基于海绵城市理念的市政排水工程设计探讨

基于海绵城市理念的市政排水工程设计探讨

周长波 许润

长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北 武汉 430074

摘要：针对海绵城市理念在排水理念、高效水资源管理、高质量污染控制上对市政排水工程设计提出的新要求，探讨了海绵城市理念下，市政排水工程在排水分区划定、水资源集约化利用、污染物系统性控制、城市水系和排水设施系统整合方面设计的要点。

关键词：海绵城市；市政排水工程；设计；污染物

引言：水乃生命之源，生产之基，是构建海绵城市的核心要素。城市作为人类征服和改造自然最明显的地方，人水关系相伴相生，人类既受益于水带来的经济社会发展和人居环境改善，又承受城市内涝、水体黑臭、洪灾、干旱等水问题。处理好城市与水的关系是海绵城市理念的目标，也是城市高质量发展的必然要求。

1 海绵城市与市政排水工程

1.1 海绵城市

海绵城市是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式^[1]。其既是一种城市形态，又是一种关于雨、水及雨洪管理和生态环境治理的哲学、理论、方法和技术体系^[2]，本质是通过低影响开发，解决城镇化与资源环境的协调发展，让城市“弹性适应”环境变化和自然灾害^[3]。

1.2 市政排水工程

市政排水工程就是用完善的管渠系统及泵站、处理厂等各种设施，将城镇各种污水和雨水，进行收集、输送、处理和利用的工程^[4]。其基本任务是保护环境免受污染，实现污水和雨水的无害化和资源化利用，促进工农业生产的发展和保障人民的健康与正常生活。

1.3 海绵城市与市政排水工程的关系

海绵城市是生态文明建设背景下，基于城市水文循环，提出的一种重塑城市、人、水新型关系的新型城市发展理念^[5]，其工程技术措施包含“渗、滞、蓄、净、用、排”六个方面，是对传统市政排水系统的补充和完善，而市政排水工程是城市专项工程组成。相较于传统市政排水工程中的“快排”模式，海绵城市更注重对水资源的调蓄和利用，通过加强在源头上的控制而减轻城市排水系统的压力和减少系统末端排放量，系统地解决城市水安全、水资源和水环境问题。

2 传统市政排水工程设计的局限性

2.1 设计理念与城市高质量发展要求不协调

传统市政排水工程设计理念上雨水以排为主，污水以末端收集和处理为主。该理念引发了一些城市内涝频发却又严重缺水，一些城市虽建设了大量污水收集和处理设施而水环境问题严重的特有城市现象。水利高质量发展要求坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，城市高质量发展强调人与自然和谐共生，均要求转变传统市政排水工程设计理念，要求把雨水和污水资源化利用，并统筹城市污染物的产生或过程控制，以实现水资源、污染物的系统性精细化控制。

2.2 系统性不足

传统的市政排水工程具有单一性，工程设计方面注重以管渠、泵站等设施来解决片区的排水问题，以“快速排除”和“末端集中”控制为主要措施。这种对局部需求的刚性响应缺少对水资源和污染物的系统性控制，缺少对气象水文和环境变化的弹性适应，难以实现工程和经济效益的有效平衡，又容易因雨水超标导致城市内涝以及径流污染和污水收集不全导致水环境恶化等问题。实际上，市政排水工程是一项系统性水资源和污染物的控制工程，应涵盖从源头产生、过程处理、末端排放和资源化利用的全过程控制，应与防洪抗旱、水资源利用、水环境治理、生态景观以及城市基础设施建设紧密结合。

2.3 现实问题凸显又难以有效解决

传统城市规划是粗放式的，利用土地的高强度开发来实现人口和产业的快速聚集。这种思路下的规划过程往往片面追求土地价值，大量侵占山水林田湖草沙的生态空间，使得水资源的自然调蓄功能严重萎缩，对具有景观功能的水系片面追求大水面、高水位，阻碍了雨水的自然调蓄和下泄。加之屋顶、地面硬化的增加改变了原有的水文特征，致使排水强度加大，加剧了城市暴雨内涝和径流污染。对水资源的管理利用又缺少系统规划，“九龙治水”现象普遍，防洪、给水、污水、雨水、景观、河道治理和水资源保护等各成体系，排水格局受限。排水工程建设受资金限制标准偏低，雨污分流、正本清源、径流污染控制等问题难以兼顾。

