（农业水土工程专业论文）多层渗滤介质系统入渗试验与城区雨水利用模式研究.pdf

摘要 针对水资源日益匮乏且面临城市雨洪威胁的现状，北京城市雨水利用势在必行；利用多层渗 滤介质系统可以实现削减雨水径流和收集城市雨水的效果。通过研究取得如下主要成果： ( 1 ) 对多层渗滤介质系统进行了室内外试验，井进行了理论分析，建立了多层渗滤介质系 统的技术指标体系及关键技术指标的计算确定方法。研究结果显示：多层渗滤介质系统采用“上 层无砂混凝土+ 下层单级配碎石”的方式增加入渗削减径流的效果最佳；系统地表径流系数与降 雨强度、降雨历时成正比；系统能够消纳5 l o 年一遇的1 h 降雨；系统使用4 年之后透水性能减 小2 0 左右；多层渗滤介质系统地面的理论使用寿命可达到1 5 年左右；总体上系统的产流属垂 向混合产流模式。 ( 2 ) 以北京城区天然降水和不同下垫面上的雨水径流为研究对象，利用雨水径流采样系统 监测其水质，分析了天然降水及雨水径流中污染物浓度的变化特征。研究结果显示，城市地表径 流含有相当数量的悬浮物、营养盐和有机污染物，主要污染物为c o d m 、n i - h + - n 和t n 等。如果 未经处理排入城市受纳水体，易引发水体富营养化和水生生态系统破坏。 ( 3 ) 以屋顶和机动车路面雨水径流污染物为研究对象，设计了用于去除雨水径流污染物的 多层渗滤介质系统，进行污染径流净化效果的试验研究。结果表明，系统对屋顶和机动车路面雨 水径流污染物有明显的去除效果，c o d 平均去除率为8 0 左右，出水浓度小于4 m g l ，达到了 地表水类水质标准；b o d j 的平均去除率为7 1 7 5 ，出水值达到了地表水类水质标准：同时， 系统的净化能力主要发生在距系统表面0 6 m 左右以内，污染严重的机动车路面径流在土柱底部 也能达到很好的去除效果；“砂砾料”垫层对c o d 和b o d 5 的去除效果稍好于“无砂混凝土” 垫层。 ( 4 ) 基于土地利用、土壤类型、流域水文、气象资料等数据，应用d o r s c hc o n s u l t 在w i n d o w s 环境下开发的图形化排水管网信息和规划系统h y d r o c a d ，对北京市某居民小区降雨径流过程进 行了模拟。结果表明，模型所模拟的径流过程与实测径流过程具有较好的一致性，模拟精度在7 5 以上，说明模型可以应用于城市雨水利用典型区域。 ( 5 ) 根据国内外近年雨水利用的研究和实践，提出城市雨水利用的理念，提倡多层渗滤介 质系统、屋顶道路、下凹式绿地三种雨水利用模式。 室内和现场试验研究结果表明，利用多层渗滤介质系统进行城市雨水利用具有投资少、施工 维修简易、降雨入渗量大、径流洪峰削减显著和出水水质好等优点，具有良好的发展前景。 关键词：多层渗滤介质系统。入渗，径流，水质，城市雨水利用 a b s t r a c t w a t e rs h o r t a g ea n ds t o r m w a t e rw e r es e r i o u sp r o b l e m si nb e i j i n g , m a dt h u s ，i ti sn e c e s s a r yt ou s e u r b a nr a i n w a t e r m u l f i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e mi so t i eo ff e a s i b l ef o r m so fu r b a nr a i n s t o r mc o n t r 0 1 t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g s ： t h r o u g hs y s t e m i ce x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r ya n di no n er e s i d e n t i a la r e ai nb e i j i n g , a n dt h r o u g h t h e o r e t i ca n a l y s i s , t e c h n i c a li n d e xs y s t e mo fm u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d r e s u l t s s h o wt h a tt h eo p t i m u ms u b - b a s eo f t h em u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e mc o n s i s t e do f a t o pl a y e ro f p o r o u s c o n c r e t ea n dam a c a d a mb a s e t h e r ei sad i r e c tp r o p o r t i o nb e t w c e nr u n o f f e f f i c i e n ta n dr a i n f a l li n t e n s i t y , a n dad i r e