（农业水土工程专业论文）住宅小区不同下垫面滞蓄雨水的效果评价.pdf

摘要 北京水资源匮乏，供需矛盾十分突出，但由于下垫面状况发生改变，径流系数提高，城市在 汛期又常遭受洪水威胁，城市行洪压力过大，极易形成污水漫流，恶化北京水系水质，为人民生 活带来了极大的不便。因此出现两难局面，汛期需将雨水迅速排走，而旱季又需从周围地区调水 抗旱。 本文以海淀区近年降雨作为理论基础，以双紫园小区改造后的监测数据作为依据，结合室内、 野外现场实验作为参考，具体研究三类住宅小区下垫面，即：屋顶、绿地、铺装道路在降雨时的 产流情况和产流过程，以此来考查这几类下垫面在不同降雨条件下能够渗蓄降雨的比重，并提出 提高拦蓄率的优化措施。具体结论如下： i 根据监测资料，归纳出了屋顶径流系数与前期折损值，结合航拍资料，估测出了海淀区屋 顶雨水利用潜力。 i i 通过室外现场实验，总结出了绿地入渗系数。结合海淀区降雨资料的分析结果，提出了在 不同重现期2 4 h 降雨条件下，不同下凹深度的绿地的拦蓄情况。并分析了在绿地、屋顶面积不同 比的情况下，将屋顶雨水导入绿地的条件下，下凹式绿地的蓄纳与径流比重，给出了绿地最优下 凹值。 i i i 通过室内透水砖入渗实验，给出了透水砖稳定渗率，提出了随着使用年限的增长，透水砖 的渗率有所降低，但对雨水下渗无严重不良影响。对比了透水铺装增加后径流变化及透水铺装与 屋顶径产流过程。并根据透水铺装构造，分析出在不同重现期短历时暴雨条件下对降雨的拦蓄情 况。 关键词：下垫面，径流过程，径流系数，入渗率，雨水滞蓄能力 a b s t r a c t s h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c ei sas e r i o u sp r o b l e mi nb e i j i n g t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rs u p p l y a n dd e m a n di sv e r ya c u t e b u ta tt h eo t h e rh a n d , u n d e rt h ei n f l u e n c eo fu n d e r l y i n gs u r f a c e sv a r i a t i o n w h i c h e n h a n c e s t h e r u n o f f c o e f f i c i e n t ，t h e c i t y i su n d e r t h e t h r e a t o f b l o o d i nr a i n ys e a s o n s o t h e r e i sa d i l e m m as i t u a t i o n ：t h ef l o o ds h o u l db ed r a i n e da w a ya sq u i c k l ya sp o s s i b l et oa v o i df r o mf l o o di nr a i n y s e a s o n ，b u ti nd r ys e a s o nb e i j i n gs h o u l dt r a n s f e rw a t e rf r o mh e b e ip r o v i n c et or e s i s tt h ed r o u g h t b a s e d o n t h e d a t a o fr a i n f a l lo f r e c e n t y e a r s i n h a i d i a n d i s t r i c t , a c c o r d i n g t o t h e m o n i t o r i n gd a t a o f s h u a n g z ir e s i d e n t i a ld i s t r i c t ，a n dc o m b i n i n gw i t hl a b m 邺a n df i e l de x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h er u n o f fo nr o o f 、g r e e n b e l ta n dp e r m e a b l ep a v e m e n la n dt h e nu s e st h er e s e a r c hi e s u i t st or e v e a lt h e c a p a c i t yo ft h e s eu n d e r l y i n gs u r f a c e so nr u n o f fi n m r c e p f i n ga n dr a i s e st h eo p t i m a li n e a s u l x ：st oe n h a n