种植屋面虹吸排水系统在土壤低渗透性条件下的应用探讨

“渗透”是海绵城市的重点技术之一，将大地比作一块能吸水的海绵，在大雨时利用裸露土体和透水铺装的渗透性，雨水渗透入土壤中，可以有效排涝并且补充地下水，旱季时这些水分又可以通过蒸腾作用回到地面，形成水系统的生态循环，这一系列过程都离不开土壤的渗透性。低渗透性土壤（黏土）的特点是肥力高、含水量大，但是渗透性能较差，并且会随着土壤含水量的增加而下降，直至趋于饱和。这类土壤广泛分布于我国长江以南的低山丘陵区，如江西、安徽、江苏及广东、福建等地，在这些地区如套用以渗透为主的海绵城市技术对城市内涝的改善将收效甚微，甚至会对植物产生水淹、破坏等负面影响。因此，针对低渗透性土壤进行相应海绵城市技术的研究，对于扩大海绵城市技术的应用范围具有重要作用。

01

土壤低渗透性地区的海绵城市建设策略

根据目前国内海绵城市技术的应用经验，在土壤低渗透性的地区大面积使用渗透性铺装的效果较其他地区要差，因此，此类地区应侧重考虑以“蓄、排、净”为主及土壤改良方面的技术应用。

分散与集中的原则

黏土地区的海绵城市技术应考虑在小尺度、碎片化的地域条件下改良局部土壤的渗透性，采用下沉式绿地、集水装置进行分散式集中与导流，再将雨水通过净化、生物滞留等措施导入区域范围较大、地势较低且相对集中的涵水区，形成以“蓄、排、净”为主、渗透为辅的海绵城市系统。

土壤局部改良

在小面积区域，土壤局部改良以提高土壤的渗透性为主。然而，渗透度的控制非常重要，当渗透性较低时，雨水无法快速渗透，易造成植物水淹；当渗透度较高时，土壤含水率和养分含量过低，无法满足植物生长需求。根据实践经验，作为生物滞留净化设施，土壤的渗透性能一般控制在24 h内能够完全渗透为宜。

虹吸补偿器的设置

设计中应充分利用黏性土壤的低渗透性，在部分面积较大、相对集中的低洼区域，以自然池底为基础建立湿塘，作为调蓄水源的生态设施。如此，一部分雨水会通过土壤渗透到地下，另一部分雨水会滞留在地面，通过地上和地下两种措施相结合，在景观低洼区（图1）或硬质铺装带（图2）合理地设计虹吸补偿点，通过层层净化处理，将截断一部分地表雨水，使之合理导入地下，与地下虹吸防护排水系统形成有机联动，通过合理补偿使系统迅速形成满管流，从而保证雨水的高效排放与回收利用。

图1 景观绿化虹吸补偿点做法示意

图2 硬质铺装虹吸补偿设施做法示意

02

形成和恢复虹吸排水的措施

在种植顶板施工现场，虹吸管的前端供水主要是来自土壤渗透雨水，当渗透雨水远达不到供水管顶部且排水管无水时，如何形成虹吸现象就成为问题，以下介绍4种形成和恢复虹吸排水的方法。

排水管灌水法

通过室内试验，只在排水管中灌水，当 H（水头差）＞Z（虹吸高度），即可形成自然的虹吸现象；当H=Z，则供水管内的空气会储存在虹吸管顶部，进水管和排水管中的水处于平衡而不会形成虹吸现象。通过不同虹吸高度排水管的灌水试验（图3），H≥Z+0.5 m能顺利地形成虹吸排水现象。