c tp r o p o r t i o nb c “v e e l lr u n o f fe f f i c i e n ta n dr a i n f a l ld u r a t i o n n 璩r u n o f fc o e 街c i e n to f m u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o nd e c r e a s e d7 2 f o r1i n5 - - 1 0y e a rr e t u r np e r i o d t h ei n f i l t r a t i v ea b i l i t yo ft h i s g r o u n dr e d u c e d2 0 a f t e r4y e a r s t h el i f es p a no fm u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e mw i l lp r o l o n gt o1 5 y e a r s i nc o n c l u s i o n , t h er u n o f f0 1 1m u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e ms h o u l db e l o n gt om i x e dv e r t i c a l f l o w - p r o d u c i n gm o d e l t a k i n gn a t o r a lr a i n w a t e ra n dr a i n w a t e rr u n o f fo v e rf i v eu n d e r l y i n gs u r f a c e sa sr e s e a r c ho b j e c t s ，a s y s t e ms a m p l i n gt h er u n o f f w a su t i l i z e d ，a n dt h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n si n n a t o r a lr a i n w a t e ra n dr u n o f ff r o md i f f e r e n ts u r f a c e sw e r ea n a l y z e db ym o n i t o r i n gt h ew a t e rq u a l i t y r e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a i nc o n t a m i n a n t si nt h er u n o f fa r es u s p e n d e ds o l i d sa n do r g a n i cc o m p o u n d s , t h el a t t e rw i l lr e s u l ti ne u t r o p h i c a t i o nt ou r b a nw a t e rb o d y am u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dt oe x p e r i m e n t a l l ys t u d yi t sp u r i f y i n ge f f e c t i v e n e s s f o r 础n o v i n gp o l l u t a n t si nu r b a nr u n o f f f r o mr o o f sa n dr o a d w a y s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mw a s e f f e c t i v ei nr e m o v i n gp o l l u t a n t sf r o mr u n o f fa c r o s sr o o f sa n dr o a d w a y s t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o p r aa n db o d sw a sa b o u t8 0 a n d7 1 7 5 r e s p e c t i v e l y t h ee f f l u e n tq u a l i t ya c c o r d e dw i t ht h e s t a n d a r do f c l a s s f o rs u r f a c ew a t e r 1 1 1 ep u r i f i c a t i o np r o c e s sh a p p e n e dm a i n l ya tt h eu p p e rp a r to f t b e s y s t e mi nt h ed e p t ho f6 0 e m f o rs e v e r e l y - p o l l u t e dr u n o f ff r o mr o a d w a y s , t h eb