站、污水泵站以及合流泵站。雨水泵站主要负责在暴雨期间迅速排除大量雨水,防止城市内涝,其运行具有明显的季节性和间歇性特点,通常在雨季时满负荷运转,旱季则处于备用状态。污水泵站则承担着收集和输送生活污水、工业废水的重任,需全年稳定运行,确保污水能够及时、有序地流向污水处理厂进行达标处理。合流泵站主要应用于采用合流制排水系统的区域,既要在雨季处理雨水和污水的混合水流,又要在旱季单独输送污水,对设备的适应性和运行管理要求较高。
八、结束语
基于海绵城市概念的给排水系统构建对于解决现代城市面临的水资源短缺、内涝频发等问题具有重要意义。不仅能够提高城市的水资源利用效率,增强防洪排涝能力,改善生态环境,还能够推动城市的可持续发展,为城市居民创造更加美好的生活环境。
参考文献:
[1]许素艳.海绵城市理念在住宅建筑给排水设计中的应用[J].居舍,2024(35):101-103.
[2]张锋.海绵城市措施在雨水回收利用系统工程中应用研究[J].中国建筑金属结构,2024,23(11):90-92.
(作者系中联西北工程设计研究院有限公司工程师)