北方地區(qū)海綿城市雨水滲透技術(shù)設(shè)施研究

石春艷

（吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

針對海綿城市建設(shè)中面臨不同水文地質(zhì)特征、不同氣候問題的挑戰(zhàn)，海綿城市技術(shù)手段的選擇對因地制宜至關(guān)重要。以北方地區(qū)具有代表性地域特點的吉林省為例，吉林省地處松遼平原，地勢東高西低、南高北低，相對高度平緩。市域以臺地、平原為主，兼有山地、丘陵等地貌形態(tài)，屬平原型城市。城區(qū)地處中緯度，屬溫帶大陸性氣候，四季盛行西南風，其氣候特點是：春季干燥且多大風天氣，夏季溫度較高，秋季早晚溫差較大，冬季寒冷漫長。多年平均氣溫5.5℃，七月份最熱，月平均氣溫23.0℃，極端最高氣溫達38℃。本地溫度較低且干燥，持續(xù)半年時間（11月至翌年3月左右），1月份最冷，月平均氣溫為-15.6℃，極端最低氣溫達-36.5℃，歷年最大凍土深度達1.69 m。春季冷暖氣團交替出現(xiàn)，西南風加強，多年平均風速4.4 m/s，最大風速達36.8 m/s。

根據(jù)有關(guān)海綿城市的建設(shè)指引，結(jié)合北方寒地特有的氣候水文、地形地貌、建設(shè)現(xiàn)狀等，確定海綿城市建設(shè)的總體目標和具體目標。

由于北方氣候冬季漫長且氣溫低，為保證系統(tǒng)能長期的運行，滲透技術(shù)宜采用適宜北方地區(qū)的，優(yōu)化維護周期短的海綿技術(shù)類型。透水鋪裝對徑流峰值的消減效果顯著。丁躍元等[1]人的研究表明，該設(shè)施可以削減15%～20%的徑流峰值。而滲透管（渠）有排空管，可以防止冬季透水層凍結(jié)而影響雨水下滲。滲透池與生物滯留設(shè)施造價相對較低，并且易于修繕維護的海綿技術(shù)類型，相關(guān)研究表明[2-4]，生物滯留設(shè)施對于消減徑流峰值，去除污染負荷均有較好效果，對于SS去除率可達60%～90%。結(jié)合城市開發(fā)和建設(shè)計劃，綜合建設(shè)任務(wù)，分解總體目標和具體指標，明確各種措施可以共享的雨水徑流控制量，并通過經(jīng)濟和技術(shù)分析確定合適的低影響開發(fā)設(shè)施。

城市道路地表徑流雨水通過有組織的匯流與轉(zhuǎn)移，經(jīng)透水鋪裝等滲透性設(shè)施后引入道路兩側(cè)，對位于道路兩側(cè)的綠地滲透措施進行處理，通過一系列的儲存、調(diào)節(jié)、物理凈化等過程涵養(yǎng)地下水，城市公園或易積水點可廣泛應(yīng)用滲透塘等其他滲透技術(shù)。

1 滲透技術(shù)

1.1 透水鋪裝

1.1.1 技術(shù)介紹

透水鋪裝是一種可以滲透處理并儲存雨水的鋪裝路面，具有良好的透水性。人造材料是以高空隙率鋪設(shè)的路面，包括多孔鑲嵌磚、卵石砂礫、透水磚路面、多孔磚路面、透水混凝土路面、透水瀝青混凝土路面等根據(jù)土壤滲透性，滲透性路面可以是半滲透且完全可滲透的鋪砌結(jié)構(gòu)。在選擇鋪裝類型時[5]，當?shù)叵滤慌c路面距離＞3 m且土壤滲透系數(shù)＞1.0×10-4cm/s時，可選擇全透水性路面。雖然在建筑成本方面滲透性路面高于普通路面，但其生態(tài)和環(huán)境保護可以降低城市雨水管道的排水壓力。同時，它減少了雨水污染問題，總體上具有良好的社會效益。滲透性路面由粗骨料和大孔組成間隙型滲透，基本結(jié)構(gòu)由面層、找平層、基層、墊層等部分構(gòu)成，降低地表徑流的徑流量和徑流峰值。而且其結(jié)構(gòu)中的不均勻孔隙和顆粒材料能有效吸附和過濾徑流污染物，有研究表明[6]，可滲透路面可以去除91%以上的懸浮固體。

