（环境工程专业论文）北京雨水人工渗蓄利用系统优化研究.pdf

摘要 雨水人工渗蓄利用技术已经得到大范围推广与应用，然而在实际应用过程中 仍然存在系统工艺优化不足、设施易堵塞、对地下水存在威胁和缺乏优化的设计 规模等问题。为科学、有效地基于环境条件对雨水人工渗蓄利用系统进行优化研 究，使雨水人工渗蓄工程规划、设计和建设更为合理，本文以北京为例从水质控 制和水量控制两个方面来探讨和实现雨水人工渗蓄设施的规模优化；同时，在工 程经济效益、社会效益和环境效益等综合条件最优原则下，系统分析雨水人工渗 蓄利用系统的影响因素，设计并实现雨水人工渗蓄利用系统的优化构建。 基于对雨水人工渗蓄设施应用目的的分析，探讨不同目的条件下的雨水人 工渗蓄设施规模优化方法。基于北京多年降雨资料和径流雨水水质，借助 s w m m 软件对径流雨水中污染物冲刷过程的模拟，提出以水质控制为主要目的 时的规模计算方法，提出屋面和路面系统进行雨水人工渗蓄设施设计时设计雨 量分别取8 m m 和1 5 m m 。以雨水渗透为主要目的时，渗透设施的规模优化应为 基于水量条件下的规模计算，提出了基于芝加哥雨型的雨水人工渗蓄设施规模 优化计算方法，建议雨峰系数选取o 4 。 选择雨水人工渗蓄利用典型设施作为渗蓄系统优化的研究对象，构建雨水 人工渗蓄优化选择系统，通过筛选、评价、优选三个阶段，提出系统的优化框 架，并以北京某学校为例进行实例分析。 通过对北京城区汇水面特点的分析与总结，经过雨水人工渗蓄系统的优选， 得出最优推荐流程。 关键词：雨水人工渗蓄设施；渗蓄系统；北京；设计雨量；优化 a b s t r a c t s t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d h o w e v e r , i t e x i s t sa l lk i n d so fp r o b l e m s ，s u c ha st h ec l o g g i n g ，t h ep o l l u t a n tc o n t r o la n ds oo n i n o r d e rt om a k et h es t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o ns y s t e mo p t i m a ls e l e c t i o nt ob e s c i e n c ea n de f f i c i e n c y , a n dt om a k et h es t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o ne n g i n e e r i n g p r o g r a m m i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt ob er e a s o n a b l e ，t h i sa r t i c l eg i v e sa ne x a m p l e o fb e i j i n gf r o mt w op o i n t s - - - - - q u a l i t yc o n t r o la n dq u a n t i t yc o n t r o lt od i s c u s sa n dr e a l i z e t h es c a l eo p t i m i z a t i o n ，t om a k et h es t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o ns c a l et of i tf o rt h e f i e l d ；a tt h es a m et i m e ，i nt h eo p t i m a lo fi n t e g r a t i o no ft h ee c o n o m y , s o c i e t ya n d e n v i r o n m e n tb e n e f i t s ，t h ea r t i c l ea n a l y s i z e dt h eb e i j i n ge n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sa n d t h ei n f l u e n c eo fs t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o ns y s t e m ，d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h e o p t i m a ls y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo b j e c t i v eo ft h ep r a c t i c e s ，t h ep r a c t i c e ss c a l eo p t i m a l m e t h o di nd i f