3 海绵城市建设对市政排水工程设计的新要求

3.1 设计理念转变

新时期海绵城市建设要求坚持以人民为中心的发展思想，深入贯彻绿色发展理念，践行生态文明建设，统筹区域山水林田湖草沙冰生命共同体，为社会经济高质量发展提供保障。在设计理念上，要求市政排水工程准确把握城市治水主要矛盾变化，从传统以排为主的设计理念转变为水资源的高效利用和精细化管理，尊重自然，体现生态，系统谋划，采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种举措对城市区域水的产生、利用和排放进行全过程控制和管理。

3.2 高效水资源管理要求

海绵城市要求市政排水工程打破水利、市政行业界限，统筹城市范围水的产生、利用和排放全过程，对水资源进行科学管理。具体体现在：① 城市水文结合经验公式，科学评价城市范围内水的时空分布和变化规律。要求对城市河流水系和水通道、气象、径流、洪水和泥沙等水文要素进行分析和评价，系统反应城市降雨、径流产生、洪水形成等规律，弄清内涝、城市热岛、降雨等城市特有现象成因；② 水资源优化配置替代水资源粗放式排泄。要求在系统分析城市区域内/外水资源总量、可供水量及其年内分布规律，统筹河道内/外农业、非农业以及生态环境用水需求，开展水资源供需平衡分析，优水优用角度明确水资源时空分布调整、行业分配等配置需求的基础上，合理确定排水要求。

3.3 高质量污染控制要求

海绵城市建设强调了生态环境保护和绿色发展理念，要求市政排水工程对城市污染物的产生和削减进行系统性控制。具体体现在：① 污染物产生全过程控制替代污水和径流污染单方面控制。要求以污染物的削减和系统性控制为根本目的，统筹流域城镇和农村全部污染物产生过程，以水功能区控制目标和城市受退水区污染物排放总量为边界，合理确定分区排水和污染物削减处理要求；② 污染物全过程削减替代终端污水厂末端削减。以分区排水和污染物削减目标要求为指导，统筹下垫面海绵体配置和分单元污染物削减要求及河流水系自净要求，合理确定分区域、分断面入河污染量时空分布要求以及市政污水排水系统末端污水处理单元处理要求。

4 海绵城市下的市政排水工程设计指引

4.1 排水分区划定

海绵城市理念指引下的排水分区不同于传统以高程为控制的汇水边界，应作为市政排水工程规划设计的首要问题研究。建议的排水分区划定应综合城市国土空间规划、行政、水功能区、考核断面、高程、水资源分布、污染物产生、城市管理要求等综合确定，应便于理论计算和划定管控边界，并有利于工程经济性。还需注意不同降雨条件下和不同系统对应的排水分区边界的动态变化，并重视分区末端排水口与受纳水体之间的连接性分析^[6]。

4.2 水资源集约化利用

做好城市水资源的集约化利用设计，包括：① 城市水资源供需平衡确定用水量。其一，做好需水量预测。需水量按河道内、外分别计算，应在节水优先前提下合理确定用水指标。河道外需水按生活、工业、农业和河道外生态环境需水分类进行，用水过程应根据供水企业近年供水情况决定。河道内需水指河道内生态环境用水，应由水生生态需水、河道景观需水和环境需水等综合确定。该需水量不应小于水利行业规定的河道基本生态流量且应反应用水过程。其二，做好水资源量核算。对城市区域内、外水源（蓄、引、提工程）以及中水可供水量进行计算，并考虑不同水文年来水变化差异。其三，做好供需平衡。供需平衡可按河道内、外分别进行，体现优水优用。河道内生态环境用水应优先保障，河道外应在满足河道内用水后二次复核水源可供水量，而中水的处理则是重点。② 分区水资源优化配置确定排水总量。其一，在供需平衡基础上，做好雨水和污水的资源化利用分区规划。其二，做好总量和过程管控规划。雨水控制排水总量和排水过程的非均匀性以及洪水、内涝产生水量，污水则控制排水总量。

