羅立娜，吳 鋒，張智鑫，譚 磊，林燦城，李榮智

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000)

2012年4月“海綿城市”概念在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中首次被提出。在2013 年12月12日的《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》中，習(xí)近平總書記就針對(duì)城市給排水系統(tǒng)的講話中強(qiáng)調(diào):“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市。”2015年4月2日，以通州區(qū)和延慶區(qū)等作為先行海綿理念示范區(qū)的16個(gè)城市開始試點(diǎn)建設(shè)。21世紀(jì)以來，海綿城市理念先后在市區(qū)路面建設(shè)工程、公共公園、綠色植物園等中得到應(yīng)用與發(fā)展。海綿城市有一定的先進(jìn)性、獨(dú)特性和有效性，本質(zhì)上海綿城市理念旨在實(shí)現(xiàn)回歸自然、順應(yīng)自然、與自然的可持續(xù)發(fā)展。在保障市區(qū)水生態(tài)圈安全的基石上，以最小能源損耗方式開發(fā)新型給排水系統(tǒng)的構(gòu)建，改變過往城市建設(shè)的弊端與不完善的發(fā)展理念，推動(dòng)新型城市的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)人、城市與自然和諧共處的生態(tài)發(fā)展模式。海綿城市理念屬于新型城市在建設(shè)與實(shí)踐中衍生的新理念，也將成為我國近些年來解決雨水出路和水資源可持續(xù)利用的必由之路。

隨著國家對(duì)城市交通建設(shè)投入力度的逐漸增大，國內(nèi)地鐵車輛段建設(shè)數(shù)量、改建、擴(kuò)建等工程也隨之增多。絕大多數(shù)的城市軌道交通線路位于地面以下，運(yùn)行線路相當(dāng)于處在一個(gè)相對(duì)密閉的空間，地鐵與外界連通的途徑只有通過風(fēng)井、出入口及線路洞口等形式。一個(gè)地鐵區(qū)間隧道給排水系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，關(guān)乎到這一整段地鐵列車的安全運(yùn)營(yíng)。在城市發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，洪水也將優(yōu)先進(jìn)入地鐵內(nèi)部，并在外部地面條件未受影響的情況下，迅速波及地鐵整個(gè)連通區(qū)域，造成設(shè)備破壞等直接經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存大部分城市的給排水系統(tǒng)，初期設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮地鐵排水系統(tǒng)與區(qū)間土建結(jié)構(gòu)、軌道等相關(guān)專業(yè)的接口協(xié)調(diào)，且近乎全部的降水都依賴著市政排水管網(wǎng)，導(dǎo)致大部分的地下車站在投入運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)比較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)滲水現(xiàn)象，甚至部分城市還出現(xiàn)市政水管破裂后，未能控制好車站頂板、側(cè)墻防水設(shè)施質(zhì)量，導(dǎo)致車站站廳、站臺(tái)出現(xiàn)較大的滲水現(xiàn)象，給乘客出行帶來了不便。因此，在排水系統(tǒng)良好輸流條件的前提下，對(duì)地鐵給排水系統(tǒng)進(jìn)行革新成為了當(dāng)前地鐵排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。

1 現(xiàn)狀分析

地鐵建設(shè)項(xiàng)目的給排水設(shè)計(jì)在整體上既有普通建筑工程項(xiàng)目的共性，又有其作為一種地鐵工程設(shè)計(jì)的特色。地鐵運(yùn)營(yíng)處于相對(duì)封閉的環(huán)境中，且人員流動(dòng)大，存在重大安全隱患，一旦發(fā)生問題，搶救工作困難且人力、資金損失巨大。地鐵的給排水系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)，主要分為給水和排水兩個(gè)系統(tǒng)。

1.1 給水系統(tǒng)

地鐵給水系統(tǒng)的主要作用是為地鐵提供日常所涉及的各種用水，主要由生活用水(車站乘客、工作人員等日常用水)、生產(chǎn)用水(地鐵機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)補(bǔ)水、水泵類用水)與消防用水3大部分組成；一般情況下，地鐵給水系統(tǒng)會(huì)將生活、生產(chǎn)和消防分成獨(dú)立的系統(tǒng)，3個(gè)系統(tǒng)之間不會(huì)彼此進(jìn)行交接。地鐵給水系統(tǒng)主要由具備市政供水條件的管網(wǎng)(市政供水)、不具備市政供水條件的管網(wǎng)(自備井供水)兩個(gè)供水網(wǎng)供水；且在市政供水中，車站水源一般由兩路不同市政的管道供給，其中一路供給消防用水，另外一路分別供給生活、生產(chǎn)和消防用水，如圖1所示。

