海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)研究

張梁

（湖南省長沙市城市建設(shè)科學(xué)研究院，長沙 410000)

1 海綿城市理念

海綿城市屬于新一代城市雨洪管理概念，是指城市在應(yīng)對各類環(huán)境及雨水帶來的影響與災(zāi)害時，具有彈性，如同海綿一樣具備能吸水、蓄水、滲水、凈水等功能[1]。海綿城市并非要取代傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，而是對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新。引入海綿城市理念，讓城市市政建設(shè)期間能做好“水”的調(diào)節(jié)，使自然降水、地表水和地下水在海綿城市建設(shè)中能夠協(xié)調(diào)與統(tǒng)籌，所以在市政給排水設(shè)計(jì)中要考慮復(fù)雜性和長期性。而相比于傳統(tǒng)城市建設(shè)，海綿城市更順應(yīng)自然，在城市開發(fā)建設(shè)中影響較小，不會改變地表徑流量。

2 海綿城市理念的重要性

市政給排水設(shè)計(jì)中的海綿城市理念的應(yīng)用具有重要意義，主要表現(xiàn)為：（1）優(yōu)化城市給排水基礎(chǔ)設(shè)施。市政給排水設(shè)計(jì)中，海綿城市的應(yīng)用能提升給排水的運(yùn)行質(zhì)量與效率，確保其能滿足城市發(fā)展需求，完善給排水系統(tǒng)。（2）減少對水資源的污染。城市發(fā)展期間水資源污染問題比較突出，很多城市給排水系統(tǒng)難以對水污染問題進(jìn)行治理，對城市發(fā)展造成極大影響，但海綿城市理念的應(yīng)用，能有效降低對水資源的污染，確保城市的生態(tài)平衡。（3）提升水資源利用率[2]。傳統(tǒng)市政給排水系統(tǒng)難以有效蓄水與排水，會造成城市內(nèi)澇，水資源難以得到有效利用，但海綿城市理念的應(yīng)用能有效收集水資源，提升水資源的利用率，實(shí)現(xiàn)城市的綠色發(fā)展。

3 海綿城市理念的應(yīng)用原則

3.1 結(jié)合城市規(guī)劃

市政給排水是城市整體發(fā)展的重要組成部分，是一項(xiàng)專業(yè)性、復(fù)雜性較強(qiáng)的工作，與城市其他項(xiàng)目規(guī)劃密切相關(guān)，如城市防水防澇、環(huán)境保護(hù)等，在設(shè)計(jì)時會增加給排水設(shè)計(jì)難度。所以在給排水設(shè)計(jì)中海綿城市理念的應(yīng)用，是要與城市規(guī)劃相結(jié)合，能從整體出發(fā)，確保給排水設(shè)計(jì)的科學(xué)性與系統(tǒng)性，滿足城市發(fā)展需求。

3.2 確保專業(yè)水平

在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中給排水系統(tǒng)是重要組成部分，影響著城市的可持續(xù)發(fā)展。但目前我國市政給排水設(shè)計(jì)中，對海綿城市理念及相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識不足，導(dǎo)致應(yīng)用水平相對較低，無法為給排水設(shè)計(jì)提供可靠支持。同時，在給排水設(shè)計(jì)中會存在諸多不確定性，只有設(shè)計(jì)人員能充分認(rèn)識海綿城市，確保其專業(yè)性，才能提升城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果。

3.3 生態(tài)優(yōu)先原則

在我國各大城市貫徹落實(shí)“綠色發(fā)展”理念期間，給排水設(shè)計(jì)中海綿城市理念的應(yīng)用要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先原則，減少對城市的污染與破壞。海綿城市排水設(shè)計(jì)要提升對資源的利用率，采用綠色理念與材料，降低建設(shè)與運(yùn)行期間的污染與能耗，提升給排水系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4 海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 綠化帶設(shè)計(jì)

市政給排水設(shè)計(jì)中綠化帶是重要組成部分，以海綿城市理念為指導(dǎo)，要求綠化帶設(shè)計(jì)能滿足基本的蓄水功能，提升水資源的利用率。下沉式綠化帶具有消減路面徑流、減輕道路揚(yáng)塵、節(jié)約綠地灌溉用水等多種功能，所以成為當(dāng)下海綿城市綠化帶設(shè)計(jì)的主要方向。

下沉式綠化帶在設(shè)計(jì)過程中需分析綠化帶水量平衡，可以用式（1）對時段內(nèi)水量平衡進(jìn)行計(jì)算：

式中，Q1為雨水在計(jì)算時段內(nèi)流入下沉式綠化帶的總徑流量；U1為計(jì)算起始時下沉式綠化帶的蓄水量；Z為計(jì)算時間內(nèi)下沉式綠化帶的雨水下滲量；U2為計(jì)算時間內(nèi)下沉式綠化帶的蓄水量；Q2為計(jì)算時間內(nèi)下沉式綠化帶進(jìn)入雨水管道的外排量。

下沉式綠化帶設(shè)計(jì)的雨水控制容量可通過式（2）得出：

式中，E為下沉式綠化帶設(shè)計(jì)的雨水控制容量；ΔU為計(jì)算時段內(nèi)進(jìn)入下沉式道路綠化帶的蓄水量。

同時，也要對綠化帶雨水滲蓄能力R進(jìn)行計(jì)算，可通過公式（3）得出：

式中，ψ為雨水滲蓄率；∈為綠化帶服務(wù)區(qū)徑流系數(shù)；Fn為道路面積；Fg為綠化帶面積。

可以使用式（4）和式（5）計(jì)算降雨量：

式中，H為降雨深度；q為暴雨強(qiáng)度；T為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期；t為降雨歷時。