4.3 污染物系统性控制

做好污染物控制设计，包括：① 污染物总量核定。其一，做好污染物分类计算。包括点源和面源污染，应涵盖城镇生活生产集中排放污水、城镇地表初期雨水径流、农村禽畜养殖、农村面源、农田径流、灌溉退水携带污染量等。其二，做好入河、入污水管网污染物量计算。入河污染量应考虑城市下垫面削减及河道自净去除污染量。入污水管网污染量应考虑产业差异，粗略计算时可采用人均指标；② 污染物分区控制单元划分。分区控制单元的划分应结合排水分区进行，并考虑各控制单元与水功能区划单元和考核断面的衔接，明确排或减的功能定位；③ 下垫面污染物削减目标拟定。根据径流分析、污染物总量和分区管控要求，明确污染物削减目标要求，以此指导城市下垫面自净能力提升目标要求和径流系数等控制性指标选择；④ 下垫面海绵体组合配置。涉及绿色屋顶、植草沟、生物滞留设施等海绵体类别配置、自身污染物削减效能及组合运行效能评估等。采用MIKE等软件进行径流和污染物的数模理论计算，辅以实际监测分析是必要的。

4.4 城市水系和排水设施系统整合

城市水系和排水设施如同人体之血管，是连通海绵城市各海绵体的基本骨架，承载城市水资源的媒介，又可理解为受纳、输送、存蓄、利用看得见的水的非工程或工程措施。海绵城市理念下，两者趋于径流和污染控制的末端控制，需要在水资源集约化利用和污染物系统性控制要求下统筹考虑，明确功能定位。鉴于近年长历时高强度降雨呈增加趋势，城市内涝频发，应处理好源头减排、排水管渠、排涝除险^[7]三个方面，做好高标准雨水和内涝防治的系统性规划设计。城市水系的首要功能规划仍是防洪，其次是水生态、水文化、水景观要素的挖掘。排水设施应系统性纳入下垫面海绵体、雨污排水管渠、调蓄设施和末端污水处理厂等，按照径流或污染控制的功能定位予以构建。

结语：传统以排、泄、末端治理为理念的市政排水工程在海绵城市体系下已有局限性，也与城市高质量发展对水资源、水污染的精细化控制要求不相符。笔者认为各生产要素的科学管理和精细化控制是社会发展的必然要求，海绵城市理念也仅是提供了一种城市范围的以水资源为主城市管理形态。内涝、径流污染等城市问题已要求迫切要求市政排水工程从理论层面进行重塑，源头、过程和末端兼顾，更需要系统性。实际规划设计中，海绵城市理念和排水工程的有机结合仍有大量技术问题有待探索，诸如城市水资源的时空分配调整和利用、城市污染物量计算及削减目标确定、基于城市生态环境用水的水资源优化配置、下垫面海绵体的优化配置等。

参考文献：

[1]海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建[S]. 住房城乡建设部, 2014年10月.

[2]俞孔坚, 等. 海绵城市——理论与实践[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016: 序一.

[3]张智, 龙腾跃. 排水工程 上册（第五版）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 国家市场监督管理总局. GB 50014-2021室外排水设计标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 2021.

[5]王绍斌. 南方地区海绵城市规划设计案例分析研究[J]. 建筑工程技术与设计, 2018, (26):46～47.

[6] 杨正, 李俊奇, 王文亮等. 对海绵城市建设中排水分区相关问题的思考[J]. 中国给水排水, 2018, 34(22):1～7.

[7]张辰. 基于海绵城市建设理念的排水工程设计[J]. 给水排水, 2020, 45(6):1～5.

作者简介：

周长波，男，汉族，工程师，硕士研究生，室主任，主要从事污水处理新技术及其设备、水环境方向研究，email：dihan1988@126.com，Tel：17786372385