新型渗_排一体雨水生态系统性能测试及分析.docx

新型 渗排 一 体 雨 水 生 态 系统 性 能 测 试 及 分 析阚 宝顺赵 树 旗赵昕徐志通李 建业闫峰（ 北 京 工 业 大 学 ，北 京 ； 中 国 建 筑 设 计 研 究 院 ，北 京 ； 北 京 泰 宁 科 创 科 技 有 限 公 司 ，北 京 ）摘 要 新 型 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 在 我 国 一 些 示 范 工 程 中 已 有 应 用 ，但 仍 处 于 发 展 阶 段 。 通 过 对 系 统 的 排 水 量 现 场 试 验 测 试 ，计 算 渗 透 管 的 粗 糙 度 值 ，并 针 对 不 同 工 况 的 比 较 分 析 得 出 ， 渗 排 一 体 雨 水 系 统 应 采 用 有 压 满 管 流 设 计 ，而 且 井 间 距 的 大 小 也 是 影 响 排 水 量 的 不 可 忽 略 的 因 素 ， 设 计 过 程 中 需 要 进 行 综 合 考 虑 和 分 析 。关 键 词 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 粗 糙 度满 管 流 排 水 量传 统 的 雨 水 排 放 系 统 采 用 不 透 水 的 管 材 ，其 设计 的 原 则 是 尽 快 排 除 地 面 雨 水 ，保 证 小 区 内 建 筑 不 受 雨 水 的 侵害 ，但 是 这 与 雨 水 利 用 的 宗 旨 相 违 背 ，而 且 随 着 建 筑 面 积 的 增 加 ，直 接 排 放 势 必 会 加 大 城 市 洪 水 发 生 的 危 险。雨 水 利 用 的 原 则 是 尽 量 将 雨 水 直 接 利 用 或 渗 入 到 地 下 ，实 现 雨 水 的 资 源 化 、生 态 化 利 用 ，同 时 减 缓 雨 水 排 入 市 政 管 网 的 时 间 ，减 轻 城 市 排 洪 压 力 ，即 提 高 了 城 市 防 洪 能 力 。 而 新 型 的 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 兼 顾 了 渗 透 、排 放 功 能 ，既 能 最 大 限 度 滞 留 雨 水 ，回 灌 地 下 水 ，又 能 排 除 超 限 期 的 洪 水 ，保 证 建 筑 小 区 内 不 发 生 洪 涝 灾 害 。纪 桂霞等对 透 水 雨 水 管 道 进 行 了 相 关 的 模 型 试 验 ，并 对 渗 透 式 雨 水 管 道 雨 量 入 渗 的 主 要 影 响 因 素 进 行 了 分 析 探 讨 ，透 水 雨 水 管 道 的 减 流 实 测 结 果 显 示 ，透 水 雨 水 管 道 的 减 流 百 分 比 可 达 。由 此 可 见 透 水 雨 水 管 道 对 于 削 减 管 道 的 流 量负 荷 、补 充 涵 养 地 下 水 源 作 用 明 显 。 对 稳 定 渗 流 量 进 行 测 定 ，试 验 数 据 显 示 ，单 位 管 长 的 开 孔 面 积 存 在 一 个 临 界值 ，拟 合 的 公 式 如 下 ：的 开 孔 面 积 小 于 临 界 开 孔 面 积 时 ，单 位 管 长 的 开 孔面 积 与 孔 上 作 用 水 头 均 为 单 位 管 长 稳 定 渗 流 量 的 主要 影 响 因 素 。龙 晨 程 等对 雨 水 渗 透 排 放 一 体 系 统 的 最 大 流 量 做 过 相 关 的 试 验 测 试 和 研 究 ，测 试 的 结 果 表 明 最 大 排 水 能 力 可 以 达 到 常 规 雨 水 系 统 的 以 上 ， 排 水性能良 好。但 是 因 为 该 系 统 只 在 一 些 示 范 工 程 有所应用，许多 技 术 参 数 指 标 还 很 不 成 熟，而 且 水 力条件不同于常规的雨水排放 系 统，其 排 水 量 影 响 因 素 较多，所以需要对该系统的性 能 做 更 全 面 的 测 试 和 分 析，为其使用和 推 广 提 供 一 定 的 参 数 依 据，保 证 设 计 的准确性和安全性，使系统性能达到最优。