海綿城市建設的技術裝備應用綜述

王哲曉，徐 源，王晨曲，田延昭，秦培瑞

(中建環能科技股份有限公司，四川 成都 610045)

自“海綿城市”提出以來，通過3年的試點城市建設，海綿理念和功能定位越來越明確，技術體系也逐步得以完善[1]。在頂層設計上，總規、專規等對城市建設做提綱挈領的規劃，又有系統化實施方案作為城市建設單行本，在規劃與設計之間無縫對接[2]。技術體系的每一個環節對應的都有數量眾多的技術裝備[3]，各個環節的技術裝備構建成了與技術體系響應的裝備體系。中華人民共和國住房和城鄉建設部科技發展促進中心在2016年相繼頒布《海綿城市建設先進適用技術與產品目錄(第一批)》和《海綿城市建設先進適用技術與產品目錄(第二批)》，系統梳理了海綿城市技術產品裝備體系。

筆者總結曾參與的第一、二批試點海綿城市建設項目實踐，結合某試點城市的小區改造、管網建設、點源截污、生態補水、排澇泵站等類型的工程項目，分析試點區域內技術與相關裝備綜合應用對流域水體水環境、水生態、水安全、水資源的提升效果，系統梳理并分析探討該區域海綿城市建設過程中技術、裝備的綜合應用，以期為海綿城市建設的技術體系落地和裝備體系銜接提供參考。

1 研究背景

我國城鎮化正在急速推進，2011年我國的城市化率超過50%[4]，2020年超過60%[5]。由于城市開發強度過高，我國大多數城鎮面臨著水資源、水環境、水生態、水安全4個方面的“水淹、水少、水臟”等問題[6-7]，城市內澇、地面沉降、水質惡化、植被破壞、水土流失、河湖水體破碎化等問題也層出不窮[8-11]。2012年4月，“2012低碳城市與區域發展科技論壇”上首次提出“海綿城市”的概念[12]。基于我國水情和生態問題，眾多學術研究和工程實踐進行了海綿城市建設探索。蘇義敬等[13]對不同條件下下沉式綠地的設計參數選擇進行了探討，并優化了豎向、淹水時間、景觀等設計方法。任心欣等[14-15]采用SWMM模型對不同降雨條件下的海綿城市指標體系進行了模擬分析，并總結歸納了指標體系的應用要點。鄒宇等[16]以湖南省寧鄉縣海綿城市建設為例，系統分析了寧鄉縣的建設方案和實施效果，并總結了海綿城市項目建設經驗和對策建議。馬冰然等[17]以西寧海綿城市試點區為例，模擬了50年極端降水條件下的城市內澇情況，并設計了LID和管網的改造方案。但是，對作為決定海綿城市實際建成效果關鍵因素的技術裝備，關于其應用選擇和對比分析的研究相對較少。

表1 常見透水鋪裝裝備信息及適用范圍

2 建設技術方案及裝備應用

海綿城市建設工程屬于多目標系統化工程[18]，采用不同的技術種類組合，實現源頭減排、過程控制、系統治理的建設目標。裝備化的技術產品是技術方案高度凝練的產物，在應用實踐中充分體現了集成、高效、普適的特點。在《海綿城市建設先進適用技術與產品目錄》中，技術裝備產品被分為6大類：收集與滲透技術、調蓄技術、傳輸技術、截污凈化技術、黑臭水體治理技術、設計與管理技術。

總結第一、二批海綿城市試點項目的實踐，發現裝備體系的構建和裝備的合理化應用主要有以下3個原則：①可靠性原則。目前的海綿城市試點項目運營期大多較長，裝備的可靠性決定了項目后期運營的困難程度和運營成本，因此在裝備選擇方面，可靠性是首要考慮的問題。②項目的適應性原則。海綿城市的試點項目涉及面廣、本底情況復雜、項目新舊不一，因此，如何因地制宜地合理選擇裝備，決定著項目落地后的效果。如針對城市內河的治理，水體異位處理的用地情況和對居民的影響決定了水處理設備選擇的成功與否。③組合配置的靈活性原則。海綿城市建設過程中，眾多技術問題，如建筑屋面雨水的匯流、道路雨水的收集等，往往無成型成套的技術裝備與之對應。如何合理地組合現有技術裝備，解決實際問題，決定著項目能否經濟、有效、合理地落地。如針對老舊小區道路雨水問題，在部分地形允許的區域，可采用行車減速帶與路緣石下臥的方式代替原有破路建設線性截水溝的裝備選擇思路，可大幅度削減項目預算和后期運維難度。

