汪慧貞 (北京建筑工程學院)
李憲法 (北京市環境科學研究院)

　　摘 要 城區發展造成不透水地面面積增加，隨之產生的是地下水補給減少，雨水徑流洪峰流量增加，城市防洪壓力增大等危害。本文介紹了城區雨水徑流就地入滲的意義，適合于北京地區入滲設施的計算方法和關鍵參數等，為其推廣使用提供技術依據。
　　關鍵詞　雨水　徑流　入滲設施　計算

　　Abstract： Impermeable land surface increases along with urban area expansion in cities. Hazards such as decrease in grownd water conservation, increase in peak rate of stormwater runoff, strength- ening pressure of protection from flood in cities are following. In this paper the significance of stormwater infiLtration , calculation and the key parameter of infiltration facilities suitable for Bei- jing Urban Area are described in order to supply techincal basis for utilization.
　　KeyWord：Stormwater Runoff Infiltration facility Calculation

0.概述

　　北京城區的水資源由地表水和地下水兩部分組成，其中地下水可供水量為26億m³，約占總可供水量的2／3左右，因此北京地區的地下水源具有重要的戰略地位。北京市座落在地下含水層的補給區，因城區發展導致不透水地面增加，地下水的補給量逐年減少。據統計，80年代地下水年均補給量比 60、70年代減少了約2.6m³。[1]而城市發展導致用水量增大，地下水的過量開采使北京市地下水位下降，以東郊為中心形成了一個2000平方公里的漏斗區。而且自1966年以來，北京市地面以每年10— 20mm速度下沉。
　　北京城區建設近年來發展迅速，不透水地面所占比例隨之快速增長，由1959年的61％，增至目前的77％。[2]其結果是城區總徑流系數增大，徑流匯流速度加快，由3—4小時縮短至1—2小時。徑流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰歷時由20小時左右縮短為約10小時左右。例如在降雨量和降雨類型相似 的條件下，80年代北京城區徑流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量大于60mm時，樂家園水文站測得的洪峰流量才達100m³／s，而近年來，城區面平均降雨量近30mm時，所測得洪峰流量即達100m³／s以上。[3]這不僅對城市防洪形成巨大壓力，還會造成接納水體河岸侵蝕和下游城市的洪澇災害。
　　因此，一方面是使用龐大的人工雨水排放系統(雨水管道、泵站等)將日益增長的雨水徑流排出城市，增大汛期的出境水量，造成城市防洪設施建設的一個沉重包袱，另一方面卻是地下水源因補給不足而枯竭，從而加重城市水危機。如能合理、充分利用雨水資源，對緩解北京市水資源危機有現實意義。

1. 城區雨水徑流就地入滲

1.1 城區雨水就地人滲
　　城區雨水可粗分為直接利用和間接利用。直接利用是將雨水徑流收集起來，據用途的不同，使用混凝、沉淀、過濾、消毒等技術對之進行不同程度處理后用于綠化、洗車、道路噴灑、廁所沖洗等。因北京市雨水分布極不均勻，80％以上降雨量集中在6—9月，而用(需)水卻多為連續且較穩定的過程，兩者的銜接復雜，需要巨大的調節容量。而且在旱季，處理及調蓄構筑物卻又多處于閑置狀態，因此雨水直接利用的可行性、經濟性較差，所以北京市未能推廣使用。
　　 城區雨水的間接利用是使用多種措施強化雨水就地入滲，使更多雨水留在城市境內并滲入地下以補充地下水。即使下滲量較小、地下水位太深或地質條件限制，以致下滲雨水不能進入地下含水層，至少可增加淺層土壤的含水量，調節氣候，遏制城市熱島效應，還可減小徑流洪峰流量及洪澇災害威協。 此外，雨水人滲的另一優越性是能充分利用土壤的凈化能力，對于城區徑流導致的面源污染控制有重 要意義，因此強化雨水入滲是增加地下水源、減少城市雨洪、改善城市環境的有效途徑。
1.2雨水徑流就地入滲的研究和使用
　　60年代起，發達國家就努力開發多種雨水人滲裝置，并制訂了相應的規章和政策。如德國任何種類的新建小區均需帶有雨洪利用設施，否則需交納雨洪排放設施費和雨洪排放費。又如日本92年頒行了“第二代城市下水總體規劃”，要求新建和改建的大型公共建筑群必須設置雨水就地下滲設施，對私人住宅雖尚無具體規定，但為鼓勵居民使用雨水入滲設施，政府可予以經濟補助。日本“降雨蓄存及 滲濾技術協會”經模擬試驗得出：在使用合流制雨水管道系統地區，若強化雨水入滲，使降雨量以每小時5mm的速率入滲地下，此地區每年排出的BOD₅總量可減少50％。[4]并具體提出了各種入滲設施滲 透系數變化規律和設置密度，以供設計使用(表1)。