c a t h ei n t e r c e p t i o nr a t e 1 r b em a i nc o n c l u s i o n sa r e f o l l o w i n g ： i a c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n gd a t a , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er u n o f fc o e f f i c i e n ta n di m p a i r m e n t o fr o o f c o m b i n i n gw i t ht h ea e r i a ld a t a , t h ep o t e n t i a la v a i l a b l er a i n - w a t e rr e s o u r c eo fh a l d i a nd i s t r i c ti s e s t i m e t e d i i t h r o u 。g ht h ef i e l de x p e r i m e n t t h i sp a p e rs u m m a r i z e si n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n to ft h eg r e e n b e l ti n s h u a n g z ir e s i d e n t i a ld i s t r i c t b a s e d t h ea n a l y s i so fr a i n f a l ld a t ao fh a i d i a nd i s t r i c t t h ec a p a c i t yo f s t o r i n go ft h er a i n f a l lw a t e ro fd i f f e r e n td e p t ho fh o h o wg r a s s l a n di sg i v e nu n d e r2 4 hd i f f e r e n tr e t u m p e r i o d so fr a i n f a l lc o n d i t i o n s t h e nt h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a p a c i t yo fs t o r i n gu n d e rd i f f e r e n ta r e nr a t i o s b e t w e e nr o o fa n dg r e e n b e l tc o n d i t i o n si ft h er u n o f fl e df r o mr o o ft oh o l l o wg r e e n b e l t ，a n ds u g g e s t st h e o p t i m a ld e p t ho f h o l l o wg r e e n b e l t i i i a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r ye x p e r i n a e n t , s t a b l ei n f i l 口a t i o nr a t eo ft h ew a m rp e r m e a b l eb r i c ki s g i v c n 1 1 l i sp a p e rr e v e a l st h a ti n f i l t r a t i o nr a mo ft h ew a t e rp e r m e a b l eb r i c kh a sb e e nr e d u c e da st i m e g o e s0 1 1 , b u tt h eb r i c kc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ei n f i l t r a t i o no fr a i n f a l lw a t e r a tt h i sp a r a g r a p l l t h e p a p e r p u t s f o r w a r d t h e c o m p a r i s o no f r u n o f f c h a n g e s b e t w e e n b e f o r e a n da f t e r t h e a r e a i n c r e a s i n g o f p e r m e a b l ep a v e m e n t t h ec o m p a r i s o no fp r o c e s sb e t w e e nr o o fr