水業(yè)導航：基于海綿城市建設(shè)理念的排水工程設(shè)計

水處理網(wǎng)訊:海綿城市建設(shè)理念越來越深入人心，“小雨不積水、大雨不內(nèi)澇、河道不黑臭、熱島有緩解”的目標已成為業(yè)內(nèi)共識，這就要求排水工程建設(shè)者更新理念，緊緊抓住城鎮(zhèn)發(fā)展過程中的高質(zhì)量發(fā)展和高品質(zhì)生活要求，滿足人民對美好生活的向往，建設(shè)高標準、高質(zhì)量的雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)。

城鎮(zhèn)排水工程是社會文明發(fā)展的重要載體，對于改善城市居民的生活環(huán)境起到?jīng)Q定性的作用。2012年，我國的城鎮(zhèn)化率已達到52.6%，超過世界平均水平（52.5%），并以高于世界平均水平的速度（年均0.5%）快速推進。中國城鎮(zhèn)化將進入“下半場”預計2030年我國的城鎮(zhèn)化率將達到70%左右，新型城鎮(zhèn)化發(fā)展給排水行業(yè)帶來機遇也帶來了挑戰(zhàn)，應以生態(tài)文明建設(shè)的理念系統(tǒng)推進城鎮(zhèn)化建設(shè)。

內(nèi)澇防治要求我們高標準建設(shè)雨水系統(tǒng)。氣候變化致使暴雨頻率和強度都有所改變，城鎮(zhèn)化進程的加快加劇了暴雨內(nèi)澇對城市的威脅。硬化屋頂?shù)孛娴脑黾?，致使雨水排水強度加大；?guī)劃中片面追求用地指標，侵占或縮窄了天然水體，雨水調(diào)蓄功能嚴重萎縮；城市建設(shè)者片面追求高水位、大水面，阻礙了雨水的自然調(diào)蓄和下泄。

黑臭水體治理要求我們高質(zhì)量建設(shè)污水系統(tǒng)?！昂诔粼谒铮丛诎渡稀?，合流制排水系統(tǒng)的截流倍數(shù)偏低，造成溢流污染嚴重；分流制排水系統(tǒng)雨污混接嚴重，造成旱天污水直排和雨天受污染徑流放江，很多城市水體逢雨必黑，黑臭河道反復治理。

在新時代海綿城市建設(shè)理念的指導下，市政雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)如何高標準、高質(zhì)量建設(shè)是給排水設(shè)計人員面對的新課題。海綿城市建設(shè)理念是雨水管理和污水治理中國智慧的結(jié)晶。海綿城市建設(shè)目標不能只依靠市政雨水系統(tǒng)實現(xiàn)，還需要建筑小區(qū)、綠地、道路廣場和城市水系等多系統(tǒng)的共同參與。污水系統(tǒng)則應盡快推進廠網(wǎng)一體化建設(shè)，建管并舉，提質(zhì)增效，實現(xiàn)全收集、全處理，充分發(fā)揮污水收集處理系統(tǒng)的作用，把污染物有效輸送至污水處理廠處理，提高污染物消減量。

1 建設(shè)高標準雨水和內(nèi)澇防治系統(tǒng)

雨水和內(nèi)澇防治是一項系統(tǒng)工程，涵蓋從雨水徑流的產(chǎn)生到末端排放的全過程控制，應包括源頭減排、排水管渠、排澇除險等工程性措施和應急管理的非工程性措施，并應和防洪設(shè)施相銜接，而不僅僅指傳統(tǒng)的排水管渠設(shè)施。

1.1 源頭減排

源頭減排設(shè)施一般由綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、植草溝、調(diào)蓄設(shè)施和透水鋪裝等滲透、滯蓄和凈化措施組成，主要應對低強度降雨的大概率事件，其設(shè)計應注重綠灰耦合，實現(xiàn)控制雨水徑流產(chǎn)生、減排雨水徑流污染、收集利用雨水和削減峰值流量。