入滲設施的設置密度及堵塞情況[4] 種類
項目 滲井 滲溝 透水地面 設置密度 —20(個/ha) 30—40(m／ha) 200—300(m²/ha) 滲透系數K的變化 0.2K(10年后) 0.5K(10年后) 0.15K(3年后)

注：透水地面經高壓水槍沖洗，可基本恢復原狀。

　　我國古代的建筑中早已使用了雨水入滲技術，許多老城區利用滲坑、滲井、滲溝使雨水就地下滲。
　　北京市在90年和91年對草坪高度對入滲量的影響作了試驗，結果見表2。從表中可看出，若草坪低于路面，其入滲量比高于路面要3—4倍。

表2 草坪地面高度對入滲量的影響[3] 草坪高度 有效入滲量/降雨量(％) 高出路面0.8mm 與路面平 低于路面0.1m—0.2m 降雨量443mm 7.4 12.9 21.6 降雨量494mm 9.1 22.4 36.6

　　總之，雨水入滲已有一些成熟的技術和經驗，我國近年來因城市迅速發展，逐漸認識到雨水就地入滲的重要作用和意義，無論是科研部門還是政府機構在這方面均做了許多工作。但在北京市雨水入滲設施尚未得到推廣使用，缺乏設計計算方法及有關參數是其原因之一。

2.雨水入滲設施的計算方法及關鍵參數

　　雨水入滲設施有許多種類，在城區，因用地限制，宜使用埋設于地下的設施。本文僅討論城區多用的滲透管、渠、溝的計算方法。
2.1 計算方法簡介
　　入滲設施有多種計算方法，如圖解法、德國Geiger提出的推理法等，但它們均以水量平衡為基礎，即設施進水量等于滲透水量與貯存水量之和。所不同的僅是一些參數的選擇和處理。本文以圖解法 為例。
　　1.設計進水量VT
　　 VT的近似值可據下式計得：
　　　　　 VT＝3600（qT/1000)(C.A+AO)t.........(1)
　　 式中：qT：重現期為T，降雨歷時為t的暴雨強度(L／S·ha)
　　　　 C：平均徑流系數
　　　　 A：設施的服務面積(ha)
　　　　 AO 設施直接承受降雨的面積，可忽視不計(ha)
　　　　 t：降雨歷時(h)
　　 瑞典的Sjoberg和Martensson[5]在大量數據統計的基礎上得出了修正系數1.25，認為將式(1)乘上1.25后，VT的計算結果與實際吻合，因此有
　　　　VT＝1.25[3600(qT/1000)(C.A+A0)t]..........(2)
　　 2.設計滲透量Vp
　　 人滲設施在降雨歷時t時段內的滲透量Vp可按下式計得：
　　　　　Vp＝K.J·As·3600t............(3)
　　 式中：K：土壤滲透系數(m／s)
　　　　　 J：水力坡度。若地下水位較低，可認為J＝1
　　　　　 As：有效滲透面積(m²)
　　 具體計算時，為安全起見，滲透系數K要乘以0.3—0.5的系數。因滲透溝、管、渠的底面積易堵 塞，底面積不計入有效滲透面積As，且側面積也僅按其1／2計，這是因為滲透管、溝、渠中水位上下浮 動，取1/2高度水位作為平均水位。
　　3.設計存貯空間V
　　 對某一降雨重現期，入滲設施中應有一定的空間以存貯未能及時滲透的進水量，存貯空間應為設 計進水量與設計滲透量之差的最大值。
　　　　 V＝max[VT—Vp]
　　　　 或V＝max[4.5qT(C.A十A0)t—3600K·As·t]............(4)
　　 具體計算過程是圖解加試算，以求得所需滲透管、溝、渠的長、寬、高。
2.2　適宜于北京地區的計算方法
　　入滲設施的多種計算方法雖然原理相同，但安全性、精確性多有差異。圖解法中滲透系數乘上安全系數0.3—0.5，有效滲透面積舍去底面積而僅取1/2側面積，比其它計算方法更偏安全。此外，對設計進水量進行了1.25倍的修正，比較其它計算法又更為精細。
　　北京地區周圍多為黃土地帶，且目前防風林、綠化隔離帶不完整，造成雨水徑流水質較差。現代化入滲設施的使用在我國尚屬新生事物，管理制度有待完善，管理人員水平有待提高。而入滲設施一旦發生堵塞，要恢復其功能很困難，且往往是事倍功半。出于對新生事物的呵護，建議在北京地區使用偏 安全的圖解計算方法。
　　考慮在設計進水量中扣除污染性極強的初期徑流部分及上游滲透設施的滲透量，對式(4)作修正 為：
　　　　 V＝max[4.5qT(C·A十A0)t—3600K.As·t—△1一△2]…………(5)
　　式中：A1初期徑流棄流量(m³)
　　　　　 A2：上游入滲設施的滲透量(m³)
2.3 關鍵參數一滲透系數
　　滲透管、溝、渠等多使用滲透性材料如無砂混凝土，打孔PVC管等，它們的滲透系數較大，常為10-3—104m／s，因此入滲設施的總滲透系數實際上取決于土壤的滲透系數。
　　土壤滲透系數有大量經驗數據，也可通過室內和現場方法測定。室內測定法所取土樣少，代表性差。尤其城區土壤多為經擾動后的回填土，均勻性差，因此建議使用現場測定方法?，F場測定K值有 多種方法，如單(雙)環注水法，立管注水法等，也可使用一些簡易方法以減少工作量，如使用矩形土槽 注水等，當然也可使用接近于實際工作情況的滲透管、溝、渠裝置以取得更準確的Ｋ值。

