罗立娜，吴 锋，张智鑫，谭 磊，林灿城，李荣智

(广州铁路职业技术学院，广东 广州 510000)

2012年4月“海绵城市”概念在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中首次被提出。在2013 年12月12日的《中央城镇化工作会议》中，习近平总书记就针对城市给排水系统的讲话中强调:“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市。”2015年4月2日，以通州区和延庆区等作为先行海绵理念示范区的16个城市开始试点建设。21世纪以来，海绵城市理念先后在市区路面建设工程、公共公园、绿色植物园等中得到应用与发展。海绵城市有一定的先进性、独特性和有效性，本质上海绵城市理念旨在实现回归自然、顺应自然、与自然的可持续发展。在保障市区水生态圈安全的基石上，以最小能源损耗方式开发新型给排水系统的构建，改变过往城市建设的弊端与不完善的发展理念，推动新型城市的可持续发展建设，从而实现人、城市与自然和谐共处的生态发展模式。海绵城市理念属于新型城市在建设与实践中衍生的新理念，也将成为我国近些年来解决雨水出路和水资源可持续利用的必由之路。

随着国家对城市交通建设投入力度的逐渐增大，国内地铁车辆段建设数量、改建、扩建等工程也随之增多。绝大多数的城市轨道交通线路位于地面以下，运行线路相当于处在一个相对密闭的空间，地铁与外界连通的途径只有通过风井、出入口及线路洞口等形式。一个地铁区间隧道给排水系统能否正常运行，关乎到这一整段地铁列车的安全运营。在城市发生洪涝灾害时，洪水也将优先进入地铁内部，并在外部地面条件未受影响的情况下，迅速波及地铁整个连通区域，造成设备破坏等直接经济损失，甚至人员伤亡。经调研发现，现存大部分城市的给排水系统，初期设计时未充分考虑地铁排水系统与区间土建结构、轨道等相关专业的接口协调，且近乎全部的降水都依赖着市政排水管网，导致大部分的地下车站在投入运营后出现比较严重的结构渗水现象，甚至部分城市还出现市政水管破裂后，未能控制好车站顶板、侧墙防水设施质量，导致车站站厅、站台出现较大的渗水现象，给乘客出行带来了不便。因此，在排水系统良好输流条件的前提下，对地铁给排水系统进行革新成为了当前地铁排水系统优化设计的一个重要课题。

1 现状分析

地铁建设项目的给排水设计在整体上既有普通建筑工程项目的共性，又有其作为一种地铁工程设计的特色。地铁运营处于相对封闭的环境中，且人员流动大，存在重大安全隐患，一旦发生问题，抢救工作困难且人力、资金损失巨大。地铁的给排水系统是一个非常复杂且庞大的系统，主要分为给水和排水两个系统。

1.1 给水系统

地铁给水系统的主要作用是为地铁提供日常所涉及的各种用水，主要由生活用水(车站乘客、工作人员等日常用水)、生产用水(地铁机器设备系统补水、水泵类用水)与消防用水3大部分组成；一般情况下，地铁给水系统会将生活、生产和消防分成独立的系统，3个系统之间不会彼此进行交接。地铁给水系统主要由具备市政供水条件的管网(市政供水)、不具备市政供水条件的管网(自备井供水)两个供水网供水；且在市政供水中，车站水源一般由两路不同市政的管道供给，其中一路供给消防用水，另外一路分别供给生活、生产和消防用水，如图1所示。

图1 具备条件的管道网(市政供水)

在车站每一个供水网上又分为生活水管网、消防水管网两大部分，生活水管网在车站内布置成枝状分布，消防水管网在车站与其车站区间内形成一个环状网分布，如图2所示。

图2 不具备条件的管道网(自备井供水)

