（市政工程专业论文）新型雨水排水系统关键技术问题的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 雨水是一种宝贵的水资源。传统雨水排水系统只注重对雨水的排除，而忽视 了对雨水的利用。具有渗透能力的新型雨水排水系统是雨水利用的重要形式之 一。这种新型雨水排水系统的主要功能就是利用渗透设施使雨水进行下渗并储 存，进而对储存起来的雨水加以利用。新型雨水排水系统对雨水的利用方式主要 有2 种：一种是主动利用，一种是被动利用。主动利用就是通过检查井将储存起 来的雨水抽出，用以浇洒道路和绿化、洗车等；被动利用则不考虑将雨水抽出， 而是让雨水慢慢向地下下渗，用于涵养地下水。通过对雨水合理、充分利用，能 很好地解决城市水资源短缺问题，还能增加地下水资源的补给，具有巨大的效益。 在新型雨水排水系统推广应用之前还有很多技术问题需要解决，而在诸多有 待解决的技术问题中，最为关键的问题就是易堵塞和清理难。本文就对雨水渗透 技术存在的这个关键技术问题在以下3 方面展开研究。 首先，在城市降雨径流泥沙输送规律的研究中，结合实验的方法，通过与经 典冲刷模型的对比研究了城市降雨径流排沙规律，分析了影响城市降雨径流排沙 的因素。通过初步计算得出降雨径流能携带大量泥沙，将影响新型雨水排水的使 用。针对这一问题提出了控制城市降雨径流泥沙的原则和方法。 其次，在雨水口截沙的研究中，通过实验分析了雨水口井身中水深和雨水口 井身结构对截沙的影响规律，得出采用合理的井身构造在一定程度上能够达到拦 截径流中泥沙作用。在此基础上总结了雨水口截沙的措施，提出了截污挂篮的设 想，给出了初步的设计方案和尺寸；通过对原雨水口的结构形式加以优化，使得 雨水口具有良好的截沙能力，并给出了初步的设计方案和参数。 最后，在渗透腔体清沙研究中，通过实验研究了采用高压水快速冲洗清理渗 透腔体内积存泥沙的方法。得出靠高压水快速冲洗的方法难以达到良好的清理效 果，尤其是渗透腔体非常长、对水流的阻碍很大的情况下。针对这个问题提出了 改变原渗透腔体结构形式：将水平底部改为漏斗型底部、增设泥沙收集槽的构想， 通过使用快速抽水抽出收集槽内泥沙的方法，使渗透腔体清沙具有良好的效果。 关键词：新型雨水排水系统、泥沙、堵塞、截沙、清沙 a b s tr a c t r a i r l w a t e ri sav a l u a b l ew a t e rr e s o u r c e t h et r a d i t i o n a l r a i n w a t e r d r a i n a g es y s t e mf o c u s e so n l yo nt h ee x c l u s i o no fr a i n w a t e ra n dn e g l e c t s t ou s er a i n w a t e r t h en e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m w i t hp e r m e a b i l i t yi s a ni m p o r t a n tf o r mo fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n t h em a i nf u n c t i o no ft h en e w r a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi st ou s et h ei n f i l t r a t i o nf a c i l i t i e st om a k e r a i n w a t e rf il t e rd o w na n ds t o r er a i n w a t e r ，a n dt h e nt h es t o r e dr a i n w a t e r c a nb eu s e d t h e r ea r et w ok i n d so ft h er a i n w a t e ru s e o n ei st h ea c t i v e u s e ，t h eo t h e r is p a s si v eu s e t h ea c t i v eu s eist op u m pt h es t o r e d r a i n w a t e rt op o u rr o a d s ，w a t e rg r e e n ，w a s hc a r sa n ds oo n - p a s s i v eu s e ist oc o n s e r v eu n d e r g r o u n dw a t e r t h er e a s o n a b l ea n df u l l yu s eo fs t o r e d r a i n w a t e rb yt h en e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mn o to n l yc a nb e ag o o d s 0 1 u t i o nt ou r b a nw a t e rs h o r t a g e s ，b u ta l s oi n c r e a s eu n d e r g r o u n dw g