北京城区雨水人渗设施的研究

汪慧贞 (北京建筑工程学院)
李宪法 (北京市环境科学研究院)

　　摘 要 城区发展造成不透水地面面积增加，随之产生的是地下水补给减少，雨水径流洪峰流量增加，城市防洪压力增大等危害。本文介绍了城区雨水径流就地入渗的意义，适合于北京地区入渗设施的计算方法和关键参数等，为其推广使用提供技术依据。
　　关键词　雨水　径流　入渗设施　计算

　　Abstract： Impermeable land surface increases along with urban area expansion in cities. Hazards such as decrease in grownd water conservation, increase in peak rate of stormwater runoff, strength- ening pressure of protection from flood in cities are following. In this paper the significance of stormwater infiLtration , calculation and the key parameter of infiltration facilities suitable for Bei- jing Urban Area are described in order to supply techincal basis for utilization.
　　KeyWord：Stormwater Runoff Infiltration facility Calculation

0.概述

　　北京城区的水资源由地表水和地下水两部分组成，其中地下水可供水量为26亿m³，约占总可供水量的2／3左右，因此北京地区的地下水源具有重要的战略地位。北京市座落在地下含水层的补给区，因城区发展导致不透水地面增加，地下水的补给量逐年减少。据统计，80年代地下水年均补给量比 60、70年代减少了约2.6m³。[1]而城市发展导致用水量增大，地下水的过量开采使北京市地下水位下降，以东郊为中心形成了一个2000平方公里的漏斗区。而且自1966年以来，北京市地面以每年10— 20mm速度下沉。
　　北京城区建设近年来发展迅速，不透水地面所占比例随之快速增长，由1959年的61％，增至目前的77％。[2]其结果是城区总径流系数增大，径流汇流速度加快，由3—4小时缩短至1—2小时。径流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰历时由20小时左右缩短为约10小时左右。例如在降雨量和降雨类型相似 的条件下，80年代北京城区径流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量大于60mm时，乐家园水文站测得的洪峰流量才达100m³／s，而近年来，城区面平均降雨量近30mm时，所测得洪峰流量即达100m³／s以上。[3]这不仅对城市防洪形成巨大压力，还会造成接纳水体河岸侵蚀和下游城市的洪涝灾害。
　　因此，一方面是使用庞大的人工雨水排放系统(雨水管道、泵站等)将日益增长的雨水径流排出城市，增大汛期的出境水量，造成城市防洪设施建设的一个沉重包袱，另一方面却是地下水源因补给不足而枯竭，从而加重城市水危机。如能合理、充分利用雨水资源，对缓解北京市水资源危机有现实意义。

1. 城区雨水径流就地入渗

1.1 城区雨水就地人渗
　　城区雨水可粗分为直接利用和间接利用。直接利用是将雨水径流收集起来，据用途的不同，使用混凝、沉淀、过滤、消毒等技术对之进行不同程度处理后用于绿化、洗车、道路喷洒、厕所冲洗等。因北京市雨水分布极不均匀，80％以上降雨量集中在6—9月，而用(需)水却多为连续且较稳定的过程，两者的衔接复杂，需要巨大的调节容量。而且在旱季，处理及调蓄构筑物却又多处于闲置状态，因此雨水直接利用的可行性、经济性较差，所以北京市未能推广使用。
　　 城区雨水的间接利用是使用多种措施强化雨水就地入渗，使更多雨水留在城市境内并渗入地下以补充地下水。即使下渗量较小、地下水位太深或地质条件限制，以致下渗雨水不能进入地下含水层，至少可增加浅层土壤的含水量，调节气候，遏制城市热岛效应，还可减小径流洪峰流量及洪涝灾害威协。 此外，雨水人渗的另一优越性是能充分利用土壤的净化能力，对于城区径流导致的面源污染控制有重 要意义，因此强化雨水入渗是增加地下水源、减少城市雨洪、改善城市环境的有效途径。
1.2雨水径流就地入渗的研究和使用
　　60年代起，发达国家就努力开发多种雨水人渗装置，并制订了相应的规章和政策。如德国任何种类的新建小区均需带有雨洪利用设施，否则需交纳雨洪排放设施费和雨洪排放费。又如日本92年颁行了“第二代城市下水总体规划”，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施，对私人住宅虽尚无具体规定，但为鼓励居民使用雨水入渗设施，政府可予以经济补助。日本“降雨蓄存及 渗滤技术协会”经模拟试验得出：在使用合流制雨水管道系统地区，若强化雨水入渗，使降雨量以每小时5mm的速率入渗地下，此地区每年排出的BOD₅总量可减少50％。[4]并具体提出了各种入渗设施渗 透系数变化规律和设置密度，以供设计使用(表1)。

