基于海绵城市理念的给排水系统低碳优化设计

一、引言

在 “双碳” 目标驱动与城市生态化建设需求下，传统给排水系统高能耗、低效率的弊端日益凸显。海绵城市理念强调对雨水的 “渗、滞、蓄、净、用、排”，为给排水系统低碳化转型提供新思路。通过创新技术与理念融合，优化给排水系统设计，可降低运行碳排放，提升城市水资源循环利用效率，对实现城市绿色可持续发展具有重要意义。

二、海绵城市理念与给排水系统低碳设计概述

2.1 海绵城市理念内涵

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的 “弹性”。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，从而提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。

2.2 给排水系统低碳设计目标

给排水系统低碳设计以降低全生命周期碳排放为核心目标，涵盖水资源高效利用、能源节约、污染物减排等多方面。通过优化系统运行流程、采用低碳技术与设备，减少取水、输水、净水、排水等环节的能耗，实现水资源循环利用与碳排放控制的协同发展，推动城市给排水系统向绿色低碳转型。

2.3 海绵城市理念与给排水低碳设计的关联性

海绵城市理念与给排水低碳设计相辅相成。海绵城市的建设通过雨水收集、渗透、净化等措施，减少了市政供水需求和污水处理压力，降低了给排水系统运行能耗；而给排水系统的低碳设计则为海绵城市建设提供技术支撑，保障雨水资源高效利用和污水的低碳处理，二者共同助力城市可持续发展。

三、当前给排水系统现状及问题分析

3.1 传统给排水系统运行模式

传统给排水系统采用 “取水 - 供水 - 排水 - 污水处理” 的单向线性模式。城市用水依赖外部水源，经水厂处理后输送至用户，使用后的污水集中收集，通过管网输送至污水处理厂处理达标后排入自然水体，这种模式水资源利用率低，能源消耗大。

3.2 给排水系统碳排放现状

给排水系统的碳排放贯穿取水、输水、净水、排水及污水处理全流程。取水过程中的动力消耗、输水管道的漏损、净水工艺的药剂使用和能源消耗、污水处理厂的曝气、污泥处理等环节均产生大量碳排放。据统计，部分城市给排水系统碳排放量占城市总碳排放的 5‰

3.3 现有给排水系统存在的问题

现有给排水系统存在水资源浪费严重、能耗高、处理效率低等问题。雨水资源未得到有效利用，大量雨水直接排放造成内涝风险；输水管道老化导致漏损率高；污水处理工艺落后，能源消耗大且污泥处理困难，这些问题制约了给排水系统的低碳化发展。

四、基于海绵城市理念的给排水系统低碳优化策略

4.1 雨水资源高效利用设计

在城市建设中推广透水铺装、下沉式绿地、雨水花园等海绵设施，能够显著增强雨水渗透能力。以透水铺装为例，其采用的特殊材料和结构，如透水混凝土、透水砖等，孔隙率可达 15%-25% ，使雨水能够迅速渗透至地下，补充地下水，减少地表径流。下沉式绿地通过低于周边地面的设计，收集并滞留雨水，依靠土壤和植物根系的过滤净化作用，去除雨水中的悬浮物、有机物等污染物。雨水花园则是一种人工挖掘的浅凹绿地，种植耐水湿植物，搭配砾石、沙土等介质层，形成完整的生态净化系统。同时，构建完善的雨水收集系统也是关键。屋顶雨水收集可利用天沟、落水管等设施，将屋面雨水收集至蓄水池，经过初期弃流、过滤、消毒等处理后，用于冲厕、绿化灌溉等非饮用水场景。地面径流收集则通过设置雨水收集池、渗透井等设施，收集道路、广场等硬质地面的雨水，净化后用于景观补水等。以某生态小区为例，通过综合运用多种雨水收集利用措施，每年可减少市政供水使用量约 30% ，大幅降低了取水、输水环节的能耗与碳排放。

4.2 污水处理系统低碳化升级

采用新型低碳污水处理工艺是实现污水处理系统低碳化的核心。厌氧氨氧化技术打破传统脱氮工艺需消耗大量氧气和有机碳源的局限，在厌氧条件下直接将氨氮和亚硝酸盐转化为氮气，相比传统工艺可节省 60% 以上的曝气能耗，减少 40% 的碳源消耗。MBR（膜生物反应器）技术将膜分离技术与生物处理技术相结合，通过膜组件的高效截留作用，使污泥浓度大幅提高，生物反应效率增强，出水水质优良，同时可降低污泥产量，减少污泥处理的碳排放。加强污泥资源化利用同样至关重要。通过厌氧发酵，污泥中的有机物在厌氧微生物作用下分解产生生物燃气，如甲烷等，可作为清洁能源用于发电、供热等。堆肥处理则是利用微生物的好氧发酵作用，将污泥转化为富含腐殖质的有机肥，用于园林绿化、土壤改良等。例如，某污水处理厂采用厌氧氨氧化工艺处理污水，结合污泥厌氧发酵制气和堆肥技术，每年可减少碳排放量约 1.2 万吨，同时生产生物燃气和有机肥创造额外收益，实现了污水处理系统从 “末端治理” 到 “低碳循环”的转变，推动了污水处理行业的绿色可持续发展。

4.3 给排水管网优化布局

运用地理信息系统（GIS）和水力模型对给排水管网进行科学规划和优化布局，能够显著提升管网运行效率。GIS 系统可整合管网空间数据、地形地貌数据、水文气象数据等，构建三维管网模型，直观展示管网的分布、走向和运行状态。水力模型则通过模拟不同工况下管网的水流情况，分析管网的水力性能，为管径选择、泵站设置、管网改造等提供科学依据。通过合理确定管网管径和走向，减少管道迂回和阻力，可降低输水过程中的能耗。例如，某城市通过 GIS 和水力模型优化管网布局后，输水能耗降低了 15‰ 。采用新型耐腐蚀、高强度管材也是关键措施。传统铸铁管、镀锌管易腐蚀生锈，导致管道漏损率高，而新型的球墨铸铁管、PE 管、PVC 管等，具有耐腐蚀、强度高、使用寿命长等优点，能够有效降低管道漏损。建设智慧管网监测系统，利用压力传感器、流量传感器、水质传感器等设备，实时监测管网的压力、流量、水质等参数，并将数据传输至监控中心。一旦发现漏损点或异常情况，系统可及时报警并定位，维修人员能够迅速进行修复，大大提高了管网运行的可靠性和效率。

五、结论

基于海绵城市理念的给排水系统低碳优化设计，是实现城市可持续发展的重要路径。通过雨水资源利用、污水处理系统升级、管网布局优化等策略，能够有效降低给排水系统能耗与碳排放，提升水资源循环利用效率。未来，应进一步加强相关技术研发与应用，完善政策支持体系，推动海绵城市与低碳给排水系统深度融合，助力城市绿色低碳转型。

参考文献

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