道路雨水渗滤设施——浅草沟的设计

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道路雨水渗滤设施
摘要：雨水渗滤是欧美等发达国家常用的一种雨水处理与资源化利用技术。

结合重庆市某生态住宅区的雨水资源化利用工程，介绍了道路雨水渗滤设施——浅草沟的构造、布置、相关设计参数、水质净化效果及设计体会，提出了改进的雨水渗滤设施计算方法，并对雨水浅草沟的关键防堵技术进行了分析。

关键词：道路雨水渗滤浅草沟
节水是衡量生态建筑可持续性的重要标准之一。

在建设部制定的《绿色生态住宅小区建设要点与技术导则》[1]中就明确指出要多渠道地采取节水措施，鼓励雨水、污水的资源化利用，提出“到2010年建筑建造和使用过程的节水率在现有基础上提高20%以上，到2020年节水率比2010年再提高10%”的具体目标。

雨水的资源化利用是节水措施中的一项重要内容，进行雨水的处理和资源化利用在节水、防洪、减少非点源污染、保证地下水位方面均具有十分重要的意义[2，3]。

雨水渗滤是欧美等发达国家常用的一种雨水处理与资源化利用技术[4，5]，常用的渗滤设施有多孔路面、渗滤沟（管）、渗滤绿地以及渗透池等。

我国在雨水渗滤技术方面的研究起步较晚，更是缺乏这一技术应用的工程设计实例。

本文结合重庆市某生态住宅区的雨水资源化利用工程，介绍了道路雨水渗滤设施——浅草沟的构造、布置、相关设计参数、水质净化效果及设计体会，提出了改进的雨水渗滤设施计算方法，并对于雨水浅草沟的关键防堵技术进行了分析，以期为类似的道路雨水渗滤设施的设计提供参考。

1工程概况
该住宅区为重庆市一高档生态别墅区，占地1200亩（1亩=667m2），其核心景观为一水库改造的半人工湖，湖面面积200多亩。

该湖位于住宅区中心地势最低处，住宅区内的别墅环湖顺地势呈阶梯形建造，尽览湖光水色。

为了充分保障湖水的水量与换水系数（年入湖水量与库容的比值），在住宅区的雨水排水设计中，将该住宅区内的全部雨水径流以重力流形式汇入湖内。

由于雨水的汇人，湖水水质成了必须解决的关键问题。

基于湖水的非点源污染控制和雨水的资源化利用考虑，住宅区设计了一系列各有特色的雨水处理和利用措施，如人工湿地、跌水小溪、氧化塘、雨水浅草沟、卵石沟、屋面雨水过滤器等，尽可能地将该湖原有汇水区的雨水处理后渗入地下蓄水层或直接汇入湖内。

该住宅区的雨水处理与资源化利用工程示意见图1。

在该工程中，半人工湖不仅作为生态小区最主要的景观水体，也兼作雨水利用的调蓄池。

浅草沟是住宅区路面雨水（包括网球场等）入湖前所采取的一项分散式雨水处理措施，其设计目的为：①保证部分雨水下渗补充地下蓄水层；②经浅草沟处理后的雨水水质达到GB/T18921—2002中观赏性景观用水湖泊类水质；③浅草沟外观与别墅区景观设计相协调。

浅草沟在道路的布置及其汇水区域见图2，其纵向坡度与道路坡度一致。

2浅草沟的设计
2.1设计参数
2.1.1雨量设计
浅草沟的设计进水量采用重庆市暴雨强度公式计算：
ｑ=2822(1+0.775lgP)/(t+12.8P0.076)0.77（1）
式中ｑ——暴雨强度，L/（hm2·s）；
Ｐ——设计降雨重现期，a，其含义为浅草沟水位等于溢流水位，即发生雨水不经处理直接汇入雨水管现象的重现期（与雨水管的设计重现期含义有本质区别），在本设计中，基于湖水保质和浅草沟平面尺寸的布置考虑，Ｐ取1a；
ｔ——降雨历时，min。

2.1.2进出水水质设计
浅草沟的进出水水质设计见表1。

其进水水质参照重庆市学林雅园小区内道路雨水水质，出水水质为GB/T18921—2002中观赏性景观用水湖泊类水质。

可以看出，浅草沟的主要去除对象应为有机物和悬浮固体。

2.1.3材料参数
浅草沟的断面尺寸见图3。

所用种植土为重庆本地红褐色土，其性质参数见表2。

土工布采用300g/m2规格双层铺设，砾石粒径为20～40mm。

集水沟采用非满流设计，沟顶盖板为?＝１０mm的穿孔预制板。

2.2计算方法
雨水渗滤设施的计算方法较为成熟的有瑞典的Sjoberg-martensson法和德国的Geiger算法
[6]，国内一些学者对这些方法进行了探讨和改进[7]。

渗滤设施计算的基本原理在于物料平衡，即在不发生溢流的条件下，径流量等于渗透量加储存量。

本设计中，采用Sjoberg-martensson法，结合工程实际可操作性对其进行改进，提出速度平衡算法，该算法的原理为在渗透界面上，当下渗速率等于径流汇到该界面的速率时，渗滤设施的储存量达到最大值，其中计算关键为求得此时的降雨历时ｔ。

