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給水排水 |北方季節性降雨地區海綿城市規劃建設怎麼做?

 選取北方某城市作為研究案例,從規劃技術需求、規劃分區及指标分解規劃策略等方面探讨了海綿城市規劃的經驗,同時從内澇防治、雨水資源綜合利用、水污染防治、抗凍融鋪裝等方面提出了季節性降雨區域海綿城市建設經驗,為我國北方季節性降雨地區海綿城市建設提供參考和借鑒。

 

 

0 引言

海綿城市是一種新型的城市雨洪管理概念,即讓城市能夠像海綿一樣,在适應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,雨季吸水、蓄水、水、淨水,需要時再将蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市的建設需要結合各地實際情況因地制宜進行建設,不可照搬美國的低影響開發(LID)、英國的可持續排水系統(SuDS)、澳大利亞的水敏感城市設計(WSUD)。

 

1 海綿城市建設概況

國家高度重視海綿城市建設,财政部、住建部和水利部于2015年和2016年分别推出了2批共30個海綿建設試點城市,各城市在水文、地理、環境、基礎設施建設等方面都存在很大的差異,具體情況見表1。

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海綿城市建設過程中,一方面要避免過度拔高海綿城市的“萬能論”,另一方面要認識到北方城市與南方城市地理環境特征的差異以及各地建設海綿城市的基礎的不同。本文以北方某城市(以下簡稱A市)為例,探讨北方地區海綿城市規劃與建設的經驗,為其他北方地區的海綿城市建設提供參考和借鑒。

 

2 A市概況

A市作為北方地區的典型城市,屬于溫帶半濕潤大陸性氣候,降雨量分配嚴重不均,夏季雨量集中,7、8月份降雨量占全年的80%以上。在遭遇2年一遇以上的降雨時,市政道路積水,産生明顯的城市内澇。在遭遇20一遇以上的降雨時,城區出現了多處明顯的内澇積水點。圖1為2016年7月25日A市某地塊内澇積水情況。同時,由于老城區合流制排水系統溢流明顯,導緻雨季城市河道水質較差。另外,由于對地下水度過利用導緻地下水位持續下降。

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3 A市海綿城市建設經驗

3.1 技術需求

3.1.1 海綿城市建設基礎信息庫構建

海綿城市規劃建設對基礎數據的需求的特點與傳統規劃不同,其更關注植被、地形、土壤、管線、水量、水質及流速等詳盡的準确的基礎信息,以及在季節性降雨條件下,土壤、植被、水量、水質及流速的動态信息。這些信息在以往傳統的規劃建設中,往往不被重視,而在海綿城市建設過程中,重要的一點是城市下墊面及地下管線對城市水文水質過程的影響分析,這就決定了需要較高的時間精度和空間精度的數據,而且這些數據需要相對較長的時間周期(1個水文周期)。

 

A市海綿城市建設區既包括改造難度極大的老舊城區,也包括部分新城區與待建區。由于不同的區域的下墊面、土壤地形、排水能力等方面也存在很大差異,因此,在海綿城市建設中,A市利用1年時間對不同類型區域進行詳細的現場踏勘,獲取不同區域的地形、豎向、土壤性質、地下水埋深、土壤孔隙率等海綿建設基礎信息;同時對地下排水管線進行普查及CCTV探查,摸清排水分區、排水體制、管線排布以及排水管網結構性缺陷與功能性缺陷,并在雨季對于城市水文過程中涉及的雨量、水量、水質、管網流量、流速等信息進行詳細的監測、這些信息為海綿城市規劃分區、海綿改造建設适宜性評價、海綿設施的布置合理性、海綿設施建設的效果評估奠定了堅實的基礎。

 

3.1.2 區域地表水文過程模拟與排水系統效能的評估

利用模型提取A市區域徑流模型的水流方向、彙流累積量、水流長度、河流網絡等水文基礎信息,基于DEM栅格表面,通過河網分級法對A市基本水文因子的提取以及水網等級分析,再現水流的流動過程,完成對區域自然水文過程的分析和模拟。為規劃制定過程中,優化城市的豎向、梳理城市洩洪路徑、識别大型“海綿體”以及彙水分區劃分等工作提供的有效的技術手段。

