城市道路雨水徑流生態協同處理方案設計研究

聶 昊，梁契宗，史長瑩

(1.黑龍江大學 水利電力學院， 哈爾濱 150080； 2.中山大學 土木工程學院， 廣州 510275)

0 引 言

道路在城市規劃與建設中占有舉足輕重的地位，快速城市化背景下，道路面積不斷增加。目前，我國城市道路占建設用地的比例一般為10%～15%，而部分西方發達國家城市甚至達到30%～40%[1]。因此，為了協調城市發展中人和環境之間的矛盾，如何把握日益增加的道路與城市環境的關系，妥善處理道路建設對環境、水資源等帶來的干擾和影響，成為一個值得認真對待的重大問題。

國外從20世紀60年代便展開了對雨水資源的收集利用工作的相關研究，90年代LID理念的形成[2]與實踐逐步實現了對雨水資源的生態化利用。此外，歐、美、日等國家和地區對于雨水利用工作有嚴格的法律、政策要求。相較于發達國家，我國相關工作開展較晚，從20世紀90年代開始在甘肅等干旱地區開展試點，2013年12月“海綿城市”的概念首次出現在官方文件中[3]。基于政策激勵，生態協同處理的相關研究取得一定成果，在道路雨水徑流處理方面逐步實現了從簡單的“排”到徑流處理與生態功能相協調的“用”的轉變，在一定程度上改善了傳統雨水處理裝置污染、浪費雨水徑流的情況，但現有技術在客觀上仍存在諸如裝置清理難度大、技術方案不成熟、不完善、雨水徑流不夠順暢等問題。此外，在過去，我國水污染防治工作重點針對城市生產和生活污水等點源污染，城市雨水徑流污染治理在我國尚未全面展開，諸多概念和理論還存在爭議，治理經驗和方法也相對不足。而且相關科學及技術問題的研究工作缺乏突破，不能形成較完備的技術理論體系，相關裝置的徑流處理能力和生態功能效果仍有待提高。如王建龍等[4]設計了一種城市道路雨水徑流生態協同處理裝置及方法，實現了雨水徑流中污染物的分級控制以及凈水節水功能。羅鵬等[5]設計了一種地表徑流初雨控制系統，有效控制了初期雨水對地面水體的污染。然而傳統裝置在長時間使用之后，裝置的內部會積累有淤泥等雜質，在定期對其進行清理時，難以有效提高清理的操作效率，容易因清理的不及時導致雨水徑流不夠順暢，不方便工作人員的維護操作。基于此，本文設計一種新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置及方法[6]，以解決上述問題。

1 城市道路雨水徑流生態協同處理裝置設計

城市道路雨水徑流生態協同處理裝置的設計主要圍繞提高裝置的濾污能力、納污能力及排污能力3個方面進行。

1) 濾污能力：通過優化配置，積極尋求較合理的砂、礫石等滲慮材料及其配置模式，保證雨水徑流自然下滲的同時對地表徑流進行過濾清污。

2) 納污能力：集水裝置與滲慮裝置共用協同處理箱，框體內側所設凹槽及滾輪便于收集網框的移動及清理。

3) 排污能力：協同處理箱一側設有螺旋傳送筒及傳送電機，可實現電力傳送，能大大提高工作人員的操作效率。

2 結構設計與使用方法

2.1 結構設計

城市道路雨水徑流生態協同處理裝置結構見圖1。城市道路雨水徑流生態協同處理裝置主體由濾污系統、納污系統、排污系統三部分組成。

圖1 城市道路雨水徑流生態協同處理裝置結構示意圖

濾污系統設有砂濾層和植物，砂濾層的下部分別設有過濾支撐網和礫石層，并在礫石層內部中間位置設置有前后兩側均開設穿孔的引導管，見圖2。

圖2 過濾支撐網與礫石層的結合視圖

納污系統的主體為設在砂濾層一側的協同處理箱。箱體內部下端位置開設收集槽，箱體下端設置排放管，該排放管用于連通收集槽及下述排污系統中的螺旋傳送筒。協同處理箱的內部設置有收集機構，包括框體、過濾板、固定板、連接框、電機、絲桿和收集網框。其中，收集網框(圖3)位于框體的內部，且過濾板固定連接在收集網框的上端面，固定板固定連接在過濾板兩側面(圖4)，連接框固定連接在固定板的下端面，絲桿貫穿在連接框的內部。框體內部兩側位置均開設有滑槽，絲桿與連接框均位于滑槽的內部，絲桿的上端部分插接在框體的內部，且絲桿與框體之間設置有軸承，電機輸出軸與絲桿的一端固定連接(圖5)。