源頭減排設(shè)施的設(shè)計標準應根據(jù)年徑流總量控制率確定，并應明確相應的設(shè)計降雨量。以上海為例，年徑流總量控制率為70%、75%、80%時，根據(jù)近30年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)所對應的設(shè)計降雨量分別為22.2 mm、26.7 mm和33.0 mm。根據(jù)年徑流總量控制率對應的設(shè)計降雨量、徑流控制面積和相應的徑流系數(shù)，采用容積法計算得到需控制的徑流體積，以此作為源頭減排設(shè)施的設(shè)計規(guī)模。當降雨量小于規(guī)劃確定的年徑流總量控制要求時，源頭減排設(shè)施應做到不直接向市政雨水管渠排放未經(jīng)控制的雨水。

1.2 排水管渠

排水管渠設(shè)施一般由排水管道、溝渠、雨水調(diào)蓄設(shè)施和排水泵站等組成，主要應對短歷時強降雨的大概率事件，其設(shè)計應考慮公眾日常生活的便利，并滿足較為頻繁降雨事件的排水安全要求。

排水管渠的設(shè)計標準應根據(jù)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期確定設(shè)計降雨強度。近幾年，我國的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期標準得到提高，《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014）在2014年修訂的時候，將原來“一般地區(qū)1～3年一遇、重要地區(qū)3～5年一遇”的規(guī)定，按不同的城鎮(zhèn)類型（超大城市、特大城市、大城市、中等城市和小城市）、不同的城區(qū)類型（中心城區(qū)、非中心城區(qū)、中心城區(qū)的重要地區(qū)和中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場等）分別進行規(guī)定，比如超大城市和特大城市的中心城區(qū)要求3～5年一遇，中心城區(qū)的重要地區(qū)要求5～10年一遇，這一標準和歐盟標準基本吻合。同時各地應根據(jù)雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期確定設(shè)計降雨強度，以便公眾理解。以上海為例，中心城區(qū)和新城、其他地區(qū)、地下通道下沉式廣場等的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期標準分別是5年一遇、3年一遇和30年一遇，對應的小時設(shè)計降雨強度分別為58.1 mm/h、51.3 mm/h和82.2 mm/h。

雨水管渠一般按滿管流設(shè)計，其傳輸能力是根據(jù)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期下的設(shè)計降雨強度、匯水面積和徑流系數(shù)，通過推理公式法或數(shù)學模型法計算流量確定。當匯水面積＞2 km²時，考慮區(qū)域降雨和地面滲透性能的時空分布不均勻性和管網(wǎng)匯流過程等因素，應采用數(shù)學模型法確定雨水設(shè)計流量，并應校核內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期下地面的積水深度等標準。

徑流系數(shù)主要取決于土地利用情況、土壤和植被類型以及地面坡度。降雨特性（例如強度、歷時）和前期降雨條件也對徑流系數(shù)具有一定影響。因此進行內(nèi)澇防治設(shè)計校核時，如采用推理公式法或者在數(shù)學模型中采用固定徑流系數(shù)，應提高不同下墊面的徑流系數(shù)，當設(shè)計重現(xiàn)期為20～30年時，徑流系數(shù)提高10%～15%；當設(shè)計重現(xiàn)期為30～50年時，提高20%～25%；當設(shè)計重現(xiàn)期為50～100年時，提高30%～50%；當計算的徑流系數(shù)＞1時，應按1取值。

1.3 排澇除險

排澇除險設(shè)施主要應對長歷時降雨的小概率事件，承擔著在暴雨期間調(diào)蓄雨水徑流、為超出源頭減排設(shè)施和排水管渠設(shè)施承載能力的雨水徑流提供行泄通道和最終出路等重要任務，是滿足城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期標準的重要保障。

