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雨水處理及回用在德國海綿城市排水系統中的應用
發(fā)布日期:2017/4/13 8:42:28

  海綿城市建設是我國近年來(lái)市政供排水領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題,在海綿城市建設的摸索和實(shí)踐過(guò)程中,圍繞“滲、滯、蓄、凈、用、排”的理念落實(shí)和技術(shù)創(chuàng )新一直是一線(xiàn)技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)所關(guān)注的焦點(diǎn)。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(huì )上的報告為基礎,整理提煉出德國在海綿城市建設中的一些做法和經(jīng)驗,為國內同行提供借鑒。


  近年來(lái),隨著(zhù)極端降雨事件的頻發(fā)和氣候變化現象的突出,世界各地頻繁發(fā)生城市內澇現象,部分國家和地區因此導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(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)生因暴雨所導致的內澇現象,并集中體現在地下鐵車(chē)站、地道、地下停車(chē)庫等排水不便的地勢低點(diǎn)。


  研究認為,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。北美地區有研究顯示,如今北美地區每年日降雨量達到強降雨水平(降雨強度最高的5%)的天數相比20世紀已有顯著(zhù)增長(cháng),按趨勢推斷至2100年,隨著(zhù)氣候變暖的不斷加劇,強降雨發(fā)生的概率還將進(jìn)一步增加,且上升速率呈加速趨勢,見(jiàn)圖1所示。城市現代化的建設導致地面硬化率逐年上升,高地表徑流量減少了雨水通過(guò)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和污水處理廠(chǎng)的負擔。

 

 



圖1 北美地區強降雨預測

 

  1德國海綿城市排水系統的變革


  “海綿城市”(Sponge Cities)可以通過(guò)生態(tài)途徑,以自然的方式調蓄、凈化及排放雨水,是治水的全新理念,詮釋了一種規劃設計城市的生態(tài)方式,其理念見(jiàn)圖2所示。過(guò)去25年里,德國通過(guò)對城市內澇現象的不斷反思和總結,提出了一系列排水系統變革的方向。

 

 



圖2 海綿城市理念示意圖

 

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


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


  1.1改良型城市合流制排水系統


  改良型合流制排水系統指將工業(yè)廢水、生活污水和道路雨水合流后,經(jīng)污水處理廠(chǎng)處理后達標排放。暴雨期間,在污水處理廠(chǎng)前設置溢流裝置,直接排放入受納水體。與傳統合流制排水系統不同的是,改良型合流制排水系統不包括建筑屋面雨水徑流,屋面徑流一部分通過(guò)明渠直排入受納水體,另一部分通過(guò)地表滲濾的方式轉移到土壤中。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(guò)對強降雨期間的排水情況研究,分析了合流制系統中雨水徑流的典型分布,如圖4所示,圖中明確顯示,即便強降雨期間,送往污水處理廠(chǎng)的水量也應當控制在一定限值之下(圖中ZurKl?ranlage區域),超出部分的水量則主要通過(guò)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)調蓄、雨水調蓄池等設施起到了至關(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(chǎng) Regendauer:降雨歷時(shí)

圖4 合流制系統中雨水徑流的典型分布

 

 

  1.2改良型城市分流制排水系統


  改良型分流制排水系統將雨水和污水完全分流。工業(yè)污水和生活污水匯總后統一進(jìn)入污水處理廠(chǎng)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(guò)管網(wǎng)收集至雨水調蓄設施后,排放入受納水體;建筑屋面徑流則分別通過(guò)明渠排放到受納水體,以及通過(guò)地表滲濾的方式轉移到土壤中。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,因此強降雨對污水處理廠(chǎng)的影響總體不大。


  通過(guò)排水系統的改進(jìn),特別是將建筑屋面雨水徑流部分獨立,對通過(guò)地表滲濾消納雨水徑流提出的較高的要求,但同時(shí)也帶來(lái)了一系列顯著(zhù)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(chǎng)的負擔;(3)雨水處理設備可小型化,減少設備投資和工程投資;(4)通過(guò)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)對補充地下水系有積極作用。


  2德國雨水處理及回用的應用


  2.1德國雨水處理及回用的基本理念


  無(wú)論是改良型合流制排水系統或是改良型分流制排水系統,均單獨將建筑屋面徑流單列,不與污水處理廠(chǎng)系統混接,大大減少了雨水徑流對城市污水處理廠(chǎng)的負擔。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(lèi);集中處理措施包括改良式分流排水、交通密集區雨水滲濾及排放、儲存及雨水處理三類(lèi),需要根據不同城市的規劃、建設情況以及所處地理位置、氣候條件等客觀(guān)情況進(jìn)行合理的選擇,但總體而言,大致理念相同,見(jiàn)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用案例