u n o f fa n dp e r m e a b l ep a v e m e n ti sa l s o g i v e n a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fp e r m e a b l ep a v e m e n t , t h ea n a l y s i so ft h es t o r i n go fr a i n f a l lu n d e r d i f f e r o n tr e t u r np e r i o d so fs h o r td u r a t i o nr a i n s t o r mc o n d i t i o n sa r es t u d i e da n db r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：u n d e r l y i n gs u r f a c e s ，p l o c z s so fm n o l f ：r u n o f fc o e f f i c i e n ti n f i l t r a t i o nr a t e 。c a p a c i t yo n r u n o f fi n t e r c e p t i n g 插图及附表 图目录 圈1 1 住宅小区雨水循环2 图1 2 课题研究技术路线 图2 1 双紫雨水利用技术路线 图3 1 降雨量年际变化 7 图3 2 年降雨频率曲线。 图3 3 海淀月平均雨量分布 图3 4 年场次最大降雨量频率曲线 图3 5 年总雨日频率曲线 1 3 1 5 1 6 图3 6 年内场次降雨大于5 、1 0 m m 雨日频率1 7 图3 7 年内场次降雨大于2 0 、3 0 m m 雨日频率1 7 图3 8 年场次大干5 m m 降雨量与总雨量关系 图3 9 年场次大于5 m m 雨量频率曲线 图3 1 0 年场次大于1 0 m m 降雨量与总雨量关系 图3 1 1 年场次大于1 0 m m 甬量频率曲线 图3 1 2 年场次大于2 0 m m 降雨量与总雨量关系 图3 - 1 3 年场次大于2 0 m m 雨量频率曲线 图3 1 4 年场次大于3 0 m m 降雨量与总雨量关系 图3 1 5 年场次大于3 0 m m 雨量频率曲线 图3 一1 6 年场次大于5 0 m m 降雨量与总雨量关系 1 8 1 9 1 9 图3 1 7 年场次大于5 0 m m 雨量频率曲线。2 1 图3 1 85 n f i n 降雨频率曲线 图3 - 1 9l o m i n 降雨频率曲线 图3 2 01 5 r a i n 降雨频率曲线。 图3 2 13 0 m i n 降雨频率曲线 图3 2 26 0 r a i n 降雨频率曲线 2 2 图3 - 2 39 0 r a i n 降雨频率曲线 图3 2 41 2 0 r a i n 降雨频率曲线 2 3 2 3 2 3 图3 2 53 6 0 m i n 降雨频率曲线2 4 图4 - 1 一般入渗过程线 图4 - 2 降雨入渗过程 图4 - 3a 点拟合入渗曲线 图4 - 4 b 点拟合入渗曲线 图4 - 5 a 、b 两点平均入渗过程线 图4 - 6 双紫小区粒径分布 图4 - 7 最大l h 暴雨条件下降雨、入渗对照 图4 - 81 0 年一遇2 4 h 暴雨条件下降再、入渗对照3 9 图4 - 9 不同下凹深度绿地对降雨及汇水拦蓄能力4 1 图5 - 1 透水砖渗水试验装置。 图5 2 透水砖试样 图5 3 不同铺设时间透水砖渗率变化 v 4 3 图5 4 0 3 年( 左侧) 与0 2 年透水砖对比。 图5 52 0 0 5 8 4 降雨道路系统过水过程线 图5 62 0 0 5 8 4 降雨屋顶系统过水过程线4 9 图5 7 增加透水铺装后径流变化5 0 圈5 8 透水铺装构造图 图6 - 1 液位变送器5 5 图6 - 2 量水堰 图6 - 3 量水堰特征曲线 图6 42 0 0 6 7 3 1 号降雨屋顶系统量水堰过水过程 图6 52 0 0 6 7 3 1 号降雨道路系统量水堰过水过程 图6 - 62 0 0 6 7 2 4 号降雨屋顶系统量水堰过水过程。 图6 7 降雨径流系数拟合曲线一 图6 - 8 降雨产流量拟合曲线 图6 - 9 降雨径流深拟合曲线 图6 - l o 实际监测与计算数据比较 图6 - 1 1 扣除6 4 8 m m 以下降雨后与总雨量关系曲线 v 1 5 8 6 0 6 l 6 1 表目录 表2 1 双紫园小区建筑类型及面积 8 表3 1 海淀区降雨情况表1 3 表3 2 日本东京月降甫情况表1 4 表3 3 德国法兰克福月降雨情况表。 表3 4 英国伦敦月降雨情况表 1 4 表3 5 各等级降雨在不同保证率下雨量2 l 表3 6 海淀区短时暴雨强度表( m m m i n ) 2 5 表3 7 北京短时暴南强度表( m m m i n ) 表4 - 1 双紫a 点入渗记录 表4 - 2 双紫b 点入渗记录。