基于海綿城市理念的蓄水抗洪管道設計研究＊

陳 露 章 俊

（1.武漢城市職業學院，湖北武漢 430064；2.武漢市民用建筑設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430014）

0. 引言

2013 年底開幕的中央城鎮化工作會議上，習總書記第一次提出了“海綿城市”的概念，即在城市內澇日趨嚴重、城市水資源日趨緊張的形勢下，倡導城市與自然的和諧共生，多利用自然的力量，對城市雨水進行排放，收納儲存以及合理利用，將城市建設成為雨水自然積存滲透、自然凈化、合理利用的“海綿城市”。從此，“海綿城市”正式進入了人們的視野[1]。隨后，住建部于2014 發布了《關于推進海綿城市建設的指導意見》批文，并于2015 年以及2016 年相繼開展了30 多個城市的海綿城市試點工作，旨在全面地推進海綿城市的建設工作，增強城市防洪排澇能力，恢復城市水生態環境。

在當前出現的眾多城市地下排水難的背景下，“海綿城市”無疑提供了一劑良方，它也將是未來城市建設、城市更新的重要方向。而作為在海綿城市建設的一個組成部分，道路給排水管道構建了海綿城市的筋脈，道路給排水管道建設關乎著海綿城市建設的質量，顯得尤為重要。

1.海綿城市概述

1.1 海綿城市建設的緊迫性

我國城市化進程的持續加快，各地面貌煥然一新，同時也帶來了新的問題。一方面，如火如荼的城市建設中，城市下墊面硬化率不斷增加，直接導致城市下墊面蓄滲性能減弱，隨之而來的便是城市自然滯蓄雨水能力降低，原有的城市水生態系統被破壞；另一方面，人們追求經濟利益固然無可厚非，卻同時破壞了周圍的生態環境，向有限的水資源任意排放污染物，直接導致我國水環境污染日益嚴重。與此同時，近些年來由于極端氣候天氣影響，國內許多城市洪澇災害頻發，我國傳統的城市給排水系統在應對這些內澇洪災時顯然力有不逮，也無法有效緩解和改善城市水生態問題[2]。

城市水生態環境是一個綜合問題，并已并呈日趨惡化之態，正嚴重制約著我國經濟發展，威脅著人民的生命財產安全。只注重發展速度，不重視對自然的保護，這是造成城市水問題的根源。為此，政府提出了建設海綿城市的重大舉措，統籌考慮雨水的留存與排出，統籌解決城市缺水與內澇問題。“海綿城市”建設已刻不容緩，實際上也是在為城市之前的激進式開發買單。

1.2 海綿城市理念

作為近年來興起的城市發展建設新理念，海綿城市倡導城市應像“海綿”一樣，對城市雨水進行吸納收集，同時還可在適當時機釋放。即在下雨的時候能夠將雨水吸收、蓄存、凈化、滲透，同時在適宜的時機將吸納收集的雨水資源釋放利用，特別是在適應諸如自然災害等環境變化時具有良好的彈性，從而能達到“小雨時城市道路不積水、大雨時城市不發生內澇、城市水體不發生黑臭”的目標[3]。

世界發達國家有著許多先進的雨水管理經驗，作為與國際接軌的中國理念，海綿城市的內涵大致包括如下：

處理的焦點的還是城市雨水問題，包括但不限于諸如城市內澇問題、城市水資源利用問題、城市管道雨水徑流污染問題以及城市合流制溢流污染問題等。

源頭減排優先，即優先從源頭控制雨水徑流，實現對雨水徑流總量的削減和峰值流量的削減，盡可能減少城市開發建設對水文過程的影響。

綠色設施優先，即利用天然的、修復的和人工建設的綠色基礎設施，實現對雨水的自然積存、自然滲透、自然凈化。

“藍綠灰”相結合，即在充分利用藍綠空間的基礎上，還要結合排水管網、泵站、調蓄池等必要的灰色措施，解決設防標準以內的暴雨內澇問題。

系統治理，即綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等綜合措施，統籌考慮雨水匯流到排放過程再到排入受納水體的全過程，要做到“藍綠灰”相結合。