速度平衡算法计算见式（2）、式（3）。

Ｖｓ（ｍａｘ）＝１．２５?６×１０－６ｑ（φＡ＋Ａ０）ｔ?－６０ＫＡｓｔ（2）
ｑ=107ＫＡs/（Ａ０+φＡ）（3）
式中Ｖｓ（ｍａｘ）——渗滤设施的最大雨水储存容积，m3；
ｑ——暴雨强度，L/（hm2·s）；
Ａ——汇水区域面积，m2；
Ａ0——渗滤设施直接接受降雨的面积，m2；
ｔ——降雨历时，min；
Ｋ——平均渗透系数，m/s；
Ａs——有效渗透面积，m2；
φ平均径流系数，采用加权平均法求得为0.75。

在浅草沟设计计算中，按1m沟长计，先据式（3）计算出暴雨强度ｑ=62.4L/（hm2·s），再根据P=1a时的暴雨强度曲线（见图4）查出ｔ=128min，将ｔ代人式（2）得Ｖｓ（ｍａｘ）=0.12m3。

根据溢流水位0.2m和图3可计算出浅草沟的实际储存容积为0.18m3。

浅草沟既承担着雨水渗滤的功能，还承担着住宅区景观绿化的功能，因此要求雨水在沟内的存积不能影响沟内草皮的生长。

所以必须对雨水在沟内的停留时间进行验算。

一般来说，雨后３ｈ之内应将植物土层表面积水排除。

在本设计中按最不利情况考虑，设雨后积水为０．２ｍ（最高水位），则计算出浅草沟渗空时间为２．３８ｈ，满足要求。

2.3防堵措施分析
与任何雨水渗滤设施一样，浅草沟的堵塞问题是设计中必须考虑的关键问题。

本设计中，对于防堵的技术性措施主要考虑了以下两点。

2.3.1种植土的选择
重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室的试验研究结果表明，由于上层种植层孔隙率小于下层滤床（砾石和施工回填土），颗粒性污染物更多地截留在土壤孔隙内，堵塞也首先发生在种植层；而且直到渗滤周期结束（不能有效运行）时，堵塞依然只存在于种植层内。

因此种植土的选择是防堵的关键。

ＳｉｅｋｅｒＦ?８?的研究表明，为了保证运行时间，类似渗滤设施土壤渗透系数Ｋ不应低于１０－５ｍ/ｓ。

一般来说，Ｋ值越大，填料的孔隙率就越大，抗堵塞的能力就越强。

通过试验研究比较土壤的渗透系数Ｋ，并结合种植的需要，选取重庆本地红褐土为种植土，其平均渗透系数为４．２×１０－５ｍ/ｓ。

2.3.2通风措施的设计
由表１可看出，即便是物业管理完善的住宅小区，道路雨水径流所含固体悬浮物浓度依然较高，因此，悬浮固体在渗滤层内的累积是不可避免的。

然而，通过技术性的措施增强渗滤层的过滤恢复能力，将有效地延长渗滤设施的运行周期。

本设计中采用强化通风措施（集水沟和通风口）来提高浅草沟的渗滤恢复能力。

监测结果表明，住宅小区道路雨水径流中挥发性悬浮固体（５００℃灼烧减重法）和总悬浮固体（１０３～１０５℃烘干减重法）的比值ＶＳＳ/ＳＳ＝０．１８～０．３３，说明悬浮固体中含有部分非溶解性有机物。

加强滤料层的通风一方面有助于有机物的好氧分解转化，恢复渗滤层孔隙率并防止出水水质恶化；另一方面，还有利于在滤层内形成长而稳定的食物链（网），促进蚯蚓、蠕虫和节肢虫等大型分解者的生长，从而促进渗滤性能的良性恢复。

除了以上两种技术性措施外，非技术性的管理措施也是关键。

设计人员在该生态小区《雨水处理与资源化利用管理小册子》中写入了浅草沟日常防堵的注意事项，例如加强路面的清扫、按时清理沟内的落叶、注意草皮修剪时的清除、防止宠物粪便入沟等。

3浅草沟的水质净化效果
为了考查浅草沟的水质净化效果，在设计之前，进行了实际规模的浅草沟净化能力试验。

试验按照运行1d间隔2d的方式，采用稀释的校园生活污水作为模拟雨水。

由于模拟雨水DO浓度偏低，在进浅草沟之前，采用跌水曝气的方式使DO浓度上升到2mg/L左右。

在面积负荷为4.32m3/（m2·d）即滤速为5×10-5m/s时，浅草沟的平均进出水水质见表3。

由表３可见，浅草沟对悬浮固体和有机物有较好的去除，对水中的氮、磷也有一定的去除，出水水质能满足ＧＢ/Ｔ１８９２１—２００２中观赏性景观用水湖泊类水质的要求。

4设计体会
（１）速度平衡算法是一种快捷、简便的渗滤设施计算方法。

（２）慎重选择浅草沟的渗滤层材料和加强渗滤层的通风是在工程设计中可采用的重要防堵措施。

（３）浅草沟的设计必须和其他工种相协调，例如浅草沟的外观必须征求景观建筑师的意见；另外浅草沟的设置增加了综合管线布置的难度，必须在设计时加以考虑。