o t t o mp a r to fs o i l c o l u m nw a sa l s oe f f e c t i v ef o rp u r i f i c a t i o n t h ep u r l f y i n ge f f e c t so ft h eg r a v e la n ds a n dp a d d i n gl a y e r w a sb e t t e rt h a nt h ec o n c r e t ew i t h o u ts a n dp a d d i n gl a y e r b a s e do i lt h ed a t ao fl a n du s o i lc l a s s i f i c a t i o n , h y d r o l o g ya n dm e t e o r o l o g y , ah y d r o c a d - h v m m o d e l ，d e v e l o p e db yd o r s e hc o n s u l t , w a sa p p l i e dt os i m u l a t et h er a i n f a l l - r u n o f fr e l a t i o n s h i pi no n e s m a l lw a t e r s h e di nb e i j i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o g r a p ho f c a l c u l a t e dr u n o f f p r o c e s su s i n gt h e h y d r o c a o h v i v lm o d e la n dt h eh y d r o g r a p ho f o b s e r v e dr u n o f f p r o c e s sc o i n c i d ev e r yw e l li nh e i g h ta s w e l l s h a p e , a n dt h em o d e li so f h i g hp r e c i s i o na b o v e7 5 i ts h o w st h a tt h eh y d r o c a d - h v m m o d e l c a l le f f e c t i v e l yb eu s e dt os i m u l a t et h en m o f f g e n e r a t i o na n dt h er u n o f f p r o c e s so f t y p i c a lw a t e r s h e di n u r b a nr a i n w a t e rh a r v e s t i n g a c c o r d i n gt or e s e a r c ha n dp r a c t i c ed e v e l o p m e n to v e rt h ew o r l di nr e c e n ty e a r s ，t h i sp a p e rb r o u g h t f o r w a r dt h ep r i n c i p a lo f t h er a i n w a t e ru t i l i z a t i o n , s u m m a 池aa n dp r o p o s e dt h r e em o d e l so fr a i n w a t e r h a r v e s t i n gs y s t e mi nu r b a na r e a , i n c l u d i n gm o d e lo fr a i n w a t e rc o l l e c t i n gb ym u l t i l a y e ri n f i l t r a t i o n s y s t e m , m o d e lo fr a i n w a t e rc o l l e c t i n gb yr o o f sa n ds t r e e t s ，a n dm o d e lo fr a i n w a t e rc o l l e c t i n gb y s u n k e n - l a w n r e s u l t sf r o ml a b - s c a l ee x p e r i m e n ta n do n - s i t ei n f i l t r a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a tt h em u l t i l a y e r i n f i l t r a t i o ns y s t e mi m p r o v i n gu r b a nr u n o f fh a sa d v a n t a g e ss u c h 笛s i m p l i c i t y 1 0 w - c o s tc o n s t r u c t i o n , m u c hi n f i l t r a t i o n , l i t t l