雨水涵養(yǎng)利用與初雨水的凈化
1美國雨水排水與初雨水凈化
筆者于2005年2月考察了美國北部城市安阿堡及其周邊城鎮(zhèn)。安阿堡在美國最適宜居住城市中名列第六，是一個非常美麗和諧的城市，水資源并不缺乏，也不限制用水，居民似乎沒有節(jié)水意識，但雨水涵養(yǎng)和初雨水凈化非常先進和完備，其精密、自然和完美令人耳目一新。
1．1屋面排水
美國建筑沒有散水，屋面雨水全部通過雨水管首先排人地下涵養(yǎng)，涵養(yǎng)飽和后才組織排放。涵養(yǎng)方式有3種：1)滲透好的土壤，主要是沙質(zhì)土和腐殖質(zhì)土，直接排人土壤涵養(yǎng)；2)滲透一般的土壤，主要是腐殖質(zhì)土等，沿建筑外墻開挖溝槽，回填木屑、碎石、腐殖質(zhì)土等，種植花樹；3)市中心建筑密集，硬覆蓋多，沿建筑外墻開挖約1．5m×2m的溝槽，回填碎石等，形成地下儲水結(jié)構(gòu)，地上部分建筑花壇，種植花木。
1．2綠地排水
美國的建筑風格與中國的不同，一般不形成中國式的庭院和街坊。美國郊區(qū)建筑問距大，單體建筑一般掩映在綠地和樹林叢中。市中心建筑密集，建筑寬大，街道以建筑建設(shè)，建筑沿街道建設(shè)。面積較大的綠地，修建人工池塘和人工湖，雨水漫流入湖，集中徑流人湖口鋪砌卵石。湖塘不防滲漏，起向地下補水、調(diào)節(jié)水量、自然沉淀的作用。湖邊設(shè)溢流井或溢流口，雨水經(jīng)綠地涵養(yǎng)后進入湖塘調(diào)節(jié)和沉淀，雨量大時，通過溢流和管道排放。面積較小的綠地向中間找坡，低處設(shè)滲井，雨水經(jīng)綠地涵養(yǎng)后漫流到滲井，然后通過管道排放。一般面積的綠地，中間修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時問較短時，底部植草綠化。洼地設(shè)滲透溢流井，井周圍設(shè)人工濾層，雨量小時，滲至地下；洼地水位升高，雨水經(jīng)滲透過濾后通過管道排放；升高到一定水位(一般為1～2ITI)，雨水溢流排放。
1．3道路和硬覆蓋排水
美國的獨立人行道、綠地路徑、高速公路、鄉(xiāng)間公路、郊區(qū)支路均不設(shè)路牙，路面高出綠地，雨水直接漫流到綠地。部分郊區(qū)干道一側(cè)設(shè)人行道，另一側(cè)不設(shè)人行道和路牙，雨水通過無路牙一側(cè)直接漫流到綠地。部分郊區(qū)干道兩側(cè)設(shè)人行道和路牙，雨水分段通過雨水口和管道排人綠地洼地和湖塘，有時在路邊修建人工池塘，涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)雨水，凈化初雨水。美國停車場高度發(fā)達，硬覆蓋平整，面積較大。硬覆蓋雨水通過雨水口和管道排人綠地洼地和湖塘。市中心以街道管道排水為主。
1．4區(qū)域排水
美國中小城鎮(zhèn)人口密度小，面積大，城鎮(zhèn)化程度高，如果全部采用管道輸送排放雨水，雨水管道長，峰值流量大，雨水排水設(shè)施的投資非常巨大。具體做法是：首先考慮土壤涵養(yǎng)，最大限度地涵養(yǎng)雨水；其次，在保證市政安全的情況下盡量采用地面徑流；第三，千方百計地利用自然條件和人工設(shè)施調(diào)節(jié)水量，削減峰值，除前端的洼地、湖塘調(diào)節(jié)外，管道匯集后盡量利用自然條件設(shè)置湖塘和人工設(shè)施，多次調(diào)節(jié)，大幅度地消減峰值，大大降低了系統(tǒng)造價。
1．5初雨水凈化
初雨水凈化的途徑主要有4種：土壤涵養(yǎng)凈化、自然沉淀、植物凈化、滲透過濾？傊，美國初雨水凈化主要依靠自然凈化，除簡單實用的滲透溢流井外，沒有專門的人工設(shè)施，方法簡單，投資少，效果非常突出。
1．6排水系統(tǒng)的特點
