城市雨水滲透分析論文

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提要:隨著城市的發(fā)展，不透水地面面積不斷增加，雨水徑流量也相應(yīng)增加。雨水是寶貴水資源，應(yīng)通過滲透等方式充分利用雨水以涵養(yǎng)地下水、調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境后，再使用雨水管系將剩余徑流安全、合理地排除。對各種雨水滲透設(shè)施及其選址、堵塞、污染控制等問題作了簡略論述。

引言

目前城市排水體制主要為合流制(截流制)和分流制。從環(huán)境保護(hù)、污水處理廠運行、管道養(yǎng)護(hù)等多方面考慮，分流制較合流制優(yōu)越，因此目前新建小區(qū)多采用分流制，即污水和雨水分別由污水管道和雨水管道收集和輸送，污水進(jìn)入城市污水處理廠，雨水直接排入水體。雨水管道設(shè)計指導(dǎo)思想是：及時、迅速地排除降雨形成的地面徑流。在確定雨水設(shè)計流量時沒有考慮對雨水徑流量的利用和壓縮。

圖1北京市建筑占地面積變化曲線

近年來我國城市建設(shè)飛速發(fā)展，大量建筑物和道路等的建設(shè)使城市不透水地面面積快速增長。圖1反映了北京市建筑占地面積年際變化情況。從1996年開始，北京市建筑占地面積增長速度明顯高于往年，幾乎呈直線上升態(tài)。預(yù)計到2010年，北京市建筑占地面積將達(dá)300km2左右，其中還未包括道路等所占面積。屋面、混凝土和瀝青路面等不透水表面的徑流系數(shù)一般取0.9，也就是說其降雨量的90%將形成徑流。因此，隨著城市發(fā)展，雨水徑流量將大大增加，如果不采取措施而單純考慮將雨水徑流快速排出，所需雨水管道、雨水泵站等設(shè)施的容量、輸送能力必將隨之增大，這對于城市建設(shè)是一個沉重的包袱。

此外，由于環(huán)境意識的增強(qiáng)，人們認(rèn)識到城區(qū)雨水的快速排出增加了接納水體洪澇危害、河岸侵蝕和污染物的沖擊負(fù)荷，還造成合流制系統(tǒng)中污水處理廠運行的困難及一部分雨污混流外溢而污染水體，因此對于傳統(tǒng)雨水排除的指導(dǎo)思想從另一方面提出了質(zhì)疑。

1利用雨水涵養(yǎng)地下水--雨水滲透

我國許多城市水資源缺乏，以北京市為例，它是世界上100個嚴(yán)重缺水的城市之一，人均水資源占有量為300m3，低于國際公認(rèn)的下限1000m3。1999年是建國以來最干旱的一年，北京市降雨量為389mm，為平均年降雨量的59%，自然形成的水資源僅為18.2億m3。而北京市用水量為40億m3，其中70%來自地下水。過度開采使北京市地下水儲存量在1999年一年中減少了近15億m3，地下水位下降了2～3m，以北京東郊為中心形成了一個2000km2的漏斗區(qū)。地下水位的下降又導(dǎo)致地面下沉，自1966年以來，北京市地面以每年10～20mm的速度下沉。

因此，一方面是使用龐大的雨水排放系統(tǒng)將日益增長的雨水徑流排出城市，另一方面卻是城市地下水補(bǔ)給的嚴(yán)重不足。如在雨水管道系統(tǒng)設(shè)計、用地規(guī)劃和地面覆蓋上考慮雨水滲透，合理、充分地利用雨水涵養(yǎng)地下水源，那么既能緩和城市水資源危機(jī)，又能增加土壤中的含水量、調(diào)節(jié)氣候，從而改善城市的生態(tài)環(huán)境，還能減少所需雨水管系容量，即減少雨水管系的投資和運行費用，并減輕城區(qū)水澇危害和水體污染。

從60年代起，發(fā)達(dá)國家就努力開發(fā)各種雨水滲透裝置，并制訂了一系列規(guī)章制度。如目前德國在新建小區(qū)(無論是工業(yè)、商業(yè)、居民區(qū))之前，均要設(shè)計雨洪利用(集雨)項目，若無雨洪利用措施，政府將征收雨洪排放設(shè)施費和雨洪排放費。