3.結束語

　　北京市政府于2000年頒布了第66號令“北京市節約用水若干規定”，其中有一條為“城鎮地區機關、企業、事業單位院內應當建設雨水收集利用的設施，鼓勵單位和居民庭院建設雨水利用設施和滲水井?！边@對于北京市地區的雨水利用工作是一有力推動。但雨水利用不僅是水利和城建系統的任務，它牽涉到許多部門、政策和規范。如屋面材料對屋面徑流水質起了至關重要的作用，從雨水利用角度望能改瀝青油氈屋面為瓦制或其它材料屋面以減少屋面徑流的污染性，故建設在“屋面工程技術規范”修訂時增加有關條款。又如為了充分利用自然凈化能力及增加雨水人滲量，建議道路高程高于周圍綠地高程，以便道路徑流進入綠地。屋面徑流也應盡量引入花壇、綠地，經自然凈化、滲透后再進入人工人滲設施。這些均需在城市平面和高程規劃中體現。
　　目前城區雨水滲透利用在我國尚處于起步階段，應強調選用適合于我國城鎮建設具體情況的雨水入滲利用技術，在保證人民生活和生產安全的前題下，充分利用雨水資源。

參考文獻

　　1.顏昌遠主編，水惠京華，中國水利水電出版社，1999，P10
　　2.北京市水利局，北京水旱災害，中國水利水電出版社，1999，P82
　　3.顏昌遠主編，北京的水利，科學普及出版社，1997，P275—276，P280
　　4.Takayuki Hasegawa, Effects of Stormwater Infiltration Facilities in Urban Areas，Sewage works in Japan，1999，P60
　　5.Urbonas Ben，Stormwater，Prentice Hall,1994，P233-246

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　　汪慧貞，女，1944年生。1966年畢業于上海同濟大學，1981年獲工學碩士學位，北京建筑工程學院教授。曾在加拿大British Columbia大學和英國leeds大學任訪問學者。主持或參加多項國家、市級 科研項目，發表有關廢水生物處理、除磷脫氮技術、節能曝氣系統、垃圾填埋場滲瀝水處理等論文30余篇。