新时期城市排水系统设计的生态途径

王宏彦，陈志宇，郭 云

（武汉市规划设计研究院，湖北武汉 430074）

1 背景介绍

城市化是21世纪人口统计发展的最重要趋势之一，与之相应的是中国的城市化进程也在不断的加快，城市规模越来越大。城市化进程带来了一系列的问题和矛盾，而水资源匮乏的矛盾已成了制约国民经济发展的重要因素。据不完全统计，全国600多个建制城市中有300多个面临着不同程度的缺水问题；根据《中国城市可持续发展水资源开发利用》（中国工程院 钱易、刘昌明等）对中国城市水资源的预测，水资源的供需矛盾今后将进一步加剧，水环境压力还将越来越大，解决水资源紧缺问题已成为国家和各级政府的重大攻关课题。

目前，人口在城市大量的集聚并形成了为数众多的居住小区、公建楼宇、道路广场等。这些硬质铺装和不透水面积使得城市降水的入渗量大大减少，而进入到按照传统理论设计的敷设在地下的暗管和箱涵中排往下游水体。因为按照传统理念设计的雨水管涵由于汇流时间较短使得雨洪峰值增加，从而导致城市雨洪危害加剧，水涝灾害频发，每年因此造成难以计数的巨额损失。与此同时，直接排放的雨水还导致了雨水资源的大量流失，并对下游城市防洪造成了巨大的压力和雨水径流污染的加重。甚至在北方一些地区和城市，还使得地下水位下降造成了地面沉降，城市生态环境恶化等多种环境危害。

针对这种情况，我国已制定了“节流优先、治理为本、多渠道开源”的城市水资源可持续利用战略和建设和谐社会与循环经济的发展战略。因而如何正确对待和有效利用这些既有巨大潜在价值又有广泛潜在威胁的雨水资源，已经摆在了城市排水规划设计工作者的面前，它也是一项新的课题和紧迫任务。反之，我们不得不对按照传统理论进行的城市排水规划和设计进行总结和反思，并在新形势下面对这些问题作出有益的尝试。

2 传统理念下的城市排水系统设计概述

2.1 传统理念城市排水系统

所谓城市排水系统，是指城市中排水的收集、输送、处理和利用以及排放等设施以一定方式组合成的总体。通俗一些也可理解成用暗管加适当的沟渠来收集雨、污水的一系列构筑物，按照污水的不同排除方式可分为合流制和分流制。本文主要探讨的是分流制排水体制下的雨水排水系统，污水排放系统因其特点与传统雨水系统不尽相同，不在本文研究之内。

2.2 传统城市排水系统的优缺点

传统城市排水系统主要设施是通过在居住小区、工厂企业内布置的屋面的雨水斗或天沟收集屋面雨水、用雨水口收集地面雨水（山区采用截洪沟收集雨水）后流入居住小区、厂区或街道下埋设的管渠系统后，通过出水口或泵站提升后排入自然水体或海洋。工程性在其中扮演这非常重要的角色。

按照传统理论设计城市雨水管道，是以极限暴雨强度理论公式确定的雨水流量来作为管道设计的依据，其公式为：

式中：Q——雨水管道设计流量（L/s）；

ψ——径流系数，其数值小于1；

q——设计暴雨强度［L/（s·hm2）］；

F——汇水面积（hm2）。

通过上述公式可以看出传统城市排水设计的目的在于尽快地排除降落在小范围汇水面积上一定重现期下产生的全部降雨。传统理论设计的城市雨水系统的优点也是显而易见的：

（1）由于雨水管径的确定是根据极限强度理论来确定设计流量的最大值，故降雨时它能及时地汇集并排除暴雨形成的地面径流，防止城市居民区和工业企业等受淹，有效的保障人民财产生命的安全、保护居民健康安全、提高生活质量使城市日常生活正常运转。

