北方地區海綿城市雨水滲透技術設施研究

石春艷

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

針對海綿城市建設中面臨不同水文地質特征、不同氣候問題的挑戰，海綿城市技術手段的選擇對因地制宜至關重要。以北方地區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，屬平原型城市。城區地處中緯度，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，西南風加強，多年平均風速4.4 m/s，最大風速達36.8 m/s。

根據有關海綿城市的建設指引，結合北方寒地特有的氣候水文、地形地貌、建設現狀等，確定海綿城市建設的總體目標和具體目標。

由于北方氣候冬季漫長且氣溫低，為保證系統能長期的運行，滲透技術宜采用適宜北方地區的，優化維護周期短的海綿技術類型。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而影響雨水下滲。滲透池與生物滯留設施造價相對較低，并且易于修繕維護的海綿技術類型，相關研究表明[2-4]，生物滯留設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%。結合城市開發和建設計劃，綜合建設任務，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，并通過經濟和技術分析確定合適的低影響開發設施。

城市道路地表徑流雨水通過有組織的匯流與轉移，經透水鋪裝等滲透性設施后引入道路兩側，對位于道路兩側的綠地滲透措施進行處理，通過一系列的儲存、調節、物理凈化等過程涵養地下水，城市公園或易積水點可廣泛應用滲透塘等其他滲透技術。

1 滲透技術

1.1 透水鋪裝

1.1.1 技術介紹

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構。在選擇鋪裝類型時[5]，當地下水位與路面距離＞3 m且土壤滲透系數＞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，但其生態和環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，基本結構由面層、找平層、基層、墊層等部分構成，降低地表徑流的徑流量和徑流峰值。而且其結構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的停車場進行了監測，結果顯示，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，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，調節城市空間的溫度和濕度，緩解城市的“熱島效應”，見圖1。

1）透水瀝青路面

①結構類型。I型：地表水進入表層并排入鄰近的排水設施；II型：地表水從表層進入基層并排入鄰近的排水設施；III型：地表水進入路面后滲入路基；②透水路基面層。應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用于瀝青混合物以實現高粘度改性。透水瀝青混合料形成的是骨架—空隙結構，粗集料用量較多；③透水瀝青基層。基層應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，重度冷凍區域或過濕部分可適當增厚；⑤路基[8-9]。完全滲透結構中的雨水可以通過路面的各種結構層直接滲透到路基中。考慮到路基的穩定性，不宜在路基土壤上直接鋪設全滲透性瀝青路面，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設計透水混凝土表面的縱向和橫向接縫。縱向接縫的間距應按照路面寬度在3.0 m～4.5 m范圍內，橫向接縫的間距應為4.0 m～6.0 m。當基層有結構接縫時，表層的接縫收縮應與相應結構接頭的位置一致，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＞0.01 cm/s，土基滲透系數≥0.001 mm/s。

1.1.2 設計要求

1）城市綠地內的硬化地面應采用透水鋪裝入滲，根據土基透水性可采用半透水和全透水鋪裝結構。

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 技術介紹

滲井主要對屋面徑流水質進行管理，布置在與建筑距離≥3 m處的地下，保證距地下水位≥1 m。設施寬度0.9 m～1.2 m，地下深度 1 m～4 m，在周圍1 m內填碎石。當雨水落入滲井后向內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。也可增設滲排管，加強效果，如圖2所示。

1.2.2 設計要求

1）直徑可根據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 技術介紹

滲透管多采用透水的穿孔花管PVC。滲透管（渠）是在常規雨水排放的基礎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、調節的作用，如圖3所示。

1.3.2 設計要求

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域，但它適用于徑流污染較嚴重或設施底部滲透面小于季節性最高地下水位或巖石層＜1 m時，當建筑物基礎＜3 m（水平距離）時，應采取必要的措施防止次生災害，如圖4所示。

1.4.2 設計要求

1）滲透塘前應設置沉砂池、前置塘等預處理設施，去除大顆粒的污染物并減緩流速；有降雪的城市，應采取棄流、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）滲透塘底部構造一般為：200 mm～300 mm種植土、透水土工布、300 mm～500 mm過濾介質層。

4）滲透塘排空時間≤24 h。

1.5 生物滯留設施

1.5.1 技術介紹

通過蒸發、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的效果。生物滯留設施分為簡易型和復雜型2種，按照應用位置的不同又分為下凹綠地、雨水花園、高位花壇、生態樹池等。研究表明生物滯留設施一般情況下對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 設計要求

1）在地表徑流污染較嚴重的地區，選用植草溝、植被緩沖帶等對徑流雨水進行預處理，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。

2）生物滯留設施面積與匯水面面積之比一般為5%～10%。

3）復雜型的生物滯留設施結構層外側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，可在設施底部和周邊設置防滲膜。

4）根據植物耐淹性能和土壤滲透性來確定生物滯留設施的蓄水層深度，一般為200 mm～300 mm，為了防止土壤變化層中的介質損失，在土壤替換層的底部通常設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 結語

“海綿城市”建設是推動新型城鎮化發展的重要舉措。基于我國北方特有的氣候類型，在海綿城市設施應用類型上較少，對設施技術要求也有所不同，通過利用海綿城市的相關措施，廣泛應用海綿城市滲透設施，不斷優化技術參數，降低綜合徑流系數，因地制宜。海綿城市有效地防治內澇，而且凈化地表徑流，減少面源污染，涵養地下水，使其接近原始的自然生態系統，城市與自然可以更好地結合。