基于海綿城市理念的蓄水抗洪管道設(shè)計研究＊

陳 露 章 俊

（1.武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430064；2.武漢市民用建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430014）

0. 引言

2013 年底開幕的中央城鎮(zhèn)化工作會議上，習(xí)總書記第一次提出了“海綿城市”的概念，即在城市內(nèi)澇日趨嚴(yán)重、城市水資源日趨緊張的形勢下，倡導(dǎo)城市與自然的和諧共生，多利用自然的力量，對城市雨水進(jìn)行排放，收納儲存以及合理利用，將城市建設(shè)成為雨水自然積存滲透、自然凈化、合理利用的“海綿城市”。從此，“海綿城市”正式進(jìn)入了人們的視野[1]。隨后，住建部于2014 發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》批文，并于2015 年以及2016 年相繼開展了30 多個城市的海綿城市試點工作，旨在全面地推進(jìn)海綿城市的建設(shè)工作，增強城市防洪排澇能力，恢復(fù)城市水生態(tài)環(huán)境。

在當(dāng)前出現(xiàn)的眾多城市地下排水難的背景下，“海綿城市”無疑提供了一劑良方，它也將是未來城市建設(shè)、城市更新的重要方向。而作為在海綿城市建設(shè)的一個組成部分，道路給排水管道構(gòu)建了海綿城市的筋脈，道路給排水管道建設(shè)關(guān)乎著海綿城市建設(shè)的質(zhì)量，顯得尤為重要。

1.海綿城市概述

1.1 海綿城市建設(shè)的緊迫性

我國城市化進(jìn)程的持續(xù)加快，各地面貌煥然一新，同時也帶來了新的問題。一方面，如火如荼的城市建設(shè)中，城市下墊面硬化率不斷增加，直接導(dǎo)致城市下墊面蓄滲性能減弱，隨之而來的便是城市自然滯蓄雨水能力降低，原有的城市水生態(tài)系統(tǒng)被破壞；另一方面，人們追求經(jīng)濟(jì)利益固然無可厚非，卻同時破壞了周圍的生態(tài)環(huán)境，向有限的水資源任意排放污染物，直接導(dǎo)致我國水環(huán)境污染日益嚴(yán)重。與此同時，近些年來由于極端氣候天氣影響，國內(nèi)許多城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)，我國傳統(tǒng)的城市給排水系統(tǒng)在應(yīng)對這些內(nèi)澇洪災(zāi)時顯然力有不逮，也無法有效緩解和改善城市水生態(tài)問題[2]。

城市水生態(tài)環(huán)境是一個綜合問題，并已并呈日趨惡化之態(tài)，正嚴(yán)重制約著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。只注重發(fā)展速度，不重視對自然的保護(hù)，這是造成城市水問題的根源。為此，政府提出了建設(shè)海綿城市的重大舉措，統(tǒng)籌考慮雨水的留存與排出，統(tǒng)籌解決城市缺水與內(nèi)澇問題。“海綿城市”建設(shè)已刻不容緩，實際上也是在為城市之前的激進(jìn)式開發(fā)買單。

1.2 海綿城市理念

作為近年來興起的城市發(fā)展建設(shè)新理念，海綿城市倡導(dǎo)城市應(yīng)像“海綿”一樣，對城市雨水進(jìn)行吸納收集，同時還可在適當(dāng)時機(jī)釋放。即在下雨的時候能夠?qū)⒂晁?、蓄存、凈化、滲透，同時在適宜的時機(jī)將吸納收集的雨水資源釋放利用，特別是在適應(yīng)諸如自然災(zāi)害等環(huán)境變化時具有良好的彈性，從而能達(dá)到“小雨時城市道路不積水、大雨時城市不發(fā)生內(nèi)澇、城市水體不發(fā)生黑臭”的目標(biāo)[3]。