（2）传统按照理论设计的城市排水管道系统属于重力流管道，有排除超设计标准的一定重现期的雨水能力。

其弊端主要体现在以下几个方面：

第一，这种以尽快排除城市小范围区域内的雨水设计理念使得下游城市防洪压力骤增，以武汉市为例，长江武汉段的洪水经常受到上游地区的洪水影响（武汉段洪水主要由长江上游重庆等地区洪水、洞庭湖流域洪水、湖北境内沿江支流洪水组成，并受鄱阳湖流域洪水的顶托影响），反过来，武汉段的洪水又会给九江、安庆、南京等地区带来上游洪水的压力。

第二，随着研究的不断深入，这些未经任何形式处理的雨水直接排入受纳水体，会对受纳水体造成严重的污染，有些甚至到了不能容忍的程度。有些资料证明，雨水径流特别是初期雨水径流对水体的污染相当严重。

第三，由于排水系统的管径确定是按照最大流量来确定的，无形中会增加一部分排水管道基础设施的资金投入，这会给城市建设带来资金上的压力。

3 可持续城市排水系统设计的理念和途径介绍

3.1 可持续城市雨水系统

它也称为“生物－生态雨水系统”（BIO-ECODS），所谓可持续城市雨水系统设计是指以生态工程原则为基础，以保存自然存水形式和模仿自然水循环的为目的，采用工程和非工程措施相结合的集成手段来达到排除降水、避免雨洪威胁同时减少地表径流、贮存水资源，保护自然环境和生态性和多样性，以实现雨水资源化，节约用水，修复水环境和生态环境，减轻城市防洪排涝威胁。

3.2 开展“可持续城市排水系统设计”研究的意义

2007年12月初，国务院正式批复了武汉1+8城市圈成为“全国资源节约型和环境友好型社会(简称“两型社会”)建设综合配套改革试验区”。武汉城市圈综合配套改革试验的主要内容是：按照建设资源节约型、环境友好型社会的总体目标，以武汉市为主体，发挥武汉在城市圈中的龙头和辐射作用……。这就要求我们的城市发展必须走绿色生态发展之路，走可持续发展之路。

3.3 雨水径流源头控制策略在可持续城市排水系统设计中的作用

在源头（水量和水质两个方面）防止和缓解降雨径流为难题是设计可持续排水系统的关键原则，实施源头控制的一个主要优点就是可以减少径流量（包括总经流量和径流峰值），这样也就降低了下游雨水基础设施的投资和下游城市的雨洪防护压力，从控制雨水径流的观点出发，它包括使用雨水入渗设施和雨水利用，从而有利于改善地下水循环和减少水需求量。

3.4 几种主要的可持续性城市排水设计方法

（1）屋面雨水收集

城市雨水径流利用越来越受到人们的重视，许多干旱城市的缺水形势也使得那里的人们开始收集利用屋面雨水径流。即使在水资源相对丰富的武汉市，由于降雨时空分布不均也会给屋面雨水径流收集利用带来广阔的前景。具体应用如下：a.在家庭使用方面，屋面雨水收集在雨水桶中可供给家庭生活以外的其他低质用水，如浇花、冲厕、衣物洗涤等方面；b.在公共用水方面，更大范围的公共建筑群或地区的屋面雨水被收集到雨水存储罐中或调蓄池中，经过撇流初期雨水和简单的沉淀消毒处理即可用于更大范围内的市政杂质用水（如洗车、冷却、消防等低质用水）、灌溉用水、景观用水、家禽用水或回灌到地下等。雨水利用不仅可以降低城市供配水管网在用水高峰时的用水量，还可以有效缓解暴雨洪峰流量。同时减少降雨径流的污染负荷，此外，屋面雨水利用也是城市径流综合管理的一个重要组成部分。