试 验 系统 简 介本 次 试 验 依 然 采 用 实 际 工 程 模 拟 实 测 的 方 法 ， 试 验 的 新 型 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 主 要 由 渗 透 管 、 渗 透 井 、储 水 罐 、水 泵 、 回 水 管 等 组 成 ，试 验 场 地 与 设 备 等 条 件 与 实 际 工 程 基 本 相 同 ，保 证 实 测 结 果 与 实 际 工 程 更 接 近 。由 于 此 系 统 目 前 多 用 于 建 筑 小区 内 部 ，系 统 的 末 端 要 求 与 市 政 雨 水 管 网 相 连 ，所 以 选 择 较 为 常 用 的 渗 透 管 道 。 为 了 减 少 由 于 人 员 施 工 、地 基 不 均 匀 沉 降 等 外 在 因 素 所 引 起 的 误 差 ，对 整 个 系 统 的 标 高 和 长 度 重 新 进 行 了 测 量 。 试 验 系 统 的 平 面 和 纵 断 面 分 别 见 图 、图 。渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 的 核 心 是 渗 透 管 和 渗透 井 的 一 体 式 连 接 ，其 中 渗 透 管 采 用 管（开 孔 率 ）埋入地下，周围由 碎石和砾石填充（孔隙率为），渗透井尺寸，开 孔（）式 中 单 位 管 长 的 临 界开 孔 面 积 ，；孔 上 作 用 水 头 ，；参 数 ，其 大 小 与 开 孔 的 大 小 、形 状 及 渗透 土 层 的 性 质 有 关 。当 单 位 管 长 的 开 孔 面 积 超 过 其 临 界 值 时 ，单 位 管 长 开 孔 面 积 大 小 对 其 稳 定 渗 流 量 大 小 无 影 响 ，孔 上 作 用 水 头 的 高 低 是 其 主 要 影 响 因 素 。当 单 位 管 长表 井 段 排 水 量 分 析水量的比值图 新 型 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 试 验 平 面 布 置图 新 型 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 试 验 纵 断 面率 为 ，周 围 由 碎 石 填 充（孔 隙 率 为 ）。 由于 泵 的 抽 水 流 量 较 大 ，试 验 采 用 分 流 管 和 闸 阀 对 系 统 流 量 进 行 调 节 ，这 样 可 以 对 系 统 进 行 多 组 流 量 的 调 节 和 测 试 ，更 准 确 地 分 析 系 统 排 水 性 能 。试 验 前 ， 对 系 统 进 行 了 多 次 注 水 ，以 保 证 系 统 的 碎 石 层 内 充 满 水 ，避 免 因 为 渗 透 管 渗 水 量 较 大 而 对 测 试 的 系 统 流 量 值 造 成 大 的 偏 差 。注 ： 渗 透 井 管 长 ，管 内 径 。试 验 结 果 及 分 析管 段 排 水 量 的 实 测 与 分 析试 验 开 始 水 从 渗 透 井 开 始 分 别 流 经 、渗 透 井 ，最 后 从 渗 透 井 中 利 用 水 泵 将 水 抽 出 进 入 循 环 管 ，当 系 统 达 到 平 衡 时 ，利 用流 量 计 和 液 位 计 分 别 对 循 环 管 流 量 和 井 中 液 位 进 行实 时 监 测 。在 这 里 选 择 井 段 进 行 分 析 ，井 间 距 为 ，基 本 上 与 典 型 的 井 间 距 布 置 一 致 ，并 选 择 与 现 行 的 常 规 雨 水 管 道 排 水 量 进 行 比 较 ，结 果 见 表 及 图 。依 据 室 外 排 水 设 计 规 范 （ ）建 筑 小 区 内 雨 水 排 水 系 统 的 管 道 一 般 采 用管 顶 平 接 的 方 式 连 接 ，其 排 水 量 按 照 满 管 重 力 流 设 计 ，见 下 式 ：图 测 试 流 量 与 常 规 雨 水 系 统 水 力 坡 度 流 量 变 化 曲 线通 过 分 析 表 和 图 可 以 得 出 ，对 于 井 间 距 为 的 渗 排 一 体 雨 水 系 统 ，在 相 同 的 水 力 坡 度 情 况 下 的 排 水 能 力 小 于 常 规 雨 水 排 水 系 统 的 排 水 能 力 ，其 排 水 能 力 可 以 达 到 常 规 雨 水 系 统 的 左 右 ，并 且 系 统 的 排 水 量 随 着 液 位 差 或 者 水 力 坡 度 的 增 大 有 成 线 性 增 大 的 趋 势 。