城市雨水渗透分析论文

提要:随着城市的发展，不透水地面面积不断增加，雨水径流量也相应增加。雨水是宝贵水资源，应通过渗透等方式充分利用雨水以涵养地下水、调节城市生态环境后，再使用雨水管系将剩余径流安全、合理地排除。对各种雨水渗透设施及其选址、堵塞、污染控制等问题作了简略论述。

引言

目前城市排水体制主要为合流制(截流制)和分流制。从环境保护、污水处理厂运行、管道养护等多方面考虑，分流制较合流制优越，因此目前新建小区多采用分流制，即污水和雨水分别由污水管道和雨水管道收集和输送，污水进入城市污水处理厂，雨水直接排入水体。雨水管道设计指导思想是：及时、迅速地排除降雨形成的地面径流。在确定雨水设计流量时没有考虑对雨水径流量的利用和压缩。

图1北京市建筑占地面积变化曲线

近年来我国城市建设飞速发展，大量建筑物和道路等的建设使城市不透水地面面积快速增长。图1反映了北京市建筑占地面积年际变化情况。从1996年开始，北京市建筑占地面积增长速度明显高于往年，几乎呈直线上升态。预计到2010年，北京市建筑占地面积将达300km2左右，其中还未包括道路等所占面积。屋面、混凝土和沥青路面等不透水表面的径流系数一般取0.9，也就是说其降雨量的90%将形成径流。因此，随着城市发展，雨水径流量将大大增加，如果不采取措施而单纯考虑将雨水径流快速排出，所需雨水管道、雨水泵站等设施的容量、输送能力必将随之增大，这对于城市建设是一个沉重的包袱。

此外，由于环境意识的增强，人们认识到城区雨水的快速排出增加了接纳水体洪涝危害、河岸侵蚀和污染物的冲击负荷，还造成合流制系统中污水处理厂运行的困难及一部分雨污混流外溢而污染水体，因此对于传统雨水排除的指导思想从另一方面提出了质疑。

1利用雨水涵养地下水--雨水渗透

我国许多城市水资源缺乏，以北京市为例，它是世界上100个严重缺水的城市之一，人均水资源占有量为300m3，低于国际公认的下限1000m3。1999年是建国以来最干旱的一年，北京市降雨量为389mm，为平均年降雨量的59%，自然形成的水资源仅为18.2亿m3。而北京市用水量为40亿m3，其中70%来自地下水。过度开采使北京市地下水储存量在1999年一年中减少了近15亿m3，地下水位下降了2～3m，以北京东郊为中心形成了一个2000km2的漏斗区。地下水位的下降又导致地面下沉，自1966年以来，北京市地面以每年10～20mm的速度下沉。

因此，一方面是使用庞大的雨水排放系统将日益增长的雨水径流排出城市，另一方面却是城市地下水补给的严重不足。如在雨水管道系统设计、用地规划和地面覆盖上考虑雨水渗透，合理、充分地利用雨水涵养地下水源，那么既能缓和城市水资源危机，又能增加土壤中的含水量、调节气候，从而改善城市的生态环境，还能减少所需雨水管系容量，即减少雨水管系的投资和运行费用，并减轻城区水涝危害和水体污染。

从60年代起，发达国家就努力开发各种雨水渗透装置，并制订了一系列规章制度。如目前德国在新建小区(无论是工业、商业、居民区)之前，均要设计雨洪利用(集雨)项目，若无雨洪利用措施，政府将征收雨洪排放设施费和雨洪排放费。

实际上雨水渗透早在我国一些古城的建筑中已有所体现，利用渗坑、渗井、渗沟使雨水就地下渗。80年代末曾对一些地区作过调查，如杭州老城区在庭院中设天井沟和矩形渗坑；苏州老城区及附近一带乡镇的住宅用天井贮蓄雨水；潍坊老城区街道的雨水流入坑洼地及池塘(俗称"湾子"，有的湾子平时是干涸的)；曲阜孔府宅内和后花园均有雨水渗井［1］。

2雨水渗透设施

2.1渗透地面

除了绿化面积外，人工渗透地面主要分为两类，一类是多孔沥青及多孔混凝土地面，另一类是草皮砖。它们可用于停车场、交通较少的道路及人行道，特别适用于居民小区。

2.1.1多孔沥青及混凝土地面

典型的多孔沥青地面构造见图2。表面沥青层避免使用细小骨料，沥青重量比为5.5%～6.0%，空隙率为12%～16%，厚6～7cm。沥青层下设两层碎石，上层碎石粒径1.3cm，厚5cm，下层碎石粒径2.5～5cm，空隙率为38%～40%，其厚度视所需蓄水量定，因它主要用于贮蓄雨水并延缓径流［2］。

多孔混凝土地面构造与多孔沥青地面类似，只是将表层改换为无砂混凝土，其厚度约为12.5cm，空隙率15%～25%。多孔沥青及多孔混凝土地面自1973年在美国使用以来，得到EPA的支持，至今已广泛应用于发达国家，但在国内还鲜见报道。

2.1.2草皮砖

草皮砖是带有各种形状空隙的混凝土块，开孔率可达20%～30%，因在空隙中可种植草类而得名。它最早于1961年用于德国，至今在国内外均已被广泛使用。特别多用于城区各类停车场、生活小区及道路边。它除了有渗透雨水的作用，还有美化环境的效果，国内建材市场上有成品出售，便于采用及推广。

草皮砖地面因有草类植物生长，与多孔沥青及混凝土地面相比，能更有效地净化雨水径流及调节大气温度和湿度。试验证明它对于重金属如铅、锌、铬等有一定去除效果。植物的叶、茎、根系能延缓径流速度，延长径流时间。草皮砖地面的径流系数为0.05～0.35，取决于其基础碎石层的蓄水性能、地面坡度等因素。