世界發(fā)達(dá)國家有著許多先進(jìn)的雨水管理經(jīng)驗，作為與國際接軌的中國理念，海綿城市的內(nèi)涵大致包括如下：

處理的焦點的還是城市雨水問題，包括但不限于諸如城市內(nèi)澇問題、城市水資源利用問題、城市管道雨水徑流污染問題以及城市合流制溢流污染問題等。

源頭減排優(yōu)先，即優(yōu)先從源頭控制雨水徑流，實現(xiàn)對雨水徑流總量的削減和峰值流量的削減，盡可能減少城市開發(fā)建設(shè)對水文過程的影響。

綠色設(shè)施優(yōu)先，即利用天然的、修復(fù)的和人工建設(shè)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對雨水的自然積存、自然滲透、自然凈化。

“藍(lán)綠灰”相結(jié)合，即在充分利用藍(lán)綠空間的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合排水管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池等必要的灰色措施，解決設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的暴雨內(nèi)澇問題。

系統(tǒng)治理，即綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等綜合措施，統(tǒng)籌考慮雨水匯流到排放過程再到排入受納水體的全過程，要做到“藍(lán)綠灰”相結(jié)合。

問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向相結(jié)合，海綿城市建設(shè)的主要目標(biāo)是通過綜合措施有效應(yīng)對內(nèi)澇設(shè)防重現(xiàn)期以內(nèi)的強降雨，增強城市在應(yīng)對氣候變化和抵御暴雨災(zāi)害等方面的“韌性”，促進(jìn)形成生態(tài)、安全、可持續(xù)的城市水循環(huán)系統(tǒng)。

1.3 基于海綿城市理念的城市管道設(shè)計原則

1.3.1 做好與自然銜接，新舊銜接

“海綿城市”理念重點倡導(dǎo)的是城市與自然是一個生命共同體，因此與自然和諧共處乃是城市管道設(shè)計必須要遵循的重要原則，盡量保護(hù)好原有生態(tài)。而新的管道設(shè)計必然出現(xiàn)與舊有管道的銜接問題，如何在盡量保持舊有管道設(shè)計的基礎(chǔ)上，將新管道無縫銜接，也是設(shè)計者要做的功課。

1.3.2 良好的“滲、滯、蓄、凈、用、排”設(shè)計

“海綿城市”強調(diào)需要兼顧考慮從雨水的匯攏，到雨水的集中排放，再到雨水排入到環(huán)境水體中諸如河流、湖泊等，所以城市管道不但要設(shè)計好高效的水排放，還要考慮將來如何合理節(jié)約利用水資源，將水資源就近排入下沉綠地、池塘、濕地等“海綿體”中進(jìn)行收納。

2.市政道路給排水管道建設(shè)的現(xiàn)狀與不足

城市的排水系統(tǒng)是保證城市安全的重要組成部分，而其中的給排水管道建設(shè)更是重中之重。隨著“海綿城市”建設(shè)的逐步推進(jìn)，各大城市也開始了現(xiàn)有市政道路給排水管道建設(shè)的改造升級，對城市的防洪排澇也取得了一定的效果，但仍然存在不小的問題。

2.1 管道缺乏管理維護(hù)

首先，許多城市的一些給排水管道，存在使用年限過長，長期疏于管理維護(hù)的問題。積年累月之后，管道破損或已喪失功能，反而造成了雨水擁塞，路面大面積積水甚至漫上來大量臟臭廢水，而且維修和更換的難度更大。其次，一些作業(yè)人員似乎更注重管道之上地面的維護(hù)工作和小修小補，孰不知地下管道才是給排水的重中之重。再次，缺乏專業(yè)的管道建設(shè)施工維護(hù)人員，畢竟市政道路給排水管道建設(shè)施工必須具備非常強的專業(yè)性。最后，由于垃圾和淤泥的沉積，造成管道堵塞，如果不及時維護(hù)處理，就會造成管道中排水不暢甚至堵塞，甚至很難及時定位垃圾堵塞的地點，造成了排查疏導(dǎo)的延誤和難度。

