雨水滲透城市的分析論文
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(yùn)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(jì)指導(dǎo)思想是：及時(shí)、迅速地排除降雨形成的地面徑流。在確定雨水設(shè)計(jì)流量時(shí)沒(méi)有考慮對(duì)雨水徑流量的利用和壓縮。
近年來(lái)我國(guó)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(zhǎng)。圖1反映了北京市建筑占地面積年際變化情況。從1996年開(kāi)始，北京市建筑占地面積增長(zhǎng)速度明顯高于往年，幾乎呈直線上升態(tài)。預(yù)計(jì)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(shuō)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(duì)于城市建設(shè)是一個(gè)沉重的包袱。
此外，由于環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，人們認(rèn)識(shí)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(yùn)行的困難及一部分雨污混流外溢而污染水體，因此對(duì)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(guó)許多城市水資源缺乏，以北京市為例，它是世界上100個(gè)嚴(yán)重缺水的城市之一，人均水資源占有量為300m3，低于國(guó)際公認(rèn)的下限1000m3。1999年是建國(guó)以來(lái)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(lái)自地下水。過(guò)度開(kāi)采使北京市地下水儲(chǔ)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(gè)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(lái)，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(zhǎng)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(jì)、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(yùn)行費(fèi)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(guó)家就努力開(kāi)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(guó)在新建小區(qū)(無(wú)論是工業(yè)、商業(yè)、居民區(qū))之前，均要設(shè)計(jì)雨洪利用(集雨)項(xiàng)目，若無(wú)雨洪利用措施，政府將征收雨洪排放設(shè)施費(fèi)和雨洪排放費(fèi)。
實(shí)際上雨水滲透早在我國(guó)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(duì)一些地區(qū)作過(guò)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(shí)是干涸的)；曲阜孔府宅內(nèi)和后花園均有雨水滲井。
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(lèi)，一類(lèi)是多孔瀝青及多孔混凝土地面，另一類(lèi)是草皮磚。它們可用于停車(chē)場(chǎng)、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(jiàn)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(lèi)似，只是將表層改換為無(wú)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(guó)使用以來(lái)，得到EPA的支持，至今已廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家，但在國(guó)內(nèi)還鮮見(jiàn)報(bào)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(kāi)孔率可達(dá)20%～30%，因在空隙中可種植草類(lèi)而得名。它最早于1961年用于德國(guó)，至今在國(guó)內(nèi)外均已被廣泛使用。特別多用于城區(qū)各類(lèi)停車(chē)場(chǎng)、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(guó)內(nèi)建材市場(chǎng)上有成品出售，便于采用及推廣。
草皮磚地面因有草類(lèi)植物生長(zhǎng)，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(yàn)證明它對(duì)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(zhǎng)徑流時(shí)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(guó)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(shí)間延長(zhǎng)而導(dǎo)致雨水管道長(zhǎng)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(huì)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(jì)算，改造后院內(nèi)雨水管系投資可減少6%，這還未計(jì)入因進(jìn)入市政雨水管道徑流量減少對(duì)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(shí)，可采用地面滲透池。池可大可小，也可幾個(gè)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(gè)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(dòng)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(duì)池底再作一些簡(jiǎn)單處理，如鋪設(shè)鵝卵石等透水性材料，其滲透性能將會(huì)大大提高。
2.2.2地下滲透池
當(dāng)?shù)孛嫱恋鼐o缺時(shí)，就不得不利用地下滲透池，實(shí)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(lèi)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(lèi)多樣，形狀各異，在美國(guó)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(lái)計(jì)算其容量。
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(guò)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(duì)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(dú)使用。日本和德國(guó)在這方面有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。
3、雨水滲透工程的實(shí)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(diǎn)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(lèi)、土壤含水率、車(chē)輛及行人交通密度等。
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(duì)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(jiàn)有堵塞報(bào)道。曾對(duì)北京建工學(xué)院材料實(shí)驗(yàn)室所制作的無(wú)砂混凝土塊(孔隙率18%，滲透系數(shù)0.85cm/s)作堵塞試驗(yàn)。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(yàn)濁水，當(dāng)試驗(yàn)濁水的SS為1000mg/L及2000mg/L時(shí)，試塊的滲透系數(shù)不變，當(dāng)濁水SS增至3000mg/L，滲透系數(shù)減少8%，當(dāng)SS增至4000mg/L時(shí)，滲透系數(shù)減少25%，表現(xiàn)出一定程度的堵塞。實(shí)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(yàn)證明多孔混凝土地面不易堵塞。但為了安全起見(jiàn)，應(yīng)盡量去除徑流中易造成堵塞的雜質(zhì)，并對(duì)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(shí)間迅速降低，但在降雨初期的短時(shí)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(guò)濾纖維層，俗稱土工布，它是一種較好的過(guò)濾材料。對(duì)細(xì)小顆粒雜質(zhì)有較強(qiáng)的阻隔作用。為了安全起見(jiàn)，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(duì)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(guó)傳統(tǒng)城市排水規(guī)劃設(shè)計(jì)原則初探.中國(guó)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
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