造 成 流 量 不 同 的 原 因 主 要 是 常 规 雨 水 系 统 按 照 满 管 重 力 流 设 计 ，而 渗 排 一 体 雨 水 系 统 渗 透 井 的 出 水 管 高 于 进 水 管 ，所 以 末 端 形 成 淹 没 出 流 ，当 排 水 量 较 大 时 ，系 统 形 成 压 力 流 ， 并 依 靠 液 位 差 所 产 生 的 压 能 排 水 。 （）各 管 段 排 水 量 影 响 因 素 分 析在 试 验 过 程 中 ，每 一 次 系 统 达 到 平 衡 时 ，系 统 都会 达 到 较 稳 定 的 排 水 流 量 ，各 个 井 会 产 生 不 同 高 度的 液 位 。对 、 、 三 个 不 同 的 管 段 进 行 分 析 比 较 ，不 同 流 量 下 产 生 的 液 位 差 、 水 力 坡 度 如 表 所 示 。式 中 渗 透 管 的 排 水 量 ， ；粗 糙 度 ； 水 力 半 径 ，； 水 力 坡 度 ； 渗 透 管 的 截 面 积 ，。给 水 排 水 液 位 差水 力 坡 度测 试 流 量常 规 雨 水 系 统 排 水 量测试流量与常规雨水系统排有 压 满 管 出 流 ，各 井 和 渗 透 管 出 流 情 况 如 图 所 示 。表 不 同 流 量 下 各 管 段 的 液 位 差 与 水 力 坡 度图 系 统 出 流 示 意无 论 是 重 力 流 还 是 压 力 流 ，管 道 的 粗 糙 度 都 是影 响 排 水 量 的 重 要 因 素 ，管 道 粗 糙 度 的 大 小 决 定 管道 的 沿 程 水 头 损 失 系 数 。 通 过 图 可 以 看 出 ，当 系 统 达 到 稳 定 出 流 状 态 时 ，其 水 头 损 失 完 全 消 耗 在 克服 沿 程 水 头 损 失 和 局 部 水 头 损 失 上 ，其 液 位 差 即 为沿 程 水 头 损 失 和 局 部 水 头 损 失 之 和，。（） 、的 井 间 距 分 别 为 、 和 ，表 中 的 数 据 表 明 ，在 同 一 流 量 下 ，不 同 的 管 段 所 形 成 的 液 位 差 和 水 力 坡 度不 同 。数 据 显 示 在 测 试 的 同 一 流 量 下 ，随 着 井 间 距 的 减 小 ，液 位 差 逐 渐 减 小 ，但 是 水 力 坡 度 呈 逐 步 增 大 的 趋 势 。分 析 其 原 因 ，液 位 差 形 成 主 要 是 为 了 克 服 沿 程 水 头 损 失 和 局 部 水 头 损 失 ，井 间 距 的 增 大 造 成 沿 程 水 头 损 失 值 增 加 ，从 而 造 成 液 位 差 的 增 大 。 而 当 井 间 距 小 时 ，虽 然 总 的 损 失 值 会 减 少 ，液 位 差 下 降 ，但 局 部 水 头 损 失 在 总 水 头 损 失 中 所 占 的 比 例 增 大 ，就 造 成 单 位 长 度 管 段 上 的 损 失 增 大 ，从 而 造 成 水力 坡 度 的 增 加 。根 据 表 数 据 可 以 得 出 对 于 井 间 距 为 的 系 统 而 言 ，相 同 水 力 坡 度 下 的 排 水 能 力 可 以 达 到 常 规 雨 水 系 统 的 左 右 。 但 表 中 的 数据 显 示 ：对 于 同 样 的 排 水 量 ，随 着 井 间 距 的 减 小 ，需要 更 大 的 水 力 坡 度 才 可 达 到 ，或 者 可 以 说 ，在 相 同 的 水 力 坡 度 下 ，排 水 量 随 着 井 间 距 的 减 小 而 减 小 。 例 如 ：对 于 管 段 来 说 ，在 相 同 的 水 力 坡 度 下 ，其 排 水 能 力 只 能 达 到 常 规 雨 水 系 统 的 左 右 。 所 以 对 于 此 系 统 ，设 计 时 不 能 按 照 常 规 雨 水系 统 方 法 简 单 进 行 ，必 须 综 合 多 因 素 考 虑 ，否 则 会 使 系 统 的 排 水 量 不 能 达 到 最 优 ，甚 至 造 成 由 于 不 能 满 足 排 水 量 要 求 而 产 生 洪 涝 灾 害 。