t e r r e s o u r c e s o t h en e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mh a se n o r m o u sb e n e f i t t h e r ea r em a n yt e c h n i c a lis s u e st ob es o l v e db e f o r et h ep o p u l a r i z a t i o n a n da d p l i c a t i o no fn e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mt h ek e yt e c h n i c a li s s u e i st h a tt h en e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mw i l lb ep l u g g e de a s i l y a n d c l e a r r u p p e dd i f f i c u l t l y t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h ek e yt e c h n i c a li s s u e s i nt h ef o ll o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t t h isp a p e rr e s e a r c h e st h el a wo fu r b a nr a i n f a l lr u n o f fs a n d t r a n s p o r ta n da n a l y z e st h ef a c t o r st h r o u g ht h ec o n t r a s tt oc l a s s i c a lu r b a n e r o d i n gr a i n f a llr u n o f fm o d e lb ye x p e r i m e n t t h r o u g ht h ep r e l i m i n a r y c a i c u l a t i o n ，t h i sp a p e rr e a c h e sc o n c l u s i o nt h a tr a i n f a l lr u n o f fc a r r i e s 聊c hs a n dw h i c hw i l la f f e c tt h eu s eo fn e wr a i n w a t e rd r a i n a g e t ot h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d s t oc o n t r o lt h e s a n di nr a i n f a llr u n o f f s e c o n d ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h el a wo ff a c t o r sw h i c hi n c l u d et h ed e p t h o fw a t e ra n dt h es t r u c t u r eo fw e ll i nt h eg u l l yb ye x p e r i m e n ti nt h e r e s e a r c ho fg u l l y sc u t o f f i n gs a n d t h i sp a p e rr e a c h e sc o n c l u s i o nt h a t 一一一一，一 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 r e a s o n a b l ed e p t ho fw a t e ra n ds t r u c t u r eo fw e lli nt h eg u ll yc a nc u t 。o f f s a n di nr a i n f a l lr u n o f f o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rs u m su pt h em e a s u r e s t oc u t o f fs a n db yg u l l ya n dp r o p o s e st h a tt h eg u l l yw i l lh a v eag o o d a b i l i t yt oc u t o f fs a n db yo p t i m i z i n gt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，a n dt h i s p a p e rg i v e ss o m ep r e li m i n a r yd e s i g n sa n dp a r a m e t e r s f i n a ll y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em e t h