,,

　　海綿城市建設(shè)是我國近年來市政供排水領(lǐng)域關(guān)注的重點問題，在海綿城市建設(shè)的摸索和實踐過程中，圍繞“滲、滯、蓄、凈、用、排”的理念落實和技術(shù)創(chuàng)新一直是一線技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)所關(guān)注的焦點。本期《大家之言》以2016年12月12日德國亞琛工業(yè)大學(xué)Max Dohmann教授在上海住建委科技委學(xué)術(shù)報告會上的報告為基礎(chǔ)，整理提煉出德國在海綿城市建設(shè)中的一些做法和經(jīng)驗，為國內(nèi)同行提供借鑒。

　　近年來，隨著極端降雨事件的頻發(fā)和氣候變化現(xiàn)象的突出，世界各地頻繁發(fā)生城市內(nèi)澇現(xiàn)象，部分國家和地區(qū)因此導(dǎo)致了不同程度的財產(chǎn)損失甚至死亡事件。以德國為例，2011年8月在不萊梅（Bremen），2012年在慕尼黑（Munich），2013年6月在富爾達(dá)（Fulda），2015年6月在登茨林根（Denzlingen），2016年5月在奧伯豪森（Oberhausen）以及同年6月在美茵河畔法蘭克福（Frankfurt am Main），都先后發(fā)生因暴雨所導(dǎo)致的內(nèi)澇現(xiàn)象，并集中體現(xiàn)在地下鐵車站、地道、地下停車庫等排水不便的地勢低點。

　　研究認(rèn)為，暴雨頻發(fā)的情況除受到降雨頻率和氣候變化的組合影響外，還主要受地區(qū)水平衡的改變，以及城市化對自然水循環(huán)的干擾等影響。北美地區(qū)有研究顯示，如今北美地區(qū)每年日降雨量達(dá)到強(qiáng)降雨水平（降雨強(qiáng)度最高的5%）的天數(shù)相比20世紀(jì)已有顯著增長，按趨勢推斷至2100年，隨著氣候變暖的不斷加劇，強(qiáng)降雨發(fā)生的概率還將進(jìn)一步增加，且上升速率呈加速趨勢，見圖1所示。城市現(xiàn)代化的建設(shè)導(dǎo)致地面硬化率逐年上升，高地表徑流量減少了雨水通過土壤下滲的總量，也減少了土壤水分的蒸發(fā)量，加大了城市排水系統(tǒng)和污水處理廠的負(fù)擔(dān)。

圖1 北美地區(qū)強(qiáng)降雨預(yù)測

　　1德國海綿城市排水系統(tǒng)的變革

　　“海綿城市”（Sponge Cities）可以通過生態(tài)途徑，以自然的方式調(diào)蓄、凈化及排放雨水，是治水的全新理念，詮釋了一種規(guī)劃設(shè)計城市的生態(tài)方式，其理念見圖2所示。過去25年里，德國通過對城市內(nèi)澇現(xiàn)象的不斷反思和總結(jié)，提出了一系列排水系統(tǒng)變革的方向。

圖2 海綿城市理念示意圖

　　總體而言，德國應(yīng)對雨洪管理所采取的措施包括以下幾類：（1）降低路面不透水性以減少雨水徑流；（2）將雨水根據(jù)被污染程度進(jìn)行分流；（3）增加雨水滲濾；（4）強(qiáng)化雨水儲存和處理并加強(qiáng)雨水資源利用，其核心在于雨水處理和雨污分流。

　　為了有效實現(xiàn)雨污分流，德國重點推行改良型城市合流制排水系統(tǒng)（Urban drainage with modified combined sewerage system）和改良型城市分流制排水系統(tǒng)（Urban drainage with modified separated sewerage system）兩種系統(tǒng)。

　　1.1改良型城市合流制排水系統(tǒng)

　　改良型合流制排水系統(tǒng)指將工業(yè)廢水、生活污水和道路雨水合流后，經(jīng)污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放。暴雨期間，在污水處理廠前設(shè)置溢流裝置，直接排放入受納水體。與傳統(tǒng)合流制排水系統(tǒng)不同的是，改良型合流制排水系統(tǒng)不包括建筑屋面雨水徑流，屋面徑流一部分通過明渠直排入受納水體，另一部分通過地表滲濾的方式轉(zhuǎn)移到土壤中。改良型城市合流制排水示意如圖3。

圖3 改良型城市合流制排水

　　通過對強(qiáng)降雨期間的排水情況研究，分析了合流制系統(tǒng)中雨水徑流的典型分布，如圖4所示，圖中明確顯示，即便強(qiáng)降雨期間，送往污水處理廠的水量也應(yīng)當(dāng)控制在一定限值之下（圖中ZurKl?ranlage區(qū)域），超出部分的水量則主要通過土壤滲透、雨水儲存或溢流排放入受納水體等方式予以消納，包括道路生態(tài)調(diào)蓄、雨水調(diào)蓄池等設(shè)施起到了至關(guān)重要的作用。