f e r e n tc o n i t i o n sw r i t sd i s c u s s e d o nt h ec o n d i t i o no fb e i j i n gr a i n f a l ld a t a a n dr u n o f fq u a l i t y , a n du s e dt h es w m ms o f t w a r et os i m u l a t et h er u n o f f c o n t a m i n a t i o nw a s h o u tp r o c e s s ，t od i s c u s st h em a i na i m so fw a t e rq u a l i t yc o n t r o l ， b r i n gf o r w a r dt h e8 m md e s i g nr a i n f a l la st h er o o fa n d15 r a ma st h er o a do ft h e s t o r m w a t e ra r t i f i c i a li n f i l t r a t i o np r a c t i c e s ；a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fw a t e rq u a n t i t y c o n d i t i o n s ，b r i n gf o r w a r dt h eo p t i m i z e ds c a l ed e s i g nm e t h o d - - b a s e do nt h ec h i c a g o r a i nm o d e lo fs t o r m w a t e ra r t i f i c i a lp r a c t i c e sc a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dm a d et h er a i n f a l l a p i c e da s0 4 s e l e c t e dt h er e p r e s e n t a t i v ep r a c t i c e sa st h er e s e a r c ho b j e c to fo p t i m a ld e s i g n ， c o n s t r u c tt h eo p t i m a ls e l e c t i o ns y s t e m ，t ot h et h r e ep h a s e s - - - s e l e c t i o n ，e v a l u a t i o n , o p t i m a t i o n ，a n db r i n gf o r w a r dt h ef r a m e w o r ko fs y s t e mo p t i m a ls e l e c t i o n , s e to n eo f t h es c h o o li nb e i j i n ga sa ne x a m p l et oa n a l y s i st h ep r o c e s s a n da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n ds u m m a r yo ft h ee n v i r o n m e n to fb e i j i n g , s o m e r u n o f ft r e a t i n gp r o c e s si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s t o r m w a t e ra r t i f i c i a l i n f i l t r a t i o n p r a c t i c e s ；i n f i l t r a t i o ns y s t e m ； b e i j i n g ；d e s i g nr a i n f a l l ；o p t i m i z a t i o n i l 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：彩蠢 日期：年f 肘日 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 北京是一个水资源严重匮乏的大型城市，人均水资源占有量不足3 0 0 m 3 ，为 全国人均占有量的1 8 ，世界人均占有量的1 3 0 。一方面是城市地下水补给的严重 不足，另一方面是使用庞大的雨水排放系统将日益增长的径流雨水排出城市，导 致北京市水资源状况日益紧张，洪涝日益突出，水环境同益恶化，因此开发利用 雨水这一非传统水资源成为大家关注的焦点。由于北京降雨时程分布极为不均， 若以雨水收集利用为目的则需要大容积的集蓄设施，一次性投资大，运行管理也 有一定难度。