j 表禾3 双紫小区土壤粒径百分比 表4 - 4l h 最大降雨概化雨型 表4 - 5 不同重现期条件下2 4 h 暴雨概化雨型一 表4 - 6 最大l h 暴雨条件下绿地蓄纳量 表4 _ 71 0 年一遇2 4 h 暴雨条件下累积入渗量 表4 - 8 不同重现期2 4 h 暴雨条件下绿地拦蓄效果表3 9 表4 - 9 不同条件下绿地对暴雨的拦蓄效果表一 表5 1 透水砖渗水试验记录。4 6 表5 2 不同保证率下海淀短时暴雨量5 2 表5 3 不同暴雨条件下透水铺装径流系数5 2 表6 - 1 液位计校核表格5 5 表6 - 2 双紫小区屋顶系统近三年监测数据5 9 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 、 孤鹰 帆谚严切 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研名：刁 导师签名：- s 罗媲 咖。1 吖肋日 时间：汕叩年6 月却e t 中同农业大学硕仁论文第一帝绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 水是生命之源，是人类赖以生存、社会赖以发展的基础和命脉，是不可替代的重要资源。随 着人口数量的迅速增加，工业的高速发展，对水的需求量大大提高，由于水资源的时空分布极不 均匀，并且对水资源的开发利用极不合理，污染的日趋严重，造成水资源极度紧张，用水矛盾显 突。 我国水资源形式尤为严峻，是联合国所列的1 3 个水资源贫穷国家之一，人均占有量为 2 1 5 1 m 3 a ，居世界1 1 0 位。并且，在我国，水作为一种相对低价的资源，任意浪费和污染的现 象相当严重。 城市也是水问题最集中、水管理尾复杂的区域，在目前全国6 7 0 多座城市中，有4 0 0 多座存 在不同程度的缺水，严重缺水的有1 3 0 多座，日缺水量达1 6 x l o h ，包括资源性缺水和水质性缺 水。在枯水季节，往往与j 二农业争水。 以北京为例，人均水资源占有量2 2 5 一闭，相当于全国人均占有量的1 9 ，世界人均占有量 的1 2 5 1 ，近年来由于城市发展、扩张，规模迅速扩大，水资源的供需矛盾不断加剧，2 0 0 1 年 北京市共用水4 1 2 亿m 3 ，而可利用的水量只有1 8 亿m 3 ，用水缺口达2 3 亿m 3 【3 】。北京的水资源 匮乏，供需矛盾十分突出，已经成为首都社会经济发展的主要制约因素之一。 虽然我国城市化水平较低，只有3 0 4 ，但发展迅猛。预计到2 0 1 0 年，我国的城市化率将 达到4 2 ，2 0 2 0 年。城市化率将达到5 4 。 城市化对市区的水资源有着重要影响，城市化使水循环的下垫面发生变化，人工建筑，包括 楼房、道路、广场使透水地面减少，不透水的混凝十及沥青地面增大。不透水表面的径流系数一 般取0 9 ，即降雨量的9 0 将形成径流，从而造成地面径流总量增加，汇流时间缩短，峰值流量 增大。 目前城市排水体制主要为分流制，其指导思想是：及时、迅速地排除降雨形成的径流，尽可 能地减少积水所造成的影响嘲。传统方法是大部分雨水由管道收集和输送，然后直接排入水体或 市政管网。如果单纯考虑将雨水径流快速排出，对雨水管道、雨水泵站等设施的容量、输送能力 要求很高，加重了城市排水系统的负担，也给城区河湖排水系统带来巨大压力，同时使城市受雨 洪威胁的风险系数提高。快速增长的高比例不透水面积必然造成城市的降雨入渗量大大减少，极 大地削弱了对地下水的补给作用，造成地下水位下降，雨水资源流失，地面井泉干涸，气候干燥 【删。 在我国城市水资源短缺的同时，却让大量雨水白白流走，雨水的利用率不到1 0 【l 明。如在 京津地区，水资源严重不足，但仅北京市城区每年流失的雨水量就达到2 亿i n j ，随着城市面积 不断扩张，这个基数每年以两位数的比例增加。如2 0 0 4 年7 月l o 号，北京暴雨成灾，但在接连 的几天内，3 0 0 万m j 的雨水却被排进雨水管道，白白的从缺水的北京城中流失。 针对以上情况和城市水资源利用的必要性，为减少地面径流量，降低径流峰值，缓滞汇流时 】 中用农业大学硕卜论文第一章绪论 间，减少市政管网汛期排水负担，缓解下游河道、水工建筑物压力，涵养地下水源，抑制地下水 位下降，雨水资源利用将是城市开发水资源，节约用水，缓解水资源紧张，减轻城市洪涝灾害威 胁，降低污水处理负荷，改善城区区域水环境和气候的有效措施。 1 2 课题研究的目的、意义 与缺水地区农村雨水收集利用工程不同，城市雨水的利用不是狭义的利用雨水资源和节约用 水，它还包括减缓城区雨水洪涝和地下水位的下降、控制雨水径流污染、改善城市生态环境等更 广泛范围内的意义j 。 