劉保利對廈門一塊植草磚鋪設(shè)的停車場進行了監(jiān)測，結(jié)果顯示，在降雨強度＜3.8 mm/h的情況下，地表徑流流出的時間相對非透水區(qū)域滯后30 min以上[7]。通過透水鋪裝下滲的雨水可直接回補地下水，在土壤透水能力有限或有雨水再利用需求的地區(qū)，排水管或排水板可以埋在墊層中以收集和再利用地表徑流。與普通路面相比，滲透性路面具有許多優(yōu)點：常用的彩色透水路面不僅可以減少路面積水，還可以減少夜間水面的反光，增加道路安全和交通舒適度；透水性路面的使用使雨水能夠迅速滲入地下，保持土壤濕度，并補充地下水；雨天存放在路面的水可以蒸發(fā)，調(diào)節(jié)城市空間的溫度和濕度，緩解城市的“熱島效應(yīng)”，見圖1。

1）透水瀝青路面

①結(jié)構(gòu)類型。I型：地表水進入表層并排入鄰近的排水設(shè)施；II型：地表水從表層進入基層并排入鄰近的排水設(shè)施；III型：地表水進入路面后滲入路基；②透水路基面層。應(yīng)選擇滲透性瀝青表面層作為透水性瀝青混合物，其中瀝青使用高粘度改性瀝青。目前我國使用的主要有2種：一種是完成的高粘度改性瀝青，另一種是將改性劑直接應(yīng)用于瀝青混合物以實現(xiàn)高粘度改性。透水瀝青混合料形成的是骨架—空隙結(jié)構(gòu)，粗集料用量較多；③透水瀝青基層?；鶎討?yīng)具有較好的高低溫性能和良好的透水性，并具有較高的強度，降低永久變形風險；④透水瀝青墊層。完全可滲透的瀝青墊層可以是可滲透的材料，例如粗砂，礫石或碎石。厚度≥15 cm，重度冷凍區(qū)域或過濕部分可適當增厚；⑤路基[8-9]。完全滲透結(jié)構(gòu)中的雨水可以通過路面的各種結(jié)構(gòu)層直接滲透到路基中。考慮到路基的穩(wěn)定性，不宜在路基土壤上直接鋪設(shè)全滲透性瀝青路面，如濕陷性黃土、鹽漬土和膨脹土。

2）透水水泥混凝土路面

透水水泥混凝土面層應(yīng)設(shè)計透水混凝土表面的縱向和橫向接縫?？v向接縫的間距應(yīng)按照路面寬度在3.0 m～4.5 m范圍內(nèi)，橫向接縫的間距應(yīng)為4.0 m～6.0 m。當基層有結(jié)構(gòu)接縫時，表層的接縫收縮應(yīng)與相應(yīng)結(jié)構(gòu)接頭的位置一致，并在接頭處填充柔性材料。

3）透水磚路面

透水磚的透水系數(shù)＞0.01 cm/s，土基滲透系數(shù)≥0.001 mm/s。

1.1.2 設(shè)計要求

1）城市綠地內(nèi)的硬化地面應(yīng)采用透水鋪裝入滲，根據(jù)土基透水性可采用半透水和全透水鋪裝結(jié)構(gòu)。

2）城市綠地中的輕型荷載園路、廣場用地和停車場等可采用透水鋪裝，人行步道必須采用透水鋪裝。

1.2 滲透井

1.2.1 技術(shù)介紹

滲井主要對屋面徑流水質(zhì)進行管理，布置在與建筑距離≥3 m處的地下，保證距地下水位≥1 m。設(shè)施寬度0.9 m～1.2 m，地下深度 1 m～4 m，在周圍1 m內(nèi)填碎石。當雨水落入滲井后向內(nèi)部填充的碎石進行滲透，依靠土壤的滲透性，凈化回補地下水。也可增設(shè)滲排管，加強效果，如圖2所示。

1.2.2 設(shè)計要求

1）直徑可根據(jù)滲透水量和實際可用空間情況確定[10]。

2）滲井深度可適度加深，這樣可以大大提高滲水量。

1.3 滲透管（渠）

1.3.1 技術(shù)介紹

滲透管多采用透水的穿孔花管PVC。滲透管（渠）是在常規(guī)雨水排放的基礎(chǔ)上變成滲透管或滲透通道。周圍回填礫石，雨水匯集在管中，然后通過穿孔管進入碎石層，再進一步的向碎石層外的土壤層滲透，碎石層能夠起到貯水、調(diào)節(jié)的作用，如圖3所示。