入渗设施的设置密度及堵塞情况[4] 种类
项目 渗井 渗沟 透水地面 设置密度 —20(个/ha) 30—40(m／ha) 200—300(m²/ha) 渗透系数K的变化 0.2K(10年后) 0.5K(10年后) 0.15K(3年后)

注：透水地面经高压水枪冲洗，可基本恢复原状。

　　我国古代的建筑中早已使用了雨水入渗技术，许多老城区利用渗坑、渗井、渗沟使雨水就地下渗。
　　北京市在90年和91年对草坪高度对入渗量的影响作了试验，结果见表2。从表中可看出，若草坪低于路面，其入渗量比高于路面要3—4倍。

表2 草坪地面高度对入渗量的影响[3] 草坪高度 有效入渗量/降雨量(％) 高出路面0.8mm 与路面平 低于路面0.1m—0.2m 降雨量443mm 7.4 12.9 21.6 降雨量494mm 9.1 22.4 36.6

　　总之，雨水入渗已有一些成熟的技术和经验，我国近年来因城市迅速发展，逐渐认识到雨水就地入渗的重要作用和意义，无论是科研部门还是政府机构在这方面均做了许多工作。但在北京市雨水入渗设施尚未得到推广使用，缺乏设计计算方法及有关参数是其原因之一。

2.雨水入渗设施的计算方法及关键参数

　　雨水入渗设施有许多种类，在城区，因用地限制，宜使用埋设于地下的设施。本文仅讨论城区多用的渗透管、渠、沟的计算方法。
2.1 计算方法简介
　　入渗设施有多种计算方法，如图解法、德国Geiger提出的推理法等，但它们均以水量平衡为基础，即设施进水量等于渗透水量与贮存水量之和。所不同的仅是一些参数的选择和处理。本文以图解法 为例。
　　1.设计进水量VT
　　 VT的近似值可据下式计得：
　　　　　 VT＝3600（qT/1000)(C.A+AO)t.........(1)
　　 式中：qT：重现期为T，降雨历时为t的暴雨强度(L／S·ha)
　　　　 C：平均径流系数
　　　　 A：设施的服务面积(ha)
　　　　 AO 设施直接承受降雨的面积，可忽视不计(ha)
　　　　 t：降雨历时(h)
　　 瑞典的Sjoberg和Martensson[5]在大量数据统计的基础上得出了修正系数1.25，认为将式(1)乘上1.25后，VT的计算结果与实际吻合，因此有
　　　　VT＝1.25[3600(qT/1000)(C.A+A0)t]..........(2)
　　 2.设计渗透量Vp
　　 人渗设施在降雨历时t时段内的渗透量Vp可按下式计得：
　　　　　Vp＝K.J·As·3600t............(3)
　　 式中：K：土壤渗透系数(m／s)
　　　　　 J：水力坡度。若地下水位较低，可认为J＝1
　　　　　 As：有效渗透面积(m²)
　　 具体计算时，为安全起见，渗透系数K要乘以0.3—0.5的系数。因渗透沟、管、渠的底面积易堵 塞，底面积不计入有效渗透面积As，且侧面积也仅按其1／2计，这是因为渗透管、沟、渠中水位上下浮 动，取1/2高度水位作为平均水位。
　　3.设计存贮空间V
　　 对某一降雨重现期，入渗设施中应有一定的空间以存贮未能及时渗透的进水量，存贮空间应为设 计进水量与设计渗透量之差的最大值。
　　　　 V＝max[VT—Vp]
　　　　 或V＝max[4.5qT(C.A十A0)t—3600K·As·t]............(4)
　　 具体计算过程是图解加试算，以求得所需渗透管、沟、渠的长、宽、高。
2.2　适宜于北京地区的计算方法
　　入渗设施的多种计算方法虽然原理相同，但安全性、精确性多有差异。图解法中渗透系数乘上安全系数0.3—0.5，有效渗透面积舍去底面积而仅取1/2侧面积，比其它计算方法更偏安全。此外，对设计进水量进行了1.25倍的修正，比较其它计算法又更为精细。
　　北京地区周围多为黄土地带，且目前防风林、绿化隔离带不完整，造成雨水径流水质较差。现代化入渗设施的使用在我国尚属新生事物，管理制度有待完善，管理人员水平有待提高。而入渗设施一旦发生堵塞，要恢复其功能很困难，且往往是事倍功半。出于对新生事物的呵护，建议在北京地区使用偏 安全的图解计算方法。
　　考虑在设计进水量中扣除污染性极强的初期径流部分及上游渗透设施的渗透量，对式(4)作修正 为：
　　　　 V＝max[4.5qT(C·A十A0)t—3600K.As·t—△1一△2]…………(5)
　　式中：A1初期径流弃流量(m³)
　　　　　 A2：上游入渗设施的渗透量(m³)
2.3 关键参数一渗透系数
　　渗透管、沟、渠等多使用渗透性材料如无砂混凝土，打孔PVC管等，它们的渗透系数较大，常为10-3—104m／s，因此入渗设施的总渗透系数实际上取决于土壤的渗透系数。
　　土壤渗透系数有大量经验数据，也可通过室内和现场方法测定。室内测定法所取土样少，代表性差。尤其城区土壤多为经扰动后的回填土，均匀性差，因此建议使用现场测定方法。现场测定K值有 多种方法，如单(双)环注水法，立管注水法等，也可使用一些简易方法以减少工作量，如使用矩形土槽 注水等，当然也可使用接近于实际工作情况的渗透管、沟、渠装置以取得更准确的Ｋ值。