2.1 源頭減排

2.1.1源頭減排技術

在項目建設初期，通過對項目區域內地塊進行逐一調研，分析各地塊綠化條件、豎向高程和居民需求，確定地塊內透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園、調蓄水池設計方案。通過合理布置，使項目內各措施連接形成海綿系統，如屋面雨水就近接入下凹式綠地或雨水花園，道路雨水通過植草溝轉輸到雨水花園進行消納，透水鋪裝坡向下凹式綠地等，以達到年徑流總量控制率目標，削減徑流量和面源污染負荷。

2.1.2源頭減排裝備應用

在源頭減排的技術裝備中，透水鋪裝的應用最為廣泛。透水鋪裝屬于多孔介質材料，按照面層材料不同，可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝。透水鋪裝適用于廣場、停車場、人行道以及車流量和荷載較小的道路。透水鋪裝施工方便，減少了雨水對硬化鋪裝的沖刷，促進雨水入滲補充地下水，并具有一定的峰值流量削減和雨水凈化作用[19-22]。但透水鋪裝的凈化作用主要依靠其有效空隙，若無針對性的運營維護方案，易發生堵塞并逐漸喪失透水性能。透水鋪裝的面層材料要求滲透系數大于1×10-4m/s，透水面磚的有效孔隙率不小于8%，透水混凝土的有效孔隙率不小于10%，透水面磚的抗壓強度、抗折強度、抗磨強度等應符合JC/T 945—2005《透水磚》中的相關規定。表1為常見透水鋪裝技術裝備情況。

透水鋪裝發生堵塞時，使用高壓水槍沖洗或負壓真空除塵設備難以將透水鋪裝面層和基層徹底清洗，若頻繁更換面層，運營成本將大大提高。為解決這一問題，可將材料透水模式和結構透水模式相結合，面磚采用倒梯形透水磚，底部設置溝槽導水，雨水排入收集設施統一調蓄利用。在面磚堵塞后，仍能通過面磚間縫隙進行排水，增加地面雨水消納能力[24]。

類似于透水鋪裝在海綿城市建設實施階段起到的下滲[25]、凈化等功能，在海綿城市全壽命周期各階段中，裝備體系保證著技術體系的落地，是最終海綿效果實現的重要保證。在本底調研階段，SWMM模型可以在源頭上對區域進行降雨規律模擬[26]；管線探測儀用于本底摸排地下管線位置、走向、埋深等探測；液位監測儀用于水量監測，在線SS/濁度監測儀用于探究點面源污染情況。在建設實施階段，主要通過對項目范圍內小區、公園、綠地等地塊的海綿改造實現面源污染控制。在建設過程中，雨水罐、蓄水模塊可用于源頭集水回用，溢流井、線性溝用于源頭雨水的溢流收集排放。在驗收考核階段，則需要監測設備對源頭減排效果進行監測評價。在運營維護階段，要考慮建設實施階段的技術產品的性能維護，需要高壓水槍沖洗鋪裝內部污漬和雜質，用負壓真空除塵設備吸出雜質，不同孔隙率的透水路面可以采用不同的噴水壓力以保證效果。表2為海綿城市源頭減排其他相關裝備情況。