而雨水渗透利用技术，如渗透沟、渗透渠及渗透井等，为投资少、 见效快、设计简单、便于实施、能发挥综合效益的生态型雨水利用设施，具有较 好的环境效益和社会效益。屋面、路面等汇水面的径流雨水通过雨水渗透设施入 渗土壤，不仅可涵养地下水，还可减轻城区雨洪负荷和水体污染、改善城市生态 环境。 雨水人工渗蓄设施可灵活应用于城市的不同功能区，且可满足不同污染状况 下的径流雨水水质要求，因此与雨水自然渗透设施相比其应用范围更为广泛。它 形式多样，不仅可进行大规模的雨水集中回灌【l 】，也可通过小型的雨水人工渗蓄 装置进行分散式的就地渗透，以达到开发后城市雨水径流的低影响开发要求 ( l o wi m p a c td e v e l o p m e n t ) 【2 】。综上所述，雨水人工渗蓄可成为北京城区雨水 利用的一个重要途径。 国内外已进行大量关于雨水人工渗蓄利用系统的研究并制定了相应的政策 法规，但从目前来看力度仍然不够，仍然存在系统易堵塞、径流污染控制力度不 够等问题，这些问题势必影响雨水人工渗蓄利用系统的应用，从而制约雨水渗蓄 利用技术的发展。同时，不同的雨水人工渗蓄利用系统各有其特点，因当地的土 地利用特性、气候气象条件、地质地理条件因素、工程技术条件、经济条件以及 社会环境条件等而异，同时这些影响因素之间的利益关系也可能不一致，这就使 得雨水人工渗蓄利用系统的选择存在不确定性。对于某一特定地区而言，采用不 同雨水人工渗蓄利用系统，其投入和效益都将大有不同。因此，有必要将上述影 响因素进行系统分析，即对雨水人工渗蓄利用系统进行优化研究。 然而，在实际项目中存在雨水人工渗蓄利用系统优选和规模确定不够科学等 北京建筑工程学院硕_ 上学位论文 问题，特别是缺少系统化的雨水人工渗蓄利用系统优选思路，对雨水人工渗蓄利 用系统经济、环境和社会的综合效益考虑不全，雨水人工渗蓄利用系统的选择缺 乏对水资源有效利用、径流污染控制等方面的综合考虑。这些问题如不能很好地 解决，可能会造成投资浪费等问题，不能充分发挥雨水人工渗蓄利用的综合效益， 有时甚至带来负面影响。 1 2 国内外研究现状 世界各国在日益重视水资源有效利用的情况下，均积极开展雨水人工渗蓄利 用技术研究。目前，日本、美国及德国等国对雨水人工渗蓄技术的研究处于领先 地位。 日本是个水资源较为缺乏的国家，在节约用水的同时，十分重视雨水人工渗 蓄利用【3 1 。早在8 0 年代，日本就开始推行雨水贮留渗透计划，利用渗透池、渗透 管、渗透井、透水性铺装在公园、绿地、庭院、停车场、建筑物、运动场和道路 等场所进行雨水贮留渗透，有效地补充涵养地下水，复活泉水，恢复河川基流， 改善环境生态条件。日本对雨水人工渗蓄利用系统的研究较多，口木从8 0 年代初 开始雨水人工渗蓄技术的研究，如今己经从试验阶段进入推广实施阶段。到1 9 9 6 年初，仅东京就采用渗透检查井3 3 4 5 0 个。日本对雨水人工渗蓄利用系统的研究 和应用实践表明，雨水人工渗蓄设施涵养地下水、抑制暴雨径流的作用十分显著， 且经过十多年的运行，其效果并没有下降。东京、横滨还对雨水渗透现场的地下 水进行连续观测，未发现对地下水构成污染【4 】。k a t s u t o s h is e k i 等人对雨水人工 渗蓄设施的渗透性能模型进行研究，通过修改稳定回灌方程( 采用g u e l p h 磁导 计) ，同时测定渗蓄设施的体积和渗透水力传导率，得到稳定回灌速率，从而反 映出其渗透性能。在日本的千叶区，该模型已成功运用于雨水渗透速率的估算【5 】。 美国的雨水利用则是以洪涝控制为主，以提高天然入渗能力为目的，兴建地 下隧道蓄水系统，建立屋顶蓄水和由渗透池、渗透井、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【6 一8 1 。如美国加州富雷斯诺市 的“l e a k y a r e a s ”地下水回灌系统，l o 年间( 1 9 7 1 - 1 9 8 0 年) 的地下水回灌总量为 1 3 3 8 亿m 3 ，其年回灌量占该市年用水量的2 0 t 9 1 。与其同时也特别关注雨水人工 渗蓄设施污染控制不够的问题，美国国家污染排放系统( n p d e s ) 的安全饮用 北京建筑工程学院硕：t 学位论文 水法案( s d w a ) 中的地下水回灌控制( u i c ) 项目根据水污染的安全性对渗透 井进行了分类，并规定五类井须经美国环保总局批准后方可使用。 德国的雨水人工渗蓄利用系统已逐步进入标准化、产业化阶段，并逐步向集 成化、综合化方向发展，其技术的理论研究也相对较早。为了解决城市排水系统 的超负荷的问题，建立起在线式雨水渗透管理系统，由于它对雨水径流排放的多 重功效，被认为是很有潜力的技术，这种技术不仅有系统的理论分析，也融入大 量的实验数据，使得该技术应用较有前景【l0 1 。随后，在此基础上建立“专家体系” 或者“知识基础系统”，其优点是提供了自动化的专家水平的评价体系，可对雨 水人工渗蓄设施进行优化选择1 。此外，雨水径流对环境的污染也进行了一系列 的研列1 2 13 1 ，提出了一些可行的雨水人工渗透系统，如水洼一渗透渠组合系统。 