武 龍,劉學(xué)應(yīng),劉東哲,邱 沖

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

近年來由于城市人口持續(xù)增長和全球極端氣候頻繁出現(xiàn),地下的排水設(shè)施無法滿足城市排水的需求,出現(xiàn)諸多問題[1-2]。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是硬質(zhì)地表阻隔降水的下滲；二是現(xiàn)有的管道設(shè)施無法滿足未來氣候的變化；三是傳統(tǒng)雨污合流的排水方式在暴雨來臨時(shí)會(huì)造成二次水污染。為了改善上述情況,加快新型城鎮(zhèn)化建設(shè),中國政府陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策,部署和支持海綿城市建設(shè)[3-4]。海綿城市建設(shè)最主要的理念就是改變傳統(tǒng)以“排”為主的排水思路,將“排”、“蓄”結(jié)合,做到雨水就地消納。我國多數(shù)城市采用透水磚[5]緩解因傳統(tǒng)硬質(zhì)化路面鋪裝導(dǎo)致雨水無法滲入地下而產(chǎn)生的城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)等問題,但是目前透水磚依然存在一些問題,主要表現(xiàn)為：透水磚表面易堵塞,隨著透水磚使用時(shí)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(huì)大量破壞土地資源,不益于環(huán)境保護(hù),并且陶瓷透水磚在燒制過程中大量使用煤炭資源,造成環(huán)境污染,也逐漸遭到淘汰。

城市雨水管理需要將城市結(jié)構(gòu)布局和城市“海綿體”相結(jié)合[6],本文遵循“排”“蓄”結(jié)合的理念,通過雨水管網(wǎng)的優(yōu)化,包括雨水初步凈化,厭氧處理以及與可持續(xù)雨洪設(shè)備相連接等凈化方式。同時(shí),提出一種透水磚組裝方式,利用城市雨水凈化管網(wǎng)和新型海綿體結(jié)構(gòu)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(guān)理論

海綿城市將城市比喻成海綿,當(dāng)城市遇到降雨時(shí)可以吸水、蓄水、滲水、凈水,在城市干旱時(shí)可以將蓄存的水釋放并利用,呈現(xiàn)出良好的“彈性”[7]。海綿城市是實(shí)現(xiàn)從快排、及時(shí)排、就近排、速排干的工程排水時(shí)代跨入到“滲、滯、蓄、凈、用、排”的轉(zhuǎn)變。圖1是海綿城市原理示意圖[8]。采取上述6種技術(shù)中的一種或多種相結(jié)合的方式,考慮城市排水用水不同的需求和方式,努力構(gòu)建城市良性水循環(huán)。將“排”“蓄”結(jié)合,將雨水就地消納是目前海綿城市建設(shè)的一個(gè)熱點(diǎn)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(dá)到調(diào)節(jié)和變峰的作用,同時(shí)可以凈化雨水，為雨水利用創(chuàng)造條件[9]。排水工程用于構(gòu)建綠色設(shè)施與灰色設(shè)施結(jié)合的蓄水、排水體系,避免城市發(fā)生內(nèi)澇等災(zāi)害。

圖1 海綿城市原理示意圖

2 “蓄”“排”結(jié)合的海綿城市技術(shù)優(yōu)化

2.1 “蓄”——城市雨水凈化管網(wǎng)的局部優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)雨水凈化管網(wǎng)優(yōu)化方法只能在一定程度上緩解城市內(nèi)澇,在海綿城市建設(shè)中,雨水凈化管網(wǎng)應(yīng)做好“蓄水”,更要做到“蓄水”和“凈水”協(xié)同作用，并且更好地結(jié)合綠地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)優(yōu)化中,需重新考慮原有雨水管網(wǎng)的規(guī)劃,將雨水管網(wǎng)的布置與可持續(xù)雨洪措施相結(jié)合,增加雨水管網(wǎng)應(yīng)對雨洪的彈性,盡量增大雨水下滲能力。為解決現(xiàn)有雨水管網(wǎng)處理雨水時(shí)效果差、雨水利用率低等各類技術(shù)問題,特采用如下技術(shù)方案：

1)雨水收集初期,對雨水進(jìn)行初步凈化。集水口處設(shè)有過濾網(wǎng),在過濾網(wǎng)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(jìn)入?yún)捬跆幚硌b置內(nèi)。見圖2。

圖2 集水口截面結(jié)構(gòu)示意圖

2)雨水管網(wǎng)設(shè)置蓄水池,增設(shè)厭氧處理。使雨水在經(jīng)過初步過濾等處理后,進(jìn)行厭氧反應(yīng),凈化雨水。厭氧反應(yīng)后的雨水儲(chǔ)存于蓄水池中。見圖3。

圖3 厭氧處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3)凈化反應(yīng)產(chǎn)生淤泥,改進(jìn)清淤處理方式見圖4。厭氧反應(yīng)過程中,雨水中的雜物形成淤泥沉積于厭氧處理裝置內(nèi),在厭氧處理裝置內(nèi)的下表面采用光滑的新材料,這樣淤泥更容易被清理。同時(shí),厭氧處理裝置的底部兩側(cè)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(dòng),淤泥通過淤泥出口進(jìn)入淤泥收集槽內(nèi)。淤泥收集槽內(nèi)連接有淤泥收集器,淤泥收集器上設(shè)有推拉把手,方便處理淤泥。

