雨水调蓄池的分类
雨水调蓄池是雨水收集的设备,一般情况下,将雨水调蓄池分为三类:地下封闭式调蓄池、地上封闭式调蓄池、地上开敞式调蓄池。三种雨水调蓄池在雨水收集中的作用不一,因此,需要依据建筑或者工程的特定情况来选择。
雨水调蓄池的位置一般设置在雨水干管(渠)或有大流量交汇处,或靠近用水量较大的地方,尽量使整个系统布局合理,减少管(渠)系的工程量。可以是单体建筑单独设置,也可是建筑群或区域集中设置。设计地表调蓄池时尽量利用天然洼地或池塘,减少土方,减少对原地貌的破坏,并应与景观设计相结合。
(1)地下封闭式调蓄池
目前地下调蓄池一般采用钢筋混凝土或砖石结构,其优点是节省占地;便于雨水重力收集;避免阳光的直接照射,保持较低的水温和良好的水质,藻类不易生长,防止蚊蝇滋生;安全。由于该调蓄池增加了封闭设施,具有防冻、防蒸发功效,可常年蓄水,也可季节性蓄水,适应性强。可以用于地面用地紧张、对水质要求较高的场合。但施工难度大,费用较高。
设计时应根据当地建筑材料情况选用结构形式。图6.2是钢筋混凝土地下调蓄池示意。国外也有用组装箱拼装式结构,孔隙率可达到90%,施工快速、简单。
(2)地上封闭式调蓄池
地上封闭式调蓄池一般用于单体建筑屋面雨水集蓄利用系统中,常用玻璃钢、金属或塑料制作。其优点是安装简便,施工难度小;维护管理方便;但需要占地面空间,水质不易保障。该方式调蓄池一般不具备防冻功效,季节性较强。
(3)地上开敞式调蓄池
地上开敞式调蓄池属于一种地表水体,其调蓄容积一般较大,费用较低,但占地较大,蒸发量也较大;地表水体分为天然水体和人工水体。一般地表敞开式调蓄池体应结合景观设计和小区整体规划以及现场条件进行综合设计。设计时往往要将建筑、园林、水景、雨水的调蓄利用等以独到的审美意识和技艺手法有机地结合在一起,达到的效果。作为一种人工调蓄水池,一般不具备防冻和减
少蒸发的功能。对数十座城市二百多个住宅小区景观水池的调研表明,渗漏率超过50%,因此,在结构选择、设计和维护中注意采取有效的防渗漏措施十分重要。一旦出现渗漏,修复将是非常困难和昂贵的工作,尤其对较大型的调蓄池。
在拟建区域内有池塘、洼地、湖泊、河道等天然水体时应优先考虑利用它们来调蓄雨水。
雨水调蓄与综合利用技术
目前,由于许多大中型城市排涝设施不足,或年久失修,导致城市雨水排泄不畅和洪涝灾害的发生,造成了严重的经济损失。而另一方面,因缺乏对城市雨水收集及综合利用系统的研究,缺乏系统的规划设计和工程设施,使雨季径流白白流走,而到了旱季却缺水严重,这使得许多城市不仅面临着防洪排涝的艰巨任务,同时又不得不想方设法解决水资源短缺的问题。
为此,城市雨水资源化作为防洪和缓解水资源危机的一种措施被提了出来。所谓城市雨水资源化就是通过规划和设计,采取相应的工程措施,将汛期雨水调蓄起来并利用为一种可用水源的过程。它不仅可以增加城市水源,在一定程度上缓解水资源的供需矛盾,同时还可以有效地减小城市径流量,延滞汇流时间,减轻城市排洪设施的压力,减少防洪投资和洪灾损失。
根据雨水利用的用途不同,主要分为直接集蓄利用为生活用水、间接渗透或回灌入地下补充地下水位及综合利用三大类。
1、雨水直接利用技术
1.1建筑屋面或小区雨水集蓄系统
主要用于家庭、公共和工业等方面的非饮用水,如浇灌、冲厕、冷却循环等中水系统。可产生节约饮用水,减轻城市排水和处理系统的负荷,减少污染物排放量和改善生态与环境等多种效益。该系统又可分为单体建筑物分散式系统和建筑群集中式系统。由雨水汇集区、输水管系、截污装置、储存、净化和配水等几部分组成。
利用屋顶做集雨面或屋顶绿化的雨水集蓄利用系统是一种削减径流量、减轻污染和城市热岛效应、调节建筑温度和美化城市环境新的生态技术,也可作为雨水集蓄利用和渗透的预处理措施,既可用于平屋顶,也可用于坡屋顶,植物和种植土壤的选择是屋顶绿化的技术关键,防渗漏则是安全保障。
