新時期城市排水系統設計的生態途徑

王宏彥，陳志宇，郭 云

（武漢市規劃設計研究院，湖北武漢 430074）

1 背景介紹

城市化是21世紀人口統計發展的最重要趨勢之一，與之相應的是中國的城市化進程也在不斷的加快，城市規模越來越大。城市化進程帶來了一系列的問題和矛盾，而水資源匱乏的矛盾已成了制約國民經濟發展的重要因素。據不完全統計，全國600多個建制城市中有300多個面臨著不同程度的缺水問題；根據《中國城市可持續發展水資源開發利用》（中國工程院 錢易、劉昌明等）對中國城市水資源的預測，水資源的供需矛盾今后將進一步加劇，水環境壓力還將越來越大，解決水資源緊缺問題已成為國家和各級政府的重大攻關課題。

目前，人口在城市大量的集聚并形成了為數眾多的居住小區、公建樓宇、道路廣場等。這些硬質鋪裝和不透水面積使得城市降水的入滲量大大減少，而進入到按照傳統理論設計的敷設在地下的暗管和箱涵中排往下游水體。因為按照傳統理念設計的雨水管涵由于匯流時間較短使得雨洪峰值增加，從而導致城市雨洪危害加劇，水澇災害頻發，每年因此造成難以計數的巨額損失。與此同時，直接排放的雨水還導致了雨水資源的大量流失，并對下游城市防洪造成了巨大的壓力和雨水徑流污染的加重。甚至在北方一些地區和城市，還使得地下水位下降造成了地面沉降，城市生態環境惡化等多種環境危害。

針對這種情況，我國已制定了“節流優先、治理為本、多渠道開源”的城市水資源可持續利用戰略和建設和諧社會與循環經濟的發展戰略。因而如何正確對待和有效利用這些既有巨大潛在價值又有廣泛潛在威脅的雨水資源，已經擺在了城市排水規劃設計工作者的面前，它也是一項新的課題和緊迫任務。反之，我們不得不對按照傳統理論進行的城市排水規劃和設計進行總結和反思，并在新形勢下面對這些問題作出有益的嘗試。

2 傳統理念下的城市排水系統設計概述

2.1 傳統理念城市排水系統

所謂城市排水系統，是指城市中排水的收集、輸送、處理和利用以及排放等設施以一定方式組合成的總體。通俗一些也可理解成用暗管加適當的溝渠來收集雨、污水的一系列構筑物，按照污水的不同排除方式可分為合流制和分流制。本文主要探討的是分流制排水體制下的雨水排水系統，污水排放系統因其特點與傳統雨水系統不盡相同，不在本文研究之內。

2.2 傳統城市排水系統的優缺點

傳統城市排水系統主要設施是通過在居住小區、工廠企業內布置的屋面的雨水斗或天溝收集屋面雨水、用雨水口收集地面雨水（山區采用截洪溝收集雨水）后流入居住小區、廠區或街道下埋設的管渠系統后，通過出水口或泵站提升后排入自然水體或海洋。工程性在其中扮演這非常重要的角色。

按照傳統理論設計城市雨水管道，是以極限暴雨強度理論公式確定的雨水流量來作為管道設計的依據，其公式為：

式中：Q——雨水管道設計流量（L/s）；

ψ——徑流系數，其數值小于1；

q——設計暴雨強度［L/（s·hm2）］；

F——匯水面積（hm2）。

通過上述公式可以看出傳統城市排水設計的目的在于盡快地排除降落在小范圍匯水面積上一定重現期下產生的全部降雨。傳統理論設計的城市雨水系統的優點也是顯而易見的：

（1）由于雨水管徑的確定是根據極限強度理論來確定設計流量的最大值，故降雨時它能及時地匯集并排除暴雨形成的地面徑流，防止城市居民區和工業企業等受淹，有效的保障人民財產生命的安全、保護居民健康安全、提高生活質量使城市日常生活正常運轉。