圖1 具備條件的管道網(wǎng)(市政供水)

在車站每一個(gè)供水網(wǎng)上又分為生活水管網(wǎng)、消防水管網(wǎng)兩大部分，生活水管網(wǎng)在車站內(nèi)布置成枝狀分布，消防水管網(wǎng)在車站與其車站區(qū)間內(nèi)形成一個(gè)環(huán)狀網(wǎng)分布，如圖2所示。

圖2 不具備條件的管道網(wǎng)(自備井供水)

1.2 排水系統(tǒng)

地鐵排水系統(tǒng)的主要作用是將污染水源從地鐵地段中排出，主要包括日常生活污水(衛(wèi)生間與澡房污水)、機(jī)組設(shè)備廢水、天窗雨水及地鐵站臺(tái)滲水，可分為排泄污水系統(tǒng)、機(jī)組廢水系統(tǒng)與站臺(tái)雨水系統(tǒng)3部分組成，采用遞進(jìn)式排水方式。在地鐵站臺(tái)雨水系統(tǒng)中，車站會(huì)設(shè)置有相應(yīng)的雨水泵房、地面排水口與排水溝等雨水處理設(shè)備。地鐵雨水通過站臺(tái)排水溝直接排放或者經(jīng)由排水口集聚后，從排水管道流入道心，再流入排泄污水系統(tǒng)或站外溝渠；雨水經(jīng)管道進(jìn)入雨水泵房后，通過市政排水管道進(jìn)入市政污水泵房。在機(jī)組廢水系統(tǒng)中，車站常設(shè)相應(yīng)的廢水泵房、排水口與站外壓水井等廢水處理設(shè)備。工作原理:各項(xiàng)符合條件的廢水均由地漏匯集，經(jīng)排水管道網(wǎng)進(jìn)入污水泵房，再經(jīng)過廢水加壓井加壓加能進(jìn)入其它管道網(wǎng)。在排泄污水系統(tǒng)中，車站常會(huì)設(shè)有相應(yīng)的污水泵房、站外壓水井、化糞池與聚水池等污水處理設(shè)備。各項(xiàng)符合條件的污水均會(huì)通過管道進(jìn)入污水泵房，由污水壓力井加壓加能進(jìn)入其它管道網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 地鐵排水系統(tǒng)

在污水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)中的廢水與污水進(jìn)入不同的排水管網(wǎng)，分為以下2種情況：①具備市政條件。廢水：車站廢水由車站廢水泵及局排水泵排至車站外的壓力廢水井，再經(jīng)檢查井后匯入市政污水管道網(wǎng)。污水：車站污水由車站污水泵排至站外污水井，后流入站外化糞池，再匯入市政污水管網(wǎng)。②不具備市政條件。廢水：車站廢水由局排水泵排至站外壓力廢水井，后經(jīng)檢查井流入站外溝渠。污水：車站污水通過重力流匯入站外化糞池。

2 給排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署

地鐵給排水工程建設(shè)重點(diǎn)在于“全”，在注重整體工程的同時(shí)，也囊括到設(shè)備間最大限度使用率工程、水資源保護(hù)專項(xiàng)工程等，將給排水系統(tǒng)、注意事項(xiàng)與過程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化體現(xiàn)，集全部數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理、信息交互協(xié)作等功能于一體，輔助地鐵工程建設(shè)單位管理設(shè)計(jì)與決策，促進(jìn)各路工作全面有效落實(shí)。具體設(shè)計(jì)部署如下：

(1)空調(diào)專業(yè)負(fù)責(zé)處理設(shè)備用水量、排水量與給排水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)房屋建筑設(shè)計(jì)專業(yè)負(fù)責(zé)用房面積設(shè)計(jì)與給排水及水消防設(shè)備布置。