Regenabfluß：雨水徑流量 Speicher：蓄水量 Vorfluter：回用量

Zur Kläranlage：污水處理廠 Regendauer：降雨歷時

圖4 合流制系統(tǒng)中雨水徑流的典型分布

　　1.2改良型城市分流制排水系統(tǒng)

　　改良型分流制排水系統(tǒng)將雨水和污水完全分流。工業(yè)污水和生活污水匯總后統(tǒng)一進(jìn)入污水處理廠處理排放。雨水徑流分建筑屋面徑流和道路徑流兩部分，道路徑流通過管網(wǎng)收集至雨水調(diào)蓄設(shè)施后，排放入受納水體；建筑屋面徑流則分別通過明渠排放到受納水體，以及通過地表滲濾的方式轉(zhuǎn)移到土壤中。改良型城市分流制排水示意如圖5。

圖5 改良型城市分流制排水

　　與合流制不同，分流制完全將雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)分流，因此強(qiáng)降雨對污水處理廠的影響總體不大。

　　通過排水系統(tǒng)的改進(jìn)，特別是將建筑屋面雨水徑流部分獨(dú)立，對通過地表滲濾消納雨水徑流提出的較高的要求，但同時也帶來了一系列顯著的成效：（1）減少排水管道的交錯；（2）減輕污水管道和污水處理廠的負(fù)擔(dān)；（3）雨水處理設(shè)備可小型化，減少設(shè)備投資和工程投資；（4）通過地表滲濾減少徑流直排受納水體，減少了對地表水系的污染；（4）對補(bǔ)充地下水系有積極作用。

　　2德國雨水處理及回用的應(yīng)用

　　2.1德國雨水處理及回用的基本理念

　　無論是改良型合流制排水系統(tǒng)或是改良型分流制排水系統(tǒng)，均單獨(dú)將建筑屋面徑流單列，不與污水處理廠系統(tǒng)混接，大大減少了雨水徑流對城市污水處理廠的負(fù)擔(dān)。對于屋面雨水徑流，除一部分利用地表滲濾的方式予以消納外，另一部分則主要采用儲存和再利用的方式予以消納。根據(jù)建筑物的分布狀況，一般情況下，屋面雨水收集儲存和處理措施可分為分散處理措施（decentral measures）和集中處理措施（central measures）。分散式處理措施包括綠色屋頂滯留雨水、土壤滲濾、雨水收集回用三類；集中處理措施包括改良式分流排水、交通密集區(qū)雨水滲濾及排放、儲存及雨水處理三類，需要根據(jù)不同城市的規(guī)劃、建設(shè)情況以及所處地理位置、氣候條件等客觀情況進(jìn)行合理的選擇，但總體而言，大致理念相同，見圖6所示。在雨水處理方面，針對雨水的污染情況，提出了未污染（uncontaminated）雨水不處理，輕污染（slightly contaminated）雨水一般需要處理，嚴(yán)重污染（highpolluted）雨水必須進(jìn)行處理的原則。

圖6 建筑屋面雨水消納的基本原理

　　2.2德國雨水處理及回用的應(yīng)用案例

　　2.2.1屋頂綠化

　　德國大量應(yīng)用屋頂綠化技術(shù)用于對雨水的滯留，對于延后洪峰有顯著效果。在屋頂綠化的具體實施過程中，根據(jù)建筑物的屋頂形式，和所在地區(qū)的客觀情況，一般推薦采用密集型（intensive roof greenery）和粗放型（extensive roofgreenery）。密集型屋頂綠化一般采用0°的屋面傾斜度，一般承重為165~350 kg/m?，綠化分布較為緊密，將雨水盡量滯留在屋面，對初期雨水的滯留效果更好；粗放型屋頂綠化一般采用5°~15°的屋面傾斜度，屋面承重為25~50kg/m?，并應(yīng)用礫石填料，在實現(xiàn)將一部分初期雨水滯留的同時，也保證了暴雨期間雨水的速排。密集型和粗放型屋頂綠化實例見圖7和圖8。

　　2.2.2雨水收集與回用

　　德國鼓勵公共建筑和居民對雨水進(jìn)行收集并會用。建筑物內(nèi)一般會設(shè)置雨水收集和回用系統(tǒng)。屋面雨水經(jīng)天溝收集后，經(jīng)過過濾裝置，儲存于建筑物雨水收集罐，溢流部分進(jìn)行排放。日常用水過程中，通過泵從雨水收集罐中取水，可直接用于洗衣用水、洗車用水和沖廁等，即“灰水”系統(tǒng)。經(jīng)研究調(diào)研發(fā)現(xiàn)，德國家庭的沖廁用水量一般在120L/d，如疊加上洗衣用水，一般在160L/d。根據(jù)德國平均的雨水收集情況分析，每年一月到五月相對降雨較少，所收集的雨水量一般小于120L/d，仍需要通過補(bǔ)充自來水來實現(xiàn)家庭的沖廁和洗衣需求，隨著夏季來臨雨量逐漸增加，五月中下旬起家庭所收集的雨水量已可滿足日常沖廁需要，六月份后進(jìn)入雨季，所收集雨量可同時滿足沖廁和洗衣的需求，九月后雨量逐漸減少，但仍可基本滿足日常沖廁和部分洗衣的需要。德國家庭雨水收集和回用系統(tǒng)示意圖及“灰水”水平衡示意見圖9和圖10。