 

針對A市的水安全和水環境問題,通過對雨季區域地表水文過程、排水系統效能以及河道水量水質進行模拟評估(圖2為某地塊模型分析結果)得出,對區域水安全和水環境的主要問題(城市面源、管網标準、管網漏、管網淤堵、污水處理廠進廠濃度、溢流污染)并進行量化解析,提出有效的應對措施,并對海綿城市建設規劃目标與指标可達性分析、對拟實施的規劃措施進行評估,為決策者提供投效比最佳的規劃決策。

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3.2 規劃策略

對于老舊城區而言,綠地率很低,同樣降雨條件下的地表徑流造成雨水管道壓力增大,因此,對于老城區海綿化改造更應注重存量地下排水系統探查、診斷、整治和運維,對于增量項目應考慮與老城區居住環境的提升相結合,因地制宜,将排水系統改造與排水分區調整、與排水口增設相結合,加大排水系統的通行能力,縮短排水距離,實現雨水就近快排。對于新城區而言,綠地率相對較高,可以通過局部豎向設計與改造,采取植草溝、線性排水溝等方式,将地面雨水導入周邊綠地進行收集處理,進可能減少進入排水系統的雨水量,将雨水留住,淨化,并回用,與此同時應重視低影響開發設施與景觀布置的協調性。遵守海綿城市、滞、蓄、淨、用、排”六字方針,在制定海綿城市實施方案時,考慮低影響開發設施多功能的特點。本着A市新城老城差異化的規劃策略,結合各區的氣候水文、地形豎向、建設現狀等因素,A市确定了海綿城市建設的總體目标,以公建小區、市政道路、公園綠地、水系4項工程建設任務為依托,将總體目标分解到“、滞、蓄、淨、用、排”等項工程措施中,老城區側重“排”和“淨”措施,新城區側重“”“蓄”“滞”“淨”和“用”等措施(見圖3)。

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3.3 規劃分區與指标分解

基于地表自然水文分析結果,結合A市的地形地貌、地塊豎向和排水流向,将規劃區劃分為若幹個彙水分區。在彙水分區的基礎上,根據排水體制和排口位置,将彙水分區細分為若幹個排水分區。最後,根據排水分區各地塊下墊面特征和排水管網、排水走向,将排水分區細分為若幹項目片區。

 

根據總體建設目标,綜合考慮上述彙水分區和排水分區的總體特征,将總體目标分解到排水片區和項目片區中,并以此作為海綿城市地塊、道路、公園、水體等各類工程指标制定的依據。在建設指标分解時,應将基于“系統目标—彙水分區—排水分區—項目片區”至上而下的指标分配方式與基于“新城區與老城區海綿設施建設适宜性評估”至下而上的評估反饋相結合,避免出現為了指标而建設,為了下凹式綠地而建設,為了海綿而海綿的機械思維。

 

4 季節性降雨地區海綿城市建設經驗探索

4.1 内澇治理

A市呈現出明顯的季節性積水的特征,因此,不能簡單地通過增大雨水管徑來解決内澇積水的問題。在滿足市政管網設計重現期2年的情況下,盡可能通過透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園等生态措施,減少地表徑流總量,緩解了市政管網的排水壓力;對于超過2年重現期的超标雨水,通過修建城市澇水行洩通道、拓寬下遊河道等措施,加快就近排水,避免城區内澇積水(見圖4)。通過上述措施的實施,在20年一遇降雨條件下,A市的内澇積水點全面消除。

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4.2 雨水資源綜合利用

A市在海綿城市建設過程中注重雨水的“蓄”和“用”,結合地形地勢和場地現狀,采取利用自然低地、新建或改造現有下凹式場地設施、建設雨水調蓄池三大措施,對雨水進行調蓄、淨化和再利用,區域内雨水收集利用量明顯增加,雨水資源利用率提高到10%,與此時同,地下水得到了有效的補給。具體包括:

 

(1)利用低凹地、池塘、濕地等收集調蓄雨水并充分利用水生植物如蘆葦、睡蓮等和其它生物資源對集蓄的雨水進行淨化處理、防止水質惡化,保持良好的生态景觀效果。

 