排澇除險設(shè)施的設(shè)計標準應根據(jù)內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期確定設(shè)計降雨強度。排澇除險設(shè)施的建設(shè)，應充分利用自然蓄排水設(shè)施，充分發(fā)揮河道行泄能力和水庫、洼地、湖泊、綠地等調(diào)蓄雨水的功能，合理確定排水出路。排澇除險設(shè)施的規(guī)模，應根據(jù)其類型（調(diào)蓄或排放），進行相應的水量或流量計算，且應和源頭減排設(shè)施、排水管渠設(shè)施作為一個整體系統(tǒng)校核，滿足內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期的設(shè)計要求。根據(jù)內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期校核地面積水排除能力時，應根據(jù)當?shù)貧v史數(shù)據(jù)合理確定用于校核的降雨歷時和該時段內(nèi)的降雨量分布情況，有條件的地區(qū)應采用數(shù)學模型計算，計算中降雨歷時應為長歷時。發(fā)達國家一般根據(jù)服務面積，確定降雨歷時，通常采用3～24 h。如校核結(jié)果不符合要求，應調(diào)整設(shè)計，包括放大管徑、增設(shè)滲透設(shè)施、建設(shè)調(diào)蓄管道或調(diào)蓄池等。在設(shè)計內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期下，雨水管渠按壓力流計算，即雨水管渠應處于超載狀態(tài)。

城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治的主要目的是將降雨期間的地面積水控制在可接受的范圍，因此滿足內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期的標準包括地面積水深度和最大允許退水時間標準。

地面積水深度標準有兩點規(guī)定，一是居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進水；二是道路中一條車道的積水深度≤15 cm。當路面積水深度＞15 cm時，車道可能因機動車熄火而完全中斷，標準要求能保證城鎮(zhèn)道路不論寬窄，在內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期下，至少有一車道能夠通行。發(fā)達國家和我國部分城市已有類似的規(guī)定，如美國丹佛市規(guī)定：當降雨重現(xiàn)期為100年一遇時，非主干道路中央的積水深度不應超過30 cm，主干道路和高速公路中央不應有積水。上海市規(guī)定積水深度超過道路立緣石（立緣石一般高出路面10～20 cm）即為市政道路積水。

最大允許退水時間標準是指雨停后的地面積水的最大允許排干時間，因為道路積水對城市不同區(qū)域的影響不同，因此，可以根據(jù)不同的城區(qū)類型分別確定最大允許退水時間，而對于交通樞紐這樣對道路積水特別敏感的區(qū)域，最大允許退水時間應采取措施進一步縮短。上海市是全國最先規(guī)定雨停后退水時間的，并從最初要求的≤2 h調(diào)整到≤1 h；天津市的排除積水實踐經(jīng)驗為40～50 mm/h雨后1～3 h，60～70 mm/h雨后3～6 h；浙江省地方標準對積水時間進行了詳細的規(guī)定，中心城區(qū)重要地區(qū)≤0.5 h，中心城區(qū)≤1 h，非中心城區(qū)2 h。

2 建設(shè)高質(zhì)量污水與徑流污染控制系統(tǒng)

改革開放40年，我國的城市建設(shè)日新月異，但城市排水系統(tǒng)得不到正常的建設(shè)和維護，城市管網(wǎng)系統(tǒng)雨污混接、破損淤積嚴重，造成污水管網(wǎng)的有效收集不夠，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國污水處理水量逐年增加，2017年全國污水處理量是2007年的3.2倍，但由于進水濃度降低，2017年COD削減量僅為2007年的2.7倍。

同時城市雨水徑流污染沒有得到有效控制，由于污水系統(tǒng)在設(shè)計的時候沒有考慮到這部分水量，從而造成大量截流或調(diào)蓄收集的受污染雨水，最終無法輸送到污水處理廠處理達標后排放，而是在廠前或污水提升過程中溢流排放，造成水環(huán)境污染。因此污水系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)應與海綿城市建設(shè)中徑流污染控制目標和要求接軌，將受污染的雨水徑流，即截流的雨水輸送和處理納入其中。

2.1 應建設(shè)完全的污水收集系統(tǒng)