（2）傳統按照理論設計的城市排水管道系統屬于重力流管道，有排除超設計標準的一定重現期的雨水能力。

其弊端主要體現在以下幾個方面：

第一，這種以盡快排除城市小范圍區域內的雨水設計理念使得下游城市防洪壓力驟增，以武漢市為例，長江武漢段的洪水經常受到上游地區的洪水影響（武漢段洪水主要由長江上游重慶等地區洪水、洞庭湖流域洪水、湖北境內沿江支流洪水組成，并受鄱陽湖流域洪水的頂托影響），反過來，武漢段的洪水又會給九江、安慶、南京等地區帶來上游洪水的壓力。

第二，隨著研究的不斷深入，這些未經任何形式處理的雨水直接排入受納水體，會對受納水體造成嚴重的污染，有些甚至到了不能容忍的程度。有些資料證明，雨水徑流特別是初期雨水徑流對水體的污染相當嚴重。

第三，由于排水系統的管徑確定是按照最大流量來確定的，無形中會增加一部分排水管道基礎設施的資金投入，這會給城市建設帶來資金上的壓力。

3 可持續城市排水系統設計的理念和途徑介紹

3.1 可持續城市雨水系統

它也稱為“生物－生態雨水系統”（BIO-ECODS），所謂可持續城市雨水系統設計是指以生態工程原則為基礎，以保存自然存水形式和模仿自然水循環的為目的，采用工程和非工程措施相結合的集成手段來達到排除降水、避免雨洪威脅同時減少地表徑流、貯存水資源，保護自然環境和生態性和多樣性，以實現雨水資源化，節約用水，修復水環境和生態環境，減輕城市防洪排澇威脅。

3.2 開展“可持續城市排水系統設計”研究的意義

2007年12月初，國務院正式批復了武漢1+8城市圈成為“全國資源節約型和環境友好型社會(簡稱“兩型社會”)建設綜合配套改革試驗區”。武漢城市圈綜合配套改革試驗的主要內容是：按照建設資源節約型、環境友好型社會的總體目標，以武漢市為主體，發揮武漢在城市圈中的龍頭和輻射作用……。這就要求我們的城市發展必須走綠色生態發展之路，走可持續發展之路。

3.3 雨水徑流源頭控制策略在可持續城市排水系統設計中的作用

在源頭（水量和水質兩個方面）防止和緩解降雨徑流為難題是設計可持續排水系統的關鍵原則，實施源頭控制的一個主要優點就是可以減少徑流量（包括總經流量和徑流峰值），這樣也就降低了下游雨水基礎設施的投資和下游城市的雨洪防護壓力，從控制雨水徑流的觀點出發，它包括使用雨水入滲設施和雨水利用，從而有利于改善地下水循環和減少水需求量。

3.4 幾種主要的可持續性城市排水設計方法

（1）屋面雨水收集

城市雨水徑流利用越來越受到人們的重視，許多干旱城市的缺水形勢也使得那里的人們開始收集利用屋面雨水徑流。即使在水資源相對豐富的武漢市，由于降雨時空分布不均也會給屋面雨水徑流收集利用帶來廣闊的前景。具體應用如下：a.在家庭使用方面，屋面雨水收集在雨水桶中可供給家庭生活以外的其他低質用水，如澆花、沖廁、衣物洗滌等方面；b.在公共用水方面，更大范圍的公共建筑群或地區的屋面雨水被收集到雨水存儲罐中或調蓄池中，經過撇流初期雨水和簡單的沉淀消毒處理即可用于更大范圍內的市政雜質用水（如洗車、冷卻、消防等低質用水）、灌溉用水、景觀用水、家禽用水或回灌到地下等。雨水利用不僅可以降低城市供配水管網在用水高峰時的用水量，還可以有效緩解暴雨洪峰流量。同時減少降雨徑流的污染負荷，此外，屋面雨水利用也是城市徑流綜合管理的一個重要組成部分。

