海绵城市路面集雨技术分析

2019-11-08 06:01:33 粘接 2019年9期

韩春妮 王博 仝玉琴

摘要:为了能够资源化利用雨水,增加雨水的下渗量,进行地下水资源的涵养,同时,发挥对暴雨洪峰的延缓以及对径流总量的控制作用,达成对初期雨水的滞留,降低面源污染程度,基于对海绵城市的理解,研究海绵城市路面集雨技术。具体地,海绵城市路面集雨技术包括雨水滞蓄、雨水传输、雨水贮存以及雨水利用技术4大类,实践中应结合城市中的场地条件与主要目标选择单项技术或组合技术,通过4类技术的配合实现海绵城市路面雨水渗透、存储、调节、传输、净化、排水等多种目标,对其总体径流量、径流峰值以及径流污染等状况进行科学与有效控制。

关键词:海绵城市:雨水资源化利用;路面集雨技术

中图分类号:TU20 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2019)09-0041-06

近年来,气候变化以及由其引起的环境承载力等因素的存在使很多城市出现“逢雨必涝、雨后即旱”的问题,致使我国目前城市水生态面临两个极端:①部分城市内涝严重,雨洪管理成为对城市发展产生影响的重要安全隐患;②一些城市面临缺水危机,水资源供应严重不足。此外,水生态恶化、水安全欠缺保障以及水污染问题等亦亟待解决。在经济飞速发展的进程中,我国频频发生城市气象灾害,多次大城市内涝要求加强对城市集水、排水等工程的重视。

较之其他可再生水资源而言,雨水优势突出,可就地收集,处理步驟也很简单,水质硬度比较低,内含土壤所需营养成分,且不会对土壤与地下水造成污染。通过有效收集雨水,可缓解由于过度开采地下水导致的城市地面区域下陷情况,解决城市内涝与城市恶性水循环等诸多问题,进一步地,增强城市水资源蓄养能力以及防涝抗洪能力,优化生态环境。海绵城市可对生态环境进行调节,亦能应对洪涝灾害,特别是在环境优化方面优势明显。对此,文章研究海绵城市的路面集雨技术,以此达到提高城市雨水资源利用率的目的。

1海绵城市建设

以海绵的水分性质为视角进行相应的分析,海绵城市可被简单地视作同海绵相类似的城市,这类城市的迁移速度非常快,同时,能够较为充分地对水资源加以利用。在出现降水天气之时,海绵城市可以采取多样化的方式(如下渗、调蓄、吸收以及净化等)对雨水进行收集,并在需要的条件下快速地将收集的雨水释放出来,有效地发挥出对地下水的补充、路面的冲洗以及灌溉等作用。以海绵的力学性质为视角进行分析,海绵城市所具有的恢复、回弹与压缩优势明显,可有效应对外界环境的改变与自然灾害的发生,实现对不必要灾害发生率的降低。分析城市“海绵体”的主要构成,通常包括人们生活的小区配套设施以及绿地系统中的其他部分,而小区配套设施又包括屋顶花园、植草沟以及绿化植被等。

传统城市比较简单,只是围绕“排”的概念做了相关强调,并未从雨水的可持续利用与发展方面作详细探讨,采取的措施比较少。在社会日益进步的推动之下,我国很多城市的道路都变得越来越宽,路面大多以石材路面与沥青路面为主,它们所采用的材质均不易透水,若只是简单地将水径流排出而不加以收集与利用,必然会造成水资源的长期浪费以及城市的内涝与径流污染。表1所示为海绵城市与传统城市的对比。海绵城市建设思路如图1所示。总体而言,在进行海绵城市的建设之时,需要重点考虑3方面的问题:①强调对原有生态系统的维持及保护;②采取相应的措施对已遭受破坏的水体以及其他的生态环境进行修复与恢复;③通过对影响程度相对较低的技术及开发措施的采用及实施,合理建设城市自然生态环境。

2海绵城市路面集雨的目标

对海绵城市进行路面集雨处理,应将政府制定的相关政策以及当前所需解决的雨水收集及其管理问题作为目标出发点。结合政府的相关决定及其部署工作,可以明确海绵城市雨水的收集及资源化利用方向,即在以相应的收集技术为支持完成对雨水的收集工作后,进一步执行对它们的就地渗回补、直接利用或调蓄排放等任务,以此实现雨水的综合利用对于所收集、储存并直接利用的雨水而言,同样具有相关的要求,即它们的水质应能与《建筑与小区雨水利用工程技术规范》以及现行的国家相关标准相符。