1.2 排水系统

地铁排水系统的主要作用是将污染水源从地铁地段中排出，主要包括日常生活污水(卫生间与澡房污水)、机组设备废水、天窗雨水及地铁站台渗水，可分为排泄污水系统、机组废水系统与站台雨水系统3部分组成，采用递进式排水方式。在地铁站台雨水系统中，车站会设置有相应的雨水泵房、地面排水口与排水沟等雨水处理设备。地铁雨水通过站台排水沟直接排放或者经由排水口集聚后，从排水管道流入道心，再流入排泄污水系统或站外沟渠；雨水经管道进入雨水泵房后，通过市政排水管道进入市政污水泵房。在机组废水系统中，车站常设相应的废水泵房、排水口与站外压水井等废水处理设备。工作原理:各项符合条件的废水均由地漏汇集，经排水管道网进入污水泵房，再经过废水加压井加压加能进入其它管道网。在排泄污水系统中，车站常会设有相应的污水泵房、站外压水井、化粪池与聚水池等污水处理设备。各项符合条件的污水均会通过管道进入污水泵房，由污水压力井加压加能进入其它管道网，如图3所示。

图3 地铁排水系统

在污水系统、废水系统中的废水与污水进入不同的排水管网，分为以下2种情况：①具备市政条件。废水：车站废水由车站废水泵及局排水泵排至车站外的压力废水井，再经检查井后汇入市政污水管道网。污水：车站污水由车站污水泵排至站外污水井，后流入站外化粪池，再汇入市政污水管网。②不具备市政条件。废水：车站废水由局排水泵排至站外压力废水井，后经检查井流入站外沟渠。污水：车站污水通过重力流汇入站外化粪池。

2 给排水系统优化设计

2.1 系统设计部署

地铁给排水工程建设重点在于“全”，在注重整体工程的同时，也囊括到设备间最大限度使用率工程、水资源保护专项工程等，将给排水系统、注意事项与过程数据进行数据可视化体现，集全部数据进行统一处理、信息交互协作等功能于一体，辅助地铁工程建设单位管理设计与决策，促进各路工作全面有效落实。具体设计部署如下：

(1)空调专业负责处理设备用水量、排水量与给排水标准。

(2)房屋建筑设计专业负责用房面积设计与给排水及水消防设备布置。

(3)给排水专业负责地铁地段区的排水口、废水泵房、雨水泵房和污水泵房的地漏处与车站雨水沟槽的位置、尺寸及坡度。

(4)机电、配电等专业负责电线至各用电点控制柜处，给排水及消防设备电缆及数据电缆的布局摆放。

通过地铁工程建设管理分配，搭建多单位协作平台，以数据统一汇总分析为纽带，把握地铁各线段给排水工作重点，清单化管理需落实的事项，按体系梳理措施实施情况，高效协作完成地铁给排水系统的建设工作。

2.2 系统运维控制平台设计

系统运维控制平台按照GB 50015—2019《建筑给水排水设计规范》、RFJ 02—2009《轨道交通工程人民防空设计规范》、国家或地方其他标准规范要求，依托于精密算法、模糊控制算法为设计导向，充分整合虚拟化资源与基础给排水设施资源，以虚拟运维平台为核心，从环境可视化、设施可视化、配线可视化、容量可视化、管线可视化等多种视角为数据中心全方位构建三维可视化运维服务管理体系，实现水生态可持续发展、能源最大利用化以及数据中心日常运维工作的电子化、规范化、流程化，使管理者在系统运维控制平台中心能够随时追踪整个系统与各个管线的运行状态，并以最快的速度完成监测数据与智慧城市综合管理平台的信息交互，实现地铁新型给排水系统全过程分析和响应。

一般情况下，系统收集风亭、车站进出口的雨水及区间隧道渗漏雨水，经沉淀后，通过水泵泵至地面出水口，再经过滤槽过滤后，灌溉地表层植被。如遇火灾，可通过高压水泵泵入区间消防管或地面出水口，实施灭火作业。如遇暴雨、大暴雨天气，降水量超出市政雨水管道的排水能力时，地面降水可通过装有雨水篦子的进水口流入地铁新型给排水系统，并暂时积存在系统的蓄水沉淀池内，直至达到警戒线后关闭进水口，待强降水过后将存积水泵至市政雨水管道或地面绿化带。如遇洪水涌入地铁，可通过高压水泵将涌入地铁的洪水直接泵出至地面。工作原理及基本架构如图4、5所示。