2010年作者就撰寫文章提出要逐步消除雨污混接，分析了上海市排水系統(tǒng)雨污混接現(xiàn)象，將混接類型主要歸納為系統(tǒng)間混接、系統(tǒng)內(nèi)管道混接、小區(qū)管道混接和住宅內(nèi)部混接4類，還要加強管理，消除洗車排擋等污水直接進入雨水管道。隨后國家地方的規(guī)范標準陸續(xù)關(guān)注由于設(shè)計不當造成的混接問題，并加以修編。國家標準《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014）在2011年局部修訂中，新增條文內(nèi)容，強調(diào)“雨水管道系統(tǒng)和合流管道系統(tǒng)之間不應設(shè)置連通管道”，以避免由設(shè)計造成的系統(tǒng)間混接；國家標準《住宅設(shè)計規(guī)范》（GB 50096）在2011年全面修訂時，新增規(guī)定“洗衣機設(shè)置在陽臺上時，其排水不應排入雨水管”；上海市地方標準《住宅設(shè)計標準》（DGJ 08-20）在2013年全面修訂時，也相應增加了規(guī)定“陽臺雨水應排入污水系統(tǒng)并應采取防臭措施”。因此，2011年之后建設(shè)的大多數(shù)住宅建筑已能在設(shè)計階段避免造成雨污混接。

但是，城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的混接在很多已建成系統(tǒng)中仍然存在，同時建設(shè)周期或管理過程中的不合規(guī)操作也造成新的混接。目前城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)混接中的重災區(qū)，包括管網(wǎng)河網(wǎng)混接、雨污系統(tǒng)混接和建筑小區(qū)混接。

（1）管網(wǎng)河網(wǎng)混接。主要指排水管網(wǎng)和河網(wǎng)之間的混接，大多是因合流制排水系統(tǒng)沿河截流工程設(shè)計不當，引起合流制系統(tǒng)排水管網(wǎng)和河網(wǎng)的混接，其結(jié)果是在雨季，當河水水位上漲時倒灌進入截流系統(tǒng)，致使上游的截流污水輸送不暢而溢流入河，同時大量河水進入截流系統(tǒng)，造成污水處理廠進水濃度偏低。

（2）雨污系統(tǒng)混接。雨污系統(tǒng)之間的混接主要是由于目前許多地區(qū)合流制和分流制排水系統(tǒng)并存，部分系統(tǒng)之間仍存在將合流管道和分流制雨水管道相連的現(xiàn)象；還有不少城市的合流制排水系統(tǒng)和分流制排水系統(tǒng)合用一根污水干管，分流制位于合流制的上游，在雨季，當下游污水泵站由于后續(xù)污水系統(tǒng)流量限制或其他原因不能按設(shè)計水位運行時，污水截流管可能處于滿管流狀態(tài)，下游頂托造成上游泵站輸送來的旱流污水從截流管進入截流井，進而溢流至雨水系統(tǒng)，實質(zhì)上造成不同排水體制系統(tǒng)間的混接。

（3）建筑小區(qū)混接。建筑小區(qū)（包括企事業(yè)單位）的雨污混接是城鎮(zhèn)雨污混接的重災區(qū)，因為市政管網(wǎng)系統(tǒng)的責任主體還是相當明確，也開始開展大量的管網(wǎng)普查摸清底數(shù)的工作，而建筑小區(qū)的底數(shù)更難摸清。上海中心城區(qū)某區(qū)8個分流制排水系統(tǒng)，共查出583個混接點，混接水量13 825.14 m³/d，其中小區(qū)混接點273個，混接水量11 365.94 m³/d，個數(shù)占比46.91%，水量占比82.21%，而小區(qū)混接中，又以陽臺污水的混接最為嚴重。

城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)混接問題是我國城市水環(huán)境治理必須面對的“頑疾”，行業(yè)主管部門和從業(yè)人員應充分認識到混接改造工作的重要性和艱巨性，從現(xiàn)場調(diào)查、工程建設(shè)、技術(shù)研發(fā)、標準制定、目標管理等各項工作著手，堅持不懈地推進各種混接改造目標的達成，配合對公眾環(huán)保知識的宣傳和環(huán)保意識的培養(yǎng)，消除排水系統(tǒng)的雨污混接現(xiàn)象，建設(shè)完全的污水收集系統(tǒng)，為城市水環(huán)境治理和污水系統(tǒng)提質(zhì)增效提供支撐。

