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摘要:我國城市內澇隨著城鎮化進程不斷加快而日益嚴重,海綿城市能夠有效的解決城市水資源短缺和內澇的問題,在城市建設中起到至關重要的作用。本文簡單介紹了海綿城市提出的背景及海綿城市的定義及其作用,分析了海綿城市建設技術措施及技術要點,并作出了展望。
關鍵詞:海綿城市;技術要點;綠色屋頂
1海綿城市提出的背景
1.1水資源短缺
我國人均水資源量僅有2100m3,全國年平均缺水量500多億m3,有近三分之二的城市缺水,水資源供需矛盾日益突出,與此同時,隨著城市總水量的增加,地下水的開采日益嚴重,導致地下水水位持續下降,根據中國水資源問題與可持續發展戰略研究中指出,我國地下水超采面積已經達到19萬km2。1.2水質惡化我國水質惡化主要體現在面源污染,面源污染主要由土壤中的泥沙顆粒、氮磷、農藥以及大氣顆粒物等組成,具有空間分布較廣、成分復雜、水質不穩定等特點,又由于種植業污水、養殖業污水、生活污水、工業污水等沒有得到集中、統一的處理,直接排放到河流及湖泊中,導致大量的營養物質隨著地表徑流流入水體中,江河湖泊受到不同程度的污染,導致水質進一步的惡化。
1.3洪澇頻發
隨著城市建設用地面積的增加,降雨時雨水匯集面積增大,雨水流量增大,導致雨水下滲速度減緩,造成城市雨水管工作負荷增大,愈來愈多的雨水在城市內部道路積蓄,以至于出現部分積水甚至洪澇災害。1.4水生態功能退化改革開放以來,我國在發展經濟的同時,難免會對周邊的環境產生一些負面的影響,在郊區農村地段,大量的工業廢水和生活污水不經處理直接排放至河流中,導致水質污染嚴重,水中營養物質嚴重超標。根據對全國濕地的調查結果顯示,由于基建、圍墾等的占用,濕地的面積不斷減少,2004到2014年期間我國濕地總面積減少了8.82%,自然生態的循環遭到破壞,例如池塘出現“藻華”等。
2海綿城市的定義及作用
為了適應城市發展、面對雨水帶來的挑戰,我國提出了“海綿城市”的理念,具體是指城市能夠像海綿一樣,在面對環境變化和自然災害時具有很好的彈性。我國針對海綿城市提出了“六字方針”,包括“滲”、“滯”、“蓄”、“凈”、“用”、“排”,六字方針在海綿城市中起到的作用及應用的技術措施詳見表1。在海綿城市的建設初期,在初步處理雨水這方面的技術較為成熟,并有一定的經驗積累,為了達到解決發展與資源環境的矛盾,達到水資源、水安全和水生態的良性循環,我國對于污水污染治理提出了技術設施及技術要點,大致可以分為收集調蓄處理技術和源頭分散處理技術。收集調蓄處理技術主要是對雨水進行收集然后對其進行處理,而源頭分散處理技術主要是對雨水污染源進行處理,從而降低污染。
3海綿城市建設的技術設施及要點
3.1綠色屋頂
綠色屋頂作為海綿城市建設的重要治理措施,是指利用植物對屋頂進行綠化的方法,主要由植被層、基質層、過濾層、排水層和防水層組成,在削減徑流、凈化水質、促進雨水資源化利用以及城市景觀等方面具有良好的效果。植被層起到吸收、過濾、攔截雨水中部分污染物的作用;基質層作為綠色屋頂的主要結構層,在選擇基質時,不僅要考慮基質的吸附效果和是否適合屋面植被生長,也要考慮屋面的荷載情況;過濾層主要起到防止基質中的顆粒物隨著雨水徑流被沖走的作用;當多余的雨水無法滯蓄時,排水層可以排出,避免了屋面荷載過高而對建筑物結構的損害;防水層可以防止污水下滲進入屋面。
3.2人工濕地