er u n o f fa n dg o o de f f l u e n tq u a r r yu n d e r1 l l i ss y s t e m t h e r e f o r e m u l t i l a y e r i n f i l t r a t i o ns y s t e mh a sc e r t a i nd e v e l o p i n gp r o s p e c t k e y w o r d s ：m u l f i l a y e ri n f i l t r a t i o ns y s t e m , i n f i l t r a t i o n , r u n o f f , w a t e rq i l a l i l y ，u r b a n r a i n w a t e r h a r v e s t i n g h i 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。4 钐7 ，7 之芎至 时间：一47 年多月，p 日 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) 研究生签名云 导师签名： 专髻喜 时间：) 一9 7 年z 月，p 日 帆研年多月，拍 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 i 1 城市雨水资源 根据中国工程院中国可持续发展水资源战略研究 1 1 ( 钱易、刘昌明等，2 0 0 2 ) 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。2 0 l o 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年城市用水需求将在约6 3 0 亿m 3 的基础上分别增加2 8 0 亿1 1 1 3 、5 9 0 亿i n 3 、9 1 0 亿一。 为此，我国已制订了“节流优先，治污为本。多渠道开源”作为城市水资源可持续开发利用的新战 略l l j 。其中城市雨洪的调蓄利用无疑是新战略中的重要一环。随着城市发展，大量的道路、房屋 等不透水面积的增加，使城市的降水入渗量大大减少，雨洪峰值增加，汇流时间缩短，导致城市 下游地区的雨洪威胁加剧。通过工程措施开展城市雨水利用，既可缓解城市水资源短缺的矛盾。 又可减少城市雨洪灾害。1 9 9 7 年，全国城市雨洪水量为8 1 亿m 3 。按4 0 利用率计算，可利用雨 洪水量为3 2 5 亿m 。城市面积增加后，雨洪水量也将随之增加。表i - i 列出了2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、 2 0 5 0 年全国城市化发展进程预测，以及需新增供水量和雨水资源总量的对比情况【l 】，可以看出。 2 0 3 0 年和2 0 5 0 年城市雨洪水量分别达到2 0 7 亿m 3 和2 5 5 亿n ，按4 0 利用率计算，可利用雨 洪水量分别为8 2 9 亿。和1 0 2 亿矗，而城市雨水利用量( 绿地入渗量与雨洪利用量之和) 则分 别为1 7 7 7 亿m 和2 2 6 4 亿m 。 表i - i 中国城市化进程及雨水利用潜力分析m 可以看出，雨永资源化不仅能够解决缺水地区的水源问题或减轻需水压力，而且可以产生巨 大的环境效益，是2 1 世纪水资源可持续利用的一个有效途径。我国的雨水利用潜力很大，但目 前开展的还不够广泛和深入，其环境效益也没有充分发挥。随着水资源短缺和环境恶化程度的进 一步加剧，以及人们对水资源可持续利用重要性认识程度的进一步加深。雨水利用的重大意义会 越来越突出。 北京市人均水资源量不足3 0 01 1 1 3 ，为全国人均的1 8 ，世界人均的1 3 0 ，是资源性缺水地区。 北京境内多年平均降水5 8 5 m m ( 1 9 5 6 - 2 0 0 0 年系列) ，年均降水总量9 8 亿一，形成地表水资源 1 4 亿矗，地下水资源2 4 亿矗，水资源总量约3 8 亿m 。因受水汽条件和地理、地形等条件的影 响，降水量具有时空分布不均、千枯交替发生等特点：降雨多集中在6 - - 9 月份，降水量约占全年 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 的8 5 左右；山前降水量大，由此向山后及山前两侧递减。背山区和东南平原区降水相对较少。 降水量少，且年内、年际分布极度不均，丰枯交替发生，加之地表水源流域多在境外，自身调控 水资源能力有限，更增加了北京水资源的不确定性。水资源严重紧缺已成为制约北京市经济社会 发展的“瓶颈”。据统计测算，北京市城区每年可利用雨水量约为2 3 亿一，高于北京市城区全 年总用水量1 0 亿m 3 的1 5 2 1 为缓解北京市水资源短缺和城市河道防洪设计流量不断增加的困难， 重视雨水利用，具有重要的现实意义。 1 1 2 城市化引发的雨水问题 在自然和日趋强烈人类活动的影响下，流域或区域尺度的水循环过程发生了深刻变化。与此 同时，伴随着水循环过程的水环境与水生态过程也发生了显著变化。城市化对水文过程的影响见 图1 1p 】；其中，不透水面积增加导致汇水面增加；汇水面也称“下垫面* ，指雨水降落并参与汇集 雨水的各种表面，包括屋面、路面、绿地和广场等 4 1 。