2.2 污水處理廠應對雨天流量的經(jīng)驗

許多國家無論合流制還是分流制排水系統(tǒng)，污水干管和污水處理廠的設(shè)計中除處理旱季流量之外，都預留部分雨季流量的處理能力，根據(jù)當?shù)貧夂蛱攸c、污水系統(tǒng)收集范圍、管網(wǎng)質(zhì)量，雨季設(shè)計流量可以是旱季流量的3～8倍。

2.2.1 美國

美國鹿島污水處理廠位于馬薩諸塞州，其服務范圍內(nèi)有超過50%的區(qū)域為合流制排水系統(tǒng)，因此該污水處理廠進水流量隨降雨量變化較為明顯，詳見圖1。

為滿足美國NPDES（國家污染物排放削減）許可證對污染物排放量為服務范圍內(nèi)的合流制溢流污染控制問題，該污水處理廠日均設(shè)計流量為137萬m³/d（361×106加侖/d），雨季最大設(shè)計流量為52.6 m³/s（1 200 ×106加侖/d），而二級處理設(shè)計能力最高達到265萬m³/d（700 ×106加侖/d），約為日均設(shè)計流量的2倍。由圖1可知，鹿島污水處理廠的二級處理能力基本能滿足大多數(shù)降雨期間的入廠流量全量處理。

2.2.2 英國

英國為削減合流制區(qū)域的雨天溢流和分流制區(qū)域徑流污染，確定了最大允許暴雨溢流（排放）量。對于合流制地區(qū)，要求污水設(shè)施足以應對旱季流量的晝夜峰值加上日降雨25 mm以下產(chǎn)生的額外流量，污水處理廠最大處理量和最大允許暴雨溢流排放量之間還存在6.5倍生活污水量的差值，需要進行調(diào)蓄。對于分流制地區(qū)，雨天徑流污染控制的目標是，2倍于旱季污水流量（除去地下水入滲量）的徑流不能直接放江，而應該通過截流、調(diào)蓄和處理后才排放。

2.2.3 日本

日本大阪市為削減合流制排水系統(tǒng)雨天溢流污染，在2002～2006年開始啟動“合流制排水系統(tǒng)溢流污染控制緊急對策”，合流制排水系統(tǒng)雨天污染物排放標準，由最初的BOD5≤70 mg/L改為BOD5≤40 mg/L。采取的工程措施包括建設(shè)雨水調(diào)蓄池、調(diào)整雨天污水處理廠處理工藝和利用放水路調(diào)蓄雨水等措施。同時在合流污水溢流排放口增設(shè)過濾裝置，減少固體雜質(zhì)的排放。

雨季污水處理廠進水流量為旱流污水的3倍（3Q），傳統(tǒng)處理工藝是3Q的流量經(jīng)過初沉后，2Q的流量被排放，1Q的流量進入后續(xù)生化處理單元。大阪市采取的新措施是多點進水，1Q的流量進入生物處理前端，2Q的流量進入生物處理后段。

結(jié)果表明，采用該工藝，進水流量在1.48Q～4.62Q時，出水SS 和BOD5分別可達到9.3 mg/L和7.7 mg/L的控制目標。另外大阪市還擬將污水處理廠初沉池由平流式改為斜板沉淀池，從而減小處理合流污水所需沉淀池的容積，多余空地建設(shè)專門處理雨水的沉淀池。

因此在污水系統(tǒng)設(shè)計能力和污水處理廠工藝選擇上，系統(tǒng)考慮雨季進入污水系統(tǒng)的受污染徑流的雨水量，是削減合流制溢流污染和暴雨排江污染的關(guān)鍵措施。