1.3.2 設(shè)計要求

1）中心滲透管開孔率一般≥2%，滲透管四周需要砂礫或其他材料填充[10]。

2）為防止發(fā)生堵塞情況，礫石層外包裹一層透水土工布。

3）土工布搭接寬度≥150 mm。

1.4 滲透池（塘）

1.4.1 技術(shù)介紹

滲透池是用于雨水下滲回補地下水的凹地，一定程度上具有凈化水質(zhì)和削減徑流峰值的作用。滲透塘適用于匯水面積較大（＞1 hm2）且具有一定空間條件的區(qū)域，但它適用于徑流污染較嚴重或設(shè)施底部滲透面小于季節(jié)性最高地下水位或巖石層＜1 m時，當建筑物基礎(chǔ)＜3 m（水平距離）時，應(yīng)采取必要的措施防止次生災(zāi)害，如圖4所示。

1.4.2 設(shè)計要求

1）滲透塘前應(yīng)設(shè)置沉砂池、前置塘等預(yù)處理設(shè)施，去除大顆粒的污染物并減緩流速；有降雪的城市，應(yīng)采取棄流、排鹽等措施防止融雪劑侵害植物。

2）滲透塘邊坡坡度（垂直：水平）一般≤1：3，塘底至溢流水位一般≥0.6 m。

3）滲透塘底部構(gòu)造一般為：200 mm～300 mm種植土、透水土工布、300 mm～500 mm過濾介質(zhì)層。

4）滲透塘排空時間≤24 h。

1.5 生物滯留設(shè)施

1.5.1 技術(shù)介紹

通過蒸發(fā)、滲透、過濾、吸附、植物截留、生物降解等能夠達到減少徑流量、削減徑流峰值和凈化雨水水質(zhì)的效果。生物滯留設(shè)施分為簡易型和復(fù)雜型2種，按照應(yīng)用位置的不同又分為下凹綠地、雨水花園、高位花壇、生態(tài)樹池等。研究表明生物滯留設(shè)施一般情況下對SS的去除率可達50%以上，對總氮、總磷的去除效果也可達25%以上（見圖5）。

1.5.2 設(shè)計要求

1）在地表徑流污染較嚴重的地區(qū)，選用植草溝、植被緩沖帶等對徑流雨水進行預(yù)處理，或采取棄流裝置、排鹽措施等防止融雪劑或石油類等高濃度污染物侵害植物、流入市政管網(wǎng)。

2）生物滯留設(shè)施面積與匯水面面積之比一般為5%～10%。

3）復(fù)雜型的生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)層外側(cè)及底部包裹一層透水土工布，如有下滲情況會對周圍建筑物造成塌陷風險，可在設(shè)施底部和周邊設(shè)置防滲膜。

4）根據(jù)植物耐淹性能和土壤滲透性來確定生物滯留設(shè)施的蓄水層深度，一般為200 mm～300 mm，為了防止土壤變化層中的介質(zhì)損失，在土壤替換層的底部通常設(shè)置可滲透的土工織物隔熱層，并且厚度≥100 mm的砂層（細砂和粗砂）礫石層用作排水管，通常厚度為250 mm～300 mm，可用于在底部嵌入直徑為100 mm～150 mm的多孔排水管。為了改善生物滯留設(shè)施的儲存和儲存功能，可以在多孔管的底部添加一定厚度的礫石儲存層，如圖6所示。

2 結(jié)語

“海綿城市”建設(shè)是推動新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措?；谖覈狈教赜械臍夂蝾愋?，在海綿城市設(shè)施應(yīng)用類型上較少，對設(shè)施技術(shù)要求也有所不同，通過利用海綿城市的相關(guān)措施，廣泛應(yīng)用海綿城市滲透設(shè)施，不斷優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，降低綜合徑流系數(shù)，因地制宜。海綿城市有效地防治內(nèi)澇，而且凈化地表徑流，減少面源污染，涵養(yǎng)地下水，使其接近原始的自然生態(tài)系統(tǒng)，城市與自然可以更好地結(jié)合。