  2.2.1屋頂綠化


  德國大量應用屋頂綠化技術(shù)用于對雨水的滯留,對于延后洪峰有顯著(zhù)效果。在屋頂綠化的具體實(shí)施過(guò)程中,根據建筑物的屋頂形式,和所在地區的客觀(guān)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?,并應用礫石填料,在實(shí)現將一部分初期雨水滯留的同時(shí),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(shí)例見(jiàn)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(huì )用。建筑物內一般會(huì )設置雨水收集和回用系統。屋面雨水經(jīng)天溝收集后,經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)程中,通過(guò)泵從雨水收集罐中取水,可直接用于洗衣用水、洗車(chē)用水和沖廁等,即“灰水”系統。經(jīng)研究調研發(fā)現,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(guò)補充自來(lái)水來(lái)實(shí)現家庭的沖廁和洗衣需求,隨著(zhù)夏季來(lái)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(mǎn)足日常沖廁需要,六月份后進(jìn)入雨季,所收集雨量可同時(shí)滿(mǎn)足沖廁和洗衣的需求,九月后雨量逐漸減少,但仍可基本滿(mǎn)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示意圖及“灰水”水平衡示意見(jiàn)圖9和圖10。

 

 



圖9 德國家庭雨水收

 

  集和回用系統示意圖 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(zhù)名的波茨坦廣場(chǎng)索尼中心(Sony-Center,Potsdamer Platz, Berlin)屋頂面積為5000m2,設置有900m3體積大小的雨水儲水罐,所收集的雨水用于建筑物內的沖廁,并用于周邊綠化的澆灌以及消防儲水,可節約大量的自來(lái)水資源。


  2.2.3透水路面


  為實(shí)現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(guò)建設透水性路面(pervious pavement)、設立植被滲雨區(grass dump)以及加裝地下的雨水滯留裝置實(shí)現。在易積水地區,進(jìn)一步通過(guò)滲透沼澤(infiltration swale)和溝渠滲透(subsurface ditch in)的形式強化滲透效果。


  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)調蓄收集,如圖11所示。2015年5月15日漢堡市遭遇強降雨,以該道路為例,道路雨水通過(guò)坡降快速匯集于中央的生態(tài)調蓄系統,有效減少了路面積水狀況,也緩解了排水系統的洪峰壓力。

 

 



圖11 利用道路面進(jìn)行生態(tài)調蓄收集(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(huì )存在洼地等易于積水的地區。德國越來(lái)越多地將土壤滲透作為雨水深度處理的一種方式,并主要應用于具有較大空間條件的城市邊緣地區或農村地區。


  這些用于土壤滲透的場(chǎng)所在旱季時(shí)為下沉式公共綠地,降雨時(shí)通過(guò)周邊坡降的設計,雨水自然匯集,起到短時(shí)儲水的效果,雨水通過(guò)土壤向地下滲透,同時(shí)對雨水起到凈化和過(guò)濾效果。在德國常見(jiàn)的合流制和分流制系統中,土壤滲透作為雨水深度處理的案例,普遍應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結論


  城市排水的發(fā)展是一個(gè)各專(zhuān)業(yè)配合協(xié)調發(fā)展的過(guò)程,需要與城市發(fā)展相關(guān)的專(zhuān)家協(xié)作努力,包括污水廠(chǎng)設計師、城市規劃師和交通道路規劃師等等。其中消除內澇隱患為首要任務(wù),在此基礎上實(shí)現對雨水資源的回收利用,是城市雨洪管理的重要目標,其中所涉及的宏觀(guān)政策制訂、整體總體規劃、技術(shù)優(yōu)化和應用,仍有大量工作要做。德國在城市排水系統改革發(fā)展過(guò)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(cháng)、國際水質(zhì)協(xié)會(huì )和國際水協(xié)會(huì )執行理事、德國DWA協(xié)會(huì )主任、德國聯(lián)邦環(huán)境咨詢(xún)委員會(huì )顧問(wèn)等職務(wù),曾獲德意志聯(lián)邦共和國總統特別頒發(fā)的“一級功勛十字勛章”,現兼任上海市住房與城鄉建設和管理委員會(huì )科學(xué)技術(shù)委員會(huì )海外委員、《凈水技術(shù)》雜志社編委等。


  在眾多媒體的報道中,德國排水系統一直被作為“城市的良心”被廣為傳頌。然而德國在降低內澇風(fēng)險方面也曾經(jīng)歷過(guò)很多彎路,通過(guò)反復實(shí)踐和探索,逐步形成了內澇防治和雨水綜合利用為指導的改良型排水體系。其應用經(jīng)驗和技術(shù)成果,對正在摸索中的中國“海綿城市”建設有較好的參考意義。

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