問題導向和目標導向相結合，海綿城市建設的主要目標是通過綜合措施有效應對內澇設防重現期以內的強降雨，增強城市在應對氣候變化和抵御暴雨災害等方面的“韌性”，促進形成生態、安全、可持續的城市水循環系統。

1.3 基于海綿城市理念的城市管道設計原則

1.3.1 做好與自然銜接，新舊銜接

“海綿城市”理念重點倡導的是城市與自然是一個生命共同體，因此與自然和諧共處乃是城市管道設計必須要遵循的重要原則，盡量保護好原有生態。而新的管道設計必然出現與舊有管道的銜接問題，如何在盡量保持舊有管道設計的基礎上，將新管道無縫銜接，也是設計者要做的功課。

1.3.2 良好的“滲、滯、蓄、凈、用、排”設計

“海綿城市”強調需要兼顧考慮從雨水的匯攏，到雨水的集中排放，再到雨水排入到環境水體中諸如河流、湖泊等，所以城市管道不但要設計好高效的水排放，還要考慮將來如何合理節約利用水資源，將水資源就近排入下沉綠地、池塘、濕地等“海綿體”中進行收納。

2.市政道路給排水管道建設的現狀與不足

城市的排水系統是保證城市安全的重要組成部分，而其中的給排水管道建設更是重中之重。隨著“海綿城市”建設的逐步推進，各大城市也開始了現有市政道路給排水管道建設的改造升級，對城市的防洪排澇也取得了一定的效果，但仍然存在不小的問題。

2.1 管道缺乏管理維護

首先，許多城市的一些給排水管道，存在使用年限過長，長期疏于管理維護的問題。積年累月之后，管道破損或已喪失功能，反而造成了雨水擁塞，路面大面積積水甚至漫上來大量臟臭廢水，而且維修和更換的難度更大。其次，一些作業人員似乎更注重管道之上地面的維護工作和小修小補，孰不知地下管道才是給排水的重中之重。再次，缺乏專業的管道建設施工維護人員，畢竟市政道路給排水管道建設施工必須具備非常強的專業性。最后，由于垃圾和淤泥的沉積，造成管道堵塞，如果不及時維護處理，就會造成管道中排水不暢甚至堵塞，甚至很難及時定位垃圾堵塞的地點，造成了排查疏導的延誤和難度。

2.2 管道質量參差不齊

管道是市政道路給排水的核心部件，它的質量關乎著整個給排水的效果。由于它埋在地下，承受地表和土壤的壓力以及雨水垃圾土壤等的腐蝕，而且還與安裝所在地的地形、地質、地表環境也有莫大關聯，所以管道質量和規格要求高。如果在管材選擇上不達標，或者管材檢測不規范，甚至第三方檢測造假，都會對整個給排水造成無法估量的損失。我們經常會看到城市中某些區域，一遇稍大的雨水，某些路段就會由于管道雨水泄露造成交通堵塞，甚至還由于管道質量問題，造成管道破裂以及路面下沉、塌方。

2.3 管道設計不合理，缺乏對雨水資源的合理利用

基于海綿城市理念的管道設計，不僅要注重雨水的排放，還要注重雨水的過濾和收集，達到缺水時能循環利用的水資源可持續發展。但許多城市的排水管道設計都是存在或多或少問題的，他們大都注重的是盡可能快速及時地將雨水排放掉這一傳統模式，將排水管道設計得越大越好也是經常被應用于排水系統中，雨水排放得越多越快越好，盡量地保持各項越通暢越好，而到缺水期來臨時，又得花大力氣、高成本去找水，這其實是對水資源的極大浪費。由于在項目開始階段沒有進行深入的調研分析，而且在實際設計中，也沒有從長遠發展出發，進行統籌考慮和規劃，由此給排水設計偏離了實際的設計標準以及設計要求，使得在實際運行中，城市水資源造成了嚴重的浪費，并且嚴重污染了城市周圍的生態環境，根本無法體現對城市水資源進行合理的利用以及適當時機進行調節的作用[4]。