2.2 管道質(zhì)量參差不齊

管道是市政道路給排水的核心部件，它的質(zhì)量關(guān)乎著整個給排水的效果。由于它埋在地下，承受地表和土壤的壓力以及雨水垃圾土壤等的腐蝕，而且還與安裝所在地的地形、地質(zhì)、地表環(huán)境也有莫大關(guān)聯(lián)，所以管道質(zhì)量和規(guī)格要求高。如果在管材選擇上不達(dá)標(biāo)，或者管材檢測不規(guī)范，甚至第三方檢測造假，都會對整個給排水造成無法估量的損失。我們經(jīng)常會看到城市中某些區(qū)域，一遇稍大的雨水，某些路段就會由于管道雨水泄露造成交通堵塞，甚至還由于管道質(zhì)量問題，造成管道破裂以及路面下沉、塌方。

2.3 管道設(shè)計不合理，缺乏對雨水資源的合理利用

基于海綿城市理念的管道設(shè)計，不僅要注重雨水的排放，還要注重雨水的過濾和收集，達(dá)到缺水時能循環(huán)利用的水資源可持續(xù)發(fā)展。但許多城市的排水管道設(shè)計都是存在或多或少問題的，他們大都注重的是盡可能快速及時地將雨水排放掉這一傳統(tǒng)模式，將排水管道設(shè)計得越大越好也是經(jīng)常被應(yīng)用于排水系統(tǒng)中，雨水排放得越多越快越好，盡量地保持各項越通暢越好，而到缺水期來臨時，又得花大力氣、高成本去找水，這其實是對水資源的極大浪費。由于在項目開始階段沒有進(jìn)行深入的調(diào)研分析，而且在實際設(shè)計中，也沒有從長遠(yuǎn)發(fā)展出發(fā)，進(jìn)行統(tǒng)籌考慮和規(guī)劃，由此給排水設(shè)計偏離了實際的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計要求，使得在實際運行中，城市水資源造成了嚴(yán)重的浪費，并且嚴(yán)重污染了城市周圍的生態(tài)環(huán)境，根本無法體現(xiàn)對城市水資源進(jìn)行合理的利用以及適當(dāng)時機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用[4]。

3.一種基于海綿城市理念的新型蓄水抗洪管道設(shè)計

蓄水抗洪管道，顧名思義，就是既能抗洪又能蓄水的管道。其設(shè)計的初衷是將城市過多的雨水資源進(jìn)行排水并積蓄；而在缺水時又可將積蓄的水資源取出進(jìn)行有效利用，對城市水資源實現(xiàn)了排洪蓄水的循環(huán)利用。但我們發(fā)現(xiàn)，在實際的實施過程中仍存在一些問題，比如蓄水抗洪管道在排水過程中，往往由于垃圾泥沙沉淀導(dǎo)致了堵塞，而且管道堵塞的地方難以定位并及時清理且清理難度大，導(dǎo)致堵塞越來越嚴(yán)重，久而久之使得蓄水抗洪管道喪失了原有功能，也間接影響了海綿城市建設(shè)的施工。

基于此問題，本文提出了一種基于海綿城市建設(shè)施工的新型蓄水抗洪管道設(shè)計。

3.1 新型蓄水抗洪管道設(shè)計方案

新型蓄水抗洪管道整體設(shè)計如圖1 所示，由輸水管道3 和排水管2 組成。其中，輸水管道2 掩埋于地下并與蓄水池導(dǎo)通連接，排水管3 掩埋于地下，下端與輸水管2 垂直相連，上端出口與地面平齊。