小本课题主要研究城市小区的雨水利用和渗透，对雨水利用的基础理论和技术的实际应用方 面做出探讨，本课题以北京市为背景，选取北京市海淀区的天秀花园住宅小区为实验区域，研究 住宅小区雨水利用的理论和工程应用，主要包括雨水收集系统、雨水贮存系统、雨水处理和回用 系统、雨水回灌系统等相关的技术和理论，对住宅小区的雨水利用的一整套系统进行合理规划， 力求做到雨水在小区内部就地消化。 指导思想是：将雨水作为一种可贵的、有效的资源，本着先超后蓄的原则，综合利用，尽量 做到小区雨水零排放。 城市小区雨水利用作为一项公益事业，不仅有直接的经济效益，并且还有巨大的间接经济效 益、生态效益和社会效益。 小区雨水利用的循环图如下： 图1 i 住宅小区雨水循环 2 中国农业大学硕f 一论文第一幸绪论 1 3 国内外雨水利用现状 现代意义上的雨水利用尤其是城市雨水的利用是从8 0 年代到9 0 年代约2 0 年时间里发展起 来。它主要是随着城市化带来的水资源紧缺和环境与生态问题而引起人们的重视。许多国家开展 了相关的研究并建成一批不同规模的示范工程。 德国可谓城市雨水利用领域内的先驱。德国的城市雨水利用方式有三种：一是屋面雨水集流 系统，其截留雨水主要应用于家庭、公共场所、企业的非饮用水。二是雨水截污与渗透补充地下 水，德国城市街道雨水管道口均有截污挂篮，以拦截径流携带的污染物。三是生态小区雨水利用 系统，小区沿排水道建有渗透浅沟，表面草皮，供雨水径流流过时下渗，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，其生态小区雨水利用系统一柏林广场的d a i m l e e r 区域城市水体工程设计每年所产径流量可达2 3 万岔。由于各集雨面上截留雨水的水质不同，德 国一般将不同集雨面上的径流划分等级，分别收集。德国水资源丰富，却能大范围内的推广雨水 利用措施，其根本在于：首先，通过经济手段来控制，德国联邦和各州有关法律规定，受到污染 的降水径流必须经处理达标后方可排放，强制性收取高额的雨水排放费，且雨水处理费用与处理 同等数量的污水相同。其次，采用法规的形式强制性规定在新建和改建区必须采用雨水利用设施。 1 9 9 2 年黑森州开始征收地下水税，并以此资助包括雨水利用在内的节水项目。接下来巴登州、萨 尔州、不莱梅、汉堡等都修改了他们涉及到雨水利用的建筑法规“日。这被称为城市规划与建设的 一个新纪元的开始。 日本：2 0 世纪6 0 年代，日本开始收集路面雨水，1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池， 还将蓄洪池的雨水用作喷洒路面、灌溉绿地等城市杂用水象大阪市的隧洞市地下防洪调节池，可 蓄水1 1 2 万一，名古屋的方形地下蓄洪池，可容纳洪水1 万m 3 。1 9 7 7 年6 月，开始推行城市 综合治水对策”，实施了与传统河流治理方法同时开展的雨水贮留、雨水渗透事业，1 9 8 0 年，日 本建设省开始推广雨水贮留渗透计划。在1 9 8 8 年成立了“雨水贮留与渗透技术协会”，吸引了包 括许多著名的建筑株式会社在内的多家公司参与。近年来，各种雨水入渗设施在日本得到迅速发 展，包括渗井、渗沟、渗池等，这些设施占地面积小。可因地制宜地修建在楼前屋后。日本于1 9 9 2 年颁布了“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，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施，象东京、福冈、大阪、 名古屋等均有大型的棒球场雨水利用系统，集雨面积均在1 6 万m 2 以上，经砂率和消毒后用于生 活用水和绿化，每个系统年提供的雨水利用量在3 万t 往上【l ”。同时提出“雨水流出抑制型下水道” 的概念，纳入国家下水道推进计划，在政策和资金上给予支持”q 。 美国：美国也改变过去单纯解决雨水排放问题的观念，认识到雨水对城市的重要性，其雨水 利用大多以提高天然入渗能力为目的。如美国加州富雷斯诺市的地下回灌系统，l o 年间( 1 9 7 1 1 9 8 0 ) 的地下水回灌总量为1 3 3 8 亿耐，其年回灌量占该市年用水量的2 0 。芝加哥市卫生街 区开始在没有下水道和设置分流式下水道的新土地开发区，强制性的实施雨水贮留设施，以应对 因城市化增长而增大的雨水径流，其储水方式有蓄水湖、蓄水池、地下蓄水措施等，其街区内全 部贮留设施的贮留高度为1 7 2 m m ，其中地下河的贮留高为l l n u n 【l 册。 美国不但重视工程措施，而且还制定了相应的法律法规对雨水利用给予支持。如科罗拉多州 3 中用农业大学硕卜论文第一章绪论 ( 1 9 7 4 ) 、佛罗里达州( 1 9 7 4 ) 和宾夕法尼亚州( 1 9 7 8 ) 就分别制定了雨水利用条例，这些条 例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平，所有新开发区必须实行强制的“就 地滞洪蓄水”，收取雨水排放费。丹佛出版了城市暴雨排水手册、德克萨斯州颁布了德克萨 斯州雨水收集工程手册1 1 6 1 , 在技术层面上为本州的雨水收集措施提供了详尽的技术支持。 