【大家之言】Max Dohmann教授谈雨水处理及回用在德国海绵城市排水系统中的应用
小编导读
海绵城市建设是我国近年来市政供排水领域关注的重点问题，在海绵城市建设的摸索和实践过程中，围绕“渗、滞、蓄、净、用、排”的理念落实和技术创新一直是一线技术研究和产品研发所关注的焦点。本期《大家之言》以2016年12月12日德国亚琛工业大学Max Dohmann教授在上海住建委科技委学术报告会上的报告为基础，整理提炼出德国在海绵城市建设中的一些做法和经验，为国内同行提供借鉴。
近年来，随着极端降雨事件的频发和气候变化现象的突出，世界各地频繁发生城市内涝现象，部分国家和地区因此导致了不同程度的财产损失甚至死亡事件。以德国为例，2011年8月在不莱梅（Bremen），2012年在慕尼黑（Munich），2013年6月在富尔达（Fulda），2015年6月在登茨林根（Denzlingen），2016年5月在奥伯豪森（Oberhausen）以及同年6月在美茵河畔法兰克福（Frankfurt am Main），都先后发生因暴雨所导致的内涝现象，并集中体现在地下铁车站、地道、地下停车库等排水不便的地势低点。
研究认为，暴雨频发的情况除受到降雨频率和气候变化的组合影响外，还主要受地区水平衡的改变，以及城市化对自然水循环的干扰等影响。北美地区有研究显示，如今北美地区每年日降雨量达到强降雨水平（降雨强度最高的5%）的天数相比20世纪已有显著增长，按趋势推断至2100年，随着气候变暖的不断加剧，强降雨发生的概率还将进一步增加，且上升速率呈加速趋势，见图1所示。城市现代化的建设导致地面硬化率逐年上升，高地表径流量减少了雨水通过土壤下渗的总量，也减少了土壤水分的蒸发量，加大了城市排水系统和污水处理厂的负担。
图1 北美地区强降雨预测
“海绵城市”（Sponge Cities）可以通过生态途径，以自然的方式调蓄、净化及排放雨水，是治水的全新理念，诠释了一种规划设计城市的生态方式，其理念见图2所示。过去25年里，德国通过对城市内涝现象的不断反思和总结，提出了一系列排水系统变革的方向。
图2 海绵城市理念示意图
总体而言，德国应对雨洪管理所采取的措施包括以下几类：（1）降低路面不透水性以减少雨水径流；（2）将雨水根据被污染程度进行分流；（3）增加雨水渗滤；（4）强化雨水储存和处理并加强雨水资源利用，其核心在于雨水处理和雨污分流。
为了有效实现雨污分流，德国重点推行改良型城市合流制排水系统（Urban drainage with modified combined sewerage system）和改良型城市分流制排水系统（Urban drainage with modified separated sewerage system）两种系统。
改良型合流制排水系统指将工业废水、生活污水和道路雨水合流后，经污水处理厂处理后达标排放。暴雨期间，在污水处理厂前设置溢流装置，直接排放入受纳水体。与传统合流制排水系统不同的是，改良型合流制排水系统不包括建筑屋面雨水径流，屋面径流一部分通过明渠直排入受纳水体，另一部分通过地表渗滤的方式转移到土壤中。改良型城市合流制排水示意如图3。
图3 改良型城市合流制排水
通过对强降雨期间的排水情况研究，分析了合流制系统中雨水径流的典型分布，如图4所示，图中明确显示，即便强降雨期间，送往污水处理厂的水量也应当控制在一定限值之下（图中ZurKläranlage区域），超出部分的水量则主要通过土壤渗透、雨水储存或溢流排放入受纳水体等方式予以消纳，包括道路生态调蓄、雨水调蓄池等设施起到了至关重要的作用。
Regenabfluß：雨水径流量 Speicher：蓄水量 Vorfluter：回用量
Zur Kläranlage：污水处理厂 Regendauer：降雨历时
图4 合流制系统中雨水径流的典型分布
改良型分流制排水系统将雨水和污水完全分流。工业污水和生活污水汇总后统一进入污水处理厂处理排放。雨水径流分建筑屋面径流和道路径流两部分，道路径流通过管网收集至雨水调蓄设施后，排放入受纳水体；建筑屋面径流则分别通过明渠排放到受纳水体，以及通过地表渗滤的方式转移到土壤中。改良型城市分流制排水示意如图5。
图5 改良型城市分流制排水
与合流制不同，分流制完全将雨水管网和污水管网分流，因此强降雨对污水处理厂的影响总体不大。
通过排水系统的改进，特别是将建筑屋面雨水径流部分独立，对通过地表渗滤消纳雨水径流提出的较高的要求，但同时也带来了一系列显著的成效：（1）减少排水管道的交错；（2）减轻污水管道和污水处理厂的负担；（3）雨水处理设备可小型化，减少设备投资和工程投资；（4）通过地表渗滤减少径流直排受纳水体，减少了对地表水系的污染；（4）对补充地下水系有积极作用。
无论是改良型合流制排水系统或是改良型分流制排水系统，均单独将建筑屋面径流单列，不与污水处理厂系统混接，大大减少了雨水径流对城市污水处理厂的负担。对于屋面雨水径流，除一部分利用地表渗滤的方式予以消纳外，另一部分则主要采用储存和再利用的方式予以消纳。根据建筑物的分布状况，一般情况下，屋面雨水收集储存和处理措施可分为分散处理措施（decentral measures）和集中处理措施（central measures）。分散式处理措施包括绿色屋顶滞留雨水、土壤渗滤、雨水收集回用三类；集中处理措施包括改良式分流排水、交通密集区雨水渗滤及排放、储存及雨水处理三类，需要根据不同城市的规划、建设情况以及所处地理位置、气候条件等客观情况进行合理的选择，但总体而言，大致理念相同，见图6所示。在雨水处理方面，针对雨水的污染情况，提出了未污染（uncontaminated）雨水不处理，轻污染（slightly contaminated）雨水一般需要处理，严重污染（highpolluted）雨水必须进行处理的原则。