在新建生活小区、公园或类似的环境条件较好的城市园区,可将区内屋面、绿地和路面的雨水径流收集利用,达到更显著削减城市暴雨径流量和非点源污染物排放量、优化小区水系统、减少水涝和改善环境等效果。
1.2集蓄雨水的水质与利用
一般而言,大气降水水质较好,不需要处理即可作为初级水源或补充水源加以利用。泰国的有关研究表明,雨水可能是和的饮用水源,虽然雨水集流系统提供的水源仅有40%符合世界卫生组织饮用水水质的标准,但调查水样中细菌、病毒和重金属等污染物质很少,不仅可以作为喷洒路面、工业冷却、绿地灌溉等城市杂用水,而且在发生水荒时,还可以进一步处理后用于生活用水补充供水。城市在规划建设蓄水设施时,应尽量考虑将其建在容易集水,且水质相对较好的地方,并且尽可能建在地下,既可以减少占地,又可以减少人为污染。此类拦截和蓄积雨水的工程设施,既控制了汛期多余的雨洪径流,减少了城市排水设施的压力,又为城市增加了新的供水水源,从而缓解了城市水资源的供需矛盾。
2、雨水间接利用技术
2.1 渗透地面
渗透地面可分为天然渗透地面和人工渗透地面两大类,前者在城区以绿地为主。
绿地是一种天然的渗透设施,主要优点有:透水性好;城市有大量的绿地可以利用,节省投资;一般生活小区建筑物周围均有绿地分布,便于雨水的引入利用;可减少绿化用水并改善城市环境;对雨水中的一些污染物具有较强的截留和净化作用。缺点是渗透流量受土壤性质的限制,雨水中如含有较多的杂质和悬浮物,会影响绿地的质量和渗透性能。
人造透水地面是指城区各种人工铺设的透水性地面,如多孔的嵌草砖、碎石地面,透水性混凝土路面等。主要优点是,能利用表层土壤对雨水的净化能力,对预处理要求相对较低;技术简单,便于管理;城区有大量的地面,如停车场、步行道、广场等可以利用。缺点是,渗透能力受土质限制,需要较大的透水面积,对雨水径流量的调蓄能力低。在条件允许的情况下,应尽可能多采用透水性地面。
2.2 渗透管沟
雨水通过埋设于地下的多孔管材向四周土壤层渗透,其主要优点是占地面积少,管材四周填充粒径20~30�的碎石或其他多孔材料,有较好的调储能力。缺点是一旦发生堵塞或渗透能力下降,很难清洗恢复。而且由于不能利用表层土壤的净化功能,对雨水水质有要求,应采取适当预处理,不含悬浮固体。在用地紧张的城区,表层土渗透性很差而下层有透水性良好的土层、旧排水管系的改造利用、雨水水质较好、狭窄地带等条件下较适用。一般要求土壤的渗透系数明显大于10-6 m/s,距地下水位要有一定厚度的保护土层。
可以采用地面敞开式渗透沟或带盖板的渗透暗渠,弥补地下渗透管不便管理的缺点,也减少挖深和土方量。渗沟可采用多孔材料制作或做成自然的带植物浅沟,底部铺设透水性较好的碎石层。特别适于沿道路、广场或建筑物四周设置。
2.3 渗透井
渗透井包括深井和浅井两类,前者适用水量大而集中,水质好的情况,如城市水库的泄洪利用。城区一般宜采用后者。其形式类似于普通的检查井,但井壁做成透水的,在井底和四周铺设Φ10~30�的碎石,雨水通过井壁、井底向四周渗透。
渗透井的主要优点是占地面积和所需地下空间小;便于集中控制管理。缺点是净化能力低,水质要求高,不能含过多的悬浮固体,需要预处理。适用于拥挤的城区或地面和地下可利用空间小、表层土壤渗透性差而下层土壤渗透性好等场合。
2.4 渗透池(塘)
渗透池的是渗透面积大,能提供较大的渗水和储水容量;净化能力强;对水质和预处理要求低;管理方便;具有渗透、调节、净化、改善景观等多重功能。缺点是占地面积大,在拥挤的城区应用受到限制;设计管理不当会造成水质恶化,蚊蝇孳生,和池底部的堵塞,渗透能力下降;在干燥缺水地区,蒸发损失大,需要兼顾各种功能作好水量平衡。适用于汇水面积较大、有足够的可利用地面的情况。特别适合在城郊新开发区或新建生态小区里应用。结合小区的总体规划,可达到改善小区生态环境,提供水的景观、小区水的开源节流、降低雨水管系负荷与造价等一举多得的目的。
2.5城市洼地