澳大利亚成功举办了2 0 0 0 年奥运会，其所有的奥林匹克建设项目都考虑了最大限度地节约 用水，5 0 的用水量靠收集雨水，经适当方式处理后保证供给。如体育场观众席区的顶盖能有效 收集雨水，用于给水系统和草坪浇灌j 。 丹麦每年从居民屋顶收集的6 4 5 万m 3 的雨水占居民冲厕和洗衣服实际用水量的6 8 【l ”。 以色列是一个极度缺水的国家，其降水资源利用率达到了9 0 【i ”。 英国2 0 0 0 年建成的展示建筑伦敦世纪圆顶示范工程每天可回收5 0 0 耐用水来冲洗建筑内的 厕所，其中1 0 0 0 来自1 0 万n 1 2 的圆屋顶汇集雨水，成为了欧洲最大的建筑物内水循环设施1 1 ”。 加拿大将雨洪治理规划纳入区域规划之中，要求最终的雨洪治理设计必须满足经济、环境、 美学等多方面的需要，并要求不得改变下游水质、水量平衡。其规划的两个重要部分式采用新型 的减缓暴雨洪水及水资源环境的控制措施，原则上利用洼地贮留雨水和对新建筑物区域实行零排 放增量控制。 新加坡的日用水量为1 1 0 万到1 3 0 万一，年供水量为4 8 亿m j 。其中5 0 的水量由境内开 采，开发的主要途径是采集雨水。新加坡建有1 4 个蓄水池，总容量接近1 亿井，其中3 个比较 大的建于占国土面积1 0 的自然雨林保护区内 2 1 1 0 除发达国家以外，泰国自1 9 8 5 年以来，已经建造了1 2 0 0 多万个容量为2 0 0 0 l 的家庭供水屋 面雨水集流容器( 泰缸) 。肯尼亚的许多地区也建造了1 0 至1 0 0 一的大型存水器，数以千计的雨 水集流装置出现在学校、医院和家庭中田l 。还有菲律宾、印度、博茨瓦纳，坦桑尼亚等国也相继 开展了雨水集流工程。 在我国，城市雨水利用还处于刚刚起步的阶段，但今年来有较大的发展。于2 0 0 0 年启动的“北 京城区雨洪控制与利用示范工程”，是我国开展得比较早的城市雨水利用项目之一，被列入“首都 2 4 8 重大创新工程”。由北京市水务局组织实施。已经在2 0 0 5 年2 月验收并出炉北京城区雨洪 控制与利用技术研究与示范技术报告，为北京已进入推广实施阶段提供了理论依据和技术支持。 为实现城市雨水利用的标准化和产业化打下基础。 这个工程项目为中德合作项目，双方在北京选择了5 个示范区。北京市水利科学研究所的统 计显示，在2 0 0 4 年7 月1 0 日的暴雨中，5 个示范区共收集雨水3 3 0 0m 3 ，其中经过处理后回灌 地下水2 3 0 0m 3 ，蓄水池拦蓄待用1 0 0 0m 3 t 2 ”。 此外，在山东的长岛县，大连的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛等岛上雨水集流利用工程也建 立起来。此外长岛县1 9 9 5 年出台了雨水利用的地方规定，有力地促进当地的雨水利用项目的实 施与推广。 大中城市的雨水利用基本还处于探索还研究阶段，但已显示出良好的发展势头。近几年，国 内如上海、天津、大连、哈尔滨、西安、郑州等城市也开始结合自身的具体情况开展了雨洪利用 的研究和应用。华北水利水电学院曾针对郑州市水资源环境及雨洪问题进行国研究。2 0 0 3 年上海 出现了具有雨水利用功能的生态住宅，上海市浦东国际机场航站楼已建有完善的雨水收集系统。 2 0 0 3 年7 月，一座节水型水利科技大厦在天津建成，并成功进行了城区雨洪水利用”的应用实验， 4 中同农业大学硕卜论文第一审绪论 大厦的雨水不再直接排入市政管线，而作为第二水源用来绿化灌溉、冲厕和涵养地下水。 1 4 雨水利用模式介绍 雨水利用方案的确定一般建立在雨水供需平衡分析的基础上，优先对水质较好的屋面雨水考 虑回用；在屋面雨水不能满足要求时，也可收集绿地径流和非机动车道的路面径流；对于机动车 道路面上的降雨径流，由于机动车辆的磨损含有橡胶和金属、燃油等污染物质，一般不用作回用 雨水。雨水在输送过程中要先通过细格栅拦截树叶等漂浮物再进人初期弃流装置，将初期较脏的 雨水排至市政雨水管道，最后将弃流后的雨水送到贮水池。具体的利用方案及工艺流程应根据回 用目标、回补区地下水位、水文地质情况，地表径流条件、面污染源情况等具体条件而定，城市 雨水收集利用有中水补充水源和渗透回灌地下水两种形式。 目前国外的主要利用模式是雨水储存池，它具有对雨水的简单处理能力，仅采用曝晒，利用 太阳能紫外线设备对收集水中的指示性细菌指标的去除率可达9 9 9 i “，但费用较高，对客观条 件的要求也比较苛刻。其余还有雨水渗透设施，包括：渗透床、渗透明渠、渗透塘、渗透池、渗 透管沟、入渗井、人工渗透性铺装地面。 其中人工渗透地面主要分为2 类，一类是材料渗透，路面铺装材料本身具有渗透能力，如多 孔沥青( 渗透性柏油路面) 、无砂混凝土地面以及透水砖等，多孔沥青及无砂混凝土地面自1 9 7 3 年在美国使用以来，至今已广泛应用于发达国家洲；另一类是结构渗透，通过结构空间进行渗透， 如草坪砖( 框格状镂空地砖) 。