在对渗透系统进行优化的基础上，许多发达国家都研发并推出雨水人工渗蓄 产品，如英国的d r a i n t a n k 、澳大利亚的v e r s i t a n k 、日本三菱树脂公司的 a q u a s p a c e 。这些渗蓄产品孔隙率大，有很好的储水能力；减少雨水洪峰流量； 体积灵活多变，适用于各种场合；安装于地下，增大土地利用率；安装及维护费 用低，安装较为方便；雨水经装置过滤，能够保证其水质达标排放；比滞留塘和 调蓄池等设施有较好的经济效益；一般情况下无需其他附属设备。因有诸多优点， 其应用较为广泛。 我国对雨水人工渗蓄利用系统也有一些研究。在渗透机理方面，根据h o r t o n 公式和g r e e n 和a m p t 公式等提出了适合地方特征的模型【1 4 ，1 5 t1 6 ，1 7 】；在径流雨水 污染控制方面提出雨水人工渗蓄利用系统中实行雨水污染控制措施是很有必要 的【1 8 ，19 1 。实际上雨水渗透早在我国一些古城的建筑中已有所体现，利用渗透井、 渗透沟使雨水就地入渗，如曲阜孔府宅内和后花园均设有渗透井【2 0 】。 但是，目前国内外对雨水人工渗蓄利用系统进行系统与规模优化的研究仍旧 不足，雨水人工渗蓄设施仍存在径流雨水污染控制不够及堵塞等问题，各种雨水 人工渗蓄设施未能根据其适用条件进行科学优化组合，也未针对场地特点对雨水 利用目的进行详尽分析并选择对应的雨水人工渗蓄设施规模确定方法。北京城区 集水资源短缺、水环境恶化和洪涝灾害于一体，优化的雨水人工渗蓄利用系统和 雨水人工渗蓄设施规模确定方法可融合多方位因素，达到最好的经济、环境和社 会效益，因此对其进行研究具有重要意义。 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 3 雨水人工渗蓄利用系统存在问题 1 3 1 系统工艺优化不足 雨水人工渗蓄利用系统在我国已有工程性应用，但基本上为对国内外实践经 验的总结性应用。然而，不同地区或建筑区的条件及其对景观、防洪排涝及水资 源的要求存在很大差别，因此，为构建科学、合理、高效的雨水人工渗蓄利用系 统，应在分析项目土地利用类型、地质条件和气象气候条件等因素的基础上，以 雨水资源的科学、合理利用为目标，借鉴国外雨水管理思路，构建雨水人工渗蓄 利用系统模式及规模优化的程序设计、分析方法与决策系统，降低雨水人工渗蓄 利用系统在工程设计中的盲目性和随机性，提高工程效益。 1 3 2 设施堵塞问题 自汇水面汇集的径流雨水中带有一定量的悬浮颗粒和杂质，在雨水人工渗蓄 设施运行中易发生堵塞，从而降低入渗速率，影响系统的运行效率。研究表明， 雨水人工渗蓄利用系统现存最大问题为设施堵塞问题，堵塞体现在经过物理、生 物学和化学过程后孔隙率和渗透性能的降低，因此降低了系统渗透速率。在雨水 人工渗蓄利用系统中，堵塞主要来源于沉积物的沉积作用，物理堵塞为主要的堵 塞类型2 1 1 。因此，应在对环境条件进行全面分析的基础上，对雨水人工渗蓄利用 系统进行优化选择，最后选择出能够解决堵塞问题的雨水人工渗蓄利用系统。 1 3 3 对地下水的威胁 径流雨水中的污染物组成复杂，尤其是重金属和难降解有机污染物，可通过 吸附、沉淀、离子交换和络合作用被截留在土壤中，并不断累积造成污染，还可 能进一步污染地下水。国内外学者对径流雨水水质进行监测【2 8 】，发现汇水面除了 常规污染物( 如s s 、c o d c ，等) 之外，铝制屋面径流雨水中含有高浓度的a 1 3 + ， 道路雨水中则含有大量的n o ；，它随径流雨水直接渗透至深层土壤及地下水中， 从而造成了土壤及地下水污染。另外，城市道路、公园及居住小区绿化的雨水径 流中也含有一定量的杀虫剂，特别在渗透土壤为灌溉性和砂地为主时，将增大地 下水污染的可能性。另外，当入渗雨水p h 值较低时，此时z n 的活性增强，土壤 及地下水中的z n 极有可能超标。 要消除雨水渗透过程中存在的污染风险，在雨水人工渗蓄设施的规划设计阶 北京建筑- 丁程学院硕上学位论文 段必须分析及确定进入雨水径流中污染物种类和污染物量，以及各种污染物之间 的关系，从而有针对性地选择出能够保证地下水安全的雨水人工渗蓄利用系统。 1 3 4 缺乏优化的设计规模 各个国家在进行雨水人工渗蓄设施规模确定时，其雨水控制目标各有不同， 因此规模确定方法也各有不同。如美国，其雨水人工渗蓄设施的规模计算基于水 质控制，通常是通过设计手册进行粗略计算，且每个州的规模计算参数取值各异； 德国则是基于水量控制为目的的水量平衡计算方法。我国在进行雨水人工渗蓄设 施规模确定时，主要参照德国方法进行计算，计算过程中仍然存在参数如何选择 以及规模计算方法是否合理等问题；同时，根据场地特点，某些情况下雨水人工 渗蓄设施仅进行水质控制，而国内尚未对这方面展开系统研究。因此，需根据项 目具体条件，来分析规模计算方法的选取以及具体参数的确定。 1 4 本课题研究内容 为科学、合理、有效基于环境条件对雨水人工渗蓄利用系统进行优选和优化， 使雨水人工渗蓄工程规划、设计和建设更为合理，有必要从水质控制和水量控制 两个方面来探讨和实现规模优化，使得雨水人工渗蓄设施规模能够符合场地的应 用目的；同时，在工程经济效益、社会效益和环境效益等综合条件最优原则下， 系统分析城市典型环境条件及雨水人工渗蓄利用系统影响因素，设计并实现雨水 人工渗蓄利用系统优选。 