(2)利用凹地建設公園、綠地、停車場、市民休閑鍛煉場所,并将這些場所底部改造為水材料,當暴雨來臨時,暫時将高峰流量儲存其中,并作為一種透塘,暴雨過後,雨水繼續下補充地下水。

 

(3)在地下建設大口徑雨水調蓄管或者雨水調蓄池,調蓄池增加雨水淨化系統,達到雨水回用要求,作為道路沖洗,綠化澆灑,景觀用水等非直接接觸性水的水源。

 

4.3 水污染防治

CSO具有污水與降雨徑流的雙重特性:CSO流量和污染物濃度受降雨徑流影響是變化的,雖然通過擴大截留倍數,可大大降低溢流風險,但是也會導緻截污幹管過大投效比下降的後果,同時,其它季節水量小還會導緻管網淤積等問題。因此,需要考慮CSO流量、污染物濃度與季節性降雨的動态關系,充分考慮水量的季節性波動和水質的動态性,将适度工程措施、臨時應急措施與管網清淤維護、污水處理廠雨季優化運行相結合,尋求最佳投标比、最佳運效比的系統性措施。A市結合本地季節性溢流的流量和濃度波動,采取了“适度修複和維護管網、CSO調蓄池建設、河道調蓄設計、溢流口增設臨時應急措施、污水處理廠雨季優化運行”的建管結合的方式,在一定的成本控制下,有效的解決了季節性溢流問題。在2年一遇降雨條件下,溢流頻次由6次降低至2次。溢流總量為11萬m³,減少了90%,溢流污染SS負荷為2.8 t,減少了83.6%;在20年一遇降雨條件下,溢流總量為28萬m³,減少了70%,溢流污染SS負荷為7 t,減少了73%。

 

4.4 凍融防治

在我國北方,大部分透水鋪裝面臨凍融問題,透水鋪裝的壽命和效果都會受到很大影響。

 

針對A市海綿城市建設過程中透水鋪裝冬季凍融問題,筆者采用了抗凍融透水鋪裝技術,在保障強度和性能的前提下,考慮材料經濟可承受能力,通過控制各組分的配合比,得到強度高、透水性好且抗凍融的混凝土。試驗結果表明,C25級抗凍融透水混凝土強度可達30.5 MPa,凍融質量損失率低至2.7%,孔隙率達18%。具體配比如表2所示。該種混凝土能夠滿足國家規範所要求的50年設計基準期要求,而且強度等級較高,滿足普通的非機動車道和部分機動車道的使用,同時,能夠有效的透水和消除路面積水。可為北方城市建設海綿城市借鑒。

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5 結論

通過對北方地區海綿城市規劃建設經驗的探索,梳理若幹北方季節性降雨地區海綿城市規劃建設經驗,總結如下:

①準确、詳實的海綿城市建設基礎數據對于海綿城市規劃建設目标、指标、規劃措施的評估意義重大,在以往的城市規劃建設過程中,這些基礎工作往往被忽略或者不被重視,因此,未來必須加強建設區域地表系統、土壤系統、排水系統和地下水系統進行充分詳細的勘測,同時對于季節性降雨對于排水系統水量、水質進行動态監測,并建立系統化的數據庫平台。

 

②未來不再單一提高排水管網标準來解決城市内澇問題,應通過“綠色基礎設施建設+現有雨水管網維護+雨水系統提标改造+行洩通道建設+河道調蓄”相結合的方式,通過系統性工程措施解決城市内澇問題。

 

③對于季節性降雨地區,應充分進行雨水資源的回收、淨化與利用,通過雨水調蓄、下等措施儲存雨水、補充地下水,需要時,将淨化後的雨水用于澆灌、洗車等用途;

 

④對于季節性溢流地區,需将排水系統修複和運維、截污幹管提标建設、CSO調蓄建設、溢流口臨時處理以及污水廠雨季優化運行相結合,在合理控制建設成本的前提下,最大限度減少季節性溢流。

 

⑤北方地區海綿城市在建設過程中就應該結合本地實際,考慮成本和效果的前提下,研發适合本地的抗凍融透水鋪裝技術,避免冬季凍融引起的海綿鋪裝強度、壽命和效果的下降。

 

 

 

 

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