北京城区雨水入渗设施的计算方法
汪慧贞1，李宪法2
（1.北京建筑工程学院给排水教研室，北京100044；2.北京市环境科学研究院，北京100037）
摘 要：城区的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。阐述了城区雨水径流就地入渗的意义，并提出了适合北京地区入渗设施的计算方法和关键参数的确定方法，为雨水径流入渗设计提供了技术依据。
关键词：雨水；径流；入渗设施；计算方法
中图分类号：TU992.02
文献标识码：C
文章编号：1000-4602(2001)11-0037-03
1 概述
北京城区建设近年来发展迅速，不透水地面所占比例由1959年的61%增至目前的77%［1］，导致城区总径流系数增大，径流汇流速度由3～4 h缩短至1～2 h。径流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰历时由20 h左右缩短为约10 h。例如在降雨量和降雨类型相似的条件下，20世纪80年代北京城区的径流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量＞60 mm时，乐家园水文站测得的洪峰流量才达100m3/s，而近年来城区平均降雨量近30 mm时，洪峰流量即达100m3/s以上［2］。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；另一方面却是地下水源因补给不足而枯竭(20世纪80年代地下水年均补给量比70年代减少了2.6×108m3)，从而加重了城市水危机［3］。
雨水径流具有一定的污染性，特别是初期径流。如北京地区屋面初期径流的COD通常为200～1800mg/L(偶尔高达3300mg/L)，SS为400～800mg/L(偶尔高达2000 mg/L)，而且其中酚、石油类含量也超出《北京市地下水人工回灌水质控制标准》。根据北京城区实测数据统计，对降雨量＜10mm的降雨，屋面径流污染物总量的70%以上包含于2mm降雨量的初期径流中。而当降雨量＞15mm时，污染物总量的30%～40%包含于2mm降雨量的初期径流中。为此建议清浊分流，将初期2 mm降雨量所形成的屋面径流分离出来，并加以妥善处置或排入污水管道。
若能采用一定方法，合理地利用雨水作为城市补充水源，对于北京这样的缺水城市具有现实意义。
2 城区雨水径流就地入渗
城区雨水利用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月～9月，因此需要巨大的调节容量。但在旱季，处理及调蓄构筑物大多闲置，故雨水直接利用的可行性、经济性较差。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、地下水位太深或受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、调节气候而遏制城市热岛效应，还可减小径流洪峰流量及洪涝灾害威胁。此外，雨水入渗的另一优越性是能充分利用土壤的净化能力，这对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、减少城市雨洪量、改善城市环境的有效途径。
20世纪60年代起，发达国家就努力开发多种雨水入渗装置，并制定了相应的规章和政策。如德国的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。又如日本于1992年颁布了“第二代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，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。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5 mm/h的速率入渗地下，此地区每年排出的BOD总量可减少50%［4］。并具体提出了各种入渗设施的设置密度和渗透系数变化规律［4］(见表1)。
北京市在1990年—1991年做了草坪高度对入渗量的影响试验［1］，结果见表2，数据表明若草坪低于路面，其入渗量是高于路面时的3～4倍。
总之，雨水入渗已有一些成熟的技术和经验，但在北京市雨水入渗设施中尚未得到推广使用，缺乏设计计算方法及有关参数是其原因之一。
3 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，现讨论多用于城区的渗透管、渠、沟的计算方法。
3.1计算方法
入渗设施有多种计算方法，如图解法、推理法等，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。现以图解法为例。
①设计进水量VT
VT的近似值可据下式计算：
VT＝3600（qT／1000）(C·A+A0)t (1)
式中qT——重现期为T、降雨历时为t的暴雨强度，L/s·hm2
C——平均径流系数
A——设施的服务面积，hm2
A0——设施直接承受降雨的面积，可忽略不计，hm2
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［3 600qT1 000(C·A+A0)t］ (2)
②设计渗透量VP
入渗设施在降雨历时t时段内的渗透量VP可按下式计算：
VP＝K·JAS·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，J＝1
AS——有效渗透面积，m2
具体计算时，渗透系数K要乘以0.3～0.5的安全系数。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) (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。
3.2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。此外，对设计进水量又进行了1.25倍的修正，使其比其他计算方法更为安全、精细。采用此安全算法的原因为：①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；②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；③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。
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：
V＝max［4.5qT(C·A+A0)t-3 600K·AS·t-Δ1-Δ2］ (5)
式中Δ1——初期径流弃流量，m3
Δ2——上游入渗设施的渗透量，m3
3.3 渗透系数K
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10-3～10-4 m/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。
土壤渗透系数可依据经验数据确定，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，故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，也可采用一些简易方法以减少工作量，如矩形土槽注水法等，当然也可使用接近于实际工程情况的渗透管、沟、渠装置以取得更准确的K值。
4 建议
目前，城区雨水渗透利用在我国尚处于起步阶段，应强调选用适合于城区建设具体情况的雨水入渗利用技术，合理设计入渗设施，并结合其他有效措施以充分利用雨水资源，如：
①因屋面材料对屋面径流水质起了至关重要的作用，从雨水利用角度考虑，望能改沥青油毡屋面为瓦制或其他材料屋面以减少屋面径流的污染性，建议在“屋面工程技术规范”修订时增加有关条款。
②为了充分利用自然净化能力及增加雨水入渗量，建议道路高程高于周围绿地高程，以使道路径流进入绿地。
③屋面径流也应尽量引入花坛、绿地，经自然净化、渗透后再进入人工入渗设施。
参考文献：
［1］北京市水利局.北京水旱灾害［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.
［2］颜昌远.北京的水利［M］.北京：科学普及出版社，1997.
［3］颜昌远.水惠京华［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.
［4］Takayuki Hasegawa.Effects of stormwater infiltration facilities in urban areas,sewage works in Japan［M］.Japan:Japan Sewage Works Association,Tokyo,1999.
［5］Urbonas Ben.Stormwater［M］.Englewood Cliffs,N.J.Prentice Hall,1994.
电 话：(010)68322128(O)
E-mail:wanghuizhen@163.net
收稿日期：2001-06-20
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