（2）雨洪入渗

在土壤具有良好的通透性并且径流水质不会造成地下水污染的情况下，将雨水直接入渗地下也是雨水生态设计的一个重要策略。相对无污染的雨水径流入渗可以减少径流的量和速率，并能补充地下水从而维持河流基流，提供供水水源，对维持地区水系平衡发挥着重要作用。虽然依靠入渗系统无法阻止大的洪涝灾害的发生，但是却可以有效降低雨水管道系统的水力负荷，这有助于缓解洪水问题并在减少合流制管道溢流方面使城市收益。雨洪入渗的这些特点，特别适用于那些采取截流制合流制的地区――如武昌和汉口的一些老城区，多数采用的都是截流制合流制‘这些地区相对都是城市的核心地区，历史文化保护重点地区，对城市形象、环境保护的要求也比较高。他们进行大规模分流制改造的可能性并不大，故可以适当增加各种雨水入渗设施，如低势绿地、渗透井和渗透池（塘）等。这些设施因地制宜的应用将会取得非常好的效果。也可以使这些年代久远的老街巷成为新时期的“生态街巷”并焕发新的活力。

各种雨水入渗设施在具体的工程实施中，有两个方面需要注意：a.可能受到室外固体废弃物的收集管理的欠缺、街道清扫不彻底和缺少维护等因素的制约和影响；b.潜在的对地下水的污染威胁，地下水回补的效益与长期地下水水质风险的潜在分析后应认真考虑。此外在工程具体实施中，各种入渗设施应远离化粪池和建筑物基础、地下室停车库等。

（3）屋顶绿化

屋顶绿化技术（Green Roof）也被很多学者称为“绿色屋顶”。屋顶绿化泛指一切脱离了地气的绿化，泛指在各类建构筑物屋顶、阳台、露台、墙体、地库、立交桥等上进行绿化、种植树木花卉的统称。国内外屋顶绿化通常分为两大类。一种是屋顶草坪，一般是不上人的屋面，荷载轻，适合种植管理粗放的景天科、多年生地被植物，见图1。一种是空中花园，就是在屋顶隔水层的上面铺上一层土壤,然后部分或是全部栽上植物、乔灌花草搭配，亭榭花架、小桥流水、体育设施综合在一起的供人们休闲娱乐的绿色空间，见图2。

近代以来，世界各地先后掀起了屋顶绿化热。德国是该领域的先驱，它在很多年前就开始积极推广屋顶绿化，甚至规定重要城市中必须建设。世界上第一个屋顶绿化的指导方针就产生在德国。我国内地从20世纪60年代开始研究屋顶绿化的建造技术，20世纪70年代我国第一个大型屋顶绿化工程在广州东方宾馆10层屋顶建成。20世纪80年代后国内的其他城市对屋顶绿化的研究和应用也相继展开。目前我国一些大中型城市污染严重，绿化用地又极其有限。由于没有土地成本，屋顶绿化无疑成为城市中心区最廉价的改善城市综合环境的方式之一。屋顶绿化的主要好处有以下几点：

a.削减城市雨水经流总量：屋顶绿化后由于植物对雨水的截留、蒸发作用以及人工植土对雨水的吸纳作用，屋面汇流的雨水量可大大降低。德国资料表明，由于屋面采用了绿化设计，径流系数可由原来的0.9降低到0.3左右，即在相同降雨量下排水管渠收集到的雨水会相应减少，一些小雨甚至不会形成径流。此外，屋面的绿色植物和土壤还可以起到对雨水进行预处理的作用，因此可以省去地面初期雨水的控制措施。b.消减城市非点源污染负荷，减少大气中的灰尘和吸收二氧化碳；有效除去径流雨水的污染负荷。c.提高城市绿化率和改善城市景观，为提高城市绿化面积提供了一条新的途径；此外，它还可以通过绿色植物的蒸腾和潮湿土壤的蒸发可明显调节城市气温与绝对湿度。d.有效改善建筑屋顶的性能和温度，合理设计的屋顶绿化可延缓屋顶各种防水材料的老化，也能增加屋面的使用寿命。

屋顶绿化适用在新建生活小区、公园或类似的环境条件较好的城市园区，通过科学合理的工程设计可将区内屋面、绿地和路面的雨水径流收集利用，从而达到显著削减城市暴雨经流量和非点源污染物排放量、优化小区水系统、减少城市水涝灾害和改善环境等效果。无论是从节约土地资本，节约能源，还是绿化城市环境的角度来看，屋顶绿化恢复了土壤、恢复了水循环，提供了生物嬉戏的空间和人们休闲娱乐的空间，其应用前景是非常广阔的。