(3)給排水專業(yè)負(fù)責(zé)地鐵地段區(qū)的排水口、廢水泵房、雨水泵房和污水泵房的地漏處與車站雨水溝槽的位置、尺寸及坡度。

(4)機(jī)電、配電等專業(yè)負(fù)責(zé)電線至各用電點(diǎn)控制柜處，給排水及消防設(shè)備電纜及數(shù)據(jù)電纜的布局?jǐn)[放。

通過地鐵工程建設(shè)管理分配，搭建多單位協(xié)作平臺(tái)，以數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總分析為紐帶，把握地鐵各線段給排水工作重點(diǎn)，清單化管理需落實(shí)的事項(xiàng)，按體系梳理措施實(shí)施情況，高效協(xié)作完成地鐵給排水系統(tǒng)的建設(shè)工作。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)按照GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、RFJ 02—2009《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》、國家或地方其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，依托于精密算法、模糊控制算法為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，充分整合虛擬化資源與基礎(chǔ)給排水設(shè)施資源，以虛擬運(yùn)維平臺(tái)為核心，從環(huán)境可視化、設(shè)施可視化、配線可視化、容量可視化、管線可視化等多種視角為數(shù)據(jù)中心全方位構(gòu)建三維可視化運(yùn)維服務(wù)管理體系，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展、能源最大利用化以及數(shù)據(jù)中心日常運(yùn)維工作的電子化、規(guī)范化、流程化，使管理者在系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)中心能夠隨時(shí)追蹤整個(gè)系統(tǒng)與各個(gè)管線的運(yùn)行狀態(tài)，并以最快的速度完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與智慧城市綜合管理平臺(tái)的信息交互，實(shí)現(xiàn)地鐵新型給排水系統(tǒng)全過程分析和響應(yīng)。

一般情況下，系統(tǒng)收集風(fēng)亭、車站進(jìn)出口的雨水及區(qū)間隧道滲漏雨水，經(jīng)沉淀后，通過水泵泵至地面出水口，再經(jīng)過濾槽過濾后，灌溉地表層植被。如遇火災(zāi)，可通過高壓水泵泵入?yún)^(qū)間消防管或地面出水口，實(shí)施滅火作業(yè)。如遇暴雨、大暴雨天氣，降水量超出市政雨水管道的排水能力時(shí)，地面降水可通過裝有雨水篦子的進(jìn)水口流入地鐵新型給排水系統(tǒng)，并暫時(shí)積存在系統(tǒng)的蓄水沉淀池內(nèi)，直至達(dá)到警戒線后關(guān)閉進(jìn)水口，待強(qiáng)降水過后將存積水泵至市政雨水管道或地面綠化帶。如遇洪水涌入地鐵，可通過高壓水泵將涌入地鐵的洪水直接泵出至地面。工作原理及基本架構(gòu)如圖4、5所示。

2.3 出水口裝置設(shè)計(jì)

地鐵現(xiàn)有給排水系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水資源的高效回收利用，本文在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)后，基于海綿城市理念結(jié)合地鐵智慧給排水系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型出水口裝置，如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)工作原理

圖5 系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)基本架構(gòu)

圖6 地鐵新型給排水系統(tǒng)出水口裝置

出水口裝置位于地面綠化帶內(nèi)，通過管道連接地鐵泵房，運(yùn)維平臺(tái)根據(jù)監(jiān)控信息判斷旱、澇及火災(zāi)情況，將地鐵內(nèi)泵房水泵至地面用于灌溉、排洪或消防。主導(dǎo)管配有加壓裝置，發(fā)生洪災(zāi)或火災(zāi)時(shí)可通過加壓將泵房?jī)?nèi)的水排出地面；雨水淡季或干旱時(shí)，泵房?jī)?nèi)的積存水通過主導(dǎo)管延伸出的側(cè)管泵出，進(jìn)入小型蓄水容器，再經(jīng)過內(nèi)外壁夾層中陶粒對(duì)水中顆粒懸浮物的吸附凈化，形成灌溉水，滿足地表植被生長(zhǎng)的需求。出水口裝置連接地鐵給排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“智慧”排水，泵房積水通過凈化處理用于灌溉，更好地貫徹了綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，裝置耐用、維護(hù)簡(jiǎn)單，后期損壞易更換。

2.4 輔助排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證地鐵排水系統(tǒng)在洪澇、漏水等特殊時(shí)期下能正常運(yùn)行，在地鐵排水系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中補(bǔ)充同層次的輔助排水系統(tǒng)，提升排水效率，其工作流程如圖7所示。