圖4 淤泥收集方式

4)與可持續(xù)雨洪處理措施結(jié)合使用。雨水經(jīng)過可持續(xù)雨洪措施處理后通過管道將雨水匯集至雨水管網(wǎng),利用可持續(xù)雨洪處理的下滲、過濾和生物滯留等過程達(dá)到降低地表徑流污染的作用。暴雨來臨時(shí),可持續(xù)雨洪處理措施可以延緩徑流峰值,增強(qiáng)應(yīng)對暴雨的能力。雨水管網(wǎng)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(wǎng)收集的水進(jìn)行物理處理和化學(xué)處理,最終使得雨水可以回收利用。

5)通過新材料和新技術(shù)手段,優(yōu)化管網(wǎng)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(tǒng)城市海綿體有限,以及傳統(tǒng)城市海綿體承載能力有限,需要開發(fā)更多、更優(yōu)的城市新型海綿體。為解決傳統(tǒng)城市海綿體存在的不足和問題,本文提出了“回環(huán)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(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。采用現(xiàn)有透水磚和普通不透水磚相結(jié)合的方式,制作“回環(huán)式”透水磚。“回環(huán)式”透水磚外圈采用不透水磚,圈內(nèi)采用透水磚的組合方式,進(jìn)而提高“回環(huán)式”透水磚的強(qiáng)度。

2)通過控制“回環(huán)式”透水磚中不透水磚與透水磚的比例大小可以應(yīng)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(gè)磚塊的比例以增強(qiáng)磚塊整體強(qiáng)度。

3)透水磚采用回收材料。透水磚以工業(yè)垃圾為原料,可以減少工業(yè)垃圾對環(huán)境的危害,解決了生產(chǎn)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(shè)置規(guī)律的透水點(diǎn),通過電腦軟件的模擬使地面能夠達(dá)到“呼吸”排水的效果,從而避免出現(xiàn)透水磚存在的孔隙堵塞問題。

5)安裝時(shí)利用水泥膠結(jié)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(shè)以達(dá)到穩(wěn)固地基的作用。

圖5 “回環(huán)式”透水磚結(jié)構(gòu)示意圖

3 “蓄”“排”結(jié)合的工程實(shí)踐應(yīng)用

本文提及到的雨水凈化管網(wǎng)系統(tǒng)和“回環(huán)式”透水磚已經(jīng)在浙江省仙居縣橫溪鎮(zhèn)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)在橫溪鎮(zhèn)原有的“排”“蓄”系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以整改和新建,將“排”“蓄”“凈”三者相結(jié)合,橫溪鎮(zhèn)水處理利用項(xiàng)目效果顯著。

項(xiàng)目對橫溪鎮(zhèn)原有的管道進(jìn)行系統(tǒng)化布置和整治,棄用了大量雨水合流制的雨水管網(wǎng),安裝了一定數(shù)量的雨水凈化管網(wǎng)厭氧處理裝置(見圖6),并設(shè)置了雨水管網(wǎng)水質(zhì)檢查口(見圖7)。此外,凈化后的雨水與人工濕地和農(nóng)村灌溉用水出口相連接加以利用,達(dá)到了雨水的凈化再利用,起到了節(jié)約水資源的作用,具有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 雨水凈化管網(wǎng)厭氧處理裝置

圖7 雨水管網(wǎng)水質(zhì)檢查口

雨水凈化管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用使橫溪鎮(zhèn)從原來的水處理設(shè)備落后、沒有完整的雨污處理系統(tǒng)的狀況得以改善。該裝置在橫溪鎮(zhèn)應(yīng)用情況良好,雨水凈化效果明顯,雨水利用率高。

橫溪鎮(zhèn)原有的路面鋪裝方式采用了大量的傳統(tǒng)硬質(zhì)化路面鋪裝,雨季來臨時(shí),地面徑流無法下滲,導(dǎo)致地面大面積積水,同時(shí)地下水資源無法得到補(bǔ)充,水安全問題嚴(yán)重。項(xiàng)目根據(jù)當(dāng)?shù)匦枰?采用“回環(huán)式”透水磚替代傳統(tǒng)鋪裝,見圖8。

使用“回環(huán)式”透水磚后,下雨時(shí),橫溪鎮(zhèn)的路面不再出現(xiàn)大面積積水的現(xiàn)象。橫溪鎮(zhèn)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(shí)補(bǔ)充的問題也逐步好轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 語

“海綿城市”建設(shè)需要全盤考慮,需要將“海綿城市”的基本內(nèi)涵結(jié)合起來,做到“排”、“蓄”結(jié)合。這不僅僅需要對傳統(tǒng)排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)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(gè)方面。實(shí)際工程檢驗(yàn)表明本文提出的雨水凈化管網(wǎng)和“回環(huán)式”透水磚的結(jié)合利用確實(shí)起到了排水、蓄水、凈水相結(jié)合的作用。