2.1增加雨水的下渗量。进行地下水资源的涵养

在我国较多的城市中,水资源缺乏的问题都比较严重,各城市应对地下水的开采进行全面与合理地规划,然而,基于过度开采行为的存在,导致我国部分城市面临地下水位下降的情况,局部地区甚至出现了地面的下沉,这对城市的安全与可持续发展产生严重的威胁。进行海绵城市建设,收集与利用雨水资源,在一定程度上有效缓解城市的缺水状况,同时,实现对地下水的及时与有效补充成为一件亟待解决之事。

城市在出现降水天气,雨水落到地面后,首先会产生径流,之后向地下渗透,让雨水参与至大自然的水循环中。海绵城市采用相应的透水、过滤等技术,可将雨水渗透地面,帮助城市进行地下水的涵养。而增加雨水向下渗透的总量,对雨水资源进行有效而充分地利用,还能进一步地节省公园绿地以及小区配套设施等的用水量,实现对水资源的节约。所以,海绵城市路面集水的首要目标即增加下渗,将各项技术可以在雨水的滞留、渗透以及净化等方面发挥的功能与作用有效地发挥出来,进行地下水资源的补充以及水源的涵养。

2.2发挥对暴雨洪峰的延缓以及对径流总量的控制作用

现阶段,当发生暴雨与大暴雨天气之时,我国仍有为数不少的城市依旧面临着城市排水管网应对难度大、网管溢流量多的窘境,路面径流会随着排水口进入城市管网,增加市政管网的压力,如果仅是单纯地通过对城市的地下管网进行相应的改造来控制径流量,所需要消耗的人力与物力等资源是非常多的。对此,应发挥海绵城市作用,采用多种路面集雨技术进行雨水的吸收、渗透以及滞留,在零就地消纳雨水的基础之上,科学与有效地将暴雨阶段雨水向市政管网的排放流量减少,发挥出对暴雨洪峰的延缓作用,同时,合理控制径流总量。

2.3滞留初期雨水,降低面源污染

在社会经济迅猛发展以及人民生活水平日益提高等多种积极因素的影响下,环境保护特别是水环境优化所受到的重视程度越来越高。分析水环境的主要污染源,现阶段主要由两大部分构成:①点源污染(Point Source Pollution);②非点源污染(Non-pointPoint Source Pollution)。非点源污染又可称作面源污染,指的是在降雨产生的地表径流、土壤侧向水以及地下水等的作用下,地表所积累的各种污染物质会流进受纳水体之中,由此而引起相应的污染。考虑非点源污染的来源,以降雨所产生的径流为主,特别是近些年来我国很多城市经常发生内涝灾害,致使雨水同污水之间相互混合,在很大程度上威胁着人类的身体健康。在这一背景之下,及时与有效地控制雨水中的各类污染物,实现对雨水的资源化利用成为一项极为必要之事。

以海绵城市中的绿地为例,它是城市中有着较大的集中用地面积的地块,降雨天气特别是暴雨天气发生时,降落到这一地块的雨水量是非常可观的,这一时期,绿地及其周围将会产生比较明显的径流,种植于绿地中的植物非常多,它们的根系以及所生存的土壤等均有过滤雨水的功能,能够发挥对初期雨水径流的净化作用,采用路面集雨与相应的处理技术,可对绿地及其周围雨水进行收集与过滤,并将其排人绿地水体。流经绿地内部的雨水径流,总体而言有比较好的水质,如果将其排人到河流与湖泊之中,可在一定程度上降低对水体的污染程度。所以,以海绵城市中的绿地以及相关路面的集雨技术为支持对初期的雨水径流造成的污染进行控制,既能有效利用绿地雨水径流资源,又能将面源污染范围减轻,改善区域雨水径流水质,优化水环境。

