城市道路及广场的雨水利用

1、城市道路及广场的雨水利用王玉轩 王武林 张燕摘要：以西安城区道路年集雨量为出发点，采用排放渗透一体化模式，增加道路、广场的雨水收集、存储及渗透利用，以缓解城市水资源紧张及城区雨洪负荷过大等问题。关键词：道路集雨；雨水利用；成本；适用性城市在不断进步，田野、草地、树林、荒滩等土地逐渐被道路、广场、厂房、住宅所替代。原本要渗入土壤的降水（雨水）却被不断增加城市硬化地面拦阻，并通过城市雨水管道排走了。渐渐地，城市的水源吃紧了，雾霾却日渐严重了。“雨水是资源，综合利用在前，排放在后”， 是城市雨水利用途径的指导思想。有多少原本属于土壤的降水（雨水）被迅速排走？这些被迅速排走的降水（雨水）能否被利用？本

2、文给出一个“把雨水请入土壤”的设想，并提出一个模块式的解决方案。为此，我们先认识一个新的概念：“年集水吨面积”。一、从“年平均降水量”到 “年集水吨面积”一个地方年平均降水量是一个常数，用P表示，单位：米（m）。那么，在该地方一年中平均收集降水一吨所需要的面积，这是一个新概念：地方平均年集水吨面积，简称“年集水吨面积”，也是一个常数，用A表示，单位：平方米/吨（m2/t）。二者之间关系如下：1吨水=1立方米水=年集水吨面积*年降水量即：A*P=1（年集水吨面积*年降水量=1） (3-1)故年集水吨面积： A =1/P（平方米/吨） (3-2)集水面积为S平方米（m2）每年的集水量为： V=S/

3、 A（吨） (3-3) 年集水吨面积侧重于体现建筑（或集水）工程的积水能力，也可以称作为该建筑（或集水）工程需要提供的排水能力。(3-3)式表明每增加S面积的硬化地面，每年将会有V=S/ A（吨）的未被利用的雨水，随城市雨水管道流失。二、用“年集水吨面积”概念认识西安西安市年平均降水量537.51028.4毫米，其中，市区年平均降水量584.9毫米1，由公式(3-2)知西安地区年集水吨面积为：A =1/P（m2/ t）=1/0.5849=1.7092.00（m2/ t）也就是说，在西安，每1.71平方米集雨面每年均可收集雨水一吨，本文取值A =2.00（m2/ t）。50米是常人一分钟所走的距

4、离（每步约0.6米，一分钟约90步），也是城市道路两侧相邻两个雨水口之间的最大距离2。城市道路交通规划设计规范（GB 50220-95，第条）要求， 200万以上人口的大城市，其道路设计应满足：主干路4555 m，次干路4050 m，支路1530m的宽度要求。这里我们以主干路50 m，次干路40 m，支路20m宽为例，分别计算一个雨水口一年所能收集的降水量。由(3-3)式： V=S/A 可以算出一个雨水口一年所能收集的降水量分别为：V主= 1250吨、V次=1000吨、V支=500吨。并由此推知，一公里的城市主干路、次干路和支路每年可收集雨水分别为:25000吨、20000吨和10000吨。城

5、市道路的集水能力是随着城市发展而增大的。“截至2014年年底，西安城市道路长度3146公里，道路面积7199.75万平方米3”，该道路的年集水量达3600万吨。城市道路的集雨能力及其开发利用空间巨大；若不被利用，原本属于土壤的雨水被白白地迅速排走。三、排放渗透一体化系统排放渗透一体化系统含排放环节和渗透环节两部分，并以渗透环节满足雨水自然渗透且渗透区域结构不受影响为前提条件。沿道路方向有不小于3米宽的绿化带是道路排放渗透一体化系统前提条件。本文以道路排放渗透一体化系统为例进行论证说明，广场排放渗透一体化系统与之类似。该系统如图1所示。图1排放渗透一体化系统示意图排放环节：设计或改造道路的直接排

6、放雨水口为间接排放雨水口，即溢流式雨水口。该方案将雨水口由传统的一个出水口，变为现在的两个出水口组成，即溢流口（雨水排放出水口）和渗透出水口；且满足溢流水位高程差为0.4-0.5米。当雨水汇入溢流式雨水口时，先从渗透出水口流出，直到水位达到溢流水位时，才从溢流口流出，完成先渗透再排放的取舍过程。溢流式排放渗透示意如图2所示。图2 溢流式排放渗透示意图4渗透环节：在沿道路方向的绿化带中，距人行道1.5m处布置管径为DN200（或DN315）的普通渗透排水管，管外填配砾石层；同时对应道路雨水口处在渗透排水管线位置上建造渗透检查井。雨水渗透检查井并不参与渗透，以道路雨水口面为深度零面，其长宽深截面尺