本课题以北京为例对雨水人工渗蓄利用系统进行深入研究。一方面，通过 对国内外雨水人工渗蓄设施规模计算的分析与总结，及对雨水人工渗蓄设施利 用目的的分析，探讨不同目的条件下的雨水人工渗蓄设施规模优化，提出新的 规模计算方法和适合北京环境条件的优化参数。另一方面，选择雨水人工渗蓄 利用系统中的典型设施作为优化的研究对象，构建雨水人工渗蓄优选系统，提 出系统的优选框架及典型情景下的推荐优选流程，技术路线如图1 1 所示。 北京建筑工程学院硕士学位论文 i 北京城区基础资料分析 i i j ，j ， l 雨水人工参蓄利用系统优化设计i 雨水人工渗菩设施规模优化设计l 慷去川 山 i j，i 筛山段i焘；ii i 以水轰目的l i l 评价阶段l 一 li j ， l 优选阶段l j ， i 基于上述分析的各 推荐流程 i 1 种设施的舰绩优化 图1 1 技术路线 6 北京建筑1 程学r 颐学位论立 2 雨水人工渗蓄设施概述 雨水八 渗蓄设施主要包括渗透井、渗透管( 渠) 、渗透池( 塘) 、雨水花 园、下凹式绿地等典型设捕。 2 1 渗透井 渗透井由一条垂直多7 l 管、地表顶盖和开孔底面构成，径流雨水经过雨落 管进入滤网及沈淀捕捉器去除沉淀、树叶和贱渣等大颗粒污染物随后通过进 水管进入渗透升，另一侧的溢流管则用于处理暴婀强度较大时的溢流雨水田】。 渗透井内部填充均质砾石并川卜工布包裹，用于渗透和净化径流p 町水。在城 市中，渗透井用于处理柬白住宅、商业等的屋呵以及其他污染程度较低汇水面 的径流雨水。通过源头控制径流雨水渗透井能够很大程度上减少汇水面中径 流雨水避入雨水排放系统的体积。 渗透井有两种形式，预制塑料井和现场制作式渗透井，如图21 所示。预 制渗透井在国外已占有相当的市场，主要是咀塑料为主的地f 储存池；现场制 作式渗透井的池壁可以使用砖砌、钢筋混凝土浇筑或预制，其强度应满足地面 荷载和侧壁土压力要求。预制渗透井比现场制作式渗透井具有更大的存储能力， 因此所需空间小，造价少，购买与安装也较为方便，因此市场成熟时建议优先 选择预制塑料井。而对于我国的情况则采用现场制作式渗透井，其中混凝土 式渗透井较为常见。混凝土式渗透井分为深井和浅井两类。前青适用水量人而 集中。水质好的情m ，如雨季河湖多余水量的地f 回灌：在城区后者更为常辟 ， 作为分散渗透设施，本文所说的渗透井即为这_ 类型，其形式类似于普通检查 井，但井壁和底部均做成透水的，在井底和四周铺设碎石，雨水通过井壁、井 底向四周渗透。 a 预制塑料井b 现场制作式渗透井 图2 1 两种不同类型的渗透井 北京建筑i 程学硐十学位论立 渗透井的主要优点是占地面积和所需地下空f b 3 4 , ，便于集中控制管理，减 少径流体积和速率，增加地卜水回灌量。由于渗透井安装于地f 且一般靠近住 宅，他们不会对环境造成影响，因此对于住宅区的水量控制而言，渗透井是很 好的选择。缺点是净化能力低，进水水质要求高，不能含过多的悬浮固体，否 则容易产生堵塞，所以应考虑截污、弃流等预处理措施。 2 2 渗透管( 渠) 渗透管渠暂存径流雨水的方式主要为两种，渗透管和渗透沟渠。渗透管一 般采用穿孔l p v c 管或用透水材料制成，四岗填有粒径1 0 2 0 m m 的砾石贮 水。渗透渠则山沟渠和周边刖填的砂砾和糙石组成，或者预制的存储室，并用 上工布包裹，其周边地表层町用石头、砂子、绿草或植被覆盖。 径流雨水通过渗透管渠进入四周的碎石层，用于贮存、调节径流雨水，并 向四周土壤渗透。渗透管沟r 宁地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，也可单独使用，径流雨水可直接进入渗 透管渠或通过花坛、绿地预处理后再进入渗透管渠。 渗透渠最常用于屋面系统，在此采用时常称为渗透坑( s e e p a g ep i t ) 、渗水 坑( s o a k a w a yp i t ) ，它主要用于描述服务于单一汇水面非路面阿水的渗透渠， 由于径流雨水水质相对较好，有时可不需设预处理措施，图2 2 为渗透渠应 用于屋面系统的典型_ 亡艺流程。 图2 2 渗蓄主体设施为渗透渠时的渗透工艺流程图 渗透渠可与路面周边及停车场等区域的树木结合进行渗透，称作渗透树象 ( s t o r m w a t c rt r e ep i t ) ，如髑2 3 所示。渗透树渠由地下结构和地表植物构成， 通常植物为树或者一些小灌木，地表植被系统主要用来收集和处理雨水。地表 植被系统通过树皮层、土壤层、植被根系系统收集和过滤径流雨水，细菌、t n 、 n m 建筑t 程学院碗j 学论i t p 、重金属、油脂等物质被截留、降解和吸收，处理过的径流陌水八渗地下。 在美国，渗透树渠的土壤填料和预制混凝土池等材料已经有成型的产品。尽管 地下结构并异，当空间有限时采用渗透树渠作为雨水渗透主体设施非常实用， 与刷边环境也相当匹配，同时与其他b m p s 措施联用效果更佳。渗透树渠主要 捕捉和处理常发生的降雨事件，它在处理污染物方面也非常有效，如s s 为8 5 、 t p 为7 4 、t n 为6 8 、重金属为8 2 。 j ：“* 霉? 誊逸哥氛j 鏊。 ，一 、f 摊啦 一 7 酶 1。