（a）虹吸现象1

（b）虹吸现象2

图3 虹吸试验

虹吸补偿法

采用虹吸补偿法的目的是当满足Z＞H时，利用虹吸补偿让整根虹吸管内充满水。使用时只需将补偿器和虹吸管顶部联接，对排水管和进水管分别灌水。

压水法

压水法是在虹吸管出口附近接上高压手动泵，往虹吸管中压水，当虹吸管水满后即卸去泵，就形成虹吸作用。

吸水法

吸水法采用的设备也是高压手动泵，只是连接水泵水管与压水法相反。由于泵的抽吸作用有限，只有当地下水位很高、虹吸排水管较短而顺直时，方可采用吸水法形成虹吸排水。

在现场应用中，虹吸补偿器法和压水法较为常用，而虹吸补偿器法已在种植顶板防排水工程实践中被证明是行之有效的。

03

河北邢台绿城诚园虹吸防排水设计

绿城-诚园项目位于河北省邢台市太行路与学院路交叉口东北处，年均降雨量446.6 mm、年均蒸发量1 424.6 mm，土壤以棕红、黄棕亚黏土、黏土为主，含水层多为风化中粗砂，透水性差。项目总建筑面积为28.3万m2，其中车库种植顶板面积约62 024 m2，顶板虹吸防排水面积约为47 230 m2，种植顶板平均覆土深度约为1.6 m。

由于项目场地结构底板排水方向为由北至南向，根据项目建设主体布局及西高东低的地势特点，将排水方向设置在项目东侧，并设置了7个虹吸管出水口、20个虹吸补偿器和12个虹吸排水检查井，形成完备的排水系统（图4）。项目车库种植顶板防水采用2 mm厚非固化橡胶沥青防水涂料+1.5 mm厚压敏反应型自粘耐根穿刺防水卷材，侧墙防水采用单层1.5 mm厚压敏反应型自粘防水卷材。

图4 低渗透区种植顶板虹吸防排水工艺技术流程图

04

河北邢台绿城诚园海绵城市设计

利用土壤的低渗透性形成具有景观效果的旱湿两用的调蓄塘（图5）。根据观测，该水塘土壤的渗透力较低，四季均有积水、偶有干涸，积水深度根据气候情况在 300~500 mm 之间，峰值蓄水量约 500 m3，设计利用现有地形进行疏导改造，将周边雨水都汇聚于此，利用土壤的低渗透性进行储水和渗透，周边设计植物和自然岸线，池底铺设卵石和适应旱湿环境的水生植物，形成旱湿两用的景观调蓄塘。

图5 景观旱湿两用调蓄塘改造

巧用微地形下设海绵城市集水净水设施（图6），在蓄水塘两侧形成下沉式绿地和暗藏蓄水模块的临水广场，绿地下部改良土壤以增强土壤的渗透性，设置截污型雨水口和蓄水模块，并与净水设备和雨水回用设备结合使用，达到雨水的存留、净化和回用功能。

图6 景观微地形条件下集水设施的利用

保留一部分现状植被，形成旱湿两宜的景观效果，结合下沉式绿地（图7），形成良好景观，让自然与人文在这里交汇，展现住宅小区的人文气息、自然气息与生态气息。

图7 现有植被与下沉式绿地结合形成景观

开发屋顶花园，充分利用屋顶绿化作为小区集水第一步，并设置特色储水桶（图8），结合净水设施，在屋顶进行就地回用，有效地减少雨水的地表径流。

图8 储水桶

设置生物滞留带（图9），局部改良土壤，有效解决车库顶板雨水排放与储存的问题。在滞留带区域局部改良土壤，增强土壤的渗透性，采用乔灌草结合的方式，利用耐湿的禾本科植物和地被植物将雨水截流至调蓄塘，再通过管道进入蓄水模块，多余的雨水则流入城市管网，形成雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”的良好功能。

图9 生物滞留带形成水塘

通过地表与地下功能相结合，在低渗透土壤条件下，布置虹吸补偿器（图10），雨水经透水铺装渗入土壤，通过路侧的开口路缘石，汇入下凹式绿地与植草沟，经生物滞留带层层截污和过滤，进入虹吸补偿器，利用前端卵石和不锈钢过滤装置二次过滤，清洁的雨水通过虹吸补偿器导入地下虹吸防护排水槽，最后经末端的虹吸雨水管高效排入雨水收集池。雨水存储后，通过净化、消毒可就地用于景观补水、道路浇洒、绿化浇灌及清洗杂用。

图10 虹吸排水式绿色屋顶结构