2.3 出水口装置设计

地铁现有给排水系统无法实现对城市水资源的高效回收利用，本文在查阅大量相关文献后，基于海绵城市理念结合地铁智慧给排水系统特点设计了一种新型出水口装置，如图6所示。

图4 系统运维控制平台工作原理

图5 系统运维控制平台基本架构

图6 地铁新型给排水系统出水口装置

出水口装置位于地面绿化带内，通过管道连接地铁泵房，运维平台根据监控信息判断旱、涝及火灾情况，将地铁内泵房水泵至地面用于灌溉、排洪或消防。主导管配有加压装置，发生洪灾或火灾时可通过加压将泵房内的水排出地面；雨水淡季或干旱时，泵房内的积存水通过主导管延伸出的侧管泵出，进入小型蓄水容器，再经过内外壁夹层中陶粒对水中颗粒悬浮物的吸附净化，形成灌溉水，满足地表植被生长的需求。出水口装置连接地铁给排水系统实现“智慧”排水，泵房积水通过净化处理用于灌溉，更好地贯彻了绿色环保、可持续发展理念，装置耐用、维护简单，后期损坏易更换。

2.4 辅助排水系统设计

为保证地铁排水系统在洪涝、漏水等特殊时期下能正常运行，在地铁排水系统项目设计中补充同层次的辅助排水系统，提升排水效率，其工作流程如图7所示。

图7 辅助排水工作流程

辅助排水系统是基于地铁新型给排水系统的系统运维控制平台设计研发的一种新型排水系统，包括设置于地上的污水监测器以及安装于所述污水检测器上端的太阳能电池板、设置于地面的地漏；地漏内安装有控制地漏孔开启与闭合的控制组件，控制组件受控于地上的污水检测器、设置于地下的排污器、太阳能蓄电池、污水加压器以及安装于污水加压器的水箱，水箱侧面均与排水管道连通，顶端开口与污水加压器连通。该辅助排水系统在运作期间，通过地上的污水监测器进行运作或关闭。排污器开启时，可经位于地面的智能地漏对地面污水产生一定的吸力，加快污水由地漏进水孔流入排水管道，再通过污水加压器对污水加压，由排水管道出口进入市政排水系统或者地铁排水系统，加速后的污水废水能一定程度上解决排水管道常常出现的堵塞问题，保证市政排水系统的通畅。辅助排水系统能起到将地面污水快速排掉及疏通市政排水管道的效果，具结构如图8所示。

图8 地铁辅助排水系统结构

2.5 蓄水沉淀池设计

蓄水沉淀池主要利用蓄积污水、废水与雨水，并充分利用重力、离心力等作用来除去水中的悬浮物以及一些有害物质，兼有蓄水积存和水质净化的功能，是地铁新型给排水系统重要组成部分。设计应考虑当地地铁经济水平和发展条件，并对可能出现的危情进行综合分析。在地形、气候和环境条件适宜的情况下，根据雨水综合利用法对蓄水池建筑容积进行计算，通过对降雨量、废弃流动率、径流速度系数及汇水面积等各种参数相结合，计算所需要的蓄水沉淀池容量表达式为：

V=(hy-δ)ψcF/1000

(1)

式中，V—蓄水池容积，m3；hy—设计降雨强度(降雨量)，mm；δ—初期雨水弃流量，mm；ψc—雨量径流系数；F—汇水面积，m2。

依据式1可计算出蓄水池建筑容积值，综合考虑地铁建设中人力物力投入与技术要求等参数衡量构建地铁新型排水系统的蓄水沉淀池。

新型地铁给排水系统的蓄水沉淀池采用磁电净水技术，选用新型纳米级带磁性混絮剂，通过改变原水中杂质胶体性质后，促进杂质以磁介质作为核心进行凝聚结合，在絮凝剂、搅拌等作用下使晶体聚集增大，而后进入最后工艺。强磁分离净水磁电净水技术可以有效地解决水中的沉淀物及一些有害物质。实践应用表明，对TR的去除率可达到40%，对COD的去除率可达到45%，对有害物质的去除率可达到95%，相比传统净水工艺，直接处理成本降低35%。此外，该磁电净水技术所用的吸附剂可以重复回收利用，符合海绵城市的可持续发展理念。