3海绵城市路面集雨技术

传统排水系统多采用硬排水方式对雨水进行处理,海绵城市则将对与自然生态相接近的软排水方式的采用作为重点,以此实现对路面雨水的受纳。从本质上来看,海绵城市路面集水技术是对传统雨水排水的优化及增强。配合使用多种不同功能的路面集水技术,海绵城市可实现“渗蓄滞净用排”的循环理念。此处,以雨水资源化利用目标为基础,对其进行集水、输水、贮水与取水4部分划分,结合各項技术的主要功能,将海绵城市路面集水技术分为雨水滞蓄技术、雨水传输技术、雨水贮存技术以及雨水利用技术,表2所示为技术类型及其适用对象。

3.1雨水滞蓄技术

主要用人工的方式创造对土壤渗透以及雨水收集等有利的各种条件,通过道路、绿地等下垫面收集与处理雨水,包括透水铺装技术、下沉绿地技术、雨水桶(罐)技术、蓄水池技术等。

1)透水铺装技术。是海绵城市应用最广的一种路面集雨技术,可就地滞蓄与渗透雨水,主要是在城市中的停车场、步行道以及广场等位置建设与铺设大量的不透水路面,以此对雨水的滞留形成推动,达到增加雨水渗透量、减缓暴雨径流速度、降低其流量,同时,将滞留的时间延长,缓解排水系统压力的目的如图2所示。透水铺装技术对多种透水性材料(较之传统硬质铺装材料生态性与可持续性更高)加以应用,可增大雨水向下渗透的可能性,将径流的流量以及峰值降低,在一定程度上完成短时间内的蓄水任务。该技术可节省雨水管网后期的升级与维护费用,更加经济。

2)下沉式绿地技术。该项技术常常结合地势低洼处实施,以对地势的顺应为前提,适当节省工作量,通常,技术实施位置的高程大约比路面或者铺设的硬化地面低20m,如图3所示。下沉式绿地技术在海绵城市路面集雨工程中的应用亦比较广泛,有着很突出的渗雨水以及补充地下水的优势,能够在较大程度上缓解传统市政管网的排水压力,达到对雨水的净化、非点源污染的阻止以及污染物的削减等目的。在技术实时的过程中,最好不要设置过大的坡度,合理的做法应是在雨水口的位置铺设一些尘沙或鹅卵石,使它们发挥局部分散式蓄滞雨水的作用。此外,还可以在绿地的周围设置一些溢流口,对超出标准的雨水进行排放,避免出现短时积水的情况。

3)雨水桶(罐)技术。一种较为灵活的经济型技术,在雨水资源化利用中有较多应用。雨水桶(罐)这种装置比较简单,用于收集与回收雨水,便于安装,多布置在建筑旁边的位置。在出现降雨天气之时,雨水会经过雨落管直接流人雨水桶(罐)之中,由雨水桶(罐)对其进行一段时间的存储。对于污染程度比较小的雨水来说,可以将它们直接用于景观等的灌溉;如果雨水受到了比较严重的污染,则需接受集中的净化处理,之后用作洗车与冲厕等。雨水桶(罐)技术在土地紧张的地区适用性较高,可在一定程度上缓解这些地区的雨洪问题。

4)蓄水池技术。在建筑小区及公园绿地系统中的应用比较多,该项技术的实施目的为收集与滞蓄雨落管传输的屋顶雨水以及道路雨水径流,可通过与地下空间的结合完成地下蓄水设施的建设,应用蓄水技术,达到节省空间的目的,亦为难以在地上改造的地区提供可能。

3.2雨水传输技术

雨水传输技术主要在海绵城市路面集水处理的中间环节应用,经常采用多种人工与生态措施进行径流输送,输送过程可实现雨水的下渗与净化,故该技术大多能同时将“渗”、“滞”、“净”功能发挥出来,有比较广泛的应用,植草沟技术与旱溪技术等是其主要的技术。

1)植被浅沟(植草沟)技术。以线状布置为主,通常会与道路附属绿地或建筑周边绿地相结合实施,在渗透性铺装或植被等的支持下,该技术能够将对雨水的径流输送作用发挥出来,达到对径流峰值及流量的削减目的,并在雨水传输过程中对其进行收集与净化。降雨较强时,该技术的传输作用能够得到更好的发挥,它将超出标准的雨水传输给排水系统,由排水系统执行对这些雨水的排放任务,避免出现路面积水的状况。植草沟的边坡坡度小于30%,纵坡小于4%,流速大约为0.8m/s,可进行鹅卵石、消能坎等的设置,对植草沟人口处雨水中的固体杂物进行物化处理。