表2 源頭減排其他相關裝備情況

2.1.3源頭減排主要裝備適用性對比分析

透水磚鋪裝作為源頭減排措施中應用最廣泛的措施之一，其磚型選擇決定著源頭減排措施的最終效果。目前常用的透水磚類型主要包括：陶瓷透水磚、混凝土透水磚、砂基透水磚等。陶瓷透水磚主要以礦渣、陶瓷廢料、纖維等為原料，采用添加造孔劑法或顆粒堆積法，經高溫燒結，形成多孔透水結構，具有高透水性、高孔隙率、高抗壓、裝飾效果好等特點[27]；但成本較高，吸水率低，易迅速達到飽和，進而產生地表徑流[28]。混凝土透水磚則是以干硬性混凝土為主要原料，以水泥等膠粘材料采用二次布料成型技術，經壓制而成的透水磚，具有透水性能好，經濟、環保等特點；但由于其原材配比、成型工藝等無行業標準，易出現破損、反堿等質量問題而影響最終效果。砂基透水磚是以硅砂為骨料，以有機高分子膠凝材料為黏合劑，經免燒成型工藝后制成的透水磚，透水性較好，且由于其孔隙較小，對雨水的凈化能力強[29]；但其抗壓、抗拉強度差，實際應用過程中易出現破損。陶瓷透水磚、混凝土透水磚、砂基透水磚的性能[30]對比如下：①抗壓強度由大到小：陶瓷透水磚，混凝土透水磚，砂基透水磚；②抗拉強度由大到小：陶瓷透水磚，混凝土透水磚，砂基透水磚；③抗凍性由大到小：混凝土透水磚，砂基透水磚，陶瓷透水磚；④耐磨性由大到小：混凝土透水磚，陶瓷透水磚，砂基透水磚；⑤透水系數由大到小：陶瓷透水磚，砂基透水磚，混凝土透水磚。

2.1.4源頭減排裝備應用案例

以某小區海綿城市改造項目為例，該項目占地約1.59 hm2，屬于已建成的住宅小區。項目整體地勢東高西低，高差約8 m，下墊面主要由建筑屋面、不透水路面和綠地構成，面積分別為3 486 m2、5 587 m2、6 865 m2，本底綜合徑流系數為0.55。改造前排水系統較為完善，屋面雨水通過雨水立管接入雨水系統，但存在雨污混接現象；小區路面為水泥路面，人行道及嵌草磚停車位鋪裝破損嚴重。

項目源頭減排中技術裝備的應用選擇主要包括以下幾個方面。本底調研階段，以管線探測/檢測設備輔以水質水量檢測設備對地下管線的混接、破損、淤堵等情況進行探查，明確雨污混接點8處，需清淤管段93 m；以SWMM模型模擬雨水產匯流情況，結合模型模擬結果，設置透水鋪裝2 156 m2，于場地低洼處設置下沉式綠地873 m2、雨水花園253 m2，于小區雨水系統末端設置調蓄池40 m3；由于項目地勢高差較大，降雨沖刷較大，初期雨水污染較嚴重，在調蓄池前的2座棄流井內設置浮空調流閥針對初期雨水污染進行棄流。建設實施階段，由于項目為老舊小區改造，為減少對居民生活的影響，加快施工進度，溢流井、線性溝、雨水斷接簸箕等均選用成品裝備；對于部分收水困難、改造成本較大的路面，雨水采用“減速帶/線性溝+路緣石下臥+植草溝”的形式引入附近海綿設施。驗收考核階段，以“液位監測儀+流量監測儀”的監測設備組合設置于小區雨水管網末端，監測項目建設效果。

2.2 過程控制

2.2.1過程控制技術

海綿城市建設除源頭減排外，還應當注重雨水及污水在產匯流過程中的控制。在雨污分流的前提下，初期棄流后的雨水進入自然水體排放，污水及棄流雨水進入污水處理廠。為保證直接進入自然水體的雨水不被污染并且污水處理廠進水濃度滿足設計要求，區域內雨水管網、污水管網理論上要按照原設計理念運行。然而在實際項目中，由于前期設計不合理、運營不規范、管理不到位等多方面原因，老舊城區管網內普遍存在破損、淤積、混接、雨季冒溢等問題。為了對排水管網對進行必要的監測、修復，首先對管道內破損、淤積、混接部位進行初步勘察，然后對管道缺陷部分進行精確定位和缺陷程度測量。破損與淤積根據具體缺陷情況和現場施工條件，采取管道清淤、局部或整體非開挖修復、開挖修復等方式進行修復。

