透水混凝土路面_人工湿地雨水收集处理系统的设计

人工湿地中使用最多的水生植物为芦苇和宽叶香
蒲。
1. 3. 4 填料选择
人工湿地雨水处理系统一般采用砾石作为填
料，由于砾石和雨水中都缺少有机质，所以必要时在
进行厌氧反硝化阶段需添加有机质补充碳源，常用
的碳源有生活污水、葡萄糖等。有研究表明沸石对 氮磷有更 好 的 净 化 效 果［5］，但 由 于 其 价 格 相 对 昂
在充满污水而处于饱和状态且流速较低时，水力特
征 为 层 流 状 态，其 横 截 面 积 可 以 由 达 西 定 律 表 达［6］：
Q' = KsAS
（ 6）
式中 Q'———渗流量，m3 / d
Ks———渗透系数，m3 / （ m2 ·d）
S———水力坡度
湿地的宽度 W'由横截面积和深度确定：
W' = A /h
混凝土面层中的雨水以一定的渗透速率沿坡流向雨 水调节池，但雨水量很大时，雨水将从透水混凝土层 中溢出而形成径流，所以对于降雨强度高的地区，必 要时需设置边沟或排水管，雨水经边沟或排水管流 入蓄水池中。透水混凝土道路的雨水口一般可按照 城市道路设计规范要求的距离设置，由于透水混凝 土路面有很强的储水能力，故设置的雨水口数量可 适当减少。
的设计雨水处理流量。为保证系统的安全，调节池
设有溢流口，过多的雨水可以通过溢流排向市政管
道。
1. 3 用于雨水净化的人工湿地的设计
1. 3. 1 人工湿地尺寸计算
一些专家建议，计算湿地表面积不需要考虑它
的收集容积，而是用汇水面积的百分数来计算。通 常是支流汇水面积的 1． 5% ～ 3． 0%［4］。湿地的最
1 雨水收集处理系统的设计
透水混凝土路面 /人工湿地雨水收集处理系统 的工艺流程为雨水→透水混凝土路面→调节池→人 工湿地→出水回收利用。 1. 1 用于雨水收集的透水混凝土路面的设计
用于雨水收集的透水混凝土路面的结构，从上
到下分别为透水混凝土面层、透水垫层、密实混凝土 基层、土基（ 见图 1） ，密实混凝土基层也可由防渗土 工膜代替。透水垫层为普通石头或透水混凝土结构 层。密实混凝土基层和土工膜具有一定坡度坡向用 于蓄水的调节池，在邻近调节池的混凝土基层上方 布有水管，将透水混凝土路面收集的雨水导入调节 池（ 见图 2） 。当降雨强度小于透水混凝土路面的渗 透能力时，雨水下渗进入透水混凝土面层和结构层， 此时若透水混凝土结构层的导水能力大于降雨强 度，则结构层中的雨水将沿坡流向雨水调节池； 若混 凝土结构层的导水率低于降雨强度，那么雨水将在
（ 7）
式中 h———湿地深度，m
一般人工湿地的深度根据所栽种植物种类及根
系的生长深度确定，为了保证必要的好氧条件，建议 湿地深度为 40 ～ 60 cm［7］。
湿地的长度为湿地表面积与湿地宽度之比：
L = As /W'
（ 8）
式中 As———湿地面积，m2
1. 3. 2 水力学参数计算
水力负荷：
α = Q /As
贵，目前的湿地系统一般仍采用碎石作为填料。
2 工程案例
以李遂镇雨水收集利用工程为例，人工湿地由
一级水平流人工湿地、垂直流人工湿地和二级水平
流人工湿地串联构成，每一级人工湿地又由两个池
体并联构成。一级水平流人工湿地主要去除雨水中
的悬浮颗粒物（ SS） 和有机污染物，垂直流人工湿地
的溶解氧含量比水平流湿地高，其主要作用为氨氮
m3 / s
k———透水混凝土路面的透水系数，m / s i———渗 流 路 径 的 平 均 坡 度，若 有 纵 坡，按 式
（ 3） 计算 iz 、ih ———分别为纵坡、横坡 A———纵向 每 米 透 水 面 层 过 水 断 面 面 积，若
有纵坡则为 A = h（ ih / i） ，若无则 A = h 透水混凝土路面有一定的储水能力，并且透水
图 3 透水混凝土路面两侧雨水井设计
Fig． 3 Design of rainwater well on two sides of pervious
concrete pavement
透水混凝土的渗水能力主要是由透水混凝土面 层的孔隙率决定的，计算公式为［1，2］：
V = hFα
（ 1）
式中 V———透水路面面层中缓存水的体积，m3
（ 9）
式中 Q———设计处理雨水流量，m3 / d