3.一種基于海綿城市理念的新型蓄水抗洪管道設計

蓄水抗洪管道，顧名思義，就是既能抗洪又能蓄水的管道。其設計的初衷是將城市過多的雨水資源進行排水并積蓄；而在缺水時又可將積蓄的水資源取出進行有效利用，對城市水資源實現了排洪蓄水的循環利用。但我們發現，在實際的實施過程中仍存在一些問題，比如蓄水抗洪管道在排水過程中，往往由于垃圾泥沙沉淀導致了堵塞，而且管道堵塞的地方難以定位并及時清理且清理難度大，導致堵塞越來越嚴重，久而久之使得蓄水抗洪管道喪失了原有功能，也間接影響了海綿城市建設的施工。

基于此問題，本文提出了一種基于海綿城市建設施工的新型蓄水抗洪管道設計。

3.1 新型蓄水抗洪管道設計方案

新型蓄水抗洪管道整體設計如圖1 所示，由輸水管道3 和排水管2 組成。其中，輸水管道2 掩埋于地下并與蓄水池導通連接，排水管3 掩埋于地下，下端與輸水管2 垂直相連，上端出口與地面平齊。

圖1 蓄水抗洪管道結構示意圖

輸水管道2 外圍四周上設置有加固層1，同樣位于地面之下；加固層中穿插設置有導管6，導管與輸水管道2平行設置且導管位于輸水管道的下方，導管的端部設置有加壓噴水裝置，上位機控制加壓噴水裝置運行。導管內設置有彈性防水密封線纜的信號線4，信號線的一端與監測模塊信號連接，信號線的中部從加固層外部繞過并伸入排水管內，并延伸至上位機。

輸水管道的底部等間距設置有多組凹槽，凹槽上設置有多個與導管6 相連通的排水孔；排水孔內設置有流量監測模塊。

（1）導管6 的端部設置有加壓噴水裝置，上位機控制加壓噴水裝置運行。上位機控制加壓噴水裝置噴水，加壓后的水柱能夠將排水孔疏通開，同時能夠將沉積在輸水管底部凹槽中的垃圾沖走，避免出現堵塞現象。

（2）輸水管道的內部設置有檢修平臺5，檢修平臺的底部鋪設有吸水磚，吸水磚對整個檢修平臺起到支撐作用，吸水磚能夠吸收一部分水分，當輸水管道內水位較低時能夠保證檢修平臺上相對干燥，避免滋生青苔。

（3）本設計方案能夠定時進行清理輸水管道中的凹槽沉積垃圾，可避免輸水管道的堵塞，方便地進行排水，使用更加方便。

3.2 新型蓄水抗洪管道的具體實施方式

如圖2 和圖3 所示，輸水管道2 的外周上設置有加固層1；加固層1 中穿插設置有導管6，導管6 與輸水管道2 平行設置且導管6 位于輸水管道2 的下方；輸水管道2與蓄水池導通連接。

圖2 蓄水抗洪管道結構剖面圖

圖3 蓄水抗洪管道結構側視圖

排水管3 可以根據安裝地點的路面情況設置多組且等間距設置，并與輸水管道2 相連通，排水管3 的頂部設置有過濾蓋板，初步過濾雨水污水中的垃圾，每個排水管的內部均設置有人梯31，方便作業人員及時進入輸水管內檢修。