實際上雨水滲透早在我國一些古城的建筑中已有所體現(xiàn)，利用滲坑、滲井、滲溝使雨水就地下滲。80年代末曾對一些地區(qū)作過調(diào)查，如杭州老城區(qū)在庭院中設(shè)天井溝和矩形滲坑；蘇州老城區(qū)及附近一帶鄉(xiāng)鎮(zhèn)的住宅用天井貯蓄雨水；濰坊老城區(qū)街道的雨水流入坑洼地及池塘(俗稱"灣子"，有的灣子平時是干涸的)；曲阜孔府宅內(nèi)和后花園均有雨水滲井［1］。

2雨水滲透設(shè)施

2.1滲透地面

除了綠化面積外，人工滲透地面主要分為兩類，一類是多孔瀝青及多孔混凝土地面，另一類是草皮磚。它們可用于停車場、交通較少的道路及人行道，特別適用于居民小區(qū)。

2.1.1多孔瀝青及混凝土地面

典型的多孔瀝青地面構(gòu)造見圖2。表面瀝青層避免使用細(xì)小骨料，瀝青重量比為5.5%～6.0%，空隙率為12%～16%，厚6～7cm。瀝青層下設(shè)兩層碎石，上層碎石粒徑1.3cm，厚5cm，下層碎石粒徑2.5～5cm，空隙率為38%～40%，其厚度視所需蓄水量定，因它主要用于貯蓄雨水并延緩徑流［2］。

多孔混凝土地面構(gòu)造與多孔瀝青地面類似，只是將表層改換為無砂混凝土，其厚度約為12.5cm，空隙率15%～25%。多孔瀝青及多孔混凝土地面自1973年在美國使用以來，得到EPA的支持，至今已廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家，但在國內(nèi)還鮮見報道。

2.1.2草皮磚

草皮磚是帶有各種形狀空隙的混凝土塊，開孔率可達(dá)20%～30%，因在空隙中可種植草類而得名。它最早于1961年用于德國，至今在國內(nèi)外均已被廣泛使用。特別多用于城區(qū)各類停車場、生活小區(qū)及道路邊。它除了有滲透雨水的作用，還有美化環(huán)境的效果，國內(nèi)建材市場上有成品出售，便于采用及推廣。

草皮磚地面因有草類植物生長，與多孔瀝青及混凝土地面相比，能更有效地凈化雨水徑流及調(diào)節(jié)大氣溫度和濕度。試驗證明它對于重金屬如鉛、鋅、鉻等有一定去除效果。植物的葉、莖、根系能延緩徑流速度，延長徑流時間。草皮磚地面的徑流系數(shù)為0.05～0.35，取決于其基礎(chǔ)碎石層的蓄水性能、地面坡度等因素。

國外資料介紹：

滲透地面成本比傳統(tǒng)不透水地面高出10%左右，但綜合考慮因徑流量減少、地面集流時間延長而導(dǎo)致雨水管道長度縮短及管徑減小，雨水系統(tǒng)的總投資可減少12%～38%。而且還可產(chǎn)生較大的環(huán)境及社會效益［3］。

以北京建工學(xué)院為例，校園面積約12hm2，因院內(nèi)建筑物分布密集，按5%的面積可改為滲透地面計算，改造后院內(nèi)雨水管系投資可減少6%，這還未計入因進(jìn)入市政雨水管道徑流量減少對下流管系的有利影響。

2.2滲透池

2.2.1地面滲透池

當(dāng)土地可得且土壤滲透性能良好時，可采用地面滲透池。池可大可小，也可幾個小池綜合使用，視地形條件而定。

地面滲透池有的是季節(jié)性充水，如一個月中幾次充水、一年中幾次充水或春季充水秋季干涸，水位變化很大。有的地面滲透池則是一年四季均有水。在地面滲透池中宜種植植物。季節(jié)性池所種植植物應(yīng)既能抗?jié)秤帜芸购担⒁暢刂兴蛔兓ā３Ｄ甏嫠牡孛鏉B透池與土地處理系統(tǒng)中的"濕地"相似，宜種植耐水植物及浮游性植物。它還可作為野生動物的棲居地，有利于改善生態(tài)環(huán)境。利用天然低洼地作地面滲透池是最經(jīng)濟(jì)的。若對池底再作一些簡單處理，如鋪設(shè)鵝卵石等透水性材料，其滲透性能將會大大提高。

2.2.2地下滲透池

當(dāng)?shù)孛嫱恋鼐o缺時，就不得不利用地下滲透池，實際上它是一種地下貯水裝置，利用碎石空隙、穿孔管、滲透渠等貯存雨水。圖3為各類地下滲透池示意，圖4為利用底部透水渠貯水的滲透池，透水渠的使用可減少所需石料并增大貯水體積。總之，地下滲透池種類多樣，形狀各異，在美國一般按重現(xiàn)期2年的暴雨強(qiáng)度在36h內(nèi)全部滲入地下來計算其容量［3］。

