基于新型材料與技術的海綿城市建筑給排水系統設計研究

唐仁剛

（廣西方澤建筑設計有限責任公司）

1 引言

本文采用文獻綜述和案例分析的方法，結合我國海綿城市的真實案例，在新型材料的應用方面，透水鋪裝材料、滲透磚等透水材料的使用可以實現雨水的自然滲透和儲存，降低地表徑流，減少洪澇風險。高效保溫材料、自潔涂層等新型材料的應用可以提高建筑物的能效性能和環境適應性；而新型技術的應用方面，傳感器技術的運用可以實時感知降雨情況、水位變化和水質狀況等關鍵參數，為系統設計和管理提供準確信息。大數據分析和人工智能技術的應用可以優化系統運行，提高水資源利用效率和系統性能。因此，基于新型材料和技術的海綿城市建筑給排水系統設計方法和策略能夠有效降低洪澇風險，提高水資源利用效率，實現可持續發展。

2 海綿城市建筑給排水系統設計考慮因素

2.1 水資源可持續性考慮

在海綿城市的背景下，保護和有效利用水資源對于城市的可持續發展至關重要。因此，給排水系統設計需要采取一系列措施來實現水資源的可持續利用。設計中應注重水資源的節約和回收利用，通過采用節水設備和技術，如低流量廁所、節水淋浴頭等，可以減少用水量并提高水資源利用效率；回收利用雨水、灰水和廢水也是重要的措施，通過處理和再利用這些水源，可以滿足非飲用水的需求，減輕對淡水資源的依賴。海綿城市建筑給排水系統應該鼓勵雨水的自然滲透和滯留，通過綠色屋頂、雨水花園和濕地等手段，使雨水能夠回歸自然水循環，補充地下水資源，采用濕地處理、生物滯留池等自然處理技術可以有效去除水中的污染物，提高水質[1]。此外，公眾參與和教育也是促進水資源可持續性的重要手段。通過開展公眾教育活動，提高公眾對水資源的認識和意識，推廣節水和回收利用的理念，形成節水環保意識，達到可持續利用水資源的目標。

2.2 水質管理和水處理技術

在海綿城市中，保護水體質量、提高水資源利用效率和減少污染物排放對于城市的可持續發展至關重要，應采用適當的水質管理策略，如減少污染源的產生和控制，加強環境監測和評估，制定和執行水質標準和監管政策等，通過減少污染源的排放和控制，可以降低水體受到的污染程度，提高水質。海綿城市的水質管理設計中需要采取物理、化學和生物處理方法，以去除污染物和改善水質。例如，采用沉淀、過濾、吸附、氧化還原和生物降解等技術可以有效去除懸浮物、溶解物和有機污染物，提高水體的凈化效果。在海綿城市中，雨水是一種寶貴的水資源。通過合適的雨水收集和處理技術，如雨水花園、雨水回用系統等，可以將雨水用于灌溉、景觀水體補給等非飲用用途，減少對地下水和自來水的需求，降低城市的水資源壓力。此外，設計中還應考慮水處理過程的能源消耗和碳排放。選擇低能耗的水處理技術，如采用自然處理系統和低能耗的污水處理工藝，可以減少系統的能源消耗，降低對環境的不良影響[2]。

2.3 供水穩定性和壓力管理

在海綿城市中，為了滿足不斷增長的供水需求，確保供水的可靠性和穩定性至關重要，為了保證供水的穩定性，應采取措施減少供水中斷的風險，設計合理的供水網絡，避免單點故障，確保供水系統的冗余性和備份能力。同時，建立有效的應急響應機制，如備用供水設備和緊急修復計劃，以應對突發事件和系統故障。合適的供水壓力管理對于維持系統正常運行和降低水損失至關重要，可以避免水管爆裂、漏水和能源浪費等問題，采用壓力調節設備和技術，如調壓閥、壓力容器等，可以在不同供水需求和壓力波動條件下，穩定供水壓力，提高系統的可靠性和效率。還需要通過采用節水設備、灌溉管理和水資源回收利用等措施，減少供水量，降低系統壓力和負荷，提高供水的可持續性。

2.4 水量調控和洪水管理

給排水系統設計可以通過采用雨水收集系統、雨水花園、濕地等措施，將雨水引導和儲存起來，減少地表徑流，增加地下水補給，有助于平衡城市的水量循環，降低洪峰流量，改善城市的水文狀況。通過合理的雨水收集和蓄滯措施，如綠色屋頂、透水鋪裝等，可以減緩雨水流入排水系統的速度，降低系統的壓力，還可以采用雨水儲存池、調蓄池等設施來調節降雨過程中的水量，將水量平緩釋放，減少對排水系統的沖擊，降低洪水的發生概率。海綿城市給排水系統設計中需要建立洪水預警系統，設置防洪設施，或進行洪水調控工程，有效應對洪水事件[3]。