它们可用于停车场、交通流量较少的道路及人行道，特别适用于 居民小区，草坪砖地面的径流系数为0 0 5 0 3 5 “，取决于其基础碎石层的蓄水性能、地面坡度 等因素。 1 5 国内雨水利用的限制因素分析 首先，雨水收集、处理、回用设备的费用还比较高。其次，缺少相关法规与政策的支持雨水 利用还需要更强有力的政策法规支持。并且在雨水利用工程改造中需要进一步研究的问题比较 多，比如需探讨流域雨水整体联合利用的方式和模式；如何将多种雨水利用措施如何有效结合使 用，真正做到小区雨水零排放；还包括如何解决雨水泥沙沉淀；新型的高效低价集流面材料的选 择和研制；排水体制和排水管道的改进等。城市居民对雨水利用的认知和参与程度也还不高，需 加大宣传。【l l l 5 中同农业大学硕 论文第一章绪论 1 6 研究目标、研究内容、研究方法和技术路线 1 6 1 研究目标和研究内容 ( 1 ) 研究目标 ( a ) 概括归纳海淀地区降雨的分布规律，为雨水抑制技术的研究提供理论依据； c o ) 在降雨分布的规律上，探讨屋顶、透水铺装路面、绿地三种下垫面的产流机理与规律，确 定各下垫面的拦蓄能力与径流系数，以此验证雨水抑制技术措施的可行性； ( 2 ) 研究内容 本课题将双紫园作为研究对象，根据小区内部建筑类型和承雨面的不同将雨水分为屋顶雨 水、绿地雨水、透水砖铺装地面雨水。研究小区内部绿地、透水砖铺装地面在不同条件下对降水 的消纳能力。课题通过室外现场试验研究和理论分析，具体研究：根据海淀区降雨的监测资料对 海淀区降雨进行序列分析将分析模型各下垫面产流分析的依据；将双紫园小区的绿地土壤作为市 住宅小区有代表性土壤，以试验的方案确定在土壤的下渗能力的变化，以便为实际工程提供绿地 下渗能力的参数，以此来估算绿地可渗水量与径流系数；以室内入渗试验研究小区内部已经铺设 的一年、两年、五年的的透水砖铺装地面的渗水能力的变化，测试透水砖铺装地面经过不同使用 期后其减少积水、消减径流的实际效果的变化，并给出具体结果，为优化透水砖铺设提供参考， 并据此分析透水铺装对降雨的蓄纳情况。该研究的实验部分包括：在不同土壤含水量条件下，用 单环入渗仪测定绿地土壤的下渗能力；采用室内入渗，测定透水砖铺装地面经过不同使用期( 为 一年、两年、三年) 后的f 渗能力。 1 6 2 研究方法和技术路线 ( 1 ) 研究方法 本课题将以实验结论为基础，采用野外现场试验和理论分析相结合的方法。试验在北京市水 利科学研究所实验室及北京市海淀区双紫园小区进行。( a ) 现场试验：单环法测定绿地土壤的下 渗能力，室内入渗试验方案测定不同使用期后透水砖铺装地面的下渗能力。( b ) 理论分析：应用 水力学、地下水动力学及工程水文学理论，在试验的基础上对实验测定的结果进行分析。 ( 2 ) 技术路线 6 中国农业大学硕 论文第一章绪论 7 t 壤八缪愿翠竹忻 海 小卜芝兰 一 淀 区 结合近 在不同暴雨 下 么： 结构及拦蓄能力分析 年 条件下，各 垫 弋兰多 降 下垫面径流 面 雨 规律 归 类 一，一一i ；局顶监测数据分析 分 ，望誊 析 图1 2 课题研究技术路线 中目农业大学硕卜论文第幸双紫同小区摹奉概况 第二章双紫园小区基本概况 2 1 双紫园小区简况 双紫园小区位于海淀区双紫支渠南侧，北洼西路，总面积2 3h m 2 。小区主要由3 栋1 8 层塔 楼和1 栋7 层多层楼组成，建筑屋顶面积为0 6 h m 2 ，绿地面积1 o h m 2 ，道路面积0 7 h m 2 ，具体建 筑面积见下表： 表2 1 双紫园小区建筑类型及面积 舣紫园小区地处北京西，园区内多年平均降雨量约为5 8 5 r m n ，平均气温1 2 3 c ，年平均h 照 数为2 6 3 0 4 1 1 ，平均湿度5 6 8 ，无霜期约为1 8 0 天，最大冻土层6 0 c m ，风向冬季多为西北风， 春秋多为东南风。双紫示范区内表层土壤为壤土，土壤容重为1 5 9 c m 3 。 2 2 示范工程的技术路线与工程设施 2 2 1 技术原理 双紫园小区的雨水利用工程的改造主要是本着渗蓄结合的原则，就近下渗结合在有利条件下 优先将雨水汇流，沿雨水管线导入蓄水池。主要是对建筑屋顶，绿地、道路的雨水进行收集，用 于绿地灌溉，景观、洗车等生活杂用水。 双紫园的雨水利用工程由雨水收集系统、沉淀池、蓄水池工程、雨水回用工程组成。在具体 的施工中，对绿地和道路进行改造，以增加雨水的入渗。根据小区的实际情况，在小区北有双紫 支渠，因此在停车场侧建雨水处理、储存系统，将雨水收集后，使之流向蓄水池。并且在超过蓄 水池存储水景时，可以自由溢流到双紫支渠内，在蓄水池内存储水量部足以浇灌绿地时，可以从 双紫支渠抽取灌溉用水，补充雨水，做到一物两用，节省投资。 雨水收集的控制区主要有屋顶、绿地、透水路面及部透水路面，主要收集雨水有屋顶产流、 不透水路面汇流、绿地超渗产流、透水路面漫流。