汪慧貞1，李憲法2
（1.北京建筑工程學(xué)院給排水教研室，北京100044；2.北京市環(huán)境科學(xué)研究院，北京100037）

　　摘　要：城區(qū)的發(fā)展造成不透水地面面積增加，隨之產(chǎn)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。闡述了城區(qū)雨水徑流就地入滲的意義，并提出了適合北京地區(qū)入滲設(shè)施的計算方法和關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，為雨水徑流入滲設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：雨水；徑流；入滲設(shè)施；計算方法
　　中圖分類號：TU992.02
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)11-0037-03

1　概述

　　北京城區(qū)建設(shè)近年來發(fā)展迅速，不透水地面所占比例由1959年的61%增至目前的77%^［1］，導(dǎo)致城區(qū)總徑流系數(shù)增大，徑流匯流速度由3～4 h縮短至1～2 h。徑流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰歷時由20 h左右縮短為約10 h。例如在降雨量和降雨類型相似的條件下，20世紀(jì)80年代北京城區(qū)的徑流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量＞60 mm時，樂家園水文站測得的洪峰流量才達(dá)100m³/s，而近年來城區(qū)平均降雨量近30 mm時，洪峰流量即達(dá)100m³/s以上^［2］。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(zāi)害。
　　因此，一方面是使用龐大的人工雨水排放系統(tǒng)(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；另一方面卻是地下水源因補給不足而枯竭(20世紀(jì)80年代地下水年均補給量比70年代減少了2.6×10⁸m³)，從而加重了城市水危機^［3］。
　　雨水徑流具有一定的污染性，特別是初期徑流。如北京地區(qū)屋面初期徑流的COD通常為200～1800mg/L(偶爾高達(dá)3300mg/L)，SS為400～800mg/L(偶爾高達(dá)2000 mg/L)，而且其中酚、石油類含量也超出《北京市地下水人工回灌水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)北京城區(qū)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對降雨量＜10mm的降雨，屋面徑流污染物總量的70%以上包含于2mm降雨量的初期徑流中。而當(dāng)降雨量＞15mm時，污染物總量的30%～40%包含于2mm降雨量的初期徑流中。為此建議清濁分流，將初期2 mm降雨量所形成的屋面徑流分離出來，并加以妥善處置或排入污水管道。
　　若能采用一定方法，合理地利用雨水作為城市補充水源，對于北京這樣的缺水城市具有現(xiàn)實意義。

2　城區(qū)雨水徑流就地入滲

　　城區(qū)雨水利用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(jù)用途的不同進(jìn)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月～9月，因此需要巨大的調(diào)節(jié)容量。但在旱季，處理及調(diào)蓄構(gòu)筑物大多閑置，故雨水直接利用的可行性、經(jīng)濟(jì)性較差。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(nèi)并滲入地下以補充地下水。即使下滲量較小、地下水位太深或受地質(zhì)條件限制以致下滲雨水不能進(jìn)入地下含水層，至少可增加淺層土壤的含水量、調(diào)節(jié)氣候而遏制城市熱島效應(yīng)，還可減小徑流洪峰流量及洪澇災(zāi)害威脅。此外，雨水入滲的另一優(yōu)越性是能充分利用土壤的凈化能力，這對城區(qū)徑流導(dǎo)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、減少城市雨洪量、改善城市環(huán)境的有效途徑。
　　20世紀(jì)60年代起，發(fā)達(dá)國家就努力開發(fā)多種雨水入滲裝置，并制定了相應(yīng)的規(guī)章和政策。如德國的任何種類的新建小區(qū)均需帶有雨洪利用設(shè)施，否則需交納雨洪排放設(shè)施費和雨洪排放費。又如日本于1992年頒布了“第二代城市下水總體規(guī)劃”，正式將雨水滲溝、滲塘及透水地面作為城市總體規(guī)劃的組成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必須設(shè)置雨水就地下滲設(shè)施。日本“降雨蓄存及滲濾技術(shù)協(xié)會”經(jīng)模擬試驗得出：在使用合流制雨水管道系統(tǒng)地區(qū)，若強化雨水入滲，使降雨量以5 mm/h的速率入滲地下，此地區(qū)每年排出的BOD總量可減少50%^［4］。并具體提出了各種入滲設(shè)施的設(shè)置密度和滲透系數(shù)變化規(guī)律［4］(見表1)。

表1　入滲設(shè)施的設(shè)置密度及堵塞情況 項目 滲井 滲溝 透水地面 設(shè)置密度 10～20(個/hm²) 30～40(m/hm²) 200～300(m²/hm²) 滲透系數(shù)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(jīng)高壓水槍沖洗，可基本恢復(fù)原狀。

　　北京市在1990年—1991年做了草坪高度對入滲量的影響試驗^［1］，結(jié)果見表2，數(shù)據(jù)表明若草坪低于路面，其入滲量是高于路面時的3～4倍。

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

　　總之，雨水入滲已有一些成熟的技術(shù)和經(jīng)驗，但在北京市雨水入滲設(shè)施中尚未得到推廣使用，缺乏設(shè)計計算方法及有關(guān)參數(shù)是其原因之一。

3　雨水入滲設(shè)施的計算方法及關(guān)鍵參數(shù)