o dt oc l e a ns t o r e ds a n di n p e r m e a b l ec a v i t yb yu s i n gh i g h - p r e s s u r ew a t e r t h i sp a p e rr e a c h e s c o n c l u s i o nt h a tt h i sm e t h o dc a nn o ta c h i e v eg o o dr e s u l t s ，b e c a u s et h el o n g p e r m e a b l ec a v it yh a sag r e a te f f e c to nc u m b e r i n gt h ep a s s i n go fw a t e r t ot h isp r o b l e m , t h i sp a p e rp r o p o s e st h ei d e aa b o u tc h a n g i n gt h es t r u c t u r e o fp e r m e a b l ec a v i t yw h i c hi n c l u d e sr e p l a c i n gt h el e v e lb o t t o mb yt h e f u n n e l - s h a p e db o t t o mw i t hat a n kt oc o l l e c ts a n d t h e nt h es t o r e ds a n d i np e r m e a b l ec a v i t yc a nb ec l e a nb yu s i n gp u m p st op u m pw a t e ro u to ft h e c o l l e c tt a n kr a p i d l ya n dt h i sm e t h o dw i l la c h i e v eg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：n e wr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m ，s a n d ，p l u g ，c u t o f ft h es a n d c l e a nt h es a n d 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密曰，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：麟么理杰簪 日期： 护7 钐 指导老师签名： 谣疹组 日期：矽彩，歹- 矿 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 姗虢融耀拇 日期抑7 7 年，2 ，月莎日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 雨水利用的研究意义 干旱是一个长期存在的世界性难题，全球干旱半干旱地区约占陆地面积的3 5 ，遍及世界6 0 多个国家和地区。我国是一个干旱和半干旱面积很大的国家，干 旱半干旱的面积约占国土面积的5 2 5 ，其中干旱地区占3 0 8 ，半干旱地区占 2 1 7 叫。 中国的城市化发展在不断深入，城市规模在迅速扩大，水资源匮乏的问题却 日益突出，已经构成了制约许多城市可持续发展的重要因素。根据中国工程院中 国城市可持续发展水资源开发利用( 钱易、刘昌明等) 对中国城市水资源需求 的预测，水资源的供需矛盾将进一步加剧，水环境压力将越来越大。根据预测同。， 2 0 3 0 年、2 0 5 0 年我国城市用水总需求将在2 0 1 0 年约9 0 0 亿寸的基础上分别增2 n 3 1 0 亿3 、6 3 0 亿m 3 。解决水资源短缺问题成为了许多城市的重大课题。 另一方面，随着城市发展，大量建造的道路、房屋等不透水面积的增加，城 市的降水入渗量大大减少，汇流时间缩短，雨洪峰值增加，导致城市雨洪危害增 加，水涝危害频发，每年因此造成的损失难以计数，与此同时还造成雨水资源的 大量流失、雨水径流污染加剧、地下水位下降、地面下沉、城市生态环境恶化等 多种环境危害。 随着人类社会的进步和技术的发展，尤其是由于现代社会和城市化带来水资 源紧缺和生态环境恶化的尖锐矛盾，人们开始重新审视和反省自己的行为，城市 雨水利用技术又逐步受到重视，并取得了很大进步。人们在城市雨水利用的探索 和实践过程中，总结了城市雨水利用的意义及作用：第一，节约城市用水量，缓 解供水与用水的矛盾；第二，提高排水系统的可靠性；第三，改善水循环，充分 利用水资源；第四，改善城市水环境；第五，缓解城市地面沉降；第六，经济和 生态效益，符合可持续发展的要求。 尽管人们早已展开城市雨水利用的探索和实践，但城市雨水利用并没有得到 大力发展和广泛推广，原因就在于城市雨水利用不仅仅涉及一两个人、一两个建 筑物、一两个部门，降雨从空中降落到地面直至排到受纳水体，它所经过的包括 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 屋面、路面、雨水口、市政管道、污水处理厂、受纳水体等，与之相关联的部门 涵盖方方面面，可以说城市雨水利用是非常复杂的。