具体流程是对于屋顶，其中的南部屋顶采用就 近下渗的原则，通过落雨管直接进入楼下下凹式绿地，进行回渗；靠北部的屋顶，通过雨落管下 方雨水管线收集输送到沉淀池，经过简单的沉淀后进入蓄水池。由于双紫小区属于雨水利用改造 小区，其道路和停车场只能逐步的进行透水路面的铺设来替代不透水铺装，因此在小区内部存在 8 中同农业大学硕 论文 第二章双紫同小醇摹本概况 两种路呵铺装，即透水铺装和不透水铺装。对不透水铺装，其上雨水通过路边雨水口，经过雨水 口的初步拦污进入雨水收集管道，最终达到沉淀池、蓄水池。对于透水铺装，由于透水砖及垫层 的通透性，恢复了雨水下渗通道，使雨水能够优先渗入砖表并进行下渗，而超过渗量的部分，则 由边沟雨水口经拦污后收集。 2 2 2 技术路线 该小区进行雨水利用改造主要依据的技术路线如下： 2 2 3 小区内部主要工程措施 图2 1 双紫雨水利用技术路线 为进行雨水的收集利用，对小区的基础设施进行了改造，主要工程措施有： 下凹式绿地：为使雨水能够尽量下渗，小区对绿地进行了改造。将原来与路面齐平的路面进 行下挖处理，使之低于路面5 c m 左右。对不方便进行下挖处理的绿地，采用了草埂围堰处理，即 在绿地周围用草皮围一高埂，将过渗的雨水拦截在内，使之不能在小区内部形成地表漫流。 透水路面铺装：逐步将小区内原本铺装的不透水路面改造成透水铺装地面，透水铺装层包括 透水砖、找平层、垫层，使雨水降落到地表后，能够顺利穿过透水砖、找平层，垫层，晟终到达 地基土壤表面并开始入渗地下，超过入渗能力的雨水还能够短时间内储存在地基土壤上各层，使 下渗时间延长，下渗量增大。 弧形边沟：在透水路面和不透水路面边侧均布设汇水边沟，利用边沟进行雨水收集，边沟用 水泥砂浆抹面使之称之为弧形。 雨水口：在弧形边沟设雨水口，雨水口上设拦污栅栏，使雨水顺边沟进入雨水口后，经拦污 栅拦去树枝，树叶等较大悬浮物。再沿雨水口下收集管道进入沉淀池。 雨水收集管线：用雨水收集管线将落雨管口、路面雨水口与沉淀池联接起来，使雨水能够顺 管线达到沉淀池。 沉淀池：在雨水收集管线的末端设沉淀池，最大设计流量为3 0 3 6 1 s 。采用平流式矩形沉淀 9 中国农业夫学硕卜论文第一章双紫同小耳幕本概况 池，使收集的雨水在沉淀池停留时间为3 0 i m r l ，沉淀池下部倾斜2 0 左右，雨水在沉淀池停留时间 内，雨水中夹杂的泥沙落到沉淀池底部，并顺斜坡滑落到泥沙坑内。使用一段时间后，可以开启 沉淀池盖，将泥沙清理。 蓄水池t 蓄水池的设计按5 年一遇暴雨设计，设计容积为6 0 0 1 1 - 1 3 ，蓄水池一侧设溢流口，当 暴雨来水超过容积时，可以顺溢流口流至双紫支渠内，防止地表漫流的形成。并且蓄水池内设取 水管，当水池内水量不足以应付绿地灌溉时，可以抽取支渠内水，缓存于水池内，用以浇灌或水 景观用水。 1 0 中国农业大学硕卜论文第i 市海淀降雨分析 第三章海淀降雨分析 3 1 海淀区区域自然概况 海淀地处北京的西北，地理位置北纬3 9 0 5 3 4 0 。0 9 ，东经1 1 6 。0 3 1 1 6 。2 3 。全区面积 4 2 6 6 6 k m 2 ，南北长约3 0 k i n ，东西最宽处2 9 k m 。地势西高东低。属温带湿润季风气候区。年平均 降水量6 2 8 9 r a m ，集中于夏季的6 8 月，降水量为4 6 5 1 m m , 占全年降水的7 0 ；冬季的1 2 2 月份降水量最少，仅占l 瞄】。因此，夏季雨水多，春秋干旱，冬季寒冷干燥是该区的气候特点。 境内水域面积4 6 6 k m 2 ，占北京市水域面积的4 1 2 8 【2 6 3 。地下水蕴藏较丰富。 但近几年来，近年来由于过量开采，地下水位逐年下降，形成大面积漏斗区。不但本地湖泊 常年性干涸。近年来由于北京市连续多年干旱少雨，进一步加重了水资源短缺的程度，区域地下 水位持续下降，水质恶化趋势也明显加剧。作为北京市主要水源，密云水库己接近应急预案的临 界值，不得不压缩其它用水指标，保证生活和重点工业用水。从2 0 0 1 年起，京密引水渠停止向 海淀区供应农业用水，使海淀区地下水失去了一个重要的补给源。 海淀区的水资源的严重缺乏，对北京的生态安全造成极大的威胁。在这种情况下。节水开源 就显得十分重要。 3 - 2 海淀区雨水资源分析 3 2 1 降雨分布 ( 1 ) 年总降雨量年际分布及再现频率分析 根据海淀区雨量站8 1 年至9 9 年1 8 年的各年雨量的记录绘成图表如下，结果表明多年平均 降雨为5 6 5 m m ，年际变化较大。年最多雨量为7 2 1 3 m m ，最少雨量为3 3 3 m m 。年际间差异很大， 变异系数为2 4 4 4 。 中国农业大学硕 论文第帝海淀降雨分析 量 v 超 世 j 卜 售 喇 腔 逝 圈3 - 1 降雨量年际变化 频率 围3 - 2 年降雨频率曲线 将1 8 年雨量进行频率分析，频率曲线如上，其中配线过程采用c v = o 2 5 ，c s c v = 2 5 ，其 中保证频率为5 0 ，即平水年两年一遇年降水量为5 5 6 8 6 m m ：少雨