3.结束语

　　北京市政府于2000年颁布了第66号令“北京市节约用水若干规定”，其中有一条为“城镇地区机关、企业、事业单位院内应当建设雨水收集利用的设施，鼓励单位和居民庭院建设雨水利用设施和渗水井。”这对于北京市地区的雨水利用工作是一有力推动。但雨水利用不仅是水利和城建系统的任务，它牵涉到许多部门、政策和规范。如屋面材料对屋面径流水质起了至关重要的作用，从雨水利用角度望能改沥青油毡屋面为瓦制或其它材料屋面以减少屋面径流的污染性，故建设在“屋面工程技术规范”修订时增加有关条款。又如为了充分利用自然净化能力及增加雨水人渗量，建议道路高程高于周围绿地高程，以便道路径流进入绿地。屋面径流也应尽量引入花坛、绿地，经自然净化、渗透后再进入人工人渗设施。这些均需在城市平面和高程规划中体现。
　　目前城区雨水渗透利用在我国尚处于起步阶段，应强调选用适合于我国城镇建设具体情况的雨水入渗利用技术，在保证人民生活和生产安全的前题下，充分利用雨水资源。

参考文献

　　1.颜昌远主编，水惠京华，中国水利水电出版社，1999，P10
　　2.北京市水利局，北京水旱灾害，中国水利水电出版社，1999，P82
　　3.颜昌远主编，北京的水利，科学普及出版社，1997，P275—276，P280
　　4.Takayuki Hasegawa, Effects of Stormwater Infiltration Facilities in Urban Areas，Sewage works in Japan，1999，P60
　　5.Urbonas Ben，Stormwater，Prentice Hall,1994，P233-246

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　　汪慧贞，女，1944年生。1966年毕业于上海同济大学，1981年获工学硕士学位，北京建筑工程学院教授。曾在加拿大British Columbia大学和英国leeds大学任访问学者。主持或参加多项国家、市级 科研项目，发表有关废水生物处理、除磷脱氮技术、节能曝气系统、垃圾填埋场渗沥水处理等论文30余篇。