由于这种复杂性的存在，城 市雨水利用的实现就需要与之配套的工程系统来完成。在这套工程系统中需要大 量的技术支持，例如径流规律问题、泥沙防堵塞问题、取水利用问题、施工问题 等等。只有技术问题得到妥善的解决，城市雨水利用才能很好的发挥其应有的功 能。本文就其中泥沙的防堵和清理等几个一直困扰城市雨水利用发展的关键技术 问题展开研究，具有十分重要的意义。 1 2 国内外雨水利用现状 目前，在世界各大洲，都有收集雨水解决生活和生产用水的成功做法。国外 一些发达国家在城市雨水资源化和雨水的收集利用方面的经验和方法，对解决我 国缺水问题很有借鉴意义。 ( 1 ) 美国的雨水利用。美国的雨水利用常以提高天然入渗能力为目的。1 9 9 3 年大水之后，美国兴建地下隧道蓄水系统，建立屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、 透水地面组成的地表回灌系统，让洪水迂回滞留于曾经被堤防保护的土地中，既 利用了洪水的生态环境功能，同时减轻了其他重要地区的防洪压力。美国的关岛、 维尔金岛广泛利用雨水进行草地灌溉和冲洗。美国不但重视工程措施，而且制定 了相应的法律法规对雨水利用给予支持，如制定了雨水利用条例。条例规定 了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”。 ( 2 ) 德国的雨水利用。德国的雨洪收集利用技术是最先进的，基本形成了一 套完整、实用的理论和技术体系。利用公共雨水管收集雨水，采用简单的处理后， 达到杂用水水质标准，便可用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒。另外德国还制 订了一系列有关雨水利用的法律法规。如目前德国在新建小区之前，无论是工业、 商业还是居民小区，均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨 水排放设施费和雨水排放费。 ( 3 ) 丹麦的雨水利用。丹麦9 8 以上的供水是地下水，但是地下水开发利用 率都比较低，一些地区的含水层已被过度开采。为此在丹麦开始寻找可替代的水 源，以减少地下水的消耗。在城市地区从屋顶收集雨水，收集后的雨水经过收集 管底部的预过滤设备，进入贮水池进行储存。使用时利用泵经进水口的浮筒式过 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 滤器过滤后用于冲洗厕所和洗衣服。 ( 4 ) 日本的雨水利用。日本子1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，许 多城市在屋顶修建用雨水浇灌的“空中花园 ，有些大型建筑物如相扑馆、大会 场、机关大楼，建有数千立方米容积的地下水池来储存雨水，以充分利用地下空 间。而建在地上的也尽可能满足多种用途，如在调洪池内修建运动场，雨季用来 蓄洪，平时用作运动场。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。在 日本，集蓄的雨水主要用于冲洗厕所、浇灌草坪，消防和应急用水。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。 综上所述，国外发达国家城市雨水利用的主要经验是：建立了完善的屋顶蓄 水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统；制定了一系列有关雨 水利用的法律法规；收集的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服和回灌 地下水。 我国的雨水利用刚开始主要是配合农业发展，我国的农村在长期的抗旱实践 中，积累了丰富的利用雨水的经验，创造了水窖、水窑、水池等小型和微型蓄水 工程形式，用于解决生活饮水问题。真正意义上的雨水利用研究与应用开始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。雨水集蓄利用工作从试点示范到规模发展，大致经 历了以下4 个阶段嘲：( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代的试验研究阶段；( 2 ) 2 0 世纪9 0 年代的试点 示范阶段；( 3 ) 1 9 9 7 , - - , 1 9 9 8 年的推广应用阶段；( 4 ) 2 0 0 0 年之后的蓬勃发展阶段。 我国现代意义上的城市雨水利用在我国发展比较晚。以前的城市中，水资源 主要着眼于地表水资源和地下水资源的开发，不重视城市雨水资源的开发利用， 放任其排放，造成大量宝贵雨水资源的流失。2 0 世界末，我国城市的雨水利用才 开始探索。 随着城市化的的发展，我国许多城市水资源不足的矛盾愈显突出。以北京市 为例，它是世界上1 0 0 个严重缺水的城市之一，人均水资源占有量为3 0 0 m 3 ，低于 国际公认的下限1 0 0 0 m 3 。1 9 9 9 年是建国以来最干旱的一年，北京市降雨量为 3 8 9 m m ，为平均年降雨量的5 9 ，自然形成的水资源仅为1 8 1 2 l m 3 。而北京市用 水量为4 0 亿m 3 ，其中7 0 来自地下水。过度开采使北京市地下水储存量在1 9 9 9 年 一年中减少了近1 5 亿m 3 ，地下水位下降了2 3 m ，以北京东郊为中心形成了一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 0 0 0 k m 2 的漏斗区。