在實際工程中，合流制管網存在溯源困難、無法通過工程措施改造管網、改造成本及社會影響較大等問題。針對此種類型的管網，首先通過對比污水處理廠處理能力與截流量大小關系，如果污水處理廠處理能力不足，則采用新建CSO調蓄池或者新建一體化處理設備等不同的就近消納的方式處理。

2.2.2過程控制裝備應用總結

現場踏勘中，需要用管道潛望鏡QV設備進行初步勘探，利用排水管道閉路電視檢測系統對管道的缺陷等級進行準確評判定位[31]。在管網修復方面，傳統開挖更換管道的措施適用非主干道道路的修復。針對主干道道路、地下管線復雜道路、新建成道路等不適用于開挖修復的情況，采用非開挖修復技術以最低的影響對破損有缺陷的管道進行修復。針對無法通過源頭減排控制的面源污染問題和管網完善后依然無法徹底消除雨污混流問題，在確認污水處理廠消納能力足夠后，在管網末端修建截流井，阻止旱季污水排入河道。通過在截流井內安裝浮控調流閥、魚腹式堰門等設備實現旱天污水進入污水處理廠。當消納能力不足時，針對雨天水量調節及水質調節問題，則可采用CSO調蓄池的形式進行處理，其中主要調蓄設備情況見表3。由于CSO調蓄池受占地、投資建設成本、建設周期等多方面的影響，也可以采用一體化水處理設備作為處理措施。截流井、調蓄池、一體化水處理設備均屬于末端治理的灰色設施，具有高集成、效果好的特點[32]。

表3 主要調蓄設備情況

2.2.3過程控制主要裝備適用性對比分析

管道狀況及問題的調查作為過程控制各類措施的先決條件，檢測設備的選擇合理性決定著過程控制措施的最終效果。管道檢測中主要應用設備包括管道檢測設備和管道缺陷識別系統。

a.管道檢測設備。目前常用的管道檢測設備主要分為管道潛望鏡、閉路電視管道檢測設備、聲納管道檢測設備。管道潛望鏡是以長柄將高清攝像頭置于管道口，通過變焦和旋轉，從而確定管道內缺陷情況，檢測快速、安全性高、圖像較清晰直觀，但無法檢測水下情況，且檢測距離較短，一般探查范圍在 50 m 以內。閉路電視管道檢測設備是將管道機器人直接送入管道內部，通過管道機器人附帶的攝像頭實現管道內缺陷情況的檢測，能夠直觀精確地了解管道內部狀況，但其十分依賴管道清淤、封堵抽水等前置工作，作業費時費力。聲納管道檢測設備是通過聲納裝置向水下發射聲波并接收分析反射波，以判斷缺陷情況，但只用于有水作業，且其結構檢測結果只能作為參考，需有進一步檢測確認。具體項目檢測過程中，若項目范圍較大且檢測精度要求較低時，建議采用管道潛望鏡進行檢測；若項目精度要求較高且以檢測結果為依據進行管道修復，建議采用閉路電視管道檢測設備進行檢測；若無法封堵排水，建議采用聲納管道檢測設備；若項目情況較為復雜，建議以管道潛望鏡、聲納管道檢測設備等采取初步檢測，并根據對應檢查結果采用閉路電視管道檢測設備進一步精確檢測。

b.管道缺陷識別系統。目前常用的管道缺陷識別系統主要分為圖像采集系統和管道缺陷檢測算法。圖像采集系統主要是依靠管道檢測設備將檢測圖像傳輸至計算機。管道缺陷檢測算法根據檢測圖像，結合數字圖像處理、光學成像等相關技術實現管道檢測，識別效率較高且識別結果不依靠人員經驗，但所需成本較高。具體項目檢測過程中，若項目范圍較小，工作量較小，建議采用圖像采集系統收集圖像，并由相關工程師人工識別；若項目范圍較大，建議采用圖像采集系統結合管道缺陷檢測算法。

2.2.4過程控制裝備應用案例

以海綿試點城市某試點片區為例，片區內基本實現雨污分流排水體制，但是區域現狀用地以居住用地為主，河道兩岸社區和城中村集中，排水系統不完善，由于錯接及管理不善導致部分雨水管道內有大量污水混入，部分雨水匯入了污水管道。同時，片區內上游農貿市場區域存在1處污水直排口，中游存在4處雨污混流區域，對應有4處雨污混接排口，各排口雖有截流措施，但截污設計不合理，點源污染、面源污染嚴重，大量污染物進入河道，嚴重影響流域內水環境質量。