（2）雨洪入滲

在土壤具有良好的通透性并且徑流水質不會造成地下水污染的情況下，將雨水直接入滲地下也是雨水生態設計的一個重要策略。相對無污染的雨水徑流入滲可以減少徑流的量和速率，并能補充地下水從而維持河流基流，提供供水水源，對維持地區水系平衡發揮著重要作用。雖然依靠入滲系統無法阻止大的洪澇災害的發生，但是卻可以有效降低雨水管道系統的水力負荷，這有助于緩解洪水問題并在減少合流制管道溢流方面使城市收益。雨洪入滲的這些特點，特別適用于那些采取截流制合流制的地區――如武昌和漢口的一些老城區，多數采用的都是截流制合流制‘這些地區相對都是城市的核心地區，歷史文化保護重點地區，對城市形象、環境保護的要求也比較高。他們進行大規模分流制改造的可能性并不大，故可以適當增加各種雨水入滲設施，如低勢綠地、滲透井和滲透池（塘）等。這些設施因地制宜的應用將會取得非常好的效果。也可以使這些年代久遠的老街巷成為新時期的“生態街巷”并煥發新的活力。

各種雨水入滲設施在具體的工程實施中，有兩個方面需要注意：a.可能受到室外固體廢棄物的收集管理的欠缺、街道清掃不徹底和缺少維護等因素的制約和影響；b.潛在的對地下水的污染威脅，地下水回補的效益與長期地下水水質風險的潛在分析后應認真考慮。此外在工程具體實施中，各種入滲設施應遠離化糞池和建筑物基礎、地下室停車庫等。

（3）屋頂綠化

屋頂綠化技術（Green Roof）也被很多學者稱為“綠色屋頂”。屋頂綠化泛指一切脫離了地氣的綠化，泛指在各類建構筑物屋頂、陽臺、露臺、墻體、地庫、立交橋等上進行綠化、種植樹木花卉的統稱。國內外屋頂綠化通常分為兩大類。一種是屋頂草坪，一般是不上人的屋面，荷載輕，適合種植管理粗放的景天科、多年生地被植物，見圖1。一種是空中花園，就是在屋頂隔水層的上面鋪上一層土壤,然后部分或是全部栽上植物、喬灌花草搭配，亭榭花架、小橋流水、體育設施綜合在一起的供人們休閑娛樂的綠色空間，見圖2。

近代以來，世界各地先后掀起了屋頂綠化熱。德國是該領域的先驅，它在很多年前就開始積極推廣屋頂綠化，甚至規定重要城市中必須建設。世界上第一個屋頂綠化的指導方針就產生在德國。我國內地從20世紀60年代開始研究屋頂綠化的建造技術，20世紀70年代我國第一個大型屋頂綠化工程在廣州東方賓館10層屋頂建成。20世紀80年代后國內的其他城市對屋頂綠化的研究和應用也相繼展開。目前我國一些大中型城市污染嚴重，綠化用地又極其有限。由于沒有土地成本，屋頂綠化無疑成為城市中心區最廉價的改善城市綜合環境的方式之一。屋頂綠化的主要好處有以下幾點：

a.削減城市雨水經流總量：屋頂綠化后由于植物對雨水的截留、蒸發作用以及人工植土對雨水的吸納作用，屋面匯流的雨水量可大大降低。德國資料表明，由于屋面采用了綠化設計，徑流系數可由原來的0.9降低到0.3左右，即在相同降雨量下排水管渠收集到的雨水會相應減少，一些小雨甚至不會形成徑流。此外，屋面的綠色植物和土壤還可以起到對雨水進行預處理的作用，因此可以省去地面初期雨水的控制措施。b.消減城市非點源污染負荷，減少大氣中的灰塵和吸收二氧化碳；有效除去徑流雨水的污染負荷。c.提高城市綠化率和改善城市景觀，為提高城市綠化面積提供了一條新的途徑；此外，它還可以通過綠色植物的蒸騰和潮濕土壤的蒸發可明顯調節城市氣溫與絕對濕度。d.有效改善建筑屋頂的性能和溫度，合理設計的屋頂綠化可延緩屋頂各種防水材料的老化，也能增加屋面的使用壽命。

屋頂綠化適用在新建生活小區、公園或類似的環境條件較好的城市園區，通過科學合理的工程設計可將區內屋面、綠地和路面的雨水徑流收集利用，從而達到顯著削減城市暴雨經流量和非點源污染物排放量、優化小區水系統、減少城市水澇災害和改善環境等效果。無論是從節約土地資本，節約能源，還是綠化城市環境的角度來看，屋頂綠化恢復了土壤、恢復了水循環，提供了生物嬉戲的空間和人們休閑娛樂的空間，其應用前景是非常廣闊的。