欧美人少地多，其水力负荷大都低于 0． 1 m / d，
而我国土地资源短缺，一般水力负荷高于 0． 2 m / d。
由于雨水污染负荷低，可适当提高水力负荷，但不能 超过 1 m / d，否则流速过快，危害湿地植物生长［8］。
水力停留时间：
t = Ashe / Q
垫层，则路面的额定存储雨水量将是 75 mm 的降水
（ 即： 15% × 100 mm + 40% × 150 mm = 75 mm） 。 透水混凝土的渗流量计算公式为［2］：
Q = kiA
（ 2）
式中
槡 i = i2z + i2h
（ 3）
Q———纵 向 每 米 透 水 混 凝 土 面 层 的 排 水 量，
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吴文伶，等： 透水混凝土路面 / 人工湿地雨水收集处理系统的设计
第 27 卷 第 18 期
透水混凝土中蓄积，直至蓄满产生表面径流。
图 1 雨水收集路面结构 Fig． 1 Structure of pavement for rainwater collection
Key words： pervious concrete pavement； constructed wetland； rainwater collection and treatment
北京市顺义区李遂镇某雨水收集利用工程占地 约 500 m2 ，处理雨水量为 10 m3 / d。由透水混凝土 路面收集的雨水，经调节池存储和调节后进入人工 湿地进行净化处理，出水用于喷灌绿化、道路喷洒、 养鱼和冲厕。
调节池的尺寸依据雨水流量和设计雨水处理量
确定。雨水流量计算公式由降雨量和汇水面积确 定［3］：
W = 10Ψc Hy F
（ 4）
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第 27 卷 第 18 期
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中国给水排水
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式中 W———雨水流量，m3
Ψc ———雨量径流系数 Hy ———设计降雨量，mm 北京多年平均年降水量为 595 mm，8 月份降雨
佳储存容积应当是使汇水区达到 13 mm 水位的容
积。有效去除的最小储存容积是使汇水区达到 6 mm 水位的容积。储存容积可用下式计算［5］：
V = CyA
（ 5）
式中 V———暴雨湿地的储存容积，m3
C———系数，取 10
y———汇水区的设计水位，mm A———汇水区的表面积，hm2
对于由土壤、砾石等基质组成的潜流人工湿地，
第 27 卷 第 18 期 2011 年 9 月
中国给水排水
CHINA WATER ＆ WASTEWATER
Vol． 27 No． 18 Sep． 2011
透水混凝土路面/ 人工湿地雨水收集处理系统的设计
吴文伶， 宋中南， 石云兴， 罗 兰， 王 珂， 戢文占， 张 涛， 冯建华， 李艳稳
（ 中国建筑工程总公司技术中心材料工程研究中心，北京 101300）
的硝化，二级水平流人工湿地主要作用为氮的反硝
化以及悬浮颗粒物的进一步去除，而磷主要通过基
质的吸附去除。共有 6 个人工湿地池，每个长为 6
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吴文伶，等： 透水混凝土路面 / 人工湿地雨水收集处理系统的设计
第 27 卷 第 18 期
h———透水面层厚度，m
α———透水路面表观孔隙率
F———汇水面积，m2
另外，如果透水混凝土面层下方铺设有透水垫
层，则透水垫层也有一定的蓄水能力。普通石头的
孔隙率一般为 40% ，细集料含量高的混凝土结构层
的孔隙率约为 20% 。若孔隙率为 15% 、厚度为 100
mm 的透水混凝土面层下方铺设 150 mm 厚的透水