圖7 輔助排水工作流程

輔助排水系統(tǒng)是基于地鐵新型給排水系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)的一種新型排水系統(tǒng)，包括設(shè)置于地上的污水監(jiān)測(cè)器以及安裝于所述污水檢測(cè)器上端的太陽能電池板、設(shè)置于地面的地漏；地漏內(nèi)安裝有控制地漏孔開啟與閉合的控制組件，控制組件受控于地上的污水檢測(cè)器、設(shè)置于地下的排污器、太陽能蓄電池、污水加壓器以及安裝于污水加壓器的水箱，水箱側(cè)面均與排水管道連通，頂端開口與污水加壓器連通。該輔助排水系統(tǒng)在運(yùn)作期間，通過地上的污水監(jiān)測(cè)器進(jìn)行運(yùn)作或關(guān)閉。排污器開啟時(shí)，可經(jīng)位于地面的智能地漏對(duì)地面污水產(chǎn)生一定的吸力，加快污水由地漏進(jìn)水孔流入排水管道，再通過污水加壓器對(duì)污水加壓，由排水管道出口進(jìn)入市政排水系統(tǒng)或者地鐵排水系統(tǒng)，加速后的污水廢水能一定程度上解決排水管道常常出現(xiàn)的堵塞問題，保證市政排水系統(tǒng)的通暢。輔助排水系統(tǒng)能起到將地面污水快速排掉及疏通市政排水管道的效果，具結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 地鐵輔助排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5 蓄水沉淀池設(shè)計(jì)

蓄水沉淀池主要利用蓄積污水、廢水與雨水，并充分利用重力、離心力等作用來除去水中的懸浮物以及一些有害物質(zhì)，兼有蓄水積存和水質(zhì)凈化的功能，是地鐵新型給排水系統(tǒng)重要組成部分。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐罔F經(jīng)濟(jì)水平和發(fā)展條件，并對(duì)可能出現(xiàn)的危情進(jìn)行綜合分析。在地形、氣候和環(huán)境條件適宜的情況下，根據(jù)雨水綜合利用法對(duì)蓄水池建筑容積進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)降雨量、廢棄流動(dòng)率、徑流速度系數(shù)及匯水面積等各種參數(shù)相結(jié)合，計(jì)算所需要的蓄水沉淀池容量表達(dá)式為：

V=(hy-δ)ψcF/1000

(1)

式中，V—蓄水池容積，m3；hy—設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(降雨量)，mm；δ—初期雨水棄流量，mm；ψc—雨量徑流系數(shù)；F—匯水面積，m2。

依據(jù)式1可計(jì)算出蓄水池建筑容積值，綜合考慮地鐵建設(shè)中人力物力投入與技術(shù)要求等參數(shù)衡量構(gòu)建地鐵新型排水系統(tǒng)的蓄水沉淀池。

新型地鐵給排水系統(tǒng)的蓄水沉淀池采用磁電凈水技術(shù)，選用新型納米級(jí)帶磁性混絮劑，通過改變?cè)须s質(zhì)膠體性質(zhì)后，促進(jìn)雜質(zhì)以磁介質(zhì)作為核心進(jìn)行凝聚結(jié)合，在絮凝劑、攪拌等作用下使晶體聚集增大，而后進(jìn)入最后工藝。強(qiáng)磁分離凈水磁電凈水技術(shù)可以有效地解決水中的沉淀物及一些有害物質(zhì)。實(shí)踐應(yīng)用表明，對(duì)TR的去除率可達(dá)到40%，對(duì)COD的去除率可達(dá)到45%，對(duì)有害物質(zhì)的去除率可達(dá)到95%，相比傳統(tǒng)凈水工藝，直接處理成本降低35%。此外，該磁電凈水技術(shù)所用的吸附劑可以重復(fù)回收利用，符合海綿城市的可持續(xù)發(fā)展理念。

圖9 蓄水沉淀池結(jié)構(gòu)