图6 建筑屋面雨水消纳的基本原理
德国大量应用屋顶绿化技术用于对雨水的滞留，对于延后洪峰有显著效果。在屋顶绿化的具体实施过程中，根据建筑物的屋顶形式，和所在地区的客观情况，一般推荐采用密集型（intensive roof greenery）和粗放型（extensive roofgreenery）。密集型屋顶绿化一般采用0°的屋面倾斜度，一般承重为165~350 kg/m²，绿化分布较为紧密，将雨水尽量滞留在屋面，对初期雨水的滞留效果更好；粗放型屋顶绿化一般采用5°~15°的屋面倾斜度，屋面承重为25~50kg/m²，并应用砾石填料，在实现将一部分初期雨水滞留的同时，也保证了暴雨期间雨水的速排。密集型和粗放型屋顶绿化实例见图7和图8。
图7 密集型屋顶绿化
图8 粗放型屋顶绿化
德国鼓励公共建筑和居民对雨水进行收集并会用。建筑物内一般会设置雨水收集和回用系统。屋面雨水经天沟收集后，经过过滤装置，储存于建筑物雨水收集罐，溢流部分进行排放。日常用水过程中，通过泵从雨水收集罐中取水，可直接用于洗衣用水、洗车用水和冲厕等，即“灰水”系统。经研究调研发现，德国家庭的冲厕用水量一般在120L/d，如叠加上洗衣用水，一般在160L/d。根据德国平均的雨水收集情况分析，每年一月到五月相对降雨较少，所收集的雨水量一般小于120L/d，仍需要通过补充自来水来实现家庭的冲厕和洗衣需求，随着夏季来临雨量逐渐增加，五月中下旬起家庭所收集的雨水量已可满足日常冲厕需要，六月份后进入雨季，所收集雨量可同时满足冲厕和洗衣的需求，九月后雨量逐渐减少，但仍可基本满足日常冲厕和部分洗衣的需要。德国家庭雨水收集和回用系统示意图及“灰水”水平衡示意见图9和图10。
图9 德国家庭雨水收集和回用系统示意图 图10 德国“灰水”水平衡示意图
德国在公共建筑领域，雨水的回收利用也较为普遍，柏林著名的波茨坦广场索尼中心（Sony-Center,Potsdamer Platz, Berlin）屋顶面积为5000m2，设置有900m3体积大小的雨水储水罐，所收集的雨水用于建筑物内的冲厕，并用于周边绿化的浇灌以及消防储水，可节约大量的自来水资源。
为实现土壤对雨水的直接消纳，德国在降低路面硬化率方面作了大量的工作，主要通过建设透水性路面（pervious pavement）、设立植被渗雨区（grass dump）以及加装地下的雨水滞留装置实现。在易积水地区，进一步通过渗透沼泽（infiltration swale）和沟渠渗透（subsurface ditch in）的形式强化渗透效果。
在城市道路整体的排水解决方案方面，汉堡市（Hamburg）已有较为成熟的案例，主要利用道路面进行生态调蓄收集，如图11所示。2015年5月15日汉堡市遭遇强降雨，以该道路为例，道路雨水通过坡降快速汇集于中央的生态调蓄系统，有效减少了路面积水状况，也缓解了排水系统的洪峰压力。
图11 利用道路面进行生态调蓄收集（汉堡市）
由于存在坡降和海拔差异，城市中难免会存在洼地等易于积水的地区。德国越来越多地将土壤渗透作为雨水深度处理的一种方式，并主要应用于具有较大空间条件的城市边缘地区或农村地区。
这些用于土壤渗透的场所在旱季时为下沉式公共绿地，降雨时通过周边坡降的设计，雨水自然汇集，起到短时储水的效果，雨水通过土壤向地下渗透，同时对雨水起到净化和过滤效果。在德国常见的合流制和分流制系统中，土壤渗透作为雨水深度处理的案例，普遍应用于合流制改善溢流雨水水质，和分流制处理路面被污染雨水。
城市排水的发展是一个各专业配合协调发展的过程，需要与城市发展相关的专家协作努力，包括污水厂设计师、城市规划师和交通道路规划师等等。其中消除内涝隐患为首要任务，在此基础上实现对雨水资源的回收利用，是城市雨洪管理的重要目标，其中所涉及的宏观政策制订、整体总体规划、技术优化和应用，仍有大量工作要做。德国在城市排水系统改革发展过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经验，可作为参考，供中国海绵城市工作者们学习和了解。
历任亚琛工业大学土木工程学院院长、国际水质协会和国际水协会执行理事、德国DWA协会主任、德国联邦环境咨询委员会顾问等职务，曾获德意志联邦共和国总统特别颁发的“一级功勋十字勋章”，现兼任上海市住房与城乡建设和管理委员会科学技术委员会海外委员、《净水技术》杂志社编委等。
在众多媒体的报道中，德国排水系统一直被作为“城市的良心”被广为传颂。然而德国在降低内涝风险方面也曾经历过很多弯路，通过反复实践和探索，逐步形成了内涝防治和雨水综合利用为指导的改良型排水体系。其应用经验和技术成果，对正在摸索中的中国“海绵城市”建设有较好的参考意义。
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