地下水位的下降又导致地面下沉，自1 9 6 6 年以来，北京市地 面以每年l o 一- - 2 0 m m 的速度下沉川。 在城市化过程中另一个愈显突出的问题是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 1 反映了北京市建筑占地面积年际变化情况。 从1 9 9 6 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。 预计至u 2 010 年，北京市建筑占地面积将达3 0 0 k m 2 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9 0 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。 图1 1 北京市建筑占地面积变化曲线 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。 在这种背景下，借鉴国外的经验，在传统雨水管道系统设计的基础上提出了 一种新的构思。这种新的构思主要是在传统排水系统的基础上加以改造，增加雨 水渗透和再利用设施，从而形成了具有渗透和再利用能力的新型雨水排水系统。 这种新型雨水排水系统可以将雨水储存起来，进而对雨水进行合理、充分地利用， 不仅能用来浇洒道路和绿化、冲洗车辆，还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。 由此可见，具有渗透和再利用能力的新型雨水排水系统具有巨大的经济效 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 益、环境效益和社会效益。 渗渠一渗管组合新型雨水排水系统属于如上所述的新型雨水排水之一，断面 结构见图1 2 。具有蓄水空间大、渗透面积大、施工简单、通用性好、前景广泛 的优点。 无砂混凝土透水砖 覆土 土工布 图1 2 渗渠一渗管组合新型雨水排水系统 目前所提出的具有渗透和再利用能力的新型雨水排水系统，即从传统的雨水 排放系统，转变为以渗为主，渗蓄排相结合，充分利用土壤的入渗能力及地下天 然大水库，通过透水铺盖面的雨水在汇流过程中下渗，再经过透水雨水管道系统 的渗漏，使雨水进行下渗蓄流，增加地下水资源的补给。在雨水资源比较多的地 方还能够将蓄流在新型雨水排水系统中的雨水抽上来再利用，用以浇洒道路和绿 化、冲洗车辆等。 虽然新型雨水排水系统具有巨大的经济效益、环境效益和社会效益，但它毕 竟属于探索阶段，还存在若干关键技术难题有待解决。 1 3 问题的提出 由于径流雨水中含有大量泥沙，如果径流雨水未经适当的处理，新型雨水排 水系统在运行的过程中必然会造成堵塞，堵塞问题长期积累，最终将导致雨水渗 透利用设施的失效。 不同的雨水渗透利用设施发生堵塞的部位不同，需要进行系统的理论分析与 试验研究，寻求适宜的预处理及渗透主体设施防堵、清理技术，有针对性地对堵 塞采取措施，保障渗透利用设施的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 由于泥沙的进入在现阶段无法彻底的阻止，雨水渗透利用设施就需要进行周 期性的清理和维护，然而设施的清理存在诸多困难。 渗透利用设施需要精心管理，一旦发生堵塞，要恢复其功能很困难，且往往 是事倍功半。一方面它对管理制度、管理人员的要求较高；另一方面，它对社会 观念、社会素质也有要求。目前，雨水渗透利用在我国尚属新生事物，其管理体 系的完善、管理人员水平的提高，直至社会对它的认识和重视还有一个过程。 新型雨水排水系统尚未在国内外大范围的应用，原因就在于没能很好的解决 雨水渗透利用技术中存在的易堵塞和清理难的问题。前人在雨水渗透利用技术方 面做了大量的基础研究，得到了一些的理论成果和实践经验，但技术的推广应用 仍然受制于这些关键问题堵塞。 本文拟采用实验的方法，对雨水渗透利用技术存在的这些堵塞问题加以研 究，期待找到解决的办法。 1 4 主要工作和技术路线 1 4 1 课题采取的研究方法 本课题采用实验观测与理论分析结合的方法。 首先结合实验的方法，通过与经典冲刷模型的对比研究城市降雨径流排沙规 律，分析影响城市降雨径流泥沙的因素。针对径流携带大量泥沙这一问题，提出 控制城市降雨径流泥沙的原则和方法。接着实验分析雨水口井身中水深和雨水口 井身结构对截沙的影响规律。总结雨水口截沙的措施，提出新的设想。最后实验 研究采用传统方法清理渗透腔体内积存泥沙的效果。提出新的、可行的清沙方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 2 课题的技术路线 图1 3 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章新型雨水排水系统 2 1 传统雨水排水系统 城市排水体制分为分流制与合流制两种基本类型。 城市排水工程规划规范( g b 5 0 3 1 8 2 0 0 0 ) 中规定：城市排水体制应根据 城市总体规划、环境保护要求，当地自然条件( 地理位置、地形及气候) 和废水 受纳体条件，结合城市污水的水质、水量及城市原有排水设旖隋况，经综合分析 比较确定。