国外资料介绍：

渗透地面成本比传统不透水地面高出10%左右，但综合考虑因径流量减少、地面集流时间延长而导致雨水管道长度缩短及管径减小，雨水系统的总投资可减少12%～38%。而且还可产生较大的环境及社会效益［3］。

以北京建工学院为例，校园面积约12hm2，因院内建筑物分布密集，按5%的面积可改为渗透地面计算，改造后院内雨水管系投资可减少6%，这还未计入因进入市政雨水管道径流量减少对下流管系的有利影响。

2.2渗透池

2.2.1地面渗透池

当土地可得且土壤渗透性能良好时，可采用地面渗透池。池可大可小，也可几个小池综合使用，视地形条件而定。

地面渗透池有的是季节性充水，如一个月中几次充水、一年中几次充水或春季充水秋季干涸，水位变化很大。有的地面渗透池则是一年四季均有水。在地面渗透池中宜种植植物。季节性池所种植植物应既能抗涝又能抗旱，并视池中水位变化而定。常年存水的地面渗透池与土地处理系统中的"湿地"相似，宜种植耐水植物及浮游性植物。它还可作为野生动物的栖居地，有利于改善生态环境。利用天然低洼地作地面渗透池是最经济的。若对池底再作一些简单处理，如铺设鹅卵石等透水性材料，其渗透性能将会大大提高。

2.2.2地下渗透池

当地面土地紧缺时，就不得不利用地下渗透池，实际上它是一种地下贮水装置，利用碎石空隙、穿孔管、渗透渠等贮存雨水。图3为各类地下渗透池示意，图4为利用底部透水渠贮水的渗透池，透水渠的使用可减少所需石料并增大贮水体积。总之，地下渗透池种类多样，形状各异，在美国一般按重现期2年的暴雨强度在36h内全部渗入地下来计算其容量［3］。

2.2.3渗透管

渗透管一般采用穿孔PVC管，或用透水材料制成。汇集的雨水通过透水性管渠进入四周的碎石层，再进一步向四周土壤渗透，碎石层具有一定的贮水、调节作用。相对渗透池而言，渗透管沟占地较少。便于在城区及生活小区设置，它可以与雨水管系、渗透池、渗透井等综合使用，也可以单独使用。日本和德国在这方面有较成熟的经验。

3雨水渗透工程的实施

3.1渗透设施的选址要求

使用渗透设施的适宜地点为：地下水最高水位或地下不透水岩层至少低于渗透表面1.2m，土壤渗透率不小于2×10－5m/s，地面坡度不大于15%，离房屋基础至少3m远。此外还需考虑表层及下层土壤结构、表面植被种类、土壤含水率、车辆及行人交通密度等［4］。

3.2渗透装置的堵塞

屋面及地面的初期雨水径流带有一定量的悬浮颗粒和杂质，对于渗透装置或土壤层可能有堵塞作用。沥青多孔地面经吸尘机抽吸(每年吸3次)或高压水冲洗后，其空隙率基本能完全恢复。多孔混凝土地面至今未见有堵塞报道。曾对北京建工学院材料实验室所制作的无砂混凝土块(孔隙率18%，渗透系数0.85cm/s)作堵塞试验。模拟北京市年平均降雨量600mm，向试块中灌入多种浓度的含泥砂试验浊水，当试验浊水的SS为1000mg/L及2000mg/L时，试块的渗透系数不变，当浊水SS增至3000mg/L，渗透系数减少8%，当SS增至4000mg/L时，渗透系数减少25%，表现出一定程度的堵塞。实际上北京市普遍使用的沥青屋面初期雨水径流的SS仅为100～250mg/L，路面径流的SS也仅为1000～3000mg/L，而且是短期的，降雨后期分别降为20～50mg/L和300～400mg/L。试验证明多孔混凝土地面不易堵塞。但为了安全起见，应尽量去除径流中易造成堵塞的杂质，并对渗透装置加强管理，定期清理。

3.3初期雨水径流的污染

屋面和地面初期径流的COD可达3000mg/L左右，虽然它随着降雨时间迅速降低，但在降雨初期的短时间内，雨水径流有相当的污染性。

在渗透设施的选址要求中，强调渗透表面距最高地下水位或不透水岩层1.2m以上，这是为了保证有一定土壤厚度以净化径流，是控制地下水污染的一种措施。此外，渗透装置中多使用过滤纤维层，俗称土工布，它是一种较好的过滤材料。对细小颗粒杂质有较强的阻隔作用。为了安全起见，提倡径流先进入绿地、花坛，再进入渗透设施，以充分利用植被和土壤表面的净化能力。对污染较重的初期径流宜设置初期弃流装置及适当的净化措施。

最后需强调的是：雨水渗透仅为雨水利用的方法之一，它能促进雨水、地表水、土壤水及地下水之间的"四水"转化，维持城市水循环系统的平衡。雨水利用应与雨水管系建设、城市平面和高程规划有机地结合，既要充分利用雨水资源又要保证人民生活、生产的安全，不受雨洪及不合理积水的干扰。

参考文献＋

1胡家骏.我国传统城市排水规划设计原则初探.中国给水排水，1987，3(4)：30～32

2RichaField.IntegratedStormwaterManagement.LewisPublishers,1993.151～153

3BruceKFerguson.StormWaterInfiltration.LewisPublishers,1996.36～88

4UrbonasBen.StormWater.PrenticeHall,1994.233～243