图1 - 2 是加拿大安大略省城市化引起的水 文变化示意图。城市化过程对当地水文状况造成了如下影响： 图i - 1 城市化对水文过程的影响及其后果p 】( 马学尼，黄廷林等，1 9 9 8 ) 2 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 戳僦 城市化前b 域市化后 图1 2 加拿大安大略省城市化引的水文变化p 1 ( 翁焕新，1 9 9 8 ) ( 1 ) 降雨特性改变 城市化区域降雨特性发生改变，雷雨现象增多。s i l l g h 教授 6 1 对城市化带来区域气候变化和 降雨变化研究结果表明，城市化区域降雨雨量比农村降雨雨量多5 - - 1 0 。1 9 8 4 - - , 1 9 8 8 年，上海 市水文总站在上海老市区( 不含宝山、闵行区) 1 4 9 k m 2 内设置的1 3 个雨量点和原有分布在郊县 的5 5 个雨量站平行观测，研究城市化对上海市区降雨影响的程度和范围，结果表明n 市区降雨 量大于近郊雨量，平均增雨为6 ；市区及和其下风向的降水强度比郊区大，降水时空分布趋势 明显，降水以市区为中心向外依次减小；城市化后会使暴雨雨日增多。 ( 2 ) 雨水资源大量流失 由于人类的活动造成植被减少或破坏，城市发展中不透水面积的增加，导致雨水流失量增加 和水循环的平衡遭到破坏，并引发系列环境与生态问题。我国许多城市水资源严重不足，而大 量雨水资源却白自流失，雨水利用率不到1 0 1 4 1 。 ( 3 ) 雨水径流污染严重 城市排放的挟带大量非点源污染物的雨水径流使城市区域及周围的水质恶化，环境问题日益 严重，城市区域水资源紧张进一步加剧。 城区的抽样调查表明，雨水口被普遍当作垃圾和污水口，雨水井充塞垃圾的现象非常严重， 暴雨来i i 缶时，道路雨水淤积，交通堵塞。对许多旧城区的合流制排水系统，在暴雨期间由于水量 大大超过了城市排水和处理能力，水流对管道内沉淀物的冲刷和未经处理的混合污水溢入受纳水 体。 ( 4 ) 洪涝灾害风险加大 随着经济和社会的发展，屋面、混凝土及沥青路面等不透水下垫面面积迅速增加，导致暴雨 洪峰增加、地面积水及淹没损害( 不透水铺装面积的径流系数一般为0 9 ) ，加大了河道防洪负担 3 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 i s - 1 l l 。 捧水灌渠的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，提高了汇流的水力效率，原 有的天然河道往往也被截弯取直，疏浚整治，河底和堤岸也大多采用全衬砌的方法加以固化，租 糙度减小，从而使河槽流速增大，有时会达3 5 倍，导致径流量和洪峰流量加大，蜂现时间提前 ( 见图1 3 ) 。例如，北京1 9 5 9 年8 月6 日和1 9 8 3 年8 月4 日发生的2 场降雨的雨量相似，总雨 量分别为1 0 3 3 m m 和9 7 o m m ，最大一小时雨量为3 9 4 m m 和3 8 4 m m ，但二者的洪峰流量分别为 2 0 2 m 3 ，s 和3 9 8 m 3 ，s ，后者较前者增大了近1 倍( 周玉文等，2 0 0 0 ) i ”。 围1 3 城市化前后雨水流量过程线的变化示意图 图i 4 给出了成都市峨眉山保宁小溪两次暴雨径流单位线比较，自1 9 6 0 年起，城市化进程使 该地区不透水面积达全流域面积的2 5 以上，流量过程发生了较大变化，1 9 6 0 年和1 9 8 4 年两次 暴雨过程相近而出流过程却差异很大，单位线的峰值明显提高，洪峰流量增大、洪峰出现时间提 前【1 3 】。 o5 01 0 01 5 02 0 0 豳1 4 峨眉山保宁小溪单位线比较i 埘 此外，由于城市混凝土铺筑的路面缺乏透水性和透气性，土壤和空气之问很难交换水分和热 量土壤得不到有益的雨水补充，不利于区域植物正常生长另外，入渗雨水的减少导致地下水 回补量减少，地下水流动减弱，加之重采轻补，导致地下水位下降，地面下沉等等【1 4 j 。 北京市水资源短缺，但仍有大量暴雨径流出境而未加有效利用。根据北京城市总体规划 ( 2 0 0 4 - 2 0 2 0 ) ) ，到2 0 2 0 年全市建设用地将达到1 6 5 0 k m 2 。其中中心城城镇建设用地规模将达到 7 7 8k m 2 。这将产生更多的硬化地面，在汛期形成更大的径流，增加城市河道的防洪压力，对首 4 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 都的安全造成威胁。 由此可见，随着城市化的进程，不透水下垫面面积在不断增加；以下垫面为切入点，增加雨 水入渗、解决径流水质差的问题，需改善城市下垫面构造，推广如多层渗滤介质系统地面、下凹 式绿地等。 1 1 3 基于多层渗滤介质系统的城市雨水利用 ( i ) 城市雨水利用 车伍等1 4 1 对城市雨水利用做如下定义：在城市范围内，有目的地采用各种措施对雨水资源的 保护和利用，主要包括收集、调蓄和净化后的直接利用；利用各种人工或自然水体、池塘、湿地 或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化和利用，改善城市水环境和生态环境：通过各种人工或自然 渗透设施使雨水渗入地下，补充地下水资源。 