式 中 两 井 间 的 液 位 差 ，； 水 头 损 失 之 和 ， ；沿 程 水 头 损 失 ， ；局 部 水 头 损 失 ， ；沿 程 水 头 损 失 系 数 ；管 长 ，；管 道 直 径 ，；流 速 ，；局 部 阻 力 系 数 。并 由 曼 宁 公 式 （）和 谢 才 系 数 与 沿 程 损 失 系 数 的 关 系 式（），可 推 得 粗 糙 度 的 计 算 公 式 （），计算 结 果 如 表 所 示 。（）槡（）（）式 中 谢 才 系 数 ；水 力 半 径 ，；粗 糙 度 ；通过表的数据可知，对于开孔率为 渗 透 雨水管而言，其粗糙度为，平均值 在左右。室 外 排 水 设 计 规 范（）中 不 透 水 管 的 粗 糙 度 为 ， 说 明 开 孔 率 为 渗 透 管 的 渗 透 孔 对 管 道 粗 糙 度 影 响 不 大 。（）渗 透 管 粗 糙 度 的 确 定对 于 新 型 渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 ，当 雨 水 量较 大 时 ，随 着 各 井 水 位 的 上 升 ，各 管 段 必 定 会 形 成 给 水 排 水 流 量 液 位 差水 力 坡 度液 位 差水 力 坡 度液 位 差水 力 坡 度满 管 重 力 流 设 计 。（）通 过 试 验 数 据 分 析 可 得 ，影 响 该 系 统 排 水量 的 因 素 除 了 管 径 、水 力 坡 度 、进 出 口 水 位 高 差 外 ， 井 间 距 的 大 小 也 会 对 系 统 的 排 水 量 造 成 影 响 ，在 相 同 的 排 水 量 情 况 下 ，井 间 距 越 小 ，需 要 的 水 力 坡 度 越 大 。在 相 同 的 水 力 坡 度 下 ，排 水 量 随 着 井 间 距 的 减 小 而 减 小 。所 以 该 系 统 的 设 计 和 应 用 中 必 须 对 不 同 的 工 况 条 件 进 行 分 析 计 算 ，以 保 证 安 全 性 。（）渗 排 一 体 雨 水 生 态 系 统 整 体 排 放 性 能 良 好 ，但 是 在 相 同 条 件 下 小 于 常 规 雨 水 系 统 排 水 量 。 考 虑 其 影 响 因 素 较 多 ，设 计 过 程 中 应 综 合 分 析 考 虑 ， 以 使 其 系 统 达 到 要 求 的 排 水 性 能 和 效 果 。（）测 试 和 计 算 结 果 表 明 ，开 孔 率 为 的 渗 透 雨 水 管 的 粗 糙 度 为 ，平 均 值 在 左 右 。 说 明 在 此 试 验 系 统 中 ，渗 透 管 的 渗 透 孔 对 管 道 的 粗 糙 度 影 响 不 大 。（）为 了 充 分 发 挥 系 统 性 能 ，建 议 该 系 统 设 置 在 雨 量 相 对 丰 富 ，土 壤 渗 透 性 能 良 好 且 地 下 水 位 较 低 的 建 筑 小 区 内 部 ，可 以 取 代 常 规 的 雨 水 排 水 系 统 。表 曼 宁 粗 糙 度 计 算 结 果系统 的 渗透 、储 存 雨 水 量一 般 情 况 下 ，降 雨 时 段 可 以 用 达 西 定 律 来 描 述雨 水 渗 透 ，雨 水 入 渗 量 可 以 按 式（）计 算 。（） 式 中 渗 透 系 数 ，试 验 场 土 质 为 粉 土 质 砂 ，取中 间 值 ； 水 力 坡 度 ，若 地 下 水 位 较 低 ， 取 ； 有 效 渗 透 面 积 ，； 降 雨 历 时 ，。具 体 计 算 时 ，按 照建 筑 与 小 区 雨 水 利 用 工 程 技术 规 范 （）的 规 定 ，水 平 渗 透 面按 投 影 面 积 计 算 ；垂 直 渗 透 面 按 有 效 水 位 高 度 的计 算 ，因 为 渗 透 管 、沟 、渠 中 水 位 上 下 浮 动 ，取 高 度 水 位 作 为 平 均 水 位 ；斜 渗 透 面 按 有 效 水 位高 度 的 所 对 应 的 斜 面 实 际 面 积 计 算 。对 于 北 京 年 一 遇 的 小 时 降 雨 ，系 统 的 渗透 量 和 储 存 量 计 算 结 果 为 ：单 位 管 长 渗 透 管