图9 蓄水沉淀池结构

地铁排水系统的污水废水在初沉池进行初步处理后，经增压泵作用下开始进入磁电净水的第一道工艺，通过加药区提供的带磁性物质与带新型纳米级带磁性混絮剂，在搅拌机的机械搅拌下，杂质与带磁性物质形成微磁絮状晶体；含有微磁絮状晶体的水再次在增压泵作用下进入磁电净水的第二道工艺强磁分离机。在磁性物质回收系统的强磁吸引作用下，目标水源将会实现一种固液分离现象，含有微磁絮状晶体的污泥通过排泥管道处理回收，重新投加、重复利用，其余分离出来的液体则进入磁电净水的第三道工艺，在最后一个砂滤池中进一步处理过滤后，排放到市政管网或者地铁管网。

本文以新型纳米级带磁性混絮剂的回收率为评定指标，蓄水沉淀池可持续性能表达式为：

(2)

式中，ε—磁介质回收率，%；α0—磁回收设备入料磁性物含量；α1—磁回收设备吸附物磁性物含量；α2—磁回收设备尾泥磁性物含量。上述公式的新型纳米级带磁性混絮剂的回收率数据通过一系列查表试算求出。

本文以温州市西片污水处理厂进行取样并提纯，以式2计算相应数据的带磁性混絮剂回收率，计算结果见表1。

依据表1的数据对比并预测带磁性混絮剂回收率轨迹分布率，如图10所示。结合表1与图10分析，可得出在采用磁电净水技术并保持对有害物质的去除率可达95%的情况下，对带磁性混絮剂回收率也均达到99.50%以上。

3 社会经济效益分析

(1)互融共通。利用地铁沿城市主干道布设的特点，将地铁给排水系统和海绵城市建设相结合，通过采用保护性干预技术，对水资源进行绿色处理、分散蓄滞、缓释慢排和合理利用，实现绿化、排涝、消防的功能，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”。

表1 带磁性混絮剂回收率

图10 带磁性混絮剂回收率轨迹分布率

(2)信息共享。地铁运维智慧智能海绵城市系统通过地铁运维数据网络平台对各个地铁监测点数据进行实时采集和综合分析，将这些地铁实时数据信息都上传至完全可视化的海绵城市地下地铁管线上并综合利用运营社会管理信息服务平台，实现了地铁信息实时数据采集，使之更加有效地综合优化了地铁资源配置，节约了地铁社会管理费用和运营成本，提高了地铁信息基础资源的综合利用率。

(3)有机结合。在切实确保我国城市地下排水和防汛安全的基本条件前提下，充分与蓄水沉淀池、系统运维控制平台等其它基础设备“有机结合”，来管理和组织地表排水与调蓄功能，综合有效地调配地铁资源配置，使之达到最大使用效果，从而改善我国城市水环境污染和达到节约能源高效率的目标。

4 结语

系统部署设计能大幅度提高地铁新型给排水工程的设计精度及覆盖度，全面并有效地解决地铁水资源的流量与水压力的均匀分布问题，进一步提升地铁设施的最大使用率。出水口装置、蓄水沉淀池、辅助排水系统设计与系统运维控制平台的设计应用，有效解决传统地铁给排水常见问题，清除地铁生活污水排放堵塞现状，杜绝污染废水的再次污染，提高地铁日常运行质量。本文提出的地铁新型给排水系统将推动地铁工程建设与城市建设工作的深度融合，推进海绵城市理念朝轨道交通建设方向发展，助力未来智慧城市建设。