輸水管道2 的內部設置有檢修平臺5，共有兩組，分別設置在輸水管道2 兩側，兩組中間正好是用于排水的溝渠。在圖2 中我們可以看到，檢修人員可從經排水管3 進入作業，首先通過揭開頂部地面上的蓋板，沿人梯31 往下進入輸水管道2 內，徑直到達兩側檢修平臺5 后，沿檢修平臺一路查看檢修輸水管道2 內不同位置出現的問題。從檢修人員的安全出發，整個檢修平臺5 的底部都設計鋪設有吸水磚51，它除了對檢修平臺起到進一步的加固支撐作用外，還能吸收底部相當一部分的水分，尤其在輸水管道水位較低時，能夠保持整個檢修平臺的相對干燥，這樣就相對不容易生長青苔，進一步保護了檢修人員作業的安全。

多組長方形凹槽7 等間距均勻分布在輸水管道2 底部。長方形凹槽7 中通過設置有多個圓形排水孔71 與導管6 相連通；在排水孔71 內部放置流量監測模塊，通過導管6 內部的信號線4，一端與流量監測模塊連接，另一端繞出加固層1 外并伸入到排水管3 內，一直延伸到地面與上位機相連。導管6 端部設計了可由上位機控制的加壓噴水的裝置。一旦排水孔71 內部的流量監測模塊監測到堵塞，會及時將數據報告給上位機，上位機向加壓噴水裝置發出指令噴水，此時排水孔71 被加壓后的水柱疏通開，同時凹槽7 中的沉積物被沖走，有效解除了輸水管的堵塞現象。

本方案的具體操作流程如下。

（1）城市道路上的雨水流經排水管3 地面端的蓋板，沿蓋板導流口下滲入輸水管道2，同時排水管3 的地面端蓋板還能夠有效地過濾雨水中夾帶的一些垃圾雜質，減少了向輸水管道2 排放的垃圾。

（2）在輸水管道2 的各處，沿途就近與人工溝渠、池塘、河流、湖泊導通連接，雨水被分流至這些蓄水地進行積蓄并留待之后有效利用。

（3）多組長方形凹槽7 等間距均勻分布在輸水管道2底部如圖3 所示，同時凹槽7 底部均勻分布多個圓形排水孔71 如圖2 所示，與加固層底部的導管6 連通。在蓄水抗洪管道運行一段時間后，由于輸水管道2 承擔著排水的任務，慢慢會有泥沙和各種垃圾在底部沉積下來，填滿凹槽7。而排水孔71 設置有流量監測電子模塊，它會定時啟動并監測凹槽7 甚至輸水管2 中的水流量，如果凹槽7 中的水流量低于某一個閾值，可以判斷該段輸水管2 已出現堵塞，流量監測電子模塊會及時將數據上傳上位機并告警。

（4）圖3 所示的導管6 端部設計了可由上位機控制的加壓噴水的裝置，當上位機收到堵塞告警信息后，可設置手動或自動開啟加壓噴水功能，加壓噴水裝置收到指令，立即加壓噴水將相應的排水孔71 疏通開，從而上部凹槽7 中的淤泥和垃圾也在水壓下被沖走，從而起到了疏導的作用，及時確保了輸水管道2 的暢通。

4. 結語

將海綿城市理念應用于此新型蓄水抗洪管道的設計實施中，能及時清理輸水管道中的沉積垃圾，有效避免輸水管道的堵塞，方便進行排水。近年來，在政府的大力宣傳和推進下，“海綿城市”的技術開發和建設都取得了可喜的成果。不僅在凈化城市生活環境、美化城市形象品質方面，“海綿城市”發揮了重要作用，更是在提升城市居民幸福指數方面成效顯著。如果將“海綿城市”建設看作是對以往不成熟發展模式的扭轉，或許，這一偉大的事業將在更加寬松的環境下加快推進。但環境問題的形成并非一朝一夕，向這些問題宣戰，要有打持久戰的耐心，所以海綿城市建設是一項復雜的、多目標融合的系統性工程，既不能一蹴而就，也不能一勞永逸。它既是我們共同的目標，也需我們全體人民共同努力去建設和維護。