城市雨水收集利用系統(tǒng)的設(shè)計方法

劉 琨 黃明逸 許文濤 蔣曉宇

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院 南京 210098）

城市雨水收集利用系統(tǒng)的設(shè)計方法

劉 琨 黃明逸 許文濤 蔣曉宇

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院 南京 210098）

參考國內(nèi)外雨水收集利用的現(xiàn)狀，對道路雨水的收集與利用進行了研究，針對南京鼓樓地區(qū)提出了一種新的雨水收集系統(tǒng)。系統(tǒng)由雨水口、果殼過濾器、滲濾井和后期雨水管組成，對道路徑流中的初期雨水量進行分析計算，確定了滲透池的容積，并通過室內(nèi)滲透實驗，檢測初期雨水樣品和處理后樣品水質(zhì)，驗證了設(shè)計的可行性。

雨水口 沉淀池 滲濾井 凈化

城市雨水利用是國內(nèi)外研究的熱點之一，對于消減城市洪峰、保證城區(qū)清潔、綠地灌溉、水景觀用水，改善城市環(huán)境等具有重要意義，特別是隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城市雨水收集利用更加值得重視。道路是城市匯水面的重要組成部分，道路徑流是城市受納水體非點源污染的主要污染源之一。道路徑流中的初期雨水處理是影響道路雨水利用的關(guān)鍵因素。研究表明，道路雨水徑流中的污染物主要有COD、SS、重金屬及石油類物質(zhì)等，初期雨水污染物濃度較高，是制約雨水利用的關(guān)鍵。目前我國城市排水系統(tǒng)主要采用合流制排，即雨水直接進入城市排污網(wǎng)管系統(tǒng)，或者雨污混流直接排入河道，這不僅加大了污水處理難度，造成城市水體污染，更浪費了部分清潔雨水資源。為減緩污水處理廠壓力，削減城市道路積水問題，充分利用寶貴的雨水資源，提出一種新型的道路雨水收集利用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

國外較合理的初期雨水處理方式是通過下凹綠地的凈化作用，將雨水入滲地下，通過土地系統(tǒng)凈化處理，或者初期雨水進污水處理管道，后期直排河道。而國內(nèi)的處理方式多采用初期雨水收集后棄流。結(jié)合國內(nèi)外初期雨水處理的方式，基于源頭減量、就地處理的原則，提出了道路雨水收集利用系統(tǒng)。

1.1 雨水口

道路徑流經(jīng)過雨水篦子的過濾，將垃圾樹葉攔截。在雨水口底部設(shè)有沉淀池，用于沉降道路雨水的大顆粒雜質(zhì)，防止過濾器堵塞。雨水口下部安裝果殼過濾器，花生殼濾料粒徑4～6mm。道路徑流在過濾器中經(jīng)過第一次過濾后流入滲透池。為解決果殼過濾器的使用期限不長的問題，過濾器設(shè)計成抽屜式方便更換安裝。

1.2 滲濾井

滲濾井由現(xiàn)有的滲透池（井）改進，滲透池體積按初期雨水量設(shè)計，形狀設(shè)計為長扁形，有助于入滲補給地下水，減小在人行道上的開挖施工量和對地下各種管線的不良影響。滲濾井通過果殼過濾器與雨水口相連，果殼過濾器出水口處布設(shè)有縱向帶孔管道，增加前期的布水能力，提高滲濾井的運作效率。滲濾井頂部通有檢查井，以防滲濾井堵塞破壞。滲濾井底部呈凹形，方便沉淀物的集中處理。

1.3 后期雨水收集

降雨量較大時，初期雨水達到設(shè)計的收集量，后期雨水在雨水口中高位溢流，由雨水口附近的雨水管統(tǒng)一收集至道路一端的蓄水池，以備更好的利用。

2 初期雨水滲透量計算及滲透池容積的確定

采用極限強度法計算初期雨水滲透量。

設(shè)計流量計算參數(shù)：南京地區(qū)3年重現(xiàn)期降雨i=1.91 mm/min，場地面積30m×9m，集流時間tb=5min，初期雨水h=5mm，初期雨水厚度h降落時間k=h/i=2.62min，全部匯水面積上產(chǎn)生的匯流Qs=ψFi=0.9×30×9×1.74=464.13L/min。

根據(jù)開始降雨到最大面積上產(chǎn)生匯流的時間和退水時間相等的條件，匯流區(qū)內(nèi)初期雨水全部被收集到收集點的時間T=k+tb=2.62+5=7.62min。

圖1 雨水匯流過程圖

tb＞k，得到雨水匯流過程線，如圖1所示。線0-a-b-c表示雨水匯流過程，線0-a-e-T表示初期雨水匯流過程。在k時間內(nèi)達到匯流點的徑流量為a點對應(yīng)的流量Qa，設(shè)降雨強度i條件下，有滲透池存貯τ（min）雨水，0＜τ＜T，有W=W1+W2，式中：W—收集到的雨水總量；W1—初期雨水量；W2—潔凈雨水量。設(shè)初期雨水總量，Wc=（T－k）×Qa，由三角形0-b-tb可知，Qa=243.20L/min，Wc=（7.62-2.62）× 243.20=1216L