2.3 旱季設(shè)計流量和雨季設(shè)計流量

我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》在污水處理處理構(gòu)筑物流量設(shè)計中明確規(guī)定合流制處理構(gòu)筑物的提升泵站、格柵、沉砂池應按合流水量設(shè)計，但是沒有明確提出雨季設(shè)計流量的概念，特別是二級處理系統(tǒng)，規(guī)定是按照旱流污水量設(shè)計，必要時考慮一定的合流水量，而大多數(shù)污水處理廠，為確保出水水質(zhì)達標，一般在二級處理前就把超過設(shè)計流量的部分直接超越溢流了，因此，目前我國的污水系統(tǒng)基本沒有應對雨天流量的能力。

為保障污水系統(tǒng)提高應對雨天流量的能力，切實提高合流制系統(tǒng)截流倍數(shù)，減少雨天溢流污染，有必要在污水系統(tǒng)旱季設(shè)計流量的基礎(chǔ)上，提出雨季設(shè)計流量的概念。

顯然，對于合流制系統(tǒng)，雨季設(shè)計流量就應該是截流后的合流污水量，而分流制污水系統(tǒng)的雨季設(shè)計流量，應在旱季設(shè)計流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)對徑流污染控制設(shè)施的調(diào)查，增加相應的截流雨水量。

在設(shè)計過程中，應從污水管道、泵站、污水處理廠各構(gòu)筑物和污泥處理系統(tǒng)考慮旱季設(shè)計流量和雨季設(shè)計流量的協(xié)調(diào)。比如，對于分流制污水管道，應按旱季設(shè)計流量進行設(shè)計，并按雨季設(shè)計流量校核，校核的時候可采用滿管流；對于分流制污水泵站的設(shè)計流量，應按泵站進水總管的旱季設(shè)計流量確定，其總裝機流量應按泵站進水總管的雨季設(shè)計流量確定；對于分流制雨水泵站，雨污分流不徹底、短時間難以改建或考慮徑流污染控制的地區(qū)，雨水泵站中宜設(shè)置污水截流設(shè)施，輸送至污水系統(tǒng)進行處理達標排放；對于污水處理廠污水處理構(gòu)筑物，提升泵站、格柵、沉砂池和深度處理，均應按雨季設(shè)計流量計算，初次沉淀池和二級處理系統(tǒng)，應按旱季設(shè)計流量設(shè)計，雨季設(shè)計流量校核，管渠應按雨季設(shè)計流量計算；當二級處理系統(tǒng)不能滿足要求的時候，也可參考國外的做法，在廠內(nèi)增設(shè)調(diào)蓄設(shè)施，應對雨季設(shè)計流量；對于處理截流雨水的污水系統(tǒng)，其污泥處理處置設(shè)施的規(guī)模應統(tǒng)籌考慮相應的污泥增量，可在旱流污水量對應的污泥量上增加。

3 結(jié)語

排水工程是城鎮(zhèn)居民生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的生命線，是保障公眾身體健康、水環(huán)境質(zhì)量和水安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，排水工程包括雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)，基于海綿城市建設(shè)理念的排水工程設(shè)計需要進一步增強系統(tǒng)性、整體性和協(xié)同性，遵循從源頭到末端的全過程管理和控制，雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)相互配合、有效銜接，建設(shè)完善的合流制排水系統(tǒng)，通過截流、調(diào)蓄和處理等措施，提高截流能力并結(jié)合源頭減排，控制溢流污染；建設(shè)完全的分流制排水系統(tǒng)，消除雨污混接，通過提升污水系統(tǒng)的收集和處理能力，實現(xiàn)對城鎮(zhèn)所有用水過程產(chǎn)生的污染水和受污染雨水徑流的全收集、全處理。實現(xiàn)保護水生態(tài)、改善水環(huán)境、保障水安全、提高水資源利用的目標，服務于新時代城鎮(zhèn)發(fā)展的需要。

原標題:給水排水 |水業(yè)導航：基于海綿城市建設(shè)理念的排水工程設(shè)計