3 新型材料在海綿城市建筑給排水系統中的設計

3.1 新型材料的定義和分類

海綿城市旨在通過模仿自然生態系統的原理來實現雨水的自然滯留、滲透和利用，以減輕城市的洪澇風險、改善水資源管理并提高城市生態環境質量。新型材料在海綿城市建筑給排水系統中的應用涉及一系列創新材料，這些材料的特性和性能使其成為有效改進和優化城市給排水系統的關鍵因素。新型材料的定義十分廣泛，但總體而言，可以被視為以新穎的合成方法、材料結構或功能為基礎的材料，與傳統材料相比，具有更高的效能和更廣泛的應用前景，根據其性質和用途，新型材料可以被分為多個分類。其中一類是具有優異強度和耐久性的結構材料，例如高強度混凝土、纖維增強聚合物和復合材料，這些材料可以增加建筑物的承載能力和抗災能力。另一類是具有優異防水和隔熱性能的保護材料，例如防水涂料、高效保溫材料和環保屋頂材料，這些材料有助于減少水滲漏和能量損失，提高建筑物的能效性能。

3.2 新型材料在給排水系統中的設計分析

在給水系統中，新型材料的應用可以提高水資源的利用效率和供水的穩定性，利用具有良好滲透性和水持久性的多孔介質材料，如海綿城市中常用的海綿磚、滲透磚等，可以增加地下水的補給量，實現雨水的滲透和儲存，降低地表徑流的排放，從而減輕城市排水壓力。同時，新型材料也可以用于雨水收集與利用系統，例如具有高效過濾和分離功能的自清潔過濾器、高效儲水和分配的雨水收集模塊等，能夠實現雨水的集中收集、凈化和再利用，滿足非飲用水的需求。

在排水系統中，新型材料的應用有助于實現雨水的有效排放和治理，具有調控功能的雨水控制閥門、自動監測和控制的雨水調蓄池等，可以在雨水超過系統承載能力時進行調節和控制，減少雨洪對城市的影響。此外，新型材料還可以應用于雨水污染的治理，例如具有吸附和催化功能的污染物過濾材料、光催化材料等，能夠有效降低雨水中的污染物含量，提高雨水的質量。位于廣州的珠江新城CBD地區的海綿城市項目應用了多種新型材料和技術，包括滲透磚、透水混凝土、生態屋頂、雨水花園等。通過在道路、廣場和建筑物周圍應用滲透磚和透水混凝土，實現了雨水的自然滲透和儲存，減少了地表徑流的形成。生態屋頂和雨水花園則利用多種植被和吸附材料，凈化雨水并增加綠化面積，提高了城市的生態環境質量。這些新型材料的應用使得珠江新城CBD 地區的給排水系統更加可持續和適應性強，有效減少了洪澇風險，提高了城市的水資源利用效率[4]。

4 新型技術在海綿城市建筑給排水系統設計中的設計

4.1 新型技術的定義和分類

新型技術在海綿城市建筑給排水系統設計中的應用為構建可持續的城市水資源管理提供了創新的途徑。新型技術可以被視為基于先進科學和工程原理的創新工具和方法，以提高城市給排水系統的效率、靈活性和可持續性。傳感器技術通過部署各種類型的傳感器，如水位傳感器、水質傳感器、降雨傳感器等，可以實時監測和收集與給排水系統相關的數據，提供關于水資源利用情況、水質變化、降雨情況等方面的信息，為系統設計和管理決策提供科學依據。大數據分析和處理技術為海綿城市建筑給排水系統的設計和運營提供了更全面的視角，通過收集和整合大量的數據，利用數據分析和模型建立技術，可以實現對系統性能的準確評估和預測，為系統設計和優化提供科學依據[5]。

4.2 新型技術在給排水系統設計中的設計分析

智能感知和控制技術的傳感器網絡和智能監測系統，可以實時感知城市的降雨情況、水位變化和水質狀況等數據，為系統設計和管理決策提供準確的信息基礎。例如，位于上海的“徐匯濱江海綿城市示范區”利用智能感知和控制技術建立了完善的雨水監測系統，通過大量的降雨傳感器和監測站點實時采集雨水數據，并通過云計算和大數據分析技術進行數據處理和預測模型建立，實現了對雨水資源的精細管理和調控。此外，大數據分析和人工智能技術在海綿城市給排水系統設計中的應用也取得了顯著的成果。通過收集、整合和分析大量的數據，如氣象數據、水質監測數據、建筑物用水數據等，可以通過建立數據模型和算法進行系統性能評估、優化和預測。例如，廣州海珠區“濱江東地塊”項目利用大數據分析技術，結合多源數據，建立了基于GIS（地理信息系統）的海綿城市水系統模型，實現了對城市內水資源的精確調度和分配，提高了城市水資源的利用效率和防洪能力。另一個新型技術的應用領域是智能控制系統，海綿城市給排水系統中的智能控制系統可以實現對系統運行狀態的實時監測和調控。例如，北京市朝陽區“北京奧體中心區海綿城市示范項目”通過應用智能控制系統，實現了對雨水調蓄池、滲濾池等設施的自動化控制和運行監測。系統通過自動化的閥門控制、水位監測和遠程監控，能夠根據實時降雨情況和污水負荷實現對系統的智能調控，確保系統的運行效率和靈活性。

5 結語

綜合來看，基于新型材料和技術的海綿城市建筑給排水系統的綜合設計方法和策略為城市的可持續發展提供了重要的支持和保障。通過合理應用新型材料和技術，結合城市規劃和管理目標，可以實現海綿城市建筑給排水系統的高效運行和可持續發展，這種綜合設計方法和策略在我國海綿城市建設案例中得到了驗證，為未來海綿城市建設提供了重要的指導。