+ 。1 ：一，一 、量。_ z 1 = 图2 3 渗透树渠 渗透管渠减少了排水地区的径流体积；能够有效去除细小沉淀、微量金属、 营养物、细茼和需氧有机物；减少洪涝灾害，保护河床：通过径流雨水渗透， 减少了下暴雨控制设施或暴雨管道系统的体积和费用；提供了地下水回灌和附 近水域的基流：减少了区域的洪涝i 由于它尺寸较小，可在有限空间医域采用： 美化道路和居住环境，提供了野生生物栖息的环境，提供给周边建筑酬凉的环 境，减少能源消耗；安装简单，场地大小不受限制。_ j 时，由于不合时宜的地 点、设计和缺乏管理，可能造成潜在威胁( 特别当没有设置预处理时) ：依赖于 土壤条件、土地使用条件和地下水位深度，对地下水存在潜在威胁；工业或商 业地k 可能有丈量或高浓度的污染物产生或排放，因此不适用于此：沉积物易 对系统产生堵塞，因此需要定期检查与维护i 棚。 2 3 渗透池( 塘) 渗透池为自然或者人工设置的低洼区域，用于捕捉和储存径流陌水，适用于 砂性土壤，町在池中设置植被以选到景观上与周边和谐统一的目的，它一般用于 较大的公共开放空自j ，见图24 。植被可净化径流雨水，根部还能够防止池体堵 塞。当沉积物浓度较高时，需要设置相应的预处理措施。 当土地利用空间较大且土壤渗透性能良好时，可采用渗透池，池体可大可小 也可几个小池综合使用，视地形条件而定。利用天然低洼地作渗透池是最经济的。 北京建筑t 程学院顶上学位论文 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。而对于高人1 2 密度的地区，渗透池一般小太适用且没有有效性因此这些 地区可选择渗透渠进行设计。 渗透渠与渗透池均为径流雨水暂存设旌，其机理大致相同，但渗透池所需 空间较大，更适合在开阔的空间采用i 。 警壤辫窿i 嗨溪蕉。篡 - 圈2 4 渗透池 渗透池减少汇水区域的径流体积；能够有效去除细小沉淀、微量金属、营 养物、细菌和需氧有机物；减少洪涝灾害，保护河床：通过径流雨水的潘透， 减少r 暴p 日控制设施或暴雨管道系统的体积和费用；提供了地下水回灌和附近 水域的基流：减少了区域的洪涝：可用汇水面小于2 英亩。但由于不合时宜的 地点、设计和缺乏管理，可能造成潜在威胁( 特别当没有设置预处理时) ；依赖 于土壤条件、上地使用条件和地下水位深度，对地下水存在潜在威胁) 工业或 商业地区可能有大量或高浓度的污染物产生或排放，崩此不适用于此；沉积物 易对系统产生堵塞，因此需要定期检查与维护。 2 4 雨水花园 雨水花园是一种有效的雨水自然净化与处置技术，也是一种生物滞臼设施。 一般建在地势较低的区域，通过天然土壤或更换人工土和种植植物净化、消纳 小面积扩流的初期雨水。它具有建造费用低，运行管理简单，自然美观，易与 景观结合等优点而被欧美、新西兰等国家推崇采用。雨水花园由6 个部分组成： 植被缓冲带、沙床、塘区、有机覆盖层、种植土壤层、植被层。植被缓冲带j j 丁过滤颗粒和减小径流速度；沙床方面捕捉部分径流减少径流速度另方 面沿塘区的长度方向均匀分配径流，也提供给植物通风的环境，促进径流阿水 渗透。塘区用于收集和储存径流雨水。有栅覆盖层提供径流过滤环境和微生物 北京建筑工程学院硕士学位论文 生长环境，渗蓄主体设施为雨水花园时的渗蓄工艺流程如图2 5 所示【2 6 1 。 图2 5 渗蓄主体设施为雨水花园时的渗透工艺流程图 雨水花园主要有以下功能：通过滞蓄削减洪峰流量、减少雨水外排，保护管 道、构筑物和水体；利用植物截流、土壤渗滤净化雨水、减少污染；充分利用径 流雨量，涵养地下水，也可对处理后的雨水加以收集利用，缓解水资源的短缺； 经过合理的设计以及妥善的维护能改善小区的环境，为鸟类等动物提供食物和栖 息地，达到良好的景观效果。 2 5 下凹式绿地 下凹式绿地是绿地雨水渗蓄技术的一种，较普通绿地而言，下凹式绿地利用 下凹空间充分蓄集雨水，显著增加了雨水入渗时间。具有渗蓄雨水以增加地下水 的入渗补给、削减洪峰流量、减轻地表径流污染、减少绿地灌溉用水量和防止水 土流失等优点。典型的下凹式绿地结构为：绿地高程低于路面高程，雨水口设在 绿地内，雨水口低于路面高程的绿地并高于绿地高程。下凹式绿地汇集周围道路、 建筑物等区域产生的雨水径流，雨水径流先流入绿地，部分雨水渗入地下，绿地 蓄满水后再流入雨水口。在对城市的新开发区或旧城改建区进行规划设计时，控 制调整好路面高程、绿地高程和雨水口高程，就可形成下凹式绿地。下凹式绿地 在城市的住宅小区及道路两侧都可使用，是一种不需增加建设投入而可一举多得 的措施。 2 6 小结 不同雨水人工渗蓄设施运用条件各有不同。渗透井常用于屋面径流雨水的渗 透；渗透管渠同时具有传输径流雨水和渗透的作用，因此既可以用于径流雨水的 传输，也可以用于径流雨水的暂存和渗蓄；渗透池常用于空间较大的区域，比如 城市的公园和校园；下凹式绿地则根据现场绿地的特点，进行相应的改造设计。 北京建筑t 程学院硕十学位论文 针对雨水人工渗蓄设施的具体选择过程，仍需要对环境条件进行具体分析与探 讨，以便选择出适合环境条件的雨水人工渗蓄设施。 