新建城市、扩建新区、新开发区或旧城改造地区的排水系统应采用分 流制。 城市排水工程规划规范的实施使得城市排水体制的选择主要倾向于分流 制。在分流制的排水体制下，传统雨水排水系统的功能是收集径流雨水，并将其 排入水体，见图2 1 。主要由一下几部分组成： ( 1 ) 房屋雨水管道系统； ( 2 ) 街道、厂区雨水管道系统； ( 3 ) 道路雨水管道系统。包括雨水口、检查井、跌水井及干管、支管等； ( 4 ) 雨水泵站及压力管； ( 5 ) 出水口。 1 污水干管；2 污水主干管；3 污水厂；4 出水口；5 雨水干管；6 河流 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 1 分流制排水系统 传统雨水排水系统的任务就是及时地排除降雨形成的地面径流。雨水从空中 降落到地面和屋面直至最终排到受纳水体，大致经过如下的过程，见图2 2 。 屋囱雨水 犷隹 p 之坠地面径流雨水e l 市政雨水支管一 地面雨水一 爿fl u 市政雨水干管! 坚l 受纳水体 图2 2 城市雨水排水过程 在传统的雨水排水系统理念下进行城市排水规划时，往往只注重建立完善的 雨水管道系统用来及时排除地面径流，而缺乏对城市的整个水系统进行统筹规 划，忽略了对城市雨水资源的利用，不能对地下水进行必要的补给、同时饱受城 市水涝危害。 2 2 新型雨水排水系统 传统雨水排水系统一方面是使用庞大的雨水排放系统将日益增长的雨水径 流排入地表水体；另一方面却是城市地下水补给的严重不足、城市雨洪危害增加， 水涝危害频发。 在传统雨水排水系统设计、用地规划和地面覆盖上考虑雨水渗透和利用，合 理、充分地利用雨水涵养地下水源，能很好的解决传统雨水排水系统中存在的问 题。 相对于传统的雨水排水系统，在传统排水系统的基础上加以改造，增加雨水 渗透利用设施，从而形成了具有渗透和再利用能力的新型雨水排水系统。而渗透 利用设施是新型雨水排水系统区别于传统雨水排水系统的关键。 2 2 1 新型雨水排水系统类型 参考相关资料力，城市新型雨水排水系统根据雨水渗透设施的不同主要分 为嘲：地面入渗雨水排水系统、洼地入渗雨水排水系统、洼地一渗渠组合雨水排水 系统、渗渠一渗管组合雨水排水系统、渗井雨水排水系统、渗水池塘雨水排水系 统、洼地一渗沟一雨水排水系统等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 地面入渗雨水排水系统 地面入渗雨水排水系统是利用绿地、非铺砌地面、部分透水的台阶面、庭院 及交通道路等渗水。地面入渗主要以自然入渗为主，适合雨水径流量不大、土壤 透水性良好的场所。一般不将砌石、渗水沥青、透水混凝土地面等作为地面入渗 来考虑，因在使用过程中不断积累的矿物质及有机物会显著降低其透水性。 ( 2 ) 洼地入渗雨水排水系统 洼地入渗雨水排水系统是利用天然或人工洼地蓄水入渗。通常在地面入渗所 需要的面积不足，或土壤入渗性太小时采用洼地入渗措施。洼地的积水时间应尽 可能短，因为长时间的积水会增加土壤表面的阻塞与淤积。一般最大积水深度不 宜超过3 0 c m 。进水应沿积水区多点进入，对于较长及具有坡度的积水区应将地面 做成波形，将积水区分割成多个独立的区域。积水区的进水应尽量采用明渠，多 点均匀分散进水。洼地入渗雨水排水系统如图2 3 n 示，一般用于渗透系数k ，5 x l o - s 的土壤。 固 表层土壤 0 im 图2 3 洼地入渗雨水排水系统 ( 3 ) 洼地一渗渠组合雨水排水系统 洼地一渗渠雨水排水系统由洼地及下部的渗渠组成，见图2 4 。这种设施具有 两部分独立的蓄水容积，即洼地蓄水容积与渗渠蓄水容积。其渗水速率受洼地及 底部渗渠的双重影响。由于地面洼地及底部渗渠双重蓄水容积的叠加，增大了实 际蓄水的容积，因而这种系统可用在k ，l l o - 6 m s 的土壤。与其他渗透设施相 比这种系统具有更长的雨水滞留及渗透排空时间。渗水洼地的进水应尽可能利用 明渠与来水相连，避免直接将水注入渗渠，以防止洼地中的植物受到损害。洼地 中的积水深度应小于3 0 a m 。洼地表层至少有l o a m 厚土壤，其透水性应保持在k ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 l l o 6 m s ，以便使雨水尽可能快地渗透到下部的渗渠中去。 图2 4 洼地一渗渠组合雨水排水系统 当底部渗渠的渗透排空时间较长，不能满足洼地积水渗透排空要求时，应在 洼地及渗渠之间增设泄流措施。工程上可采用简单的管内填石子或定型产品用于 泄流排水。 ( 4 ) 渗渠一渗管组合雨水排水系统 地面雨水直接入渗或通过与渗管相连的雨水管道引入到地下渗渠中，见图 2 5 。渗渠用石子或其他多孔隙材料填充，具有较大的蓄水空间。在渗渠内雨水 被储存并向周围土壤渗透。渗管由穿孔管组成，被埋设在渗渠中。这种系统的蓄 水能力取决于渗渠及渗管的断面大小和长度，以及填充物孔隙的大小。对于进入 渗渠及渗管的地面雨水应进行沉淀处理，在渗渠的末端应建冲洗井，以便对渗管 进行定期冲洗。当采用洼地入渗所需要的面积不能满足要求时，一般可采用这种 系统。 回填土 沉蛇井 三；蓬薹蒜麓一 l i 甏黪攀。粼萨 jji 曼在更i 囊i k 葛通：z z 张i 障点 _ l jo ” ：_ j - j ：j - 1 - ：- 7 ：。：董。j i l - 一j 叠? 