　　雨水入滲設(shè)施有許多種類，現(xiàn)討論多用于城區(qū)的滲透管、渠、溝的計算方法。
3.1計算方法
　　入滲設(shè)施有多種計算方法，如圖解法、推理法等，它們均以水量平衡為基礎(chǔ)，即設(shè)施進(jìn)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(shù)的選擇和處理。現(xiàn)以圖解法為例。
　　①設(shè)計進(jìn)水量VT
　　V_T的近似值可據(jù)下式計算：
　　V_T＝3600（qT／1000）(C·A+A₀)t　　　　　(1)
　　式中qT——重現(xiàn)期為T、降雨歷時為t的暴雨強度，L/s·hm²
　　　　C——平均徑流系數(shù)
　　　　A——設(shè)施的服務(wù)面積，hm2
　　　　A0——設(shè)施直接承受降雨的面積，可忽略不計，hm2
　　　　t——降雨歷時，h
　　瑞典的Sjoberg和Martensson［5］在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上得出了修正系數(shù)1.25，認(rèn)為將式(1)乘上1.25后，VT的計算結(jié)果與實際吻合，因此有

　　　　VT＝1.25［3 600qT1 000(C·A+A0)t］　(2)

　　②設(shè)計滲透量VP
　　入滲設(shè)施在降雨歷時t時段內(nèi)的滲透量VP可按下式計算：
　　　　VP＝K·JAS·3600t　　　　　　　　　　(3)
　　式中K——土壤滲透系數(shù)，m/s
　　　　J——水力坡度，若地下水位較低，J＝1
　　　　AS——有效滲透面積，m²
　　具體計算時，滲透系數(shù)K要乘以0.3～0.5的安全系數(shù)。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(cè)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(shè)計存貯空間V
　　對某一降雨重現(xiàn)期，入滲設(shè)施中應(yīng)有一定的空間以存貯未能及時滲透的進(jìn)水量，存貯空間應(yīng)為設(shè)計進(jìn)水量與設(shè)計滲透量之差的最大值。
　　　　　　V＝max(VT-VP)　　　　(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。
3.2北京地區(qū)的計算方法
　　入滲設(shè)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(shù)乘上安全系數(shù)0.3～0.5，有效滲透面積舍去底面積而僅取1/2側(cè)面積。此外，對設(shè)計進(jìn)水量又進(jìn)行了1.25倍的修正，使其比其他計算方法更為安全、精細(xì)。采用此安全算法的原因為：①北京地區(qū)周圍多為黃土地帶，且目前防風(fēng)林、綠化隔離帶不完整，造成雨水徑流水質(zhì)較差；②現(xiàn)代化入滲設(shè)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；③入滲設(shè)施一旦發(fā)生堵塞，要恢復(fù)其功能很困難，且往往是事倍功半。
　　考慮在設(shè)計進(jìn)水量中扣除污染性極強的初期徑流部分及上游滲透設(shè)施的滲透量，對式(4)作修正：
　　　　V＝max［4.5q_T(C·A+A₀)t-3 600K·A_S·t-Δ₁-Δ₂］　(5)
　　式中Δ₁——初期徑流棄流量，m³
　　　　Δ₂——上游入滲設(shè)施的滲透量，m³
3.3　滲透系數(shù)K
　　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(shù)較大，常為10^-3～10^-4 m/s，因此入滲設(shè)施的總滲透系數(shù)實際上取決于土壤的滲透系數(shù)。
　　土壤滲透系數(shù)可依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定，也可通過室內(nèi)和現(xiàn)場方法測定。室內(nèi)測定法所取土樣少，代表性差，尤其城區(qū)土壤多為經(jīng)擾動后的回填土，均勻性差，故建議使用現(xiàn)場測定方法。現(xiàn)場測定K值有多種方法，如單(雙)環(huán)注水法，立管注水法等，也可采用一些簡易方法以減少工作量，如矩形土槽注水法等，當(dāng)然也可使用接近于實際工程情況的滲透管、溝、渠裝置以取得更準(zhǔn)確的K值。

4　建議

　　目前，城區(qū)雨水滲透利用在我國尚處于起步階段，應(yīng)強調(diào)選用適合于城區(qū)建設(shè)具體情況的雨水入滲利用技術(shù)，合理設(shè)計入滲設(shè)施，并結(jié)合其他有效措施以充分利用雨水資源，如：
　　①因屋面材料對屋面徑流水質(zhì)起了至關(guān)重要的作用，從雨水利用角度考慮，望能改瀝青油氈屋面為瓦制或其他材料屋面以減少屋面徑流的污染性，建議在“屋面工程技術(shù)規(guī)范”修訂時增加有關(guān)條款。
　　②為了充分利用自然凈化能力及增加雨水入滲量，建議道路高程高于周圍綠地高程，以使道路徑流進(jìn)入綠地。
　　③屋面徑流也應(yīng)盡量引入花壇、綠地，經(jīng)自然凈化、滲透后再進(jìn)入人工入滲設(shè)施。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］北京市水利局.北京水旱災(zāi)害［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.
　　［2］顏昌遠(yuǎn).北京的水利［M］.北京：科學(xué)普及出版社，1997.
　　［3］顏昌遠(yuǎn).水惠京華［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.
　　［4］Takayuki Hasegawa.Effects of stormwater infiltration facilities in urban areas,sewage works in Japan［M］.Japan:Japan Sewage Works Association,Tokyo,1999.
　　［5］Urbonas Ben.Stormwater［M］.Englewood Cliffs,N.J.Prentice Hall,1994.

---

　　電　話：(010)68322128(O)
　　E-mail:wanghuizhen@163.net
　　收稿日期：2001-06-20