市区内一般都分布有一定面积的低洼地,有些是其下垫面入渗性较好的坑、塘之类的设施,而有些则是其下垫面已被“水泥化”了的停车场等大型场所。在以往的排洪过程中,这些低洼地仅仅起到暂时积水的作用,当洪水减少时,就将其中的积水排泄掉,而若将低洼地作为一种向地下蓄水池或是地下水回灌的一个水源,不仅可以减轻排洪负担,而且可以增加水源。对低洼地进行优化改造,并配以适当的引水设施,譬如对具有入渗性的低洼地可将其表层敷设土层更换成透水性较强的土层,就可以直接引渗地下,补充地下水;而对于“水泥化”的低洼地,则可以在其与地下蓄水池之间修建输水沟、渠或输水管,将水直接引入地下蓄水池。为了能使这些低洼地尽可能多地贮留汛期雨水,在规划设计时应尽可能进行综合考虑,使这些场所在雨期与无雨期的功用发挥到,而避免发生利用功能上的冲突。
3、雨水组合利用技术
多数情况下,雨水直接利用的经济效益或环境效益不明显,而雨水间接利用往往又会受到场地等的影响,因此根据现场条件将二者结合起来,建立生态化的雨水组合利用系统。
生态园区雨水组合利用系统是小区沿着排水道建有渗透浅沟,表面植有草皮,供雨水流过时下渗,超过渗透能力的雨水则进入雨水池或人工湿地,作为水景或继续下渗,利用生态学、工程学、经济学原理,通过人工净化和自然净化的结合,雨水集蓄利用、渗透与园艺水景观等相结合的综合性设计,从而实现建筑、园林、景观和水系的协调统一,实现经济效益和环境效益的统一,以及人与自然的和谐共存。这种系统具有良好的可持续性,能实现效益,具体作法和规模依据园区特点而不同,一般包括屋顶绿化、水景、渗透、雨水回用、收集与排放系统等。有些还包括太阳能、风能利用和水景于一体的花园式生态建筑,使建筑、生物、水等元素达到自然的和谐与统一。
结语:随着社会的发展,公众对生活环境要求的提高,政府部门对雨水调蓄方面的重视程度应相对提高,雨水调蓄在未来社会的发展中起到了举足轻重的作用。
雨水调蓄体系规划
近年来,涝灾已成为困扰着中国各大城市的新城市病,北京、西安、武汉、长沙、广州等诸多大城市都陷入了雨季逢雨必涝、内陆“看海”的无奈境地,造成城市基本机能的瘫痪和市民生活的极大不便;而另一方面,城市缺水问题同样突出,中国被认定为“水资源紧缺国家”,全国有400余座城市供水不足,其中110个严重缺水。造成这种两难局面的原因,一方面是由于传统的城市开发方式建设了大面积的不透水地面,导致地表径流增加,聚集时间缩短,给雨洪调蓄带来了巨大压力[1];另一方面,绝大部分城市应对暴雨的指导思想都是以排为主,要求雨水短时间内通过市政管网排入受纳水体,导致雨水管道和雨水泵站等排水设施不堪重负的同时,雨水资源也得不到合理利用,造成水资源的大量流失[2]。
“使雨水尽快远离城市”的传统“防水”理念已经无法满足现代城市的雨洪管理要求,国内很多学者开始倡导雨洪资源化管理的思路[3-6]。与洪水为友,将雨水视为资源进行调蓄利用,对于城市防洪减灾、缓解水资源危机、净化水质和补偿生态环境等方面都具有着重大意义。然而,目前雨水利用尚未纳入城市规划的正式体系,雨洪调蓄设施的规划建设得不到保障,往往滞后于城市发展;因此,本文希望在总结雨洪管理理念的基础上,从城市规划前期开始介入,针对北京市亦庄经济技术开发区南拓片区的开发规划,将雨洪调蓄系统与城市生态基础设施进行整合,将工程技术与景观生态设计相结合,以绿地水系等自然要素构建城市“绿色海绵”,探索适应我国大城市雨洪管理要求的雨水资源化景观途径。
1.国内外雨洪调蓄理念与实践
雨洪调蓄是雨水调节和雨水储存的总称[7]。从20世纪80年代开始,越来越多的国家和学者开始认识到雨洪调蓄的作用和重要意义,开始探索和应用新的雨洪管理理念对雨水进行统筹管理调度和资源化利用。