北京建筑工程学院硕士学位论文 3 北京城区基础资料分析 3 1 气象气候与水文地质条件 北京城区降雨量在时间和空间上分布极不均衡，全年降雨多集中在6 - - 9 月，其间降雨量占年降雨量的8 5 以上，多年( 3 0 年) 年均降雨量分布见图3 1 。 北京城区多年平均降雨量为5 9 5 m m ，属于半湿润地区。北京城区在永定河古河 道周边( 以西山为界，东至复兴门、北到海淀、南至南苑、面积约3 0 0 k m 2 ，厚 度为2 5 - - , 1 5 0 m ) 形成了大片砂砾石透水层，并且局部砂卵砾石埋藏较浅或裸露 于地表，土壤类型主要有砂质粉土、粘质粉土、粉质粘土、粉砂几种( 北京城 区土壤类型的分布情况见图3 2 ) ，其土壤渗透系数分布于1 2 7 x 1 0 。5 6 1 7 1 0 弓r n s ( 见表3 1 ) ，日入渗能力可达1 7 0 m m 4 3 0 m m ，其容量可观。城 区已形成1 0 0 0 多k m 2 的地下水位降落漏斗，地下水位埋深都大于5 m ，为储蓄 雨水提供了有效库容。鉴于进行渗蓄利用时，设施对土壤渗透系数的要求为 l o 巧1 0 0 0 x1 0 一m s ，地下水位埋深大于0 3 m ，各项气象气候与水文地质条件综 合表明北京城区具有利用雨洪拦蓄、入渗的优良地质条件，适宜采用雨水渗蓄 利用技术。 赵 谢 骚 陧 进 。盼害鬣麓黧秘艺 降雨量衄 图3 13 0 年年均降雨量分布 加们加加o 北京建筑i 程学院硕士学位论文 砂盾粘土粘质砂土 - 粉砂7 j * 精质粘土 图3 2 北京城区1 ：壤类型分布图 表3 1 北京城区最主要的几种土壤类型下的土壤渗透系数 上擦类型砂质粉土粘质粉土 粉质粘1 粉砂 土壤渗透系数1 0 。5 m s20 8 28 512 72 249 5 6 17 3 2 土地利用状况 3 2 1 土地利用空间分布特点 北京城区总体上叫分为多个功能区，住宅区、校k 、大型场馆、公园、立 交桥等几种类型。根据分布来看，住宅区丰要分为三种住宅，二环内的老区住 宅、二环一四环的瓦厘面住宅群，四环外绿化率较高的住宅区三种类型。校区则 主要集中于二环一四环之间，绿化率较高。大型场馆主要集中在三环以外，占地 面积一般较大。公园数量也呈发散分布。根据表3 2 的上地利用情况估算，中 心城年均可汇集的雨水径流量约为2 亿m 3 ，从2 0 0 7 年到2 0 1 0 年，北京城区总 共可汇集的雨水径流总量可达8 亿m 3 ，而其中一部分叫进行陌水人工渗蓄利用， 这对于回补地f 水，实现生态甲衡具有重要意义。 北京建筑工程学院硕士学位论文 表3 2 北京城区土地利用概况及汇水面分布 用地名称面积h m 2占建设用地比例 居住用地 1 8 5 1 2 2 9 4 公建用地 1 1 7 5 21 8 6 商业金融用地3 2 8 1 其中教育科研用地 3 9 0 0 体育用地3 3 0 工业用地8 2 4 61 3 1 仓储用地 1 9 5 33 1 对外交通2 2 3 23 5 道路广场 9 0 1 41 4 3 绿地8 2 3 71 2 5 其中公共绿地 6 3 9 23 1 1 特殊用地1 0 7 82 4 城市建设用地 6 3 0 1 31 0 0 o 注：资料来源于北京城市总体规划( 2 0 0 4 年2 0 2 0 年) 。 3 2 2 汇水面分布特点 城市集居住、交通、工业、商业、办公等多种功能区于一体，不同功能区 则包含屋面、路面、停车场、广场、绿地等多个汇水面单元。北京城区屋面主 要为沥青屋面、瓦屋面两种口7 1 。路面分为高速路、机动车道、人行道、及公园、 小区和校园道路。其中，机动车道又可细分为以下几种：快速路主要为城市长 距离交通服务；主干路是城市道路网的骨架；次干路配合主干路组成城市道路 网，它是城市交通干路；支路是一个地区( 如居住区) 内的道路，以服务功能为 主。停车场主要分为裸露停车场和绿荫停车场。 3 2 2 1 屋面 老建筑以四合院为代表，且基本集中于旧城区。在二环6 2 5 0 h m 2 以内，1 日 城四合院传统风貌区以及传统和现代混合区的面积为4 3 7 ，完全现代风貌区 为3 6 6 7 ，道路和现代广场面积为1 9 6 3 。历史文化保护区占旧城总面积的 2 1 ，为1 2 7 8 h m 2 。其中绝大部分建筑为古老建筑，其屋面即为瓦屋面，其中 以四合院为旧城建筑的典型；二环以外也有一些四合院。其建筑特点是建筑密 集，道路( 胡同) 较为狭窄( 9 m 的胡同仅为9 ) ，而院内空间相对较为开阔， 如图3 3 a 所示。四合院屋面面积约为1 0 0 - - 1 0 0 0 m 2 ，多为1 0 0 - 一2 0 0 m 2 。 现代住宅群中，大多数采用的是瓦屋面，特别是近年来，为了改善居民的 北京建筑i 程学院硕+ 学位论文 住宅条件和响应政府节能号召，北京城区对屋顶进行了“平改坡”改造，使得瓦 屋而增多，典型的现代住宅群如图33 b 所示。截至2 0 0 7 年底，北京市旧楼“平 改坡”工程其计完成8 1 5 栋，建筑面积近3 5 0 耐。通过改造，北京城区沥青平 屋顶逐年减少。北京城区沥青平屋面总面积总共为6 9 7 9 b 瑚2 ，北京市政府还大 力开展沥青屋面的屋顶绿化工作，0 7 年底已绿化面积为1 0 0 1 u n 2 ，据悉今后政府 每年将列出1 0 0 0 万元专项资金支持进行屋顶绿化，并口丁适当加大支持力度，3 0 的高层建筑和6 0 的低层建筑屋面也已披上绿纱。