圖3 電機與收集網框的結合視圖

圖4 過濾板與固定板的結合視圖

圖5 絲桿與電機的結合視圖

框體的內部中間位置固定連接有集水框，集水框靠近砂濾層的一側面設置有滲透板，在集水框的前后端位置各設一個收集網框，且收集網框始終不與框體脫離。集水框的內部前后端位置均開設有穿孔，穿孔的內部固定連接有過濾盤。連接框始終不與框體脫離，并呈U形設置，且連接框與框體之間為滑動連接。框體的內部靠近收集網框的位置開設有凹槽，凹槽的內部設置有滾輪，滾輪的一側面突出于框體的內部與收集網框接觸。收集網框的前端面設置有蓋體，蓋體的下端與收集網框之間設置有鉸鏈(圖6)，蓋體與滾輪之間接觸。過濾板的下端面靠近蓋體的位置固定連接有擋板(圖7)，擋板與蓋體的上端一側位置接觸。蓋體的上端面呈弧形設置，整體呈鏤空設置。

圖6 鉸鏈與蓋體的結合視圖

圖7 擋板與滾輪的結合視圖

排污系統主要由蓋板、螺旋傳送筒及傳送電機三部分組成。螺旋傳送筒設于協同處理箱一側，通過排放管與收集槽直接相通。螺旋傳送筒的下端設置有傳送電機，上端設置有蓋板，且蓋板與螺旋傳送筒的上端面之間為密封連接，二者通過螺絲連接。

2.2 使用方法

城市道路雨水徑流生態協同處理裝置在使用時，將裝置與電源連接，道路雨水通過過濾板匯集到協同處理箱的內部。雨水收集在框體內部的收集網框中，雨水通過收集網框和過濾盤能夠進入集水框的內部，之后再通過滲透板進入砂濾層中。水流進入砂濾層部分用于植物吸收，另一部分通過過濾支撐網滲透到礫石層，之后被引導管收集并排出。

需要對裝置內部進行清理時，啟動電機帶動絲桿轉動，之后能夠帶動連接框在滑槽的內部移動，進而能夠帶動過濾板和收集網框上下移動，收集網框向上移動時滾輪能夠與蓋體和收集網框接觸，能夠避免框體與蓋體產生較大摩擦，進而保證收集網框順利地上下移動，在收集網框向上移動到鉸鏈漏出時，蓋體打開，之后便可將收集網框的內部雜質進行清理，能夠避免收集網框內部的堵塞，可較好保證水流的排放順暢性；在收集網框的內部向下移動收回時，打開的蓋體能夠在框體內部空間的擠壓下關閉，滾輪在框體的上端出口處與蓋體接觸，既能夠將蓋體擠壓關閉，也能夠避免蓋體與框體之間產生過大摩擦，能夠方便工作人員的操作，在收集網框完全回到放置槽的內部之后，蓋體的上端一側與擋板接觸，能夠保證蓋體不會向收集網框的內部移動。

打開蓋板，啟動傳送電機帶動螺旋傳送筒內部的螺旋輸送桿轉動，螺旋傳送筒通過排放管與收集槽連通，進而通過螺旋傳送筒將收集槽內部的淤泥傳動至螺旋傳送筒的上端出口處排出，能夠較好實現對裝置內部淤泥的清理工作，大大提高了工作人員的操作效率，保證裝置內雨水流通的順暢性。

3 本方案設計新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置的特色與創新之處

傳統道路雨水徑流處理裝置結構與新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置結構的詳細對比見表1。新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置結構的主要特色與創新之處如下：

表1 傳統道路雨水徑流生態協同處理裝置結構與新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置結構對比

1) 本文設計的新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置具有傳送電機，可以實現收納箱的電力傳送，極大地減輕了維護人員的勞動負擔，提高了工作效率。

2) 本文設計的新型城市道路雨水徑流生態協同處理裝置對砂濾層與礫石層進行優化配置，并利用過濾板和滲透板對雨水進行多重滲濾，極大地提高了裝置對雨水的過濾能力。

4 結 論

本文以城市道路雨水徑流生態協同處理裝置為研究對象，對其收納箱傳送結構及濾污結構進行優化改進。通過對砂濾層與礫石層進行優化配置，利用過濾板和滲透板對雨水進行多重滲濾，極大地提高了裝置對雨水的過濾能力，搭配砂濾層上部植物，實現了對道路徑流的生態利用；協同處理箱的一側設置有螺旋傳送筒和傳送電機，能夠保證收集網框順利地上下移動，在收集網框向上移動到鉸鏈露出時，蓋體打開，便于對收集網框內部雜質進行清理，有效避免了收集網框內部發生堵塞，保證了裝置內積水的順暢排放，大大提高了工作人員的操作效率。本文所做研究為生態城市建設中道路雨水徑流處理提供了新方案，具有較高的生態效益和經濟效益。隨著智慧水利、萬物互聯等新技術、新理念的發展，該裝置將具有更加廣闊的市場前景。