该工程透水混凝土路面面层厚为 30 mm，横坡 和纵坡均为 0． 5% ，计算得到每延米透水面层过水 断面面积 A 为 0． 02 m2 ，自主研发施工的透水混凝 土路面的透水系数 ＞ 10 － 3 m / s，每米透水混凝土面 层的排水量为 1． 4 × 10 － 7 m3 / s，因此当降雨量 ＞ 1． 4 × 10 － 7 m3 / s 时，即 12 h 内降雨量 ＞ 302 mm（ 特大暴 雨） 时，雨水将会在透水混凝土表面形成径流，经过 雨水口进入雨水收集系统。 1. 2 用于蓄水的雨水调节池的设计
于 1 d，但也要保证暴雨期至少有 30 min 的水力停 留时间［8］。
1. 3. 3 湿地植物选择
由于雨水的水量和水质变化大，在选择湿地植
物时需要考虑适应性强的品种，一般应具有以下特
点： 能忍受较大变化范围的水位、含盐量； 在本地适
应性好的植物，最好是本地的原有植物； 经证实对污
染物有较好的去除效果； 有广泛用途或经济价值高。
量最大，平均为 243 mm。本工程中透水混凝土路面 约 280 m2 ，以雨量最大的 8 月份降雨量计算，由式 （ 4） 计算得到一天雨水量为 2． 3 m3。设计调节池长 为 3． 5 m，宽为 2 m，深为 1． 5 m，容积约 10 m3 ，可以
容纳 8 月份连续 4． 6 d 的降雨量，为人工湿地一天
Design of Pervious Concrete Pavement and Constructed Wetland System for Rainwater Collection and Treatment
WU Wen-ling， SONG Zhong-nan， SHI Yun-xing， LUO Lan， WANG Ke， JI Wen-zhan， ZHANG Tao， FENG Jian-hua， LI Yan-wen
摘 要： 北京市顺义区李遂镇某雨水收集利用工程采用透水混凝土路面收集雨水并应用人 工湿地进行雨水处理，详细介绍了透水混凝土路面、调节池、人工湿地的设计方法，并对该技术的优 势、工艺流程、结构设计等进行了详细探讨。
关键词： 透水混凝土路面； 人工湿地； 雨水收集处理 中图分类号： TU991 文献标识码： C 文章编号： 1000 － 4602（ 2011） 18 － 0046 － 05
（ 10）
式中 e———填 料 孔 隙 率，砾 石 的 孔 隙 率 一 般 为
40% ～ 50%
国外人工湿地的水力停留时间一般在 5 ～ 15 d，
我国土 地 资 源 宝 贵，一 般 水 力 停 留 时 间 为 1 ～ 3 d［9］。对于雨 水 人 工 湿 地 系 统，水 力 停 留 时 间 可 低
（ Material Engineering Research Center，Technology Center of China State Construction Engineering Corporation，Beijing 101300，China）
Abstract： Pervious concrete pavement for rainwater collection and constructed wetland for rainwater treatment are used in a rainwater collection and utilization project in Lisui town of Shunyi District， Beijing City． The design methods of pervious concrete pavement，detention tank and constructed wetland are introduced． Furthermore，the technology advantages，process flow and structure design are discussed．
图 2 透水混凝土路面收集雨水设计 Fig． 2 Design of pervious concrete pavement for rainwater
collection
当降雨强度很大，超过透水混凝土路面的渗透 能力时，雨水亦会产生表面径流。因此，对于降雨强 度大的地区可以考虑设置雨水口和排水管，将形成 的表面径流外排（ 见图 3） 。