为了缓解水资源紧缺和城市河道防洪设计流量不断增加的困难，保障首都经济的可持续发 展，北京市开展城市雨水利用，将汛期来自屋顶、庭院等的雨水进行处理后，直接回灌地下水或 储蓄用于市政杂用；落在绿地、多层渗滤介质系统甬道和停车场等的雨水直接渗入地下。自2 0 0 0 年开展中国德国城市雨水合作研究以来，截至2 0 0 6 年底，北京市城区已建成老城区、新建小区、 学校和公园等类型的示范小区8 5 处，雨洪利用试验场1 个，铺设多层渗滤介质系统，开发了雨 水收集与处理、地下水回灌等多项技术。 ( 2 ) 多屡渗滤介质系统 多层渗滤介质系统是指各种人工材料铺设的透水地面。是城市雨水利用的一种重要形式；它 在构建过程中一般采用无砂混凝土、砂、砾料。包括土壤等作为介质，让雨水径流充分入渗，达 到促进城市雨水入渗、减少地面积水和削减径流污染物的目的。其主要优点是，投资少、施工维 修简易、降雨入渗量大、径流洪峰削减显著；并且能利用表层渗滤介质对雨水的净化能力，对预 处理要求相对较低。在实际应用中，透水性铺装又是多层渗滤介质系统的一种，其内部构造是由 一系列与外部空气相连通的多孔结构形成骨架。同时又能满足路用及铺地强度和耐久性要求的地 面铺装i l ”。城区有大量的地面，如停车场，步行道、广场等可以利用，在条件允许的情况下，应 尽可能采用多层渗滤介质系统，或者透水性铺装系统。如图i - 5 为透水性铺装与不透水性铺装对 比示意图。 5 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 a 透水性铺装b 不透水性铺装 图l - 5 透水性铺装与不透水性铺装示意明 2 0 世纪年代以来，国际上流行使用诸如透水沥青路面、透水性地砖以及类似我国园林的 鹅卵石铺地等透水路面覆盖硬化地面，增大其透水和透气性，使雨水及时渗入地下土壤，削减洪 峰，减少水土流失，涵养当地水源，改善区域生态环境，起到雨水收集的作用。通常透水性铺装 系统是由一系列的混凝土块和塑料网状结构，填以沙子、砾石及土壤组成，具有孔隙通透性。这 些孔隙使雨水能够渗入到地下土壤，对减少因城市发展带来的雨水径流起到很大的作用i l ”“。 s a o t o s h i 2 4 对日本横滨布设的渗透性铺装开展径流控制研究，结果表明该设施削减了1 5 0 p 2 0 的 径流洪峰。s c h l u t e r 和c h r i s 的研究结果表明，透水性铺装填充物的孔隙率大小对停车场出口水流 量影响很小。但是对径流洪峰削减作用显著p j ；b c n e d e t t o 采用透水性铺装促进下渗，解决了下 雨导致的飞机场积水问题1 2 4 1 。透水砖路( 地) 面是透水性铺装的一种，可广泛应用于居民小区、 道路、园林绿化等领域。由于多层渗滤介质系统具有削减径流洪峰、储存雨水、施工维修简易等 优点，近年来其研究在国内已受到了重视，许多学者在透水砖材料强度、渗透系数等方面进行了 研究o ”，但是针对多层渗滤介质系统整体的雨水入渗与产流方面，尤其是不同垫层多层渗滤介 质系统削减径流的效果有待进一步研究。 1 1 4 问题的提出 综上所述，城市雨水利用是解决城市水资源短缺、减少城市洪灾的有效途径。也是改善城市 生态环境的重要组成部分若能将雨水利用与雨水径流污染控制、城市防洪、生态环境的改善相 结合，坚持技术和非技术措施并重，因地制宜，择优选用，兼顾经济效益、环境效益和社会效益， 标本兼治，则雨水利用会产生广泛的效益，极大地促进城市可持续发展，并具有非常重要的现实 意义。 于是，本文在分析北京市雨水径流污染情况的基础上，选择当前市场上不同的多层渗滤介质 系统形式，通过室内外试验，从入渗量和削减污染物角度，确定较优的垫层铺装形式。另外，为 定量描述居民小区降雨入渗、产流规律，进行产汇流模拟，并用实测数据进行验证。 1 1 5 研究意义 6 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 多层渗滤介质系统地面可以有效地减小城市径流量，延滞汇流时间，减轻城市排洪设 施的压力，减少防洪投资和洪灾损失，可积极予以实施。 ( 2 ) 实施雨水利用工程，使居民小区的综合径流系数大大减小，减少排入外部市政雨水管 道的雨水流量，从而将大大减少市政雨水管线的投资，减免数目可观的防洪费。同时，雨水利用 工程的实施也将丰富住宅小区的水文化，融入入水和谐的亲水理念，增添其品味，对市民购买更 具吸引力。 ( 3 ) 城市雨水利用是在可持续发展战略指导下，随着社会发展、技术进步而出现的新事物。 探索实施雨洪规划设计，提倡中水雨水结合，实现开源节流，对进一步完善雨水利用理念，搞好 雨水利用工程的推广，以期实现缓解水资源紧缺，减轻城市防洪压力，减少城市面源污染，具有 重要的理论意义和现实指导作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 多层渗滤介质系统类型及存在问题 ( 1 ) 多层渗滤介质系统类型 国内外对多层渗滤介质系统已经有了一定研究，并在工程建设中加以应用。常见的多层渗滤 介质系统有如下几种： 1 ) 透水性地砖砖是透水的，砖与砖之间的连接处由透水性填充材料拼接，适合于人行道、 自行车道和步行街巷地面的铺设。 