1)土壤涵養(yǎng)，最大限度地涵養(yǎng)雨水；2)盡量采用地面徑流，大大減少雨水管道長度；3)利用自然條件和人工設(shè)施，多次調(diào)節(jié)，大幅度地消減峰值，大大降低了系統(tǒng)造價；4)利用自然凈化，徹底凈化初雨水；5)雨水直接利用少，除涵養(yǎng)和補充地下水外，很少直接利用雨水。美國的水資源并不缺乏，其出發(fā)點主要是涵養(yǎng)雨水、凈化初雨水和減低系統(tǒng)造價，系統(tǒng)非常先進和完善，值得我們借鑒。
2中國雨水涵養(yǎng)利用系統(tǒng)
中國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》的著眼點是排除雨水，沒有考慮雨水利用。國家雖大力提倡雨水利用，但目前的雨水利用僅限于直接利用水池、池塘、薄膜防水結(jié)構(gòu)收集儲存雨水，投資大，水量小，實效差。美國的經(jīng)驗表明，雨水涵養(yǎng)利用可以提高雨水利用水平，發(fā)揮利用雨水、涵養(yǎng)地下水、初雨水凈化等多方面作用，還可以減少雨水排水系統(tǒng)的造價。在借鑒美國經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，作者設(shè)計了適合中國國情的雨水涵養(yǎng)利用系統(tǒng)(圖1)，具體做法是：雨水首先盡可能地進入地表土壤涵養(yǎng)層涵養(yǎng)儲存。涵養(yǎng)飽和后多余的雨水經(jīng)過地面徑流和洼地、湖塘等調(diào)節(jié)，然后通過管道排放。涵養(yǎng)水一部分補充地下水，一部分通過滲渠和大口井取水利用。實踐證明：該系統(tǒng)方法簡單易行，雨水利用量大，效果好，值得推廣應(yīng)用。
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2．1面排水與涵養(yǎng)屋面雨水首先盡可能地進入土壤涵養(yǎng)和人工涵養(yǎng)結(jié)構(gòu)進行涵養(yǎng)、儲存、調(diào)節(jié)、凈化，多余雨水溢流到綠地或道路、硬覆蓋排水系統(tǒng)。屋面雨水涵養(yǎng)包括直接涵養(yǎng)、溝槽涵養(yǎng)、花池涵養(yǎng)和徑流涵養(yǎng)等基本形式，如圖2所示。
2．1．1直接涵養(yǎng)
屋面雨水管直接通人私家花園或庭院綠地土壤中，雨水管距地面O．4～0．9ITI處設(shè)溢流口，以便飽和后溢流和清通管道。直接涵養(yǎng)適合土壤滲透性較好的情況。
2．1．2溝槽涵養(yǎng)沿建筑外墻開挖溝槽，屋面雨水排水管通人溝槽之中，溝槽中下部回填沙石、木屑等，上部覆蓋種植土，種植樹木花草。雨水管距地面O．4～0．9ITI處設(shè)溢流口。溝槽涵養(yǎng)適于土壤滲透性一般或較差的情況，也可用于滲透性較好的土壤，以便增大雨水涵養(yǎng)量。
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2．1．3花池涵養(yǎng)在溝槽涵養(yǎng)的基礎(chǔ)上，地面上修建帶狀花壇，花壇底部與溝槽連通。花池涵養(yǎng)適于城市中心建筑密集區(qū)、廣場和停車場等硬覆蓋與建筑相連的情況。
2．1．4徑流涵養(yǎng)屋面雨水直接排入庭院綠地，通過地面徑流，滲入土壤涵養(yǎng)。徑流涵養(yǎng)適于土壤滲透性好的情況。
2．2．1滲井涵養(yǎng)適于面積較小的綠地。綠地向中間找坡，低處設(shè)滲井，雨水經(jīng)綠地涵養(yǎng)后漫流到滲井，溢流后通過管道排放。
2．2．2洼地涵養(yǎng)適于一般面積的綠地。在綠地中間利用自然條件或修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時間較短時，底部植草綠化。洼地設(shè)滲透溢流井，井周圍設(shè)人工濾層。