為給項目制定切實可行的實施方案，摸清流域內管網主要存在的問題，需要通過監測手段實施。針對雨污混接問題識別，首先項目中采用“液位監測儀+流量監測儀”的監測設備組合進行各排口及管網系統主干線的實時監測。其次，需要進一步深挖監測數據產生的原因，以監測數據為依據，結合QV管道潛望鏡，進行混接區域的初步定位。完成定位后，通過閉路電視管道檢測機器人對管道缺陷進行問題識別和精準測量，并根據情況進行整體或局部非開挖、開挖修復。通過以上技術設備，片區內共發現并解決了雨水管網中管道缺陷共計377處，其中雨污混接缺陷占比9.0%，管道結構性缺陷占比62.1%，管道功能性缺陷占比28.9%；污水管網中管道缺陷共計104處，其中管道結構性缺陷占比37.5%，管道功能性缺陷占比62.5%。

完成問題識別后，需要對不同類型的結構缺陷進行評估。管道缺陷根據嚴重情況分為1～4級，其中1級缺陷為輕微缺陷，2級為中等缺陷，3級為嚴重缺陷，4級為重大缺陷。結合評估結果、影像資料及踏勘調查報告，再有針對性地對不同部位缺陷制定處理方案。

2.3 系統治理

2.3.1系統治理技術

系統治理中關于水環境方面，通過源頭減排與過程控制可以限制大部分外源污染物進入流域水體，然而實際仍然存在海綿城市部分建設區域覆蓋不完全、設計方案考慮不周全等情況。需要從控源截污、內源治理、生態修復、活水提質等不同技術措施出發，以問題為導向，提出綜合治理措施。

針對水安全方面，管網設計需要結合城市降雨特征，除考慮排水標準外，也要充分考慮防洪標準[33]，適當提高管網過洪能力。針對雨季可能存在河道頂托、排水受限的區域，需要考慮采用設置排澇泵站的方式提高城市水安全級別。

2.3.2系統治理裝備應用總結

針對水環境內源治理，傳統的挖掘機和水力沖挖機組能夠徹底地將污染底泥清運治理，但往往作業時間長，需預先排水，對施工周圍的環境影響較大；抓斗式、泵吸式或絞吸式吸泥船可直接進行內源治理作業，無須預排水，但作業時對作業水面有面積要求，出泥伴隨大量河水，需進行進一步處理，且清淤不徹底，只能去除部分內源污染物；工程顆粒菌、鎖磷劑等針對性固定劑則可實現底泥的原位治理，無進一步污泥處理問題，但治理范圍往往存在限制，且成本高，對環境可能存在二次污染。

針對活水提質，由于國內城市內河多存在流動性差、補水缺乏以及兩岸用地緊張的現狀，一體化泵站與一體化水處理設備的結合得到了廣泛的應用。兩者聯動后，于河道下游取水、經一體化水處理設備凈化后，上游出水，不僅提升了水體質量，還給河流補充了生態基流，提升了自凈能力。除此之外，根據不同的污染物去除種類，通過采用與之對應的技術裝備均能在不同程度上為污染負荷的去除做出貢獻，各類污染物處理裝備情況[34]見表4。

表4 各類污染物處理裝備

針對水安全問題，一體化泵站在海綿城市建設的應用過程中，充分體現出了技術集成設備的優勢。工期影響方面，由于一體化泵站定制性強，生產制作周期是影響項目進度的關鍵工期；工藝技術方面，需要對玻璃鋼筒體有限元分析計算及流體力學計算[35]；自動化程度方面，為了實現在運營期對泵站運行情況的及時掌握和控制，需要與智慧管理平臺相結合，實現較強的自控程度。