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 形式a 雨水排水系统如图2 6 n 示。渗井由砂过滤层包裹，井壁周边开孔。雨 水经砂层过滤后渗入地下，杂质大部分被砂滤层截留。 图2 6 渗井a 雨水排水系统 渗井b 雨水排水系统如图2 7 所示，这种渗井在井内设过滤层，在过滤层以下 的井壁上开孔，雨水只能通过井内过滤层后才能渗入地下，杂质大部分被井内滤 层截留。滤层滤料可采用0 2 5 、 4 m m 石英砂，应满足k ，1x1 0 - 3 m s 。与渗井a 相 比，渗井b 中的滤料容易更换，更易长期保持良好的渗透性。 污物收集器带通风口的盖板 石子 图2 7 渗水井b 雨水排水系统 ( 6 ) 渗水池塘雨水排水系统 当不透水地面的面积a u 与有效渗水面$ , q a s 的比值大于1 5 时可采用渗水池塘 雨水排水系统。渗水池塘应在较短时i ；- 3 内将雨水渗净。这就要求池底部的渗透性 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 能良好，一般要求k ，l l o s ，当k ，太小时会延长其渗水时间与存水时间。在 使用过程中需考虑池子的沉积问题。形成池子沉积的主要原因为雨水中携带可沉 物质，这种沉积效应会影响池子的渗透性。在池子首端产生的沉积尤其严重。因 而在池的进水段设置沉淀区是很有必要的，同时还应通过设置挡板的方法拦截水 中的漂浮物。对于不设沉淀区的池塘在设计时应考虑1 2 的安全系数，以应对由 于沉积造成的池底透水性降低。 ( 7 ) 洼地一渗沟一雨水排水系统 当土壤的k ， l lo 喝m s 时，渗透速度过慢、渗透时间过长，洼地一渗沟一雨水 排水系统储存的雨水在短时内很难渗净，这就需要在地下增设排水管，用以排除 多余的雨水，见图2 8 。考虑到这一系统本身对雨水的储存及入渗，雨水排水量 有所削减，其排水管的尺寸可小于常规的雨水管。 进 图2 8 洼地一渗渠一雨水排水系统 2 2 2 新型雨水排水系统的优选 管 以上各种新型雨水排水系统的使用范围、优缺点有很大的差别，见表2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 表2 1 新型雨水排水系统的比较 新型雨水排 适用范围优点缺点 水系统 以自然入渗为 渗透面积大：生态、环保；减少 对土壤的渗透性要求 地面入 主，适合雨水径 路面积水；能就地去除径流中的 高；当雨水水质差时， 渗雨水排水 流量不大、土壤 部分泥沙；在国内具有一定的应 未经处理的雨水直接渗 系统 透水性良好的场 用经验。 透将对土壤和地下水污 所。染严重；易堵塞。 渗透面积小；并非所有 洼地入 对土壤的渗透性要求相对不高： 城市都具有洼地，通用 渗雨水排水 利用天然或人工 可结合城市生态公园等，做到生 性差；占用城市用地面 洼地蓄水入渗。 系统 态、环保、美观。积；难以对径流预处理； 易堵塞。 对土壤的渗透| 生要求相对不高； 洼地- 可结合城市生态公园等，做到生 通用性差；占用城市用 渗渠组合雨 利用天然或人工 态、环保、美观；与洼地入渗相 地面积；难以对径流预 洼地蓄水入渗。 比，增大了实际蓄水的容积，有 处理；易堵塞。 水排水系统 更长的雨水滞留及渗透排空时 间。 渗渠- 结合原有排水系 蓄水空间大；渗透面积大：施工虽然能对径流预处理， 渗管组合雨 统，加以改进， 简单；能对径流进入渗透系统前但无法避免泥沙的进 进行预处理，减少泥沙的进入和 入，设施仍然存在堵塞 水排水系统 适用范围广。 减少堵塞的危害：通用性好。的可能。 在土壤渗透能力 单个渗井蓄水能力有 渗井雨 允许的f 青况下， 施工简单。限，渗透面积小；易堵 水排水系统 可结合市政雨水 井等建设。 塞。 当不透水地面的 渗水池 面积与有效渗水 蓄水空间大；渗透能力好：可结 要求池底部的渗透性能 塘雨水排水面积的比值大于 合城市景观设计，做到环保美观。 良好；通用性差：难以 系统 1 5 时可采用渗水 对径流预处理；易堵塞。 池塘。 洼地_ 渗沟一 当土壤渗透能力 渗透面积小；部分雨水 雨水排水系 差时，结合洼地， 的排出，减少了渗透量； 增设排水管，排 土壤渗透能力不够时也能采用。 通用性差：占用城市用 统 地面积；难以对径流预 出多余水量。 处理：易堵塞。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 本文认为：渗渠一渗管组合雨水排水系统具有蓄水空间大：渗透面积大；施 工简单；能对径流进入渗透系统前进行预处理，减少泥沙的进入和减少堵塞的危 害；通用性好的优点。在市政排水设施的施工过程中，一般都要进行开挖，埋设 管道。只要稍加开挖深度，将普通管道替换成具有渗透能力的渗水管，加以砾石 的填充，就可以在不影响其排水功能的前提下具有渗透能力。这种渗透方式相对 其他的渗透方式具有一定的优越性和更广泛的前景，并且它在技术上容易实现。 本文主要以这种新型雨水排水系统展开论述。 渗渠一渗管组合雨水排水系统主要功能就是利用渗透设施使雨水进行下渗并 储存，进而对储存起来的雨水加以利用。它的利用方式主要体现为2 种：一种是 主动利用，一种是被动利用。主动利用就是通过检查井将储存起来的雨水抽出， 用以浇洒道路和绿化、洗车等；被动利用则不考虑将雨水抽出，而是让雨水慢慢 向地下下渗，用于涵养地下水。通过对雨水合理、充分利用，能够很好地解决城 市水资源短缺问题，还能增加地下水资源的补给，具有巨大的效益。 