圖1 蓄水抗洪管道結(jié)構(gòu)示意圖

輸水管道2 外圍四周上設(shè)置有加固層1，同樣位于地面之下；加固層中穿插設(shè)置有導(dǎo)管6，導(dǎo)管與輸水管道2平行設(shè)置且導(dǎo)管位于輸水管道的下方，導(dǎo)管的端部設(shè)置有加壓噴水裝置，上位機(jī)控制加壓噴水裝置運行。導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置有彈性防水密封線纜的信號線4，信號線的一端與監(jiān)測模塊信號連接，信號線的中部從加固層外部繞過并伸入排水管內(nèi)，并延伸至上位機(jī)。

輸水管道的底部等間距設(shè)置有多組凹槽，凹槽上設(shè)置有多個與導(dǎo)管6 相連通的排水孔；排水孔內(nèi)設(shè)置有流量監(jiān)測模塊。

（1）導(dǎo)管6 的端部設(shè)置有加壓噴水裝置，上位機(jī)控制加壓噴水裝置運行。上位機(jī)控制加壓噴水裝置噴水，加壓后的水柱能夠?qū)⑴潘资柰ㄩ_，同時能夠?qū)⒊练e在輸水管底部凹槽中的垃圾沖走，避免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

（2）輸水管道的內(nèi)部設(shè)置有檢修平臺5，檢修平臺的底部鋪設(shè)有吸水磚，吸水磚對整個檢修平臺起到支撐作用，吸水磚能夠吸收一部分水分，當(dāng)輸水管道內(nèi)水位較低時能夠保證檢修平臺上相對干燥，避免滋生青苔。

（3）本設(shè)計方案能夠定時進(jìn)行清理輸水管道中的凹槽沉積垃圾，可避免輸水管道的堵塞，方便地進(jìn)行排水，使用更加方便。

3.2 新型蓄水抗洪管道的具體實施方式

如圖2 和圖3 所示，輸水管道2 的外周上設(shè)置有加固層1；加固層1 中穿插設(shè)置有導(dǎo)管6，導(dǎo)管6 與輸水管道2 平行設(shè)置且導(dǎo)管6 位于輸水管道2 的下方；輸水管道2與蓄水池導(dǎo)通連接。

圖2 蓄水抗洪管道結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 蓄水抗洪管道結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

排水管3 可以根據(jù)安裝地點的路面情況設(shè)置多組且等間距設(shè)置，并與輸水管道2 相連通，排水管3 的頂部設(shè)置有過濾蓋板，初步過濾雨水污水中的垃圾，每個排水管的內(nèi)部均設(shè)置有人梯31，方便作業(yè)人員及時進(jìn)入輸水管內(nèi)檢修。

輸水管道2 的內(nèi)部設(shè)置有檢修平臺5，共有兩組，分別設(shè)置在輸水管道2 兩側(cè)，兩組中間正好是用于排水的溝渠。在圖2 中我們可以看到，檢修人員可從經(jīng)排水管3 進(jìn)入作業(yè)，首先通過揭開頂部地面上的蓋板，沿人梯31 往下進(jìn)入輸水管道2 內(nèi)，徑直到達(dá)兩側(cè)檢修平臺5 后，沿檢修平臺一路查看檢修輸水管道2 內(nèi)不同位置出現(xiàn)的問題。從檢修人員的安全出發(fā)，整個檢修平臺5 的底部都設(shè)計鋪設(shè)有吸水磚51，它除了對檢修平臺起到進(jìn)一步的加固支撐作用外，還能吸收底部相當(dāng)一部分的水分，尤其在輸水管道水位較低時，能夠保持整個檢修平臺的相對干燥，這樣就相對不容易生長青苔，進(jìn)一步保護(hù)了檢修人員作業(yè)的安全。