2．2綠地排水與涵養(yǎng)綠地雨水首先盡可能地進入土壤涵養(yǎng)，地面徑流盡可能利用自然條件、水景設(shè)施和半人工結(jié)構(gòu)進行涵養(yǎng)、儲存、調(diào)節(jié)、凈化，多余雨水溢流排水。綠地雨水涵養(yǎng)包括滲井涵養(yǎng)、洼地涵養(yǎng)、湖塘涵養(yǎng)等基本形式，如圖3所示。
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2．2．1滲井涵養(yǎng)適于面積較小的綠地。綠地向中間找坡，低處設(shè)滲井，雨水經(jīng)綠地涵養(yǎng)漫流到滲井，溢流后通過管道排放。2．2．2洼地涵養(yǎng)適于一般面積的綠地。在綠地中間利用自然條件或修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時間較短時，底部植草綠化。洼地設(shè)滲透溢流井，井周圍設(shè)人工濾層，雨量小時，滲至地下；洼地水位高于設(shè)計溢流水位(一般為1—2m)時，通過溢流和管道排放；洼地水位低于設(shè)計溢流水位時，經(jīng)過人工濾層和滲井，通過管道排放。
2．2．3湖塘涵養(yǎng)適于面積較大的綠地，或有天然湖塘、人工水景湖的情況。雨水主要漫流入湖，形成溪流時入湖口鋪砌卵石，湖塘不防水，設(shè)溢流井，溢流井設(shè)雨水和洪水2級溢流。雨水經(jīng)綠地涵養(yǎng)后進人湖塘調(diào)節(jié)和沉淀，雨量大時，通過溢流和管道排放。庭院一般采用滲井涵養(yǎng)和洼地涵養(yǎng)，有時也可以徑流到道路雨水口。
2．3道路、硬覆蓋排水與涵養(yǎng)道路和硬覆蓋雨水首先盡可能地進人土壤涵養(yǎng)和人工涵養(yǎng)結(jié)構(gòu)進行涵養(yǎng)、儲存、調(diào)節(jié)、凈化，多余雨水溢流排放。道路和硬覆蓋雨水涵養(yǎng)有路邊滲井涵養(yǎng)、邊池涵養(yǎng)、邊溝涵養(yǎng)、轉(zhuǎn)移涵養(yǎng)等基本形式，如圖4所示。
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2．3．1路邊滲井涵養(yǎng)適于設(shè)有綠化帶的城市道路雨水涵養(yǎng)和排水。雨水排水干管鋪設(shè)于綠化帶下，按滲井的要求建設(shè)檢查井，除發(fā)揮檢查井的功2．4區(qū)域連接各單元雨水進入管道輸送后應(yīng)盡量利用自然條件(如洼地、湖塘、水景湖等)，進行進一步涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)，以最大限度地涵養(yǎng)雨水，削減峰值流量，減少管道造價。其基本做法如圖5所示。
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2．5雨水涵養(yǎng)
雨水進入地表涵養(yǎng)層后，一部分向外徑流，一部分補充深層地下水，一部分涵養(yǎng)在本區(qū)域內(nèi)。前兩者是間接利用，后者可以直接利用，這些可以直接利用的涵養(yǎng)水及其結(jié)構(gòu)稱之為地表涵養(yǎng)水庫。為了提高雨水利用量，必須提高地表涵養(yǎng)水庫的涵養(yǎng)能力，其主要途徑如下：
1)合理規(guī)劃勘察地表土層、表層水的徑流走向、地形等，摸清區(qū)域地表層水脈，確立地表涵養(yǎng)水匯聚點，合理布置和規(guī)劃地表涵養(yǎng)水庫，最大限度地利用地理資源。