美国是开始雨洪调蓄研究的国家之一,关注雨水的收集、储存和净化,以提高天然入渗能力为宗旨,注重与植物、绿地、水体等自然景观结合的生态设计[8]。从20世纪80年代起,美国就对所有新开发区强制实行“就地滞洪蓄水”,改建或新建项目的雨水径流不能超过开发前的水平[9]。从管理实践(BestManagementPractice,BMP)发展到低影响开发(LowImpactDevelopment,LID),雨洪调蓄的焦点从大流域转向小流域,借助场地中的景观要素,通过渗透、过滤、蓄存、挥发和滞留等天然的水文控制措施,将径流控制在源头[10],减少了暴雨径流集中管理的需要,且成本更低、具有更好的景观效应[11]。如今在美国很多地区,如俄勒冈州、华盛顿州、马塞诸塞州、弗吉尼亚州、马里兰州的一些城市都有雨洪调蓄的景观工程,包括雨水塘、雨水湿地、绿色屋顶、雨水花园、街道浅沟等[9]。
德国在20世纪80年代开始逐步建立和完善雨洪调蓄技术、行业标准与管理条例。1989年《雨水利用设施标准》标志着代雨水利用技术的成熟。各州法规都规定除特定情况外降水不能直接排放到公共管网中,城市开发要实现“排放量零增长”。技术措施方面主要是采用下凹绿地、植被渗沟等方式,也利用景观水体收集调蓄雨水[12]。澳大利亚的水敏性城市设计(WSUD)是在应对长期干旱的情况下提出的对传统开发措施的改进,强调通过城市规划设计的整体分析来减少对自然水循环的负面影响和保护水生生态系统的健康,强调将暴雨径流和天然河道作为资源进行利用而不是在暴雨时尽快将雨水排出。其主要思想包括:保护城市中的天然水系,并使其充分发挥作用;在控制暴雨径流的同时考虑景观效应,将城市中的雨水管理、生物栖息、公共休闲和视觉景观等不同功能用地进行整合;通过天然的洼地蓄水和减少不透水地表比例降低城市的雨水径流量和高峰径流量;最小化排水基础设施建设的费用[13]。
日本建设省于1980年就曾通过推广雨水贮留渗透计划来鼓励雨水资源的收集利用,致力于补充涵养地下水、复活泉水和恢复河川基流。该计划得到了民间的广泛支持,1988年成立的“日本雨水贮留渗透技术协会”,吸引了包括住友、大成、日产和三井等84家企业参加。1992年颁布的“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分[14]。
相较而言,我国的雨洪调蓄研究和实践还处于起步阶段,多限于城市小区尺度,以工程设施的探讨为主,相对缺乏以雨洪管理、水质保护和景观综合效应为目的宏观尺度雨洪管理规划。[15]但仍有部分学者的研究开启了整体和多目标解决雨洪问题的尝试,如董淑秋等人对北京首钢工业改造区进行的雨水利用综合规划[16],俞孔坚等人从生态景观视角对城市雨洪管理系统的研究[17]及城市湿地公园设计实践[18]等等。
2.研究区概况
北京是一个旱涝并存的典型城市,每年的供水缺口在10亿m3以上,但其降水总量少且年内分布不均,约85%的降水集中在汛期并常以暴雨形式出现,造成频繁而严重的城市内涝;同时大量雨水通过排水系统直接排放出境,得不到充分利用,每年约有66%的雨水资源白白流失[19]。本文研究区北京市亦庄经济技术开发区南拓片区位于北京市东南部大兴区境内,六环路与七环路之间,是待开发的城市新区。研究团队接受委托,对这一地区进行总体规划前期研究。场地面积约1822.5hm2,主要为分散的乡村地带,有大面积农田和数条河流沟渠分布。经过调研发现,该地区位于北京市的自然排水方向,地势低洼,易发洪涝灾害;同时,该区地下水可供给量又远小于需求,形成了大面积超采区。作为北京市亦庄经济技术开发区的扩展地带,未来对该地区进行城市开发后,大面积的乡村和自然基底向城市建成区转化所带来的水系统结构和下垫面的变化,将给雨洪调蓄带来更大压力;而城市化后人口和用水量的增加,又将增大对水资源的需求。因此,需要前瞻性地分析雨洪资源化调蓄利用的方向,通过雨洪利用和景观生态设计结合的手段综合解决场地的水危机问题。
雨水调蓄的概念