根据发展趋势，沥青屋面将 会逐渐被瓦屋面及生态屋面所取代。 典型的草体住宅主要以别墅为主( 如图33 c 所不) ，特点为绿地面积大， 有利于夫面积的雨水渗透。 臻 a 5 0 年代老建筑瓦屋面b 现代住宅群屋面c 单体住宅 罔3 3北京城区瓦屋面 3 2 2 2 广场 广场般为开阔空间，其雨水汇集的方向一般为向四面汇集，四周均设置 雨水口。公艿活动广场一般设有较大场地供群众集会、游行、竹日庆祝联欢、 休闲等活动之用，通常设置在有干道联通，便于交通集中和疏散的市中心区， 其规模和布局取决于城市性质、集会游行人数、车流人流集散情况以及建筑艺 术方面的要求，典型，“场及面积如图3 4 和表33 所示。它一般四周设置有大片 绿地，供人们休刚所用。根据国家对广场的设计规定，北京游憩集会广场的规 模不超过5h m 2 。 北京建筑t 程学倾l 学位论文 图3 4 典型广场 表3 3 北京城区典型广场及其面积 广场占地面积 北京展览馆前广场整个工程总建筑面积4 3 h m 2 ，地上大型文化广场面 积约25 h m 2 ，相当于五个足球场大，整个广场可同 时容纳数t 人休闲娱乐。 全国农业展览馆广场3 个，总面积为4 槲，其面积为京城展览场馆 之蛀 两单文化广场 22 l u n 北京来福士广场 15h m 2 3 2 2 3 停车场 北京城区地表停车场主要分为裸露停车场和绿荫停车场两种，见网35 。其 中大部分为裸露停车场，绿荫停车场则很少见( 见表34 ) 。 a 裸露停车场b 绿莳停车场 罔3 5 北京城区停车场 据统计，四环内有5 6 7 个总面积为2 3 53 3l a m 2 的裸露停车场，占四环内面 积的o7 ，平均面积为4 1 4 9 m 2 ，其中面积最大达8 h m 2 ，而绿荫停车场仅占总 数的1 8 ，其中一环内最少只有6 个；三环至四环之间较多，有6 9 个：二环 路内大型停车场数量少，面积小，最大面秘为16 7h m 2 ；三环到四环之间大型 停车场相对较多，共有3 7 3 个，占总数量的6 57 8 。 北京建筑r t 程学院硕士学位论文 表3 4 典型绿荫停车场 地区 名称停车面积m 2 东城区地坛南门停车场1 2 0 0 0 西城区历代帝王庙停车场3 3 0 8 宣武区法源寺绿地西侧停车场2 3 0 0 奥组委专用停车场 3 8 0 0 0 海淀区 农科院停车场 7 4 9 3 丰台区花乡二手车交易市场停车场 丰益花园停车场 5 5 0 0 昌平区水库路停车场6 7 4 1 7 大兴区 兴丰大街、兴业大街、台湾街 8 8 6 4 3 2 2 4 路面 ( 1 ) 高速路 表3 5 北京高速公路一览表 公路罩程 年日均交通量 线路名称 合计四车道六车道 实际折算小型客车 京沪高速2 83 531 3 6 0 01 5 0 0 0 京石高速 4 534 23 6 8 1 0 4 6 1 0 1 京沈高速 4 04 01 0 1 6 8 1 3 3 9 0 五环路1 01 03 6 8 35 3 5 0 八达岭高速 2 91 91 0 丹拉线886 9 7 6 68 9 6 9 8 京银线( 八达岭高速) 3 1 3 1 京哈线 1 21 21 2 4 8 91 5 3 1 0 京广路3 61 81 81 7 8 5 72 0 7 6 9 六环路 3 83 8 3 6 8 35 3 5 0 五环路1 51 51 4 7 21 7 6 3 机场路 1 9 1 98 6 5 7 99 5 0 8 1 京塘路 1 41 4 北京现有1 1 条高速公路( 放射性国道) ，1 1 条国道的北京段总里程为 9 0 6 1 k m ，高速路具体信息详见表3 5 。标准高速公路双向四车道是2 x 7 5 m ，六 车道是2 x11 2 5 m ，八车道是2 x15 m 。高速公路主路宽2 8 m ，一级公路主路宽 | 匕京建筑r 程学r ￥* 跑女 7 m 。两侧均设辅路，辅路路基宽8 5 ( 7 ) m 。 可进行雨水渗蓄利用的高速路面主要有以下几种形式： 1 ) 周边的绿地与道路基本平齐或低于道路( 见图3 6 ) 一 ，等一 。 爹阍 圈3 6 周边的绿地与道路基本平齐或低于道路 这种形式的路面主要可以通过在周边的绿地中设置雨水人工渗蓄设施进 行雨水利用。 2 ) 道路中间有绿地或其他植被( 见图37 ) 图3 7 道路中间有绿地或其他植被 这种形式的路面主要可以通过在道路中 口j 设置雨水人工渗蓠设施进行雨水 利用。 ( 2 ) 环路与主干路 北京二环路标准段每条车道37 5 m ，二环路主路全线双向 车道，因此二 环宽为2 25 m ，全民3 27 l d n ，兆建立交桥3 1 座；= 环路是双向八车道，宽度为 3 0 m 三环路全长4 80k m ，其建有4 l 座立交桥，设计时速8 0k m ；北京四环路 全长6 53k m ，伞线共建设大小桥梁1 4 7 座，并设有完善的交通安全设施主路取 向八车道，两侧辅路宽度7 1 5 m ，全封闭、全立交，设计时速为l o o k m ，i l ；北 京五环路全长9 9 k i