2)土壤涵養(yǎng)土壤尤其是種植土，是地表水庫的載體和物質(zhì)基礎(chǔ)。表層土壤孔隙發(fā)達，毛細孔豐富，生長著大量微生物。孔隙可以儲存水，毛細孔具有吸附和緩釋水的作用。微生物可以分解有機物，也是物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，微生物分解和土壤吸附起著凈化水質(zhì)的作用。利用覆土綠化可以增加地表涵養(yǎng)水庫的涵養(yǎng)能力。
3)植物涵養(yǎng)植被可以有效地減少水分從地面蒸發(fā)，植被越茂盛，涵養(yǎng)水越豐富；植被越高大，根系越發(fā)達，涵養(yǎng)水的能力越強，一棵十年生喬木，可以涵養(yǎng)水5m以上。
4)物理阻截利用地下建筑等阻截涵養(yǎng)水向外徑流；向外徑流量較大的斷面，可修建地下暗壩。
5)水力截留在涵養(yǎng)水徑流下游邊界修建滲渠和大口井，設(shè)立取水口，降低水位，不僅可以有效地阻止地表涵養(yǎng)水庫水向外徑流，還可以使一定數(shù)量的區(qū)外水流向區(qū)內(nèi)。
2．6涵養(yǎng)水的利用
涵養(yǎng)水的水質(zhì)好，可以被廣泛利用。主要利用方式有：1)湖塘直接取水利用，適于用水量較小、間斷用水和臨時用水；2)滲渠取水利用，適于向外徑流斷面取水；3)大口井取水利用，適于水脈匯集地點取水。
2．7初雨水凈化
初雨水淋洗空氣和沖刷地面，含有大量污染物，是水環(huán)境的重要污染源之一，城鎮(zhèn)初雨水凈化也是水環(huán)境保護的重要課題。目前，我國初雨水凈化尚屬空白。本研究中設(shè)計的雨水涵養(yǎng)系統(tǒng)是非常簡單、實用、穩(wěn)定、經(jīng)濟的初雨水凈化方法。凈化過程主要有：1)土壤涵養(yǎng)凈化，通過土壤的過濾、吸附和生物降解作用，凈化初雨水；2)植物凈化，通過植物生長，吸收去除污染物；3)自然沉淀，通過洼地和湖塘自然沉淀，去除懸浮物和部分其它初雨水污染物；4)滲透過濾，通過滲井的滲透過濾作用去除污染物。
3管道排水量分析
雨水排水管道造價的主要影響因素是管道長度和排水量。雨水排水管道的長度與排水區(qū)域的特點有關(guān)，雨水涵養(yǎng)系統(tǒng)大大減少了管道長度，降低了管道造價。對較大規(guī)模的住宅小區(qū)，雨水涵養(yǎng)系統(tǒng)與普通雨水排水系統(tǒng)相比，可以減少管道長度30%一60%。排水量直接決定管徑的大小，從而決定管道造價。排水量可以由下式計算：由于涵養(yǎng)，徑流系數(shù)緲減少到0．4以下，比不涵養(yǎng)的徑流系數(shù)減少40%一50%；地面徑流時間t比不涵養(yǎng)的增加50%一150%；涵養(yǎng)后的排水量比不涵養(yǎng)的普通系統(tǒng)減少45%一70%。2)當起始管段的起始點不同時，不涵養(yǎng)的普通系統(tǒng)需要通過管道輸送到涵養(yǎng)系統(tǒng)的管道起始點，此時流量關(guān)系式為涵養(yǎng)系統(tǒng)與不涵養(yǎng)系統(tǒng)徑流系數(shù)的關(guān)系、地面徑流時間t的關(guān)系均與情況1)類似；管道徑流時間t大致相等；涵養(yǎng)后的排水量比不涵養(yǎng)的普通系統(tǒng)減少34%一60%。4)當下游管段的管道長度不相同時，流量關(guān)系式與情況3)相同；涵養(yǎng)系統(tǒng)徑流系數(shù)的關(guān)系、地面徑流時間的關(guān)系均與情況2)類似；普通系統(tǒng)的管道徑流時間大于涵養(yǎng)系統(tǒng)；涵養(yǎng)后的排水量比不涵養(yǎng)的普通系統(tǒng)減少30%一60%？傊，涵養(yǎng)系統(tǒng)的管道排水流量遠遠小于普通系統(tǒng)，大大減少了管徑，節(jié)省管道造價。
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