（4）草皮溝

草皮溝（Grass Trench-road）國內也有學者稱為或譯為“淺草溝”、“植被淺溝”或“植草溝”。草皮溝是具有雙重徑流控制作用的種植植物明渠，它除了通過存儲削減降雨洪峰流量外，渠道的底部和兩側的透水能力可以促進入滲。植物產生的渠道粗糙度可降低徑流速度，還有降低徑流污染物的濃度的作用。在土壤滲透能力差的地區，草皮溝可以與多孔管系統結合，低草草皮溝設在多孔管和顆粒材料渠道的連接處。草皮溝在氣候溫和的發達國家，被廣泛地用作流量和水質控制設施。目前，草皮溝在世界各地都得到了很好的應用。尤其是在低開發密度、土壤滲透性能好、地下水位底的地區，如草皮溝與滲渠結合通過增加入滲能力可使草皮溝的效率大大的提高。除了徑流控制，草皮溝對懸浮物等大顆粒以及附著在固體上的污染物（如磷）也有很好的去除效果。草皮溝的污染物去除機理主要是沉淀和顆粒吸附，另外還有顆粒過濾和植物吸收溶解物質。但是草皮溝的污染物的去除效率變化是很大的，應該在今后的實踐中做進一步的研究。

草皮溝目前在武漢漢陽的四新地區已經有了初步的應用，效果經過工程實例證明良好其前景值得推廣。

（5）人工濕地

濕地技術屬于環境生物技術范疇，其特點是利用生物本身及其產物的作用功能來去除可溶性和固體有機物、TSS、氮、磷、金屬、烴類和一些優先考慮去除的污染物，以及病原菌和病毒，以達到治理污染和保護環境的目的。由于具有徑流控制和改善水質方面的雙重作用，人工濕地正在廣泛用于城市雨水管理。人工濕地還具有美化環境、提高舒適度、提高城市環境美觀度和為動植物提供生存環境的作用。

人工濕地有多種類型包括地表流濕地、潛流濕地和垂直流濕地等，見圖3、圖4。由于雨水具有輕污染、高流速的特點（相對于生活污水），城市雨水系統人工濕地通常設計成水平地表流濕地。人工濕地種植植物，通過植物的過濾、入滲和生物吸收等過程去除顆粒物、溶解性污染物、營養物質和重金屬等有毒物質，從而來達到凈化雨水的目的。水力、物理和生物因素的綜合作用決定了人工濕地的處理效果。最重要的設計因素是天然雨水徑流的短間歇性。由于這種易變性，濕地特征的重要設計標準隨當地特點而不同。停留時間通常用于評估這類設施作為污染物控制系統的運行效果。

可能一般公眾會認為濕地會聚集蚊蠅，使濕地成為那些蚊蠅傳播疾病、流行病的地區的潛在威脅。雖然這方面不應該被忽視，但是問題并不像他們想的那么嚴重。在濕地設計中可采取有效的措施來阻止蚊蠅傳播，使蚊蠅的居住時間只有幾天，其蟲卵來不及長大。另外，還可以使用生物控制的方法來控制害蟲的傳播，因為生物控制的成本更廉價且對人體危害更少，所以它比化學方法更適用。

4 結語

雨水自然排放并不是排水系統的最終目標，而是更艱巨的治理工作的開端。在新的形勢下，排水系統也被賦予了新的使命。排水系統是水循環中水質與水量的連接點，雨洪利用則是良好水循環中質與量的橋梁。雨水的資源化和再利用既提高了水的利用率，又有效地保護了水環境，有利于實現城市水系統的健康、良性循環，從長遠來看，這將是有效地解決我國水資源短缺和水環境惡化問題的優化途徑。事實證明：21世紀雨水系統的定位應從以前的防澇減災、防污減災逐步轉向雨水的資源化，從而恢復健康的水循環和良好水環境，維系水資源的可持續利用。我們對每一滴雨水的合理利用都是對整個人類社會的一份重要貢獻。

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