2.2.3滲透管

滲透管一般采用穿孔PVC管，或用透水材料制成。匯集的雨水通過透水性管渠進(jìn)入四周的碎石層，再進(jìn)一步向四周土壤滲透，碎石層具有一定的貯水、調(diào)節(jié)作用。相對滲透池而言，滲透管溝占地較少。便于在城區(qū)及生活小區(qū)設(shè)置，它可以與雨水管系、滲透池、滲透井等綜合使用，也可以單獨使用。日本和德國在這方面有較成熟的經(jīng)驗。

3雨水滲透工程的實施

3.1滲透設(shè)施的選址要求

使用滲透設(shè)施的適宜地點為：地下水最高水位或地下不透水巖層至少低于滲透表面1.2m，土壤滲透率不小于2×10－5m/s，地面坡度不大于15%，離房屋基礎(chǔ)至少3m遠(yuǎn)。此外還需考慮表層及下層土壤結(jié)構(gòu)、表面植被種類、土壤含水率、車輛及行人交通密度等［4］。

3.2滲透裝置的堵塞

屋面及地面的初期雨水徑流帶有一定量的懸浮顆粒和雜質(zhì)，對于滲透裝置或土壤層可能有堵塞作用。瀝青多孔地面經(jīng)吸塵機(jī)抽吸(每年吸3次)或高壓水沖洗后，其空隙率基本能完全恢復(fù)。多孔混凝土地面至今未見有堵塞報道。曾對北京建工學(xué)院材料實驗室所制作的無砂混凝土塊(孔隙率18%，滲透系數(shù)0.85cm/s)作堵塞試驗。模擬北京市年平均降雨量600mm，向試塊中灌入多種濃度的含泥砂試驗濁水，當(dāng)試驗濁水的SS為1000mg/L及2000mg/L時，試塊的滲透系數(shù)不變，當(dāng)濁水SS增至3000mg/L，滲透系數(shù)減少8%，當(dāng)SS增至4000mg/L時，滲透系數(shù)減少25%，表現(xiàn)出一定程度的堵塞。實際上北京市普遍使用的瀝青屋面初期雨水徑流的SS僅為100～250mg/L，路面徑流的SS也僅為1000～3000mg/L，而且是短期的，降雨后期分別降為20～50mg/L和300～400mg/L。試驗證明多孔混凝土地面不易堵塞。但為了安全起見，應(yīng)盡量去除徑流中易造成堵塞的雜質(zhì)，并對滲透裝置加強(qiáng)管理，定期清理。

3.3初期雨水徑流的污染

屋面和地面初期徑流的COD可達(dá)3000mg/L左右，雖然它隨著降雨時間迅速降低，但在降雨初期的短時間內(nèi)，雨水徑流有相當(dāng)?shù)奈廴拘浴?/p>

在滲透設(shè)施的選址要求中，強(qiáng)調(diào)滲透表面距最高地下水位或不透水巖層1.2m以上，這是為了保證有一定土壤厚度以凈化徑流，是控制地下水污染的一種措施。此外，滲透裝置中多使用過濾纖維層，俗稱土工布，它是一種較好的過濾材料。對細(xì)小顆粒雜質(zhì)有較強(qiáng)的阻隔作用。為了安全起見，提倡徑流先進(jìn)入綠地、花壇，再進(jìn)入滲透設(shè)施，以充分利用植被和土壤表面的凈化能力。對污染較重的初期徑流宜設(shè)置初期棄流裝置及適當(dāng)?shù)膬艋胧?/p>

最后需強(qiáng)調(diào)的是：雨水滲透僅為雨水利用的方法之一，它能促進(jìn)雨水、地表水、土壤水及地下水之間的"四水"轉(zhuǎn)化，維持城市水循環(huán)系統(tǒng)的平衡。雨水利用應(yīng)與雨水管系建設(shè)、城市平面和高程規(guī)劃有機(jī)地結(jié)合，既要充分利用雨水資源又要保證人民生活、生產(chǎn)的安全，不受雨洪及不合理積水的干擾。

參考文獻(xiàn)＋

1胡家駿.我國傳統(tǒng)城市排水規(guī)劃設(shè)計原則初探.中國給水排水，1987，3(4)：30～32

2RichaField.IntegratedStormwaterManagement.LewisPublishers,1993.151～153

3BruceKFerguson.StormWaterInfiltration.LewisPublishers,1996.36～88

4UrbonasBen.StormWater.PrenticeHall,1994.233～243