2)旱溪技术。在海绵城市中,旱溪技术的应用不是太广,但其有很强的适用性,实施过程中可同景观生态相互结合,属于一种以自然的溪流形态为依据,有效利用卵石及植被等的雨水景观技术,主要用生物及植被来模拟自然状态下的溪流,线性布置比较普遍。在降水比较多的时期,旱溪技术能够发挥蓄积雨水的作用,而在降水较少的时期,则可作为造景景观供人观赏,将区域对雨水系统的生态调蓄功能良好地发挥出来。

在技术的具体实施环节,通常会将一些体积较大的石块放置在底部位置,以此达到对雨水渗透的延缓目的。此外,通过在石块上铺设鹅卵石,还能起到减缓雨水冲刷的作用。部分情况下,还可考虑在旱溪两侧布置一些沉砂石或小型卵石,它们相互配合可削减径流流速。通过在旱溪上游人口与拐弯处将溪床的宽度增大,与石块砂石等相互配合,亦可以发挥出减缓径流流速的作用,对过量冲刷情况加以避免。

3.3雨水贮存技术

又称生物滞留技术,主要在降雨时截留、滞蓄与储存雨水,一般贮存技术均具有净化截污功能,降雨会在传输设备的作用下汇集于贮存设备之中,接受调蓄及净化处理。应用较为广泛的雨水贮存技术有生物滞留区技术、雨水花园技术等。

1)生物滞留区技术。具有渗水功能,对工程技术及区域土壤结构与特性有较高的要求,能对雨水进行蓄滯。以技术规模及位置为依据,生物滞留区技术又分为滞留带技术与滞留池技术,小型生态树池技术亦属于滞留技术。在对生物滞留区布局进行规划之时,应与市政道路附属绿化设施等相结合,大型区域适宜布置滞留池与滞留带,小型区域则更加适合进行生态树池的布置,以此做到对绿化要求的满足,确保不会对通行产生影响。

2)雨水花园技术。该技术可较为广泛地应用于海绵城市路面集雨工程之中,属于一种自然条件下形成的,或通过人工挖掘而形成的浅凹绿地技术,主要通过植被与微生物等将其对雨水的吸附以及净化功能发挥出来,在汇集周边道路及建筑小区内雨水之后,进一步实现对水源的涵养以及地下水的补充。一般地,雨水花园技术常根据地势来实施,多在地势低洼处实施,通过对有较强吸附功能的植物的种植,完成对雨水的初期处理以及滞蓄任务,是满足生态化与可持续性要求的雨洪管理技术,其技术原理如图4所示。蓄水层、覆盖层、种植涂层、人工填料层以及砾石层均是技术实施要点。

作为低影响开发常见率最高的一种技术,雨水花园技术一般通过小型的雨水花园对路面、硬质广场等地的雨水径流进行收集。为避免破坏建筑地基,需要严格控制3m以上的距离。

3.4雨水利用技术

雨水在被蓄渗与净化处理之后,会进一步回收与利用,这时便会用到雨水利用技术。面对水资源的短缺,我国很多地区均需强化对雨水的资源化利用,如将路面雨水收集与净化处理之后用于洗车与环保环卫等;借助雨落管、雨水罐技术收集屋面雨水之后对其进行简单的净化处理,浇灌周边绿地等。雨水利用技术的实施在雨水资源化利用中非常关键,属于最终环节的技术。

4结语

文章以雨水资源化利用的核心目标为基础,将海绵城市的路面集雨任务分为集水、输水、贮水、取水4个部分,同时,根据各类技术的主要功能,划分海绵城市路面集雨技术为雨水滞蓄技术、雨水传输技术、雨水贮存技术以及雨水利用技术4大类。实际上,海绵城市路面集雨技术的种类较为繁杂且多样,不同类型的技术有时会有多项功能,如滞蓄技术还能在不同时刻将贮存功能发挥出来等。所以,在今后的具体实践中,应与场地的实际条件以及所需达成的主要目的等相结合科学、有效地做出单项技术或组合技术的选择,不能受传统观点的束缚而拘泥在某一技术的单一功能之上,而是要通过对4大类技术的共同配合,完成对路面雨水的渗透、存储、调节、传输、净化及排水等目标,对径流总量、径流峰值以及径流污染进行有效控制。