（4）草皮沟

草皮沟（Grass Trench-road）国内也有学者称为或译为“浅草沟”、“植被浅沟”或“植草沟”。草皮沟是具有双重径流控制作用的种植植物明渠，它除了通过存储削减降雨洪峰流量外，渠道的底部和两侧的透水能力可以促进入渗。植物产生的渠道粗糙度可降低径流速度，还有降低径流污染物的浓度的作用。在土壤渗透能力差的地区，草皮沟可以与多孔管系统结合，低草草皮沟设在多孔管和颗粒材料渠道的连接处。草皮沟在气候温和的发达国家，被广泛地用作流量和水质控制设施。目前，草皮沟在世界各地都得到了很好的应用。尤其是在低开发密度、土壤渗透性能好、地下水位底的地区，如草皮沟与渗渠结合通过增加入渗能力可使草皮沟的效率大大的提高。除了径流控制，草皮沟对悬浮物等大颗粒以及附着在固体上的污染物（如磷）也有很好的去除效果。草皮沟的污染物去除机理主要是沉淀和颗粒吸附，另外还有颗粒过滤和植物吸收溶解物质。但是草皮沟的污染物的去除效率变化是很大的，应该在今后的实践中做进一步的研究。

草皮沟目前在武汉汉阳的四新地区已经有了初步的应用，效果经过工程实例证明良好其前景值得推广。

（5）人工湿地

湿地技术属于环境生物技术范畴，其特点是利用生物本身及其产物的作用功能来去除可溶性和固体有机物、TSS、氮、磷、金属、烃类和一些优先考虑去除的污染物，以及病原菌和病毒，以达到治理污染和保护环境的目的。由于具有径流控制和改善水质方面的双重作用，人工湿地正在广泛用于城市雨水管理。人工湿地还具有美化环境、提高舒适度、提高城市环境美观度和为动植物提供生存环境的作用。

人工湿地有多种类型包括地表流湿地、潜流湿地和垂直流湿地等，见图3、图4。由于雨水具有轻污染、高流速的特点（相对于生活污水），城市雨水系统人工湿地通常设计成水平地表流湿地。人工湿地种植植物，通过植物的过滤、入渗和生物吸收等过程去除颗粒物、溶解性污染物、营养物质和重金属等有毒物质，从而来达到净化雨水的目的。水力、物理和生物因素的综合作用决定了人工湿地的处理效果。最重要的设计因素是天然雨水径流的短间歇性。由于这种易变性，湿地特征的重要设计标准随当地特点而不同。停留时间通常用于评估这类设施作为污染物控制系统的运行效果。

可能一般公众会认为湿地会聚集蚊蝇，使湿地成为那些蚊蝇传播疾病、流行病的地区的潜在威胁。虽然这方面不应该被忽视，但是问题并不像他们想的那么严重。在湿地设计中可采取有效的措施来阻止蚊蝇传播，使蚊蝇的居住时间只有几天，其虫卵来不及长大。另外，还可以使用生物控制的方法来控制害虫的传播，因为生物控制的成本更廉价且对人体危害更少，所以它比化学方法更适用。

4 结语

雨水自然排放并不是排水系统的最终目标，而是更艰巨的治理工作的开端。在新的形势下，排水系统也被赋予了新的使命。排水系统是水循环中水质与水量的连接点，雨洪利用则是良好水循环中质与量的桥梁。雨水的资源化和再利用既提高了水的利用率，又有效地保护了水环境，有利于实现城市水系统的健康、良性循环，从长远来看，这将是有效地解决我国水资源短缺和水环境恶化问题的优化途径。事实证明：21世纪雨水系统的定位应从以前的防涝减灾、防污减灾逐步转向雨水的资源化，从而恢复健康的水循环和良好水环境，维系水资源的可持续利用。我们对每一滴雨水的合理利用都是对整个人类社会的一份重要贡献。

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