圖9 德國家庭雨水收

　　集和回用系統(tǒng)示意圖圖10 德國“灰水”

　　水平衡示意圖

　　德國在公共建筑領(lǐng)域，雨水的回收利用也較為普遍，柏林著名的波茨坦廣場索尼中心（Sony-Center,Potsdamer Platz, Berlin）屋頂面積為5000m2，設(shè)置有900m3體積大小的雨水儲水罐，所收集的雨水用于建筑物內(nèi)的沖廁，并用于周邊綠化的澆灌以及消防儲水，可節(jié)約大量的自來水資源。

　　2.2.3透水路面

　　為實現(xiàn)土壤對雨水的直接消納，德國在降低路面硬化率方面作了大量的工作，主要通過建設(shè)透水性路面（pervious pavement）、設(shè)立植被滲雨區(qū)（grass dump）以及加裝地下的雨水滯留裝置實現(xiàn)。在易積水地區(qū)，進(jìn)一步通過滲透沼澤（infiltration swale）和溝渠滲透（subsurface ditch in）的形式強(qiáng)化滲透效果。

　　在城市道路整體的排水解決方案方面，漢堡市（Hamburg）已有較為成熟的案例，主要利用道路面進(jìn)行生態(tài)調(diào)蓄收集，如圖11所示。2015年5月15日漢堡市遭遇強(qiáng)降雨，以該道路為例，道路雨水通過坡降快速匯集于中央的生態(tài)調(diào)蓄系統(tǒng)，有效減少了路面積水狀況，也緩解了排水系統(tǒng)的洪峰壓力。

圖11 利用道路面進(jìn)行生態(tài)調(diào)蓄收集(漢堡市)

　　2.2.3雨水深度處理

　　由于存在坡降和海拔差異，城市中難免會存在洼地等易于積水的地區(qū)。德國越來越多地將土壤滲透作為雨水深度處理的一種方式，并主要應(yīng)用于具有較大空間條件的城市邊緣地區(qū)或農(nóng)村地區(qū)。

　　這些用于土壤滲透的場所在旱季時為下沉式公共綠地，降雨時通過周邊坡降的設(shè)計，雨水自然匯集，起到短時儲水的效果，雨水通過土壤向地下滲透，同時對雨水起到凈化和過濾效果。在德國常見的合流制和分流制系統(tǒng)中，土壤滲透作為雨水深度處理的案例，普遍應(yīng)用于合流制改善溢流雨水水質(zhì)，和分流制處理路面被污染雨水。

　　3結(jié)論

　　城市排水的發(fā)展是一個各專業(yè)配合協(xié)調(diào)發(fā)展的過程，需要與城市發(fā)展相關(guān)的專家協(xié)作努力，包括污水廠設(shè)計師、城市規(guī)劃師和交通道路規(guī)劃師等等。其中消除內(nèi)澇隱患為首要任務(wù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對雨水資源的回收利用，是城市雨洪管理的重要目標(biāo)，其中所涉及的宏觀政策制訂、整體總體規(guī)劃、技術(shù)優(yōu)化和應(yīng)用，仍有大量工作要做。德國在城市排水系統(tǒng)改革發(fā)展過程中所做的一些工作，以及在雨水收集和回用方面取得的一些經(jīng)驗，可作為參考，供中國海綿城市工作者們學(xué)習(xí)和了解。

　　Max Dohmann教授

　　歷任亞琛工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院院長、國際水質(zhì)協(xié)會和國際水協(xié)會執(zhí)行理事、德國DWA協(xié)會主任、德國聯(lián)邦環(huán)境咨詢委員會顧問等職務(wù)，曾獲德意志聯(lián)邦共和國總統(tǒng)特別頒發(fā)的“一級功勛十字勛章”，現(xiàn)兼任上海市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會科學(xué)技術(shù)委員會海外委員、《凈水技術(shù)》雜志社編委等。

　　在眾多媒體的報道中，德國排水系統(tǒng)一直被作為“城市的良心”被廣為傳頌。然而德國在降低內(nèi)澇風(fēng)險方面也曾經(jīng)歷過很多彎路，通過反復(fù)實踐和探索，逐步形成了內(nèi)澇防治和雨水綜合利用為指導(dǎo)的改良型排水體系。其應(yīng)用經(jīng)驗和技術(shù)成果，對正在摸索中的中國“海綿城市”建設(shè)有較好的參考意義。