7、寸分别为1.2 m×1.2 m×1.4 m。雨水渗透检查井临道路雨水口一侧，以管径为DN200的雨水管与渗透出水口相连接；另外两侧或三侧（依绿化带宽度及走向而定）连接管径为DN200（或DN315）的普通渗透排水管。该检查井要求：渗水管底部比入水管底部低0.1 m，比检查井底部高0.2 m。渗透管填埋示意如图3所示，其数据关系为：b=D（D为雨水渗透管管径、b管壁到砾石边的距离）； H= h+b，（h为道路雨水口面到渗透雨水管口下沿的距离）。图3渗透管填埋图四、排放渗透一体化系统调蓄雨水量及一昼夜的渗水量1、排放渗透一体化系统储水量将一个雨水口处的雨水渗透检查井和道路相邻两

8、个雨水口间50 m长的雨水渗透管所组成的单元，称之为一个排放渗透一体化系统模块，简称排放渗透模块。本系统模块的储水量由“渗透检查井”和 “雨水渗透管”的储水量组成。雨水渗透检查井的储水量雨水渗透检查井储水水位的最大深度由溢流雨水口的溢流水位高程和雨水口底部到雨水渗透检查井底部的高程差决定。雨水口m，雨水口底部到雨水渗透检查井底部的高程差为0.3 m。故雨水渗透检查井可调蓄最大雨水量为：Q井1.2×1.2×0.81.15(m3)雨水渗透管的储水量雨水渗透管填埋图3所示, DN200雨水渗透排水管外填配砾石层的截面尺寸约为0.6 m×0.6 m，50米DN200渗透管

9、道可调蓄最大雨水量：Q管20050×（0.6×0.6-0.1×0.1×3.14）×0.21+0.1×0.1×3.1450×0.1=5.0(m3) ( 其中0.21为渗透管道外围配填砾石的孔隙率)。同理，50米DN315渗透管道可调蓄最大雨水量：Q管31550×0.234=11.70(m3)。经上述计算可得出, DN200排放渗透模块或DN315排放渗透模块，所能调蓄雨水量分别为：Q200储Q管200+ Q井5.0+1.15=6.15(m3)。Q315储Q管300+ Q井11.70+1.15=12.85 (

10、m3)。2、排放渗透一体化系统一昼夜的渗水量由于排放渗透模块在沿道路方向的绿化带中，依渗透管填埋图，按砾石层含水量饱和且侧面面积按1/2折算成底面面积参与渗透，并取壤土的孔隙度5565%的均值60%，按其60%有效计算，取砾石、黄土渗透系数1.0×10-1和5.0×10-4（cm×s-1），砾石的孔隙率0.21。排放渗透模块一昼夜所能渗透的雨水量为： Q 200渗23.34×60%×60%8.40 (m3) 8.40吨,Q 315渗35.01×60%×60%12.60 (m3) 12.60吨。该计算表明，DN200排放渗透模

11、块和DN315排放渗透模块，均能在一昼夜间将本模块中的雨水全部排完。五、了解西安的降水情况西安市区年平均降水量584.9毫米，年平均降水日数96.6天。其中夏季降雨最多,其次为秋季，夏秋两季降水量占年降水量的67.5075.25。每年7月降水日日均降水量是最多的，平均为9.26毫米5；对于相应以主干路50 m，次干路40 m，支路20m宽且道路地面径流系数0.8，分别计算一个雨水口一天的实际径流量分别为： V主 =18.52（吨）、V次=14.82（吨）、V支=7.41（吨）以上三种道路的雨水径流量值，与DN200或DN315排放渗透模块所能调蓄雨水量6.15吨或12.85吨相比，我们可以得出

12、：当道路宽度不大于20米时，采用DN200排放渗透模块较为适宜；当道路宽度不大于40米时，采用DN315排放渗透模块。一般情况而言，一个DN200（或DN315）排放渗透模块，可以吸纳1000 m2集雨面上6.15 mm（或12.35 mm）的地面径流，在24小时内吸纳量为12 mm（或24 mm）的地面径流。该结论也是不同集雨面选择不同排放渗透模块的依据。六、排放渗透一体化系统模块成本计算由排放渗透系统模块示意图知，本系统模块由“从雨水口到渗透检查井工程”、 “渗透检查井工程”和 “雨水渗透管土方工程”三部分组成。按市场价计算，DN200排放渗透模块成本约为1.52万元； DN315排放渗透

13、模块成本分约为2.66万元。其中三部分组成成本如下：从雨水口到渗透检查井工程造价约为710.5元;渗透检查井工程造价约为1497.6元;DN200雨水渗透管50 m工程造价约为12927.7元;DN315雨水渗透管50 m工程造价约为24408元。七、排放渗透一体化系统模块的特点综上文所述，排放渗透一体化系统模块能有效地减少城市道路广场的雨水排放，并通过渗透方式实现“把雨水请入土壤”，该系统模块有以下显著特点：1、该模块集雨及减轻雨洪负荷成效好，一个DN200（或DN315）模块，可以吸纳1000 m2集雨面上6.15 mm（或12.35 mm）的地面径流；2、该模块成本小（DN200模块1.52万元，DN315模块2.66万元）、技术要求低、便于施工，维护方便；3、该模块设计方案适应性强，既可以在道路上连线实施，也可以在适合地点单独实施；4、该模块推广区域广泛，既可以在新建区域规划实施，也可以对已建地域适宜改造。5、该模块不