这种新型雨水排水系统是在传统雨水排水系统的基础上加以改造而实现的， 但又在某些组件的结构形式上有别于传统雨水排水系统，它们的不同点主要是雨 水口、市政雨水干管、检查井3 个组件上。通过这3 个组件的改变，使得新型雨水 排水系统有别于传统雨水排水系统而具有雨水的渗透和再利用的功能。由此雨水 从空中降落到地面和屋面直至最终排到受纳水体的整个过程也发生了变化，见图 2 9 。 屋面雨水兰地面径流一雨水口r 杂质拦截l 地面雨水一l 泥沙沉淀一 一市政雨水支管市政雨水干管 图2 9 新型雨水排水系统下的城市雨水排水过程 新型雨水1 ：3 不光光只是承担收集地面径流、进而通过连接管输送到市政雨水 支管的任务，它同时还应具有拦截大颗粒杂质和沉淀汇流而来的径流中携带的泥 沙的作用。可以通过增加截污挂篮、改变雨水1 ：3 结构形式来实现杂质拦截和泥沙 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 沉淀的功能，具体参见第四章。 原市政雨水干管通常采用与铺设地点相同的土壤直接覆盖，主要采用钢筋混 凝土材料，不透水。它的功能只是将从市政雨水支管、上游市政雨水干管汇流而 来的雨水输送至受纳水体。而新型市政雨水干管包裹在具有较大空隙的砾石堆 中，砾石堆再用土壤覆盖，见图1 2 ，新型市政雨水干管主要采用无砂混凝土材 料或是穿孔管，具有渗透性。因而新型市政雨水干管与原市政雨水干管相比，它 具有雨水渗透的能力。雨水通过新型市政雨水干管渗透进入砾石堆组成的腔体， 在腔体内储存的雨水最终能实现渗透和再利用。 新型检查井与原检查井相比，它还具有能清除积存在新型雨水排水系统渗透 腔体内的泥沙( 见第五章) 和抽取储存在渗透腔体内的雨水达到再利用的2 种功 能。这主要通过在原检查井中增) j n 2 个能够开启和关闭的闸门来实现，见图2 1 0 。 当单独打开取水闸门，渗透腔体内储存的较干净的雨水不断流出，采用抽水泵从 检查井中可直接抽取，抽上来的雨水便可浇洒道路等。当单独打开收集槽闸门， 同样采用抽水泵快速抽取流出的污水，就能起到清沙的效果。 图2 1 0 新型检查井 在渗透腔体内储存的雨水便是具有可利用的宝贵水资源。它有多种利用途 径，见图2 1 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 储存在 腔体内 的雨水 自然涵养地 渗透下水 出 图2 1 1 渗透腔体内雨水的利用途径 如果某些地方需要涵养地下水，则可采用渗透性大的材料包裹渗透腔体，让 雨水以较快的速度渗透进入地下。对于不需要过多涵养地下水的地方，则可采用 渗透性小的材料包裹渗透腔体，甚至采用非渗透的材料包裹渗透腔体，将雨水储 存在腔体内，在需要用水的时候通过检查井抽取储存在腔体内的雨水。 抽上来的雨水可直接用于绿化用水( 浇灌花草树木) 、卫生用水、消防用水、 景观用水( 引入人工湖等) 、其他用水( 洗车、道路清洗、空调冷却水等) 。经过 处理的雨水则可作为居民饮用水。 2 3 新型雨水排水系统存在的问题 虽然新型雨水排水系统是在传统雨水排水系统的基础上发展而来，两者具有 很多的共同点，然而要使传统雨水排水系统具有雨水渗透和再利用的功能，就需 要在改造传统雨水排水系统的过程中解决很多的技术难题，例如： ( 1 ) 泥沙的防堵和清理 新型雨水排水系统区别于传统雨水排水系统的关键就在于它设置了渗透设 施。雨水在渗透进入渗透腔体的同时必然导致泥沙随同雨水一同进入渗透腔体。 泥沙在渗透腔体内长期积累必然致使渗透设施的堵塞，最终将导致雨水渗透设施 的失效。需要进行系统的理论分析与试验研究，寻求适宜的预处理及渗透主体设 施防堵、清理技术，有针对性地对堵塞采取措施，保障渗透系统的有效性。 ( 2 ) 汇流面积的确定 在新型雨水排水系统的渗透能力一定的条件下，汇流面积的大小直接决定了 雨水渗透量的大小，也决定了可能进入渗透腔体的泥沙量大小。汇流面积大虽然 能渗透利用大量的雨水，但同时也引起泥沙量的剧增，给整个系统增加了堵塞的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 风险，也增加了后期维护费用。需要对汇流面积展开研究，在雨水渗透量与堵塞 风险、维护费用间找到一个平衡点。 ( 3 ) 新型雨水排水系统规模的确定 根据渗透目的及环境条件的不同，渗透设施的规模也不同。需因地制宜地选 择合适的计算方法，优化设计规模，才能更加经济有效地提高新型雨水排水系统 的效率。前人在这方面展开了一些研究，他们对新型雨水排水系统规模提出了2 种设计方法。一种是基于水量的规模设计，包括v r b o n a sb e n 提出的图解法晗、 g ei g e r 提出的经验公式法嘲、汪慧珍等人提出的最大值法；另一种则是基于水 质的规模计算。虽然前人提出了多种方法，但这些方法可靠与否还有待实践的检 验。 ( 4 ) 管道参数的确定 传统雨水排水系统的各种管道参数是经过大量的实验研究和工程经验总结 得来的，比较成熟，在室外排水设计规范( g b 5 0 0 1 4 2 0 0 6 ) 中给出了明确的 设计方法。然而新型雨水排水系统管道材料采用有别于传统雨水排水系统的管道 材料，传统雨水排水系统的管道参数已不再适用，需要通过实验和理论研究重新 加以确定。 ( 5 ) 工程费用、维护费用的计算 新型雨水排水系统相比传统雨水排水系统在管道材料、构件结构上存在差 别，两者的施工方法有所不同，导致新型雨水排