多組長方形凹槽7 等間距均勻分布在輸水管道2 底部。長方形凹槽7 中通過設(shè)置有多個圓形排水孔71 與導(dǎo)管6 相連通；在排水孔71 內(nèi)部放置流量監(jiān)測模塊，通過導(dǎo)管6 內(nèi)部的信號線4，一端與流量監(jiān)測模塊連接，另一端繞出加固層1 外并伸入到排水管3 內(nèi)，一直延伸到地面與上位機(jī)相連。導(dǎo)管6 端部設(shè)計了可由上位機(jī)控制的加壓噴水的裝置。一旦排水孔71 內(nèi)部的流量監(jiān)測模塊監(jiān)測到堵塞，會及時將數(shù)據(jù)報告給上位機(jī)，上位機(jī)向加壓噴水裝置發(fā)出指令噴水，此時排水孔71 被加壓后的水柱疏通開，同時凹槽7 中的沉積物被沖走，有效解除了輸水管的堵塞現(xiàn)象。

本方案的具體操作流程如下。

（1）城市道路上的雨水流經(jīng)排水管3 地面端的蓋板，沿蓋板導(dǎo)流口下滲入輸水管道2，同時排水管3 的地面端蓋板還能夠有效地過濾雨水中夾帶的一些垃圾雜質(zhì)，減少了向輸水管道2 排放的垃圾。

（2）在輸水管道2 的各處，沿途就近與人工溝渠、池塘、河流、湖泊導(dǎo)通連接，雨水被分流至這些蓄水地進(jìn)行積蓄并留待之后有效利用。

（3）多組長方形凹槽7 等間距均勻分布在輸水管道2底部如圖3 所示，同時凹槽7 底部均勻分布多個圓形排水孔71 如圖2 所示，與加固層底部的導(dǎo)管6 連通。在蓄水抗洪管道運行一段時間后，由于輸水管道2 承擔(dān)著排水的任務(wù)，慢慢會有泥沙和各種垃圾在底部沉積下來，填滿凹槽7。而排水孔71 設(shè)置有流量監(jiān)測電子模塊，它會定時啟動并監(jiān)測凹槽7 甚至輸水管2 中的水流量，如果凹槽7 中的水流量低于某一個閾值，可以判斷該段輸水管2 已出現(xiàn)堵塞，流量監(jiān)測電子模塊會及時將數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)并告警。

（4）圖3 所示的導(dǎo)管6 端部設(shè)計了可由上位機(jī)控制的加壓噴水的裝置，當(dāng)上位機(jī)收到堵塞告警信息后，可設(shè)置手動或自動開啟加壓噴水功能，加壓噴水裝置收到指令，立即加壓噴水將相應(yīng)的排水孔71 疏通開，從而上部凹槽7 中的淤泥和垃圾也在水壓下被沖走，從而起到了疏導(dǎo)的作用，及時確保了輸水管道2 的暢通。

4. 結(jié)語

將海綿城市理念應(yīng)用于此新型蓄水抗洪管道的設(shè)計實施中，能及時清理輸水管道中的沉積垃圾，有效避免輸水管道的堵塞，方便進(jìn)行排水。近年來，在政府的大力宣傳和推進(jìn)下，“海綿城市”的技術(shù)開發(fā)和建設(shè)都取得了可喜的成果。不僅在凈化城市生活環(huán)境、美化城市形象品質(zhì)方面，“海綿城市”發(fā)揮了重要作用，更是在提升城市居民幸福指數(shù)方面成效顯著。如果將“海綿城市”建設(shè)看作是對以往不成熟發(fā)展模式的扭轉(zhuǎn)，或許，這一偉大的事業(yè)將在更加寬松的環(huán)境下加快推進(jìn)。但環(huán)境問題的形成并非一朝一夕，向這些問題宣戰(zhàn)，要有打持久戰(zhàn)的耐心，所以海綿城市建設(shè)是一項復(fù)雜的、多目標(biāo)融合的系統(tǒng)性工程，既不能一蹴而就，也不能一勞永逸。它既是我們共同的目標(biāo)，也需我們?nèi)w人民共同努力去建設(shè)和維護(hù)。