雨水凈化管網及城市新型海綿體的研究

武 龍,劉學應,劉東哲,邱 沖

(1.浙江水利水電學院建筑工程學院,浙江 杭州 310018；2.浙江雙林環境股份有限公司,浙江 杭州 311199)

近年來由于城市人口持續增長和全球極端氣候頻繁出現,地下的排水設施無法滿足城市排水的需求,出現諸多問題[1-2]。主要體現在以下幾個方面：一是硬質地表阻隔降水的下滲；二是現有的管道設施無法滿足未來氣候的變化；三是傳統雨污合流的排水方式在暴雨來臨時會造成二次水污染。為了改善上述情況,加快新型城鎮化建設,中國政府陸續出臺相關政策,部署和支持海綿城市建設[3-4]。海綿城市建設最主要的理念就是改變傳統以“排”為主的排水思路,將“排”、“蓄”結合,做到雨水就地消納。我國多數城市采用透水磚[5]緩解因傳統硬質化路面鋪裝導致雨水無法滲入地下而產生的城市內澇、熱島效應等問題,但是目前透水磚依然存在一些問題,主要表現為：透水磚表面易堵塞,隨著透水磚使用時間的增加，透水性能因粉塵堵塞等問題而降低；陶瓷透水磚由于主要原料是黏土,會大量破壞土地資源,不益于環境保護,并且陶瓷透水磚在燒制過程中大量使用煤炭資源,造成環境污染,也逐漸遭到淘汰。

城市雨水管理需要將城市結構布局和城市“海綿體”相結合[6],本文遵循“排”“蓄”結合的理念,通過雨水管網的優化,包括雨水初步凈化,厭氧處理以及與可持續雨洪設備相連接等凈化方式。同時,提出一種透水磚組裝方式,利用城市雨水凈化管網和新型海綿體結構等新的雨水收集與利用方式,以最大限度地提高城市雨水的積累、滲透和凈化能力。

1 海綿城市相關理論

海綿城市將城市比喻成海綿,當城市遇到降雨時可以吸水、蓄水、滲水、凈水,在城市干旱時可以將蓄存的水釋放并利用,呈現出良好的“彈性”[7]。海綿城市是實現從快排、及時排、就近排、速排干的工程排水時代跨入到“滲、滯、蓄、凈、用、排”的轉變。圖1是海綿城市原理示意圖[8]。采取上述6種技術中的一種或多種相結合的方式,考慮城市排水用水不同的需求和方式,努力構建城市良性水循環。將“排”“蓄”結合,將雨水就地消納是目前海綿城市建設的一個熱點問題。蓄水工程主要用于收集雨水,使城市降雨自然分散,以達到調節和變峰的作用,同時可以凈化雨水，為雨水利用創造條件[9]。排水工程用于構建綠色設施與灰色設施結合的蓄水、排水體系,避免城市發生內澇等災害。

圖1 海綿城市原理示意圖

2 “蓄”“排”結合的海綿城市技術優化

2.1 “蓄”——城市雨水凈化管網的局部優化設計

傳統雨水凈化管網優化方法只能在一定程度上緩解城市內澇,在海綿城市建設中,雨水凈化管網應做好“蓄水”,更要做到“蓄水”和“凈水”協同作用，并且更好地結合綠地進行優化設計。在設計優化中,需重新考慮原有雨水管網的規劃,將雨水管網的布置與可持續雨洪措施相結合,增加雨水管網應對雨洪的彈性,盡量增大雨水下滲能力。為解決現有雨水管網處理雨水時效果差、雨水利用率低等各類技術問題,特采用如下技術方案：

1)雨水收集初期,對雨水進行初步凈化。集水口處設有過濾網,在過濾網的作用下,雨水中的大顆粒雜物被阻隔,起到了初步除污作用,防止雜物進入厭氧處理裝置內。見圖2。

圖2 集水口截面結構示意圖

2)雨水管網設置蓄水池,增設厭氧處理。使雨水在經過初步過濾等處理后,進行厭氧反應,凈化雨水。厭氧反應后的雨水儲存于蓄水池中。見圖3。

圖3 厭氧處理裝置結構示意圖

3)凈化反應產生淤泥,改進清淤處理方式見圖4。厭氧反應過程中,雨水中的雜物形成淤泥沉積于厭氧處理裝置內,在厭氧處理裝置內的下表面采用光滑的新材料,這樣淤泥更容易被清理。同時,厭氧處理裝置的底部兩側水平方向向淤泥角傾斜5%,沉積的淤泥能夠向淤泥出口移動,淤泥通過淤泥出口進入淤泥收集槽內。淤泥收集槽內連接有淤泥收集器,淤泥收集器上設有推拉把手,方便處理淤泥。