地鐵排水系統(tǒng)的污水廢水在初沉池進(jìn)行初步處理后，經(jīng)增壓泵作用下開始進(jìn)入磁電凈水的第一道工藝，通過加藥區(qū)提供的帶磁性物質(zhì)與帶新型納米級(jí)帶磁性混絮劑，在攪拌機(jī)的機(jī)械攪拌下，雜質(zhì)與帶磁性物質(zhì)形成微磁絮狀晶體；含有微磁絮狀晶體的水再次在增壓泵作用下進(jìn)入磁電凈水的第二道工藝強(qiáng)磁分離機(jī)。在磁性物質(zhì)回收系統(tǒng)的強(qiáng)磁吸引作用下，目標(biāo)水源將會(huì)實(shí)現(xiàn)一種固液分離現(xiàn)象，含有微磁絮狀晶體的污泥通過排泥管道處理回收，重新投加、重復(fù)利用，其余分離出來的液體則進(jìn)入磁電凈水的第三道工藝，在最后一個(gè)砂濾池中進(jìn)一步處理過濾后，排放到市政管網(wǎng)或者地鐵管網(wǎng)。

本文以新型納米級(jí)帶磁性混絮劑的回收率為評(píng)定指標(biāo)，蓄水沉淀池可持續(xù)性能表達(dá)式為：

(2)

式中，ε—磁介質(zhì)回收率，%；α0—磁回收設(shè)備入料磁性物含量；α1—磁回收設(shè)備吸附物磁性物含量；α2—磁回收設(shè)備尾泥磁性物含量。上述公式的新型納米級(jí)帶磁性混絮劑的回收率數(shù)據(jù)通過一系列查表試算求出。

本文以溫州市西片污水處理廠進(jìn)行取樣并提純，以式2計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)的帶磁性混絮劑回收率，計(jì)算結(jié)果見表1。

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)對(duì)比并預(yù)測(cè)帶磁性混絮劑回收率軌跡分布率，如圖10所示。結(jié)合表1與圖10分析，可得出在采用磁電凈水技術(shù)并保持對(duì)有害物質(zhì)的去除率可達(dá)95%的情況下，對(duì)帶磁性混絮劑回收率也均達(dá)到99.50%以上。

3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)互融共通。利用地鐵沿城市主干道布設(shè)的特點(diǎn)，將地鐵給排水系統(tǒng)和海綿城市建設(shè)相結(jié)合，通過采用保護(hù)性干預(yù)技術(shù)，對(duì)水資源進(jìn)行綠色處理、分散蓄滯、緩釋慢排和合理利用，實(shí)現(xiàn)綠化、排澇、消防的功能，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”。

表1 帶磁性混絮劑回收率

圖10 帶磁性混絮劑回收率軌跡分布率

(2)信息共享。地鐵運(yùn)維智慧智能海綿城市系統(tǒng)通過地鐵運(yùn)維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)各個(gè)地鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和綜合分析，將這些地鐵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息都上傳至完全可視化的海綿城市地下地鐵管線上并綜合利用運(yùn)營(yíng)社會(huì)管理信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地鐵信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，使之更加有效地綜合優(yōu)化了地鐵資源配置，節(jié)約了地鐵社會(huì)管理費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本，提高了地鐵信息基礎(chǔ)資源的綜合利用率。

(3)有機(jī)結(jié)合。在切實(shí)確保我國城市地下排水和防汛安全的基本條件前提下，充分與蓄水沉淀池、系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)等其它基礎(chǔ)設(shè)備“有機(jī)結(jié)合”，來管理和組織地表排水與調(diào)蓄功能，綜合有效地調(diào)配地鐵資源配置，使之達(dá)到最大使用效果，從而改善我國城市水環(huán)境污染和達(dá)到節(jié)約能源高效率的目標(biāo)。

4 結(jié)語

系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)能大幅度提高地鐵新型給排水工程的設(shè)計(jì)精度及覆蓋度，全面并有效地解決地鐵水資源的流量與水壓力的均勻分布問題，進(jìn)一步提升地鐵設(shè)施的最大使用率。出水口裝置、蓄水沉淀池、輔助排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)運(yùn)維控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，有效解決傳統(tǒng)地鐵給排水常見問題，清除地鐵生活污水排放堵塞現(xiàn)狀，杜絕污染廢水的再次污染，提高地鐵日常運(yùn)行質(zhì)量。本文提出的地鐵新型給排水系統(tǒng)將推動(dòng)地鐵工程建設(shè)與城市建設(shè)工作的深度融合，推進(jìn)海綿城市理念朝軌道交通建設(shè)方向發(fā)展，助力未來智慧城市建設(shè)。