人工濕地是指人工建造的模擬天然濕地功能的體系,利用沙、石、土等按照一定比例混合而成的填料,再在填料床上種植植物,主要由三大部分組成,一是基質層,常用的基質包括沸石、礫石等;二是微生物種群,如放線菌、細菌等;三是植被層,人工濕地常見種植的植被有蘆葦、茭白等。基質層主要起到沉淀和吸附的作用,郭本華等研究了沸石、頁巖陶粒和碎石三種不同的基質構建的人工濕地對磷的去除效果,結果表明,碎石對磷的平均去除率可達95%,沸石對磷的平均去除率達35%。植被能夠為微生物種群提供良好的生長環境、減緩整個系統的水流速度、促進雨水與基質的反應等,因此在選擇植被種類時,應當考慮植被的成活率、抗水性、生長期以及經濟價值等。人工濕地對海綿城市建設具有重要作用,主要體現在對雨水徑流的控制和污染物的削減,同時作為一個獨立的生態單元,起到凈化雨水的作用。
3.3生物滯留池
生物滯留池是指利用植物、微生物及土壤之間的關系來處理雨水中的污染物,是集物理、化學、生物為一體的過程,包括蓄水層、植被層、填料層及排水層。蓄水層主要起到預處理雨水以及儲存雨水的作用;植被層可以截留一部分雨水沖刷下的顆粒物,也可以防止水土流失,對徑流的形成起到減緩速度的作用;填料層不僅作為植被層的載體,還有一定的截污滯蓄作用,許航等利用了蛭石、沸石、珍珠巖這三種常見的基質層材料來探討對污水截污效果分析,實驗結果表明蛭石和沸石對TP、TN、NH4+-N的去除效果較好;生物滯留池的排水層在底部設置排水管,起到臨時儲存雨水的作用,雨水排入水管后進行收集循環利用。普通生物滯留池對于雨水截污凈化的效果有一定限制,現國內對于生物滯留池的研究往填料改良、內部結構優化方向前行,生物滯留池作為雨水管理的重要措施之一,應當充分發揮出“六字方針”的功效。
4展望
(1)海綿城市作為城市建設的重要部分,不僅能夠有效解決城市出現內澇災害的幾率,同時還解決了城市水資源短缺和水資源分布不均勻的問題。實現海綿城市的最大利用率,要推動小海綿單元和大海綿單元的共同結合,小海綿單元包括綠色屋頂、下凹式綠地等,大海綿單元包括人工濕地、大型綠地及市政道路等。根據中華人民共和國發出的水資源公報,2020年我國降水量和水資源總量比多年平均值明顯偏多,這足以說明了我國在水資源治理及處理方面有了很大的進步,這離不開海綿城市的作用。
(2)在技術措施中,一是需要加強基礎數據的收集,主要包括城市水資源承載力評估、城市水環境承載力評估、洪澇脆弱性評估;二是要細化徑流控制指標,目的是為了提高海綿城市建設在不同量級降雨條件下的“彈性”;三是改進排水系統設計方法,使用水文水力模型進行模擬計算,大大提高表1海綿城市“六字方針”的作用六字方針技術措施作用滲可滲透路面、自然地面從源頭減少徑流,凈化初雨污染滯植草溝、下凹式綠地不讓雨水很快流走,延緩徑流峰現時間蓄人工湖、蓄水池降低徑流峰值流量,為雨水利用創造條件凈污水處理設施及管網減少面源污染,改善城市水環境用道路沖洗、綠化澆灌合理利用水資源排河道排水、雨污分流使排水防澇設施與天然水系河道相結合等了準確性;四是要完善監測預警系統,不僅包括排水泵站的提升流量和蓄水池液位,還應該包括氣象監測、海綿設施運行狀態監測、管網狀態監測、水環境監測等。
(3)目前海綿城市建設處于探索和發展階段,要根據不同地區特色來制定建設技術指南。現在對海綿城市的建設偏向于城市給排水系統的規劃與改造、城市市政工程排澇能力評估、低影響開發技術措施的優化等,而海綿城市的建設不能僅僅限于此,要與城市環境氣候、城市規劃、經濟社會等領域結合起來,這樣才能將海綿城市的作用發揮到最大化。
(4)在大數據迅速發展的背景下,應當將海綿城市與物聯網、GIS、BIM等結合應用。利用大數據收集和分析各地的雨水資料,組成海綿城市智慧化平臺,與各部門實現信息數據共享、運營管理平臺共同維護等,提高治理能力及效率。
作者:徐雪婧 王欣 單位:中國電建集團江西省電力設計院有限公司