圖4 淤泥收集方式

4)與可持續雨洪處理措施結合使用。雨水經過可持續雨洪措施處理后通過管道將雨水匯集至雨水管網,利用可持續雨洪處理的下滲、過濾和生物滯留等過程達到降低地表徑流污染的作用。暴雨來臨時,可持續雨洪處理措施可以延緩徑流峰值,增強應對暴雨的能力。雨水管網終端可連接濕地、人工水體和雨水花園等。濕地可以較好去除地表徑流中包含的污染物,通過濕地、雨水花園對管網收集的水進行物理處理和化學處理,最終使得雨水可以回收利用。

5)通過新材料和新技術手段,優化管網材料和入水口材料。

2.2 “排”——城市新型海綿體-透水磚

考慮傳統城市海綿體有限,以及傳統城市海綿體承載能力有限,需要開發更多、更優的城市新型海綿體。為解決傳統城市海綿體存在的不足和問題,本文提出了“回環式”透水磚,見圖5,其特征在于：

1)通過改良透水磚成型的方式改善透水磚強度不足的缺點。采用現有透水磚和普通不透水磚相結合的方式,制作“回環式”透水磚?！盎丨h式”透水磚外圈采用不透水磚,圈內采用透水磚的組合方式,進而提高“回環式”透水磚的強度。

2)通過控制“回環式”透水磚中不透水磚與透水磚的比例大小可以應用于不同的場地。如在停車場等路面荷載較大的場所,可以增加不透水磚在整個磚塊的比例以增強磚塊整體強度。

3)透水磚采用回收材料。透水磚以工業垃圾為原料,可以減少工業垃圾對環境的危害,解決了生產透水磚消耗大量黏土資源的問題。

4)透水磚鋪裝方式在地面設置規律的透水點,通過電腦軟件的模擬使地面能夠達到“呼吸”排水的效果,從而避免出現透水磚存在的孔隙堵塞問題。

5)安裝時利用水泥膠結材料固定透水磚,粘接層之間采用透水水泥來連接,并通過基層的碎石鋪設以達到穩固地基的作用。

圖5 “回環式”透水磚結構示意圖

3 “蓄”“排”結合的工程實踐應用

本文提及到的雨水凈化管網系統和“回環式”透水磚已經在浙江省仙居縣橫溪鎮進行生產實踐應用。團隊在橫溪鎮原有的“排”“蓄”系統的基礎上加以整改和新建,將“排”“蓄”“凈”三者相結合,橫溪鎮水處理利用項目效果顯著。

項目對橫溪鎮原有的管道進行系統化布置和整治,棄用了大量雨水合流制的雨水管網,安裝了一定數量的雨水凈化管網厭氧處理裝置(見圖6),并設置了雨水管網水質檢查口(見圖7)。此外,凈化后的雨水與人工濕地和農村灌溉用水出口相連接加以利用,達到了雨水的凈化再利用,起到了節約水資源的作用,具有生態和經濟效益。

圖6 雨水凈化管網厭氧處理裝置

圖7 雨水管網水質檢查口

雨水凈化管網系統的應用使橫溪鎮從原來的水處理設備落后、沒有完整的雨污處理系統的狀況得以改善。該裝置在橫溪鎮應用情況良好,雨水凈化效果明顯,雨水利用率高。

橫溪鎮原有的路面鋪裝方式采用了大量的傳統硬質化路面鋪裝,雨季來臨時,地面徑流無法下滲,導致地面大面積積水,同時地下水資源無法得到補充,水安全問題嚴重。項目根據當地需要,采用“回環式”透水磚替代傳統鋪裝,見圖8。

使用“回環式”透水磚后,下雨時,橫溪鎮的路面不再出現大面積積水的現象。橫溪鎮在雨季,排水狀況得到了改善。此外,由于地下水無法得到及時補充的問題也逐步好轉。

4 結 語

“海綿城市”建設需要全盤考慮,需要將“海綿城市”的基本內涵結合起來,做到“排”、“蓄”結合。這不僅僅需要對傳統排水管網進行優化,而且需要探索新型城市“海綿體”以及連接利用城市綠地,雨水花園等各個方面。實際工程檢驗表明本文提出的雨水凈化管網和“回環式”透水磚的結合利用確實起到了排水、蓄水、凈水相結合的作用。