雨水调蓄即雨水调节和储存的总称。雨水调蓄属于雨水利用系统,一般在雨水利用系统中以调蓄池的形态存在,雨水调蓄不仅是储存雨水,在对雨水的收集上,也起到相应的作用。
传统意义上雨水调节的主要目的是削减洪峰流量。通常,利用管道本身的空隙容量调节流量是有限的。如果在城市雨水系统设计中利用一些天然洼地和池塘作为调蓄池,将雨水径流的高峰流量暂存其内,待流量下降后,再从调蓄池中将水慢慢地排出,则可降低下游雨水干管的尺寸,提高区域防洪能力,减少洪涝灾害。此外,当需要设置雨水泵站时,在泵站前设置调蓄池,可降低装机容量,减少泵站的造价。此类雨水调蓄池的常见方式有溢流堰式或底部流槽式等。
雨水利用系统中的雨水调蓄,是为满足雨水利用的要求而设置的雨水暂存空间,待雨停后将储存的雨水净化后再使用。通常,雨水调蓄兼有调节的作用。当雨水调蓄池中仍有部分雨水时,则下一场雨的调节容积仅为容积和未排空水体积的差值。
在雨水利用尤其是雨水的综合利用系统中,调节和储存往往密不可分,两个功能兼而有之,以下称之为雨水调蓄(池)。在雨水利用系统中还常常兼沉淀池之用;一些天然水体或合理设计的人造水体还具有良好的净化和生态功能。
为了充分体现“节水、节能、节地”和可持续发展的战略思想,有条件时可根据地形、地貌等条件,结合停车场、运动场,公园、绿地等建设集雨水调蓄、防洪、城市景观、休闲娱乐等于一体的多功能调蓄池。
在雨水利用系统中,雨水的调节和储存是的步骤,这便是雨水调蓄,由于雨水调蓄在雨水利用系统中的重要地位,所以,想要将雨水有效地收集利用起来,就需要将雨水调蓄设计完善。
雨水调蓄池设计
雨水调蓄池是一种雨水收集设施,占地面积大,一般可建造于城市广场、绿地、停车场等公共区域的下方,主要作用是把雨水径流的高峰流量暂存其内 ,待流量下降后再从调蓄池中将雨水慢慢地排出。既能规避雨水洪峰,实现雨水循环利用,又能避免初期雨水对承受水体的污染,还能对排水区域间的排水调度起到积极作用。但是,雨水中的颗粒杂质易于在调蓄池中沉积,人工清理难度大,可以采用冲洗门等拦蓄自冲洗装置进行清理。
雨水调蓄池容量设计方法
1 需要控制面源污染、削减排水管道峰值流量防治地面积水、提高雨水利用程度时,宜设置雨水调蓄池。
2 雨水调蓄池的设置应尽量利用现有设施。
3 雨水调蓄池的位置,应根据调蓄目的、排水体制、管网布置、溢流管下游水位高程和周围环境等综合考虑后确定。
4 用于控制面源污染时,雨水调蓄池的有效容积可按下式计算:
V=3600ti(n-n0)Qdrβ (4.14.4)
式中:V——调蓄池有效容积(m);
ti——调蓄池进水时间(h),宜采用0.5h~1h,当合流制排水系统雨天溢流污水水质在单次降雨事件中无明显初期效应时,宜取上限;反之,可取下限;
n——调蓄池运行期间的截流倍数,由要求的污染负荷目标削减率、当地截流倍数和截流量占降雨量比例之间的关系求得;
n0——系统原截流倍数;
Qdr——截流井以前的旱流污水量(m/s);
β——调蓄池容积计算安全系数,可取1.1~1.5。
5 用于削减排水管道洪峰流量时,雨水调蓄池的有效容积可按下式计算:
V=[-(0.65/n+b/t·0.5/(n+0.2)+1.10)lg(α+0.3)+0.215/n]·Q·t (4.14.5)
式中:V——调蓄池有效容积(m);
α——脱过系数,取值为调蓄池下游设计流量和上游设计流量之比;
Q——调蓄池上游设计流量Q(m/min);
b、n——暴雨强度公式参数;
t——降雨历时(min),根据式(3.2.5)计算。其中,m=1。
6 用于提高雨水利用程度时,雨水调蓄池的有效容积应根据降雨特征、用水需求和经济效益等确定。
7 雨水调蓄池的放空时间,可按下式计算:
to=V/3600Q'η
式中:to——放空时间(h);
V——调蓄池有效容积((m);
Q'——下游排水管道或设施的受纳能力(m/s);
η——排放效率,一般可取0.3~0.9。
8 雨水调蓄池应设置清洗、排气和除臭等附属设施和检修通道。