另外針對海綿城市建設中的水安全問題，根據技術體系與技術路線的不同，對應的技術產品也不盡相同。表5為水安全技術裝備情況。

表5 水安全技術裝備情況

2.3.3系統治理裝備應用案例

以海綿試點城市某城市內河為例，該河道全長約4 000 m，春冬兩季流水較少，夏秋汛期水流較大。河道缺少清潔水源補給，水動力條件極差，水體基本無流動，水質為劣Ⅴ類，水環境容量有限。

根據河道水質現狀、底泥淤積情況，分析水體環境容量，結合受納水體需削減的污染負荷，單純的循環難以滿足規劃水質，故選擇對河道水質進行處理。通過一體化泵站將下游河道水提升至超磁混凝系統中，通過投加磁種、混凝劑和助凝劑3種物質，形成包含磁種的懸浮物(磁性絮團)，然后利用超磁分離機稀土永磁體產生的高強磁力實現磁性絮團與水的快速分離，被吸附打撈出水體的磁性污泥進入磁分離磁鼓，通過磁分離磁鼓的高速分散裝置進行磁種與污泥的分離，磁種被回收循環利用，剩余污泥從磁鼓底部經污泥泵加壓送入污泥脫水裝置進行脫水，脫水后含水率80%的泥餅外運處置[36-37]。

河道水體經過超磁一體化處理設備后，削減SS、色度、CODCr、TP、有機污染物黑臭因子，明顯改善水質；設備停留時間為6～8 min，設備整體占地面積小，該工程使用占地面積200 m2，在有限的占地空間下，解決現場用地緊張問題。該系統采用移動式可拆卸方式構造，現場施工安裝方便。

3 結論與展望

海綿改造中技術體系與裝備體系是密不可分的，技術體系需要依托于裝備體系來完成設計和效果落地，裝備體系需要以技術體系為指南進行完善，并最終為技術體系服務[38]。本文從源頭減排、過程控制、系統治理3個方面系統介紹了技術裝備產品在海綿城市建設中的用途、優勢，根據不同的需求、不同的階段，選擇不同的海綿城市技術裝備產品。著重介紹了透水鋪裝、CSO調蓄池、一體化水處理設備、一體化泵站等技術裝備產品在海綿城市建設中的應用。這些技術裝備產品與海綿城市建設的結合為今后海綿城市建設發展提供了應用案例和經驗借鑒。

裝備體系對項目建設的優化和難點攻克提供幫助。在海綿城市不斷發展和成熟的過程中，如何在紛繁復雜的技術產品中積極引入成熟的裝備設施，并在實施過程中主動思考現有設備的不足，思考解決辦法和未來發展方向，有待在海綿城市建設過程中進一步思考和總結。通過對第一、二批海綿城市試點項目的裝備應用總結和分析，裝備體系的主要發展方向包含以下3個方面：

a.預制化趨勢。目前海綿城市的建設大多針對城市中的公園綠地、市政道路、建筑小區等，冗長的工程施工周期將嚴重限制城市的發展，影響居民日常生活。通過預制化的方式對現有海綿裝備進行發展，將極大地實現海綿城市的“去工程化”，縮短建設周期，如一體化水處理站、一體化泵站的推廣應用。

b.集成化趨勢。海綿城市現有的技術體系中，透水鋪裝、下沉式綠地、雨水花園等海綿技術措施大部分采用傳統工程方式進行建設。但通過第一、二批海綿城市試點項目的實踐發現，建設過程中存在市政道路施工時間限制、小區施工用地限制等大量實際困難阻礙著海綿城市項目的落地。通過集成化的方式對現有海綿裝備進行精簡、綜合、升級，代替原有傳統工藝，可縮短施工工期，提高項目綠地利用率，克服現有項目限制，最終達到海綿效果。如以蓄水模塊代替傳統調蓄池、雨水花園的下墊結構層等實現蓄水功能。

c.運維簡易化趨勢。隨著第一、二批海綿城市試點項目逐步進入運營期，眾多海綿裝備的維護成本高、維護效果差等問題逐漸暴露出來。如何使現有海綿設備更易于運維，是海綿城市裝備設施發展的重要方向之一。如針對透水鋪裝的運維問題，通過對磚型和鋪設方式的調整發展，合理地采用結構縫隙透水輔助透水鋪裝實現海綿透水功能。