2 ) 孔型混凝土砖，用以铺设停车场和自行车存放地地面，砖孔中填培养土，杂草生长于其 中，该种地面具有2 5 , , - 4 0 的绿化面积。 3 ) 实心砖，砖与砖之间留出一定空隙，填以泥土，使天然的草能生长出来，这样的地面可 以保持3 5 的绿化面积，适合于居民区、公园和街头广场的地面。 4 ) 细碎石或细鹅卵石，由大小均匀的石子散落铺成地面，透水性好，不长草，适于房舍周 边、人行道边、居民区的小步行道、校园和公园的步行道路。 5 ) 孔型砖加碎石，在带孔的地砖孔中撒入小卵石或碎石来铺装地面，不生杂草，但可使雨 水顺利渗透，而其地面的热反射大大低于全硬化地面。 ( 2 ) 多层渗滤介质系统铺装材料类型 目前用于道路铺装的透水性材料，按成分可以分为如下几种类型： 1 ) 水泥透水性混凝土：采用单一粒径的骨料，不用或少用细骨料，以硅酸盐水泥为胶凝材 料，进行压力成型，形成具有连通孔隙的混凝土。 2 ) 沥青透水性混凝土：采用单一粒级的粗骨料，以沥青为胶结材料配制的透水性混凝土。 由于使用有机胶凝材料，与水泥透水性混凝土相比，该种混凝土耐久性较差，在大气因素作用下 容易老化，且其性质随温度变化比较敏感，尤其是温度升高时，易软化流淌，使强度和透水性受 到影响。 7 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 3 ) 树脂透水性混凝土：采用单一粒级的骨料，以高分子树脂为胶结材料配制而成。与水泥、 沥青透水性混凝土相比，该种混凝土耐水性、美观性、耐腐蚀性、耐磨性、抗折、抗压强度、耐 冲击性更好一些，其缺点是成本较高，且容易老化。 4 ) 烧结透水性制品：以长石、高岭土、粘土等矿物的粒状物和浆体拌合，压制成坯体，经 高温煅烧而成的具有多孔结构的块体材料。该类透水性材料强度高，耐磨性好，耐久性优良；但 烧结过程需要消耗能量，成本较高；适用于用量较小的高档地面部位。 透水性铺装材料按实际使用情况又可分为两类，一类是直接铺设在能大量蓄水的地基上，经 压实、养护等工艺构筑而成的大面积整体透水性铺装路面；另一类是经特殊工艺预制的透水性混 凝土制品或其他制品( 如透水路面砖，联锁砌块、透水管等) 。最常用和可推广性最强的当属透 水路面砖( 简称透水砖) 从产品本身的性能和使用功能上，可将透水砖分为砖体本身透水、砖体本身不透水、本身只 能渗水或微弱透水等几种形式。本身不透水的透水砖有陶瓷的，也有非陶瓷的，其透水功能靠铺 贴或拼凑组合时的砖与砖之间的接缝来实现。单体不透水的陶瓷透水砖，是将不同颜色的陶瓷砖 块( 2 0 m m x 3 0 m m 、3 0 m m x 5 0 m m ) 按一定规格组合粘贴在一片特制的树脂板上，像马赛克一样。 该树脂板下面有支撑脚，以便于砖接缝处漏下去的水渗入地下。这种透水砖重量轻，铺砌方便， 更换也方便，图案组合更容易实现，但成本高一些。 ( 3 ) 透水砖及其铺装地面在我国的应用现状及存在的问题 大多数混凝土透水砖的渗透系数可达到l m m s 以上，远超过建材行业标准透水砖 ( j c 9 4 5 - 2 0 0 5 ) 规定的o 1 m m s ，如北京亚泰雨洪技术开发有限公司生产透水砖实测渗透系数 可达3 5 m m s 。陶质和石质透水砖的透水性比混凝土砖要好一些，渗透系数一般可达到6 5 1 m m s 以上。瓷质透水砖的渗透系数可达到2 0 m m s 北京仁创科技集团有限公司砂基透水砖的透水性 能与上述几类透水砖相比并不高，但也可达到0 6 m m s ，超过上述行业标准。 目前全国大部分城市已经开始推广多层渗滤介质系统地面，仅北京市截至到2 0 0 5 年底已经 铺装了各类透水砖地面约7 0 万m 2 。透水砖地面具有非常广阔的应用前景，但是目前透水砖地面 的推广应用中存在以下问题： 1 ) 透水砖铺装的施工工艺不规范，许多透水地面的垫层不透水或透水性很差，仅仅面层能 够透水。 2 ) 透水砖的透水性能参差不齐，有些砖的渗透系数低于o 1 m m s ，影响多层渗滤介质系统的 铺装效果，却也按透水砖宣传使用。 3 ) 外观问题。目前使用较多的透水砖是混凝土透水砖，由于其表面粗糙、单块砖较小，铺 装后的整体感观效果较差。 4 ) 造价问题。由于透水砖所用材料不同，砖本身的造价差别很大，同时对铺装层的要求也 不同，铺装费用有很大差别。目前市场上高档美观的舒布洛克陶质生态透水砖、生态砂透水砖等， 由于其价格昂贵，限制了其大面积推广使用。 1 2 2 城市雨水径流水质研究 8 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 城市的大气沉降物、生活垃圾、汽车漏油等因素造成了降雨径流的水质污染，p a l r i c k 等州 分析了美国双城的3 4 3 场降雨，发现城区和郊区暴雨中营养物和t s s 的含量偏高，建立模型估计 非点源污染负荷流入湖泊和河流的数量。根据一些研究表明【四i ，雨水主要污染因子包括c o d 、 s s 等，雨水初期径流污染严重。根据北京城区实测数据统计，对降雨t 1 5 m m 时，污染物总量的 3 0 - 4 0 包含于2 m m 降雨量的初期径流中刚。根据统计 3 03 ”，北京市屋面和地面初期径流的c o d 浓度可达3 0 0 0 m g 几左右，s s 浓度可达3 3 0 0 m g l 左右。