綜上，滲透池的容積定為1200L。

3 設(shè)計過程研究

3.1 滲透性分析

南京鼓樓地區(qū)的土壤類型為黃石土、馬干土、青泥條、紅紫土。土壤穩(wěn)定入滲率的分布范圍非常廣（1～679mm/h），其中中等速度以上占主要部分（穩(wěn)定入滲率≥20mm/h），能滿足滲透池排空期要求。

3.2 初期雨水就地處理分析

3.2.1 實驗?zāi)康?/p>

模擬初期雨水通過果殼濾料和砂土濾料過濾實驗，檢測過濾水樣水質(zhì)，探究初期雨水處理效果。

3.2.2 實驗設(shè)備和材料

有機玻璃柱（高度70cm，內(nèi)徑10cm）1個，供水箱1個，燒杯3個，片層狀花生殼（粒徑5～6mm，用水浸泡24h，去除粉塵類細小顆粒物和可溶性物質(zhì)，晾干備用），石英砂（粒徑1～6mm），初期雨水水樣（收集當(dāng)天降雨前5min的雨水）。

3.2.3 實驗方法和步驟

（1）在有機玻璃柱中填充15cm高度的花生果殼濾料。

（2）用一只燒杯裝初期雨水并標(biāo)記1號，將初期雨水水樣倒入供水箱中，供水箱出水管與有機玻璃柱連接，打開止水夾，將水注入玻璃柱中，穩(wěn)定入滲后，取兩只燒杯收集過濾后的水樣，標(biāo)記2號、3號。

（3）倒出玻璃柱中濾料，清洗玻璃柱后，填充50cm高度的砂土濾料。

（4）將3號水樣倒入供水箱，打開止水夾，將3號水樣注入玻璃柱，穩(wěn)定入滲后，用燒杯收集。

（5）對3種水樣水質(zhì)進行常規(guī)檢測。

表1 實驗水質(zhì)狀況表

3.2.4 實驗成果的分析處理

表1為3種水樣的水質(zhì)檢測。1號為初期雨水水樣，2號為果殼過濾后水樣，3號為果殼過濾和砂土過濾后水樣，單位mg/L。

此次試驗中，經(jīng)過果殼的第一次過濾COD的去除率為36.7%，NH4+-N的去除率為37.8%，PO43-的去除率為99.3%。

經(jīng)過滲透池的第二次過濾COD的去除率為72.8%，NH4+-N的去除率為60.2%，PO43-的去除率為99.4%。

兩級過濾對初期雨水中主要的污染物有明顯的處理效果，去除率都在50%以上，特別是對PO43-去除效果明顯，去除率高達90%以上，可見果殼和滲透池對雨水處理效果良好。初期雨水經(jīng)兩次過濾后符合入滲地下水的水質(zhì)要求，就地處理是可行的。

4 系統(tǒng)收集雨水資源的利用與效果

4.1 可提高水資源的利用效率

城市雨水作為一種寶貴的水資源，對其收集和利用一直被人們忽視，這是很可惜的事情。利用該系統(tǒng)收集的雨水資源，可以應(yīng)用于很多方面，比如城市的綠化用水、景觀用水、消防用水、生態(tài)用水等，可大大節(jié)約優(yōu)質(zhì)水的用量，從而提高水資源的利用效率，緩解供用水矛盾。

4.2 避免或防止城市洪澇的發(fā)生

近年來我國城市防洪問題十分突出，各大城市紛紛出現(xiàn)“城中看海”的尷尬景象。一方面是因為城市化的快速發(fā)展改變了下墊面條件，加大了降雨產(chǎn)生的徑流量；另一方面是近幾年極端天氣頻發(fā)，容易形成局地的強降雨。該系統(tǒng)增加了雨水的排泄途徑，增大了儲水空間，這樣就可以對降雨帶來的城市洪水進行分流，削減雨水在排水管網(wǎng)的洪峰，減緩了峰現(xiàn)時間，從而在一定程度上避免或緩解城市洪澇的發(fā)生。

4.3 節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用

該系統(tǒng)的建成可以減少雨水向市政管網(wǎng)的排放、減輕市政管網(wǎng)的壓力，同時減少管理運行費用。

5 結(jié)論

針對南京鼓樓地區(qū)提出了一種新型道路雨水收集、處理和利用系統(tǒng)，并給出了滲漏池容積的確定方法和系統(tǒng)布置原則，通過室內(nèi)試驗驗證了系統(tǒng)的合理性和設(shè)計方法的可行性。同時，對收集后的雨洪資源提出了幾種利用途徑■

（專欄編輯：顧 梅）