雨水下滲量S計(jì)算如式（6）所示：

式中，K為土壤的穩(wěn)定入滲速率；J為水利坡度。

橫斷面方向的綠化帶在下凹式綠化帶中，能在下凹式斷面中存積雨水，綠化帶使雨水過濾后，可以通過溢流的方式進(jìn)入雨水利用系統(tǒng)，下凹式綠化帶內(nèi)設(shè)置雨水口，要高于地面3～5 cm，綠化帶內(nèi)綠地地面的高程較兩側(cè)路面低5～10 cm，每隔一段距離在綠化帶兩側(cè)的路緣石設(shè)置雨水的流入孔，可以在綠化帶內(nèi)匯集雨水。將防水土工材料鋪設(shè)于綠化帶的底層及其兩側(cè)，能減輕雨水的下滲。

4.2 人行道設(shè)計(jì)

以海綿城市理念為指導(dǎo)，市政給排水設(shè)計(jì)中“透水”是十分重要的要素，所以可以設(shè)計(jì)透水人行道，且透水人行道的材料選擇十分關(guān)鍵，具體見表1。

表1 透水人行道的材料選擇

在穩(wěn)定水頭狀態(tài)下對透水磚等材料的透水性能進(jìn)行計(jì)算，在確定透水系數(shù)時可以使用式（7）：

式中，KT水為水溫為T水℃時的試樣透水系數(shù)；Q為時間t內(nèi)的滲出水量；I為試樣的厚度；A為試樣的上表面面積；h為水位差。透水磚的各項(xiàng)指標(biāo)控制見表2。

表2 透水磚的控制指標(biāo)

透水水泥混凝土等材料的孔隙率計(jì)算時可以使用式（8）：

式中，P、V0、m2、m1分別為試件孔隙率、試件體積、試件浸水飽和下在水中的質(zhì)量、試件在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。

在對透水水泥混凝土的透水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時，公式如式（9）：

式中，ζ、h′、A0、τ0、Q1、X分別為透水系數(shù)、試件高度、試件斷面、上下出水口之間的距離水位差、從透水儀出水口流出的水量、從透水儀出水口流出的時間。

透水人行道的土基要有良好的透水性，一般情況下透水系數(shù)需控制在1.0×10-3mm/s以上，滲透面與地下水位之間的距離要求控制在1 m以上。

4.3 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

將綠色景觀樹種植在道路沿線兩側(cè)，在設(shè)計(jì)中要求生物滯留溝種植土壤層厚度宜為120 cm。生態(tài)滯留溝中路沿石豁口生態(tài)滯留溝的設(shè)計(jì)過程中，要做好豁口長度、凈流量等參數(shù)計(jì)算，避免影響其凈化效果。在路緣石上預(yù)留豁口是比較普遍的方式。在對路緣石豁口進(jìn)行計(jì)算時，可以使用公式（10）：

式中，L、W、K0、B、n、i分別為豁口長度、設(shè)計(jì)凈流量、經(jīng)驗(yàn)常數(shù)、縱向坡度、曼寧系數(shù)、路面橫向坡度。

路緣石豁口的開口長度要綜合雨水口進(jìn)水量等參數(shù)，最終可以確定路緣石豁口的設(shè)置間隔為15 m。為便于路面雨水的收集，將道路坡度設(shè)計(jì)為＞1.5%。路緣石的材料為花崗巖，后背材料與規(guī)格分別為C15混凝土、15 cm×80 cm×130 cm。路緣石開口需合理設(shè)計(jì)，規(guī)格要求為80 cm×7.5 cm，綠地邊緣設(shè)置鑄鐵格柵，避免有異物進(jìn)入。

溢流雨水口需合理設(shè)置，一般情況下需間隔20～30 m設(shè)置1個，確保溢流雨水口生物滯留設(shè)施設(shè)置的合理性。溢流設(shè)施在雨水較大且超過海綿城市收納能力時會發(fā)揮其作用，雨水會排入市政管網(wǎng)?；炷两Y(jié)構(gòu)為溢流雨水口采用模塊，規(guī)格、溢流口最大過流流量分別為680 mm×1 300 mm、30 L/s。

將PVC沉淀槽設(shè)置在沉泥槽路緣石后側(cè)，規(guī)格為8 cm×20 cm×12.5 cm。鋼筋混凝土為沉泥槽的底座，規(guī)格為130 cm×30 cm×20 cm。采用卵石堆砌擋水堰，頂寬、底寬、高度分別為20 cm、40 cm與20 cm，基礎(chǔ)墊層為50 cm細(xì)石混凝土。根據(jù)公式（11）做好雨水全部下滲時間計(jì)算。

式中，t0、Wp、A1、σ、α分別為綠地淹水時間、產(chǎn)流歷時內(nèi)的蓄積水量、滲濾設(shè)施直接接收降水的面積、平均滲透系數(shù)、折減系數(shù)。

生物滯留設(shè)施的維護(hù)也十分關(guān)鍵，要求能對植物進(jìn)行及時修剪，將雜草清除。匯水面徑流雨水在進(jìn)水口不能有效收集時，局部下凹需加大。將碎石設(shè)置在進(jìn)水口、溢流口，避免沖刷造成水土流失。及時清理進(jìn)水口、溢流口堵塞情況，確保其暢通性。

5 結(jié)語

海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是時代發(fā)展的必然，也是人與自然和諧相處，打造綠色城市、海綿城市的重要手段。以海綿城市理念為指導(dǎo)，能確保市政給排水設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量與效率，提升城市的蓄水與排水能力，避免城市內(nèi)澇的發(fā)生，同時也能提升水資源的利用。未來隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，海綿城市將會與智慧城市相結(jié)合，不斷提升城市服務(wù)職能。