但随着降雨历时的延长，c o d 和s s 会 迅速下降，一般降雨2 0 5 0 m i n 后，c o d 浓度可维持在1 5 0 m g l 左右，s s 浓度维持在1 0 0 m g l 左右p “。从北京市1 9 9 9 年几场降雨径流c o d 和s s 负荷量分析结果。降雨径流( 特别是初期径流) 携带了大量有机污染物质和悬浮物l ，i 】，而这部分污染物质通过分点源形式污染城市河道。 上世纪8 0 年代，美国环保局( e p a ) 的研究报告 3 2 1 及国内夏青9 叫所做研究均反映城市综合的 径流水质。国外研究也是近年才明确区分路面、屋面汇水面径流，g r o m a i r e 等口】对巴黎市的降雨 数据分析，肯定了庭院和街道径流污染的严重性；b r e z o n i k 等p s i 在分析城区降雨径流时，发现径 流污染主要表现为s s 和c o d 的含量偏高。在国内，上世纪9 0 年代初，张学秀等 3 6 1 对天然降雨、屋 顶降雨径流等雨洪径流监测分析，屋顶径流较天然降水水质差。随着北京城市化的发展，烟雾、 扬尘增加，天然降水已受到污染，还有屋顶材料多样化、车流量增加等因素，而且随着城市雨水 利用研究的广泛开展，迫切需要针对北京市城区汛期的天然降水及不同类型下垫面( 屋面、道路、 绿地) 上的雨水径流进行水质系统监测、分析和评价 城市径流存在明显的初期冲刷( f i r s tf l u s h ) 作用，降雨开始产流中污染物的含量在次产流过程 中是最高的 3 7 3 8 。g u p t a 等9 ”根据悬浮物累积浓度曲线相对于对角线( 与水平面成4 5 度角) 的偏差比 例来估算其强度。d e l e t i c 用累积曲线来表示待测水质指标，由降雨事件中占整个产流2 0 的最先 产生径流的总污染物负荷( f f 2 0 ) 来界定初始冲刷产生的污染物数量1 4 。l e e 等悃无量纲的污染 负荷与径流比率累计曲线分析初始冲刷，通过该数据方法研究表明，汇流区域面积越小，其初始 冲刷现象就会越明显。在实际水样采集分析中，上述方法存在不易界定的问题。 1 2 3 多层渗滤介质系统入渗研究 ( 1 ) 降雨入渗研究 入渗过程属于广义渗流理论的研究范畴。1 8 5 6 年法国工程师d a r c y 提出达西定律，对渗流定 量研究哗j 。g r e e n 和a m p t ( 1 9 1 1 ) 0 3 j 系统研究土壤入渗，根据严密的入渗理论得出g r e e n - a m p t 公 式，提出了积水入渗的活塞式模型1 4 3 1 。1 9 3 1 年r i c h a r d s 将达西定律引入非饱和土壤水运动研究， 得出了恒温条件下的非饱和土壤水运动方程，使入渗研究步入了新阶段。人们利用r i c h a r d s 方程 对土壤入渗问题进行了大量的研究，得出了许多有价值的土壤入渗模型 4 4 州。 入渗按其水分运动的维数可分为一维入渗和多维入渗，一维入渗又有无重力入渗的水平入渗 和有重力的垂直入渗。p h i l i p ( 1 9 5 5 ) 、g a r d e n ( 1 9 5 3 ) 、b r u c e 和k l u t 1 9 5 6 ) 等人将水平入渗用于土 壤非饱和扩散率d ( 0 ) 撇t 4 6 。人们研究最多的是垂直入渗1 4 ”另外，按入渗界面的供水方式又 可分为充分供水和非充分供水入渗或者有压入渗( 积水入渗) 和无压入渗( 无积水入渗) 。对于 9 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 降雨入渗问题，h o o i l ( 1 9 3 3 ) 最早对雨强超过土壤吸水能力条件下的最大入渗率进行讨论【4 7 j ，后 来y o u a g s ( 1 9 6 0 ) 、r u b i n 和s t e i n h a r d ( 1 9 6 3 ) 、r u b i n ( 1 9 6 6 ) 等都先后对降雨入渗进行了研究，其中 r u b i n 曾采用数值分析解法区分降雨入渗的三种方式岬j 。但r u b i n 是在没有滞后作用、土壤均匀 无结皮等一系列假定基础上分析的，有较大的局限性。近年来对降雨入渗的研究，已逐渐转向特 定影响因素下降雨入渗规律的实验研究和数值模拟：刘贤赵等考虑滞后因素对降雨入渗过程进行 了模拟嗍；满开言等讨论了坡面植被对雨水的截留、分流作用及对水流入渗的影响闻；张光辉等 分别用指数函数和幂函数描述裸地和不同盖度沙打旺草地的产流产沙过程，并给出了方程参数的 变化规律p l j ；王晓燕等认为保护性耕作有延缓径流、增加降雨入渗的作用【5 2 j ；沈冰等对植被覆盖 条件下坡面流进行了模拟 5 3 1 ；宋孝玉等研究了不同下垫面农田降雨入渗及产流过程p 4 】；c e r d a 证 明植被增加了入渗并且减少地表径流和土壤侵蚀 ，j ；g a z e 等就不同条件下下入渗及侵蚀规律进 行了研究【5 6 1 ( 2 ) 关于入渗影晌因素的研究 1 ) 土壤不均匀性：大量的试验研究表明，土壤剖面的不均匀对入渗过程有很大影响。惠士 博和谢森传( 1 9 9 1 ) p 对含有粘土夹层的砂壤土的入渗特征进行的分析结果表明，夹层对入渗曲 线的影响与夹