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雨水渗透

雨水渗透系统的定义

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雨水渗透系统是指天然原生态的自然入渗系统被破坏,雨水无法再次回补到地下,人工将落到受雨面上的雨水经处理后,再次回补到地下的一种处理系统。
雨水渗透系统流程一般比较简单,主要包括截污或预处理、渗透设施和溢流设施。渗透设施可以是一种或者多种的组合。

基于水量的规模计算

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水量平衡法

根据水量平衡的原理,雨水渗透设施的有效存储容积为设施服务汇水面所产生的降雨径流量、雨水弃流量以及通过设施底部或侧壁渗入下层土壤的渗透雨水量之间的差值。要使得渗透量达到最大值,一般采用以下几种常用的计算方法:美国Urbonas Ben提出的图解法、德国Geiger提出的经验公式法(以渗透沟为例)和汪慧贞等提出的最大值法。
式中:
 
——设计存储空间;
q——对应于设计重现期的暴雨强度,L/(s·hm²);
 
——设施服务面积的平均径流系数;
A——设施服务面积,hm²;
 
——设施直接承受降雨的面积,hm²;
t——降雨历时,h;
K——土壤渗透系数,m/s;
J——水力坡降
 
——有效渗透面积,m²;
L——渗透沟长,m;
b——渗透沟宽,HI;
h——渗透沟有效高度,m;
S——存储系数,为沟内存储空间与沟的总容积之比;
d——沟内渗透管内径,m;
 
——砾石填料的存储系数。
Geiger经验公式法的具体计算是一个试算过程,以渗透沟为例,先设定b和h值,根据不同降雨历时:求得一系列L值,从中选取最大值,从而最终确定渗透设施的规模。而最大值法是在Urbonas Ben图解法基础上提出的计算方法,先确定渗透设施的长、宽、高,计算出所对应的
  
,并令
  
,解方程得设计存储空间
  
为最大时所对应的降雨历时t,将t代入即可得
  
的值。将
  
  
进行比较,若两者相差较大则需调整长、宽、高重新试算,直至
  
  
相等或前者略大即可。
Urbonas Ben图解法和Geiger经验公式法计算原理一致,都是先确定渗透设施的尺寸,再进行试算。只是它们在参数选择上有所不同,即土壤渗透系数K,分别采用(0.3~0.5)K实和0.5K实;有效渗透面积分别采用(1/2侧面积)和(底面积+1/4侧面积);设计进水量分别为
  
和qtA。汪慧贞等的研究表明,Urbonas Ben图解法的参数更适宜于北京地区使用,同时在此基础上提出了最大值法,它采用数学法快捷、准确地解得最大值,计算过程更为简练。上述三种方法均基于水量平衡,用于保证水质基础上的水量调节。其中图解法以其通用性及较准确性最为常见,《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中渗透设施的设计即采用了这种算法。

估算法

当暴雨强度公式未知时,可根据不同暴雨重现期下的最大日降雨量结合Darcy入渗公式对渗透设施的规模进行估算:
式中
  
——设计重现期下的最大日降雨量,mm;
其他符号含义同前。
若最大日降雨量也未知,则可根据汇水面积及修正系数对渗透设施的面积进行粗略估算:
式中
  
——修正系数,取0.05~0.1;
其他符号含义同前。

基于水质的规模计算

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采用基于水量的方法计算出的渗透设施面积往往偏大,当对雨水渗透量要求不太高时,可采用水质体积(WQV,Water Quality Volume)法进行计算,在满足雨水水质的基础上进行适量渗透。该方法在美国、新西兰和英国均有应用,但在计算过程中需已知污染物随雨水径流的变化过程线,目前在中国相关数据较为缺乏,因此仍处于研究阶段。
式中WQV——水质体积,m³;
其他符号含义同前。
其中,WQV指蓄积并处理服务面积内年平均降雨量90%径流量的雨水所需渗透设施容积,主要是为了使渗透设施达到控制水污染、保证入渗雨水水质的目的所需处理雨水的体积。美国《城市BMP的应用》中规定用下式计算:
式中H——设计雨量,mm;
其他符号含义同前。
《城市BMP的应用》中规定美国东部地区H取25.4 mm(1.0 in);两部地区H取22.9 mm(0.9 in)。我国的降雨特点与美国不同,降雨季节性强,各城市由于地区间差异大,城市降雨特点也不同,因此需根据我国城市降雨特点来分析确定设计雨量。[1] 

优化组合应用

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雨水渗透系统的设计与应用过程中,有时仅采取单一的渗透设施很难达到既能回灌地下、缓解洪涝,又能有效净化雨水水质的效果,需要多种雨水渗透设施或技术进行优化组合,常用的有以下几种:
(1)下凹式绿地一渗透渠。
该工艺是德国典型的雨水渗透技术MR系统(Mulden Rigolen system),如处理效果好,可延缓汇流时间,便于雨水就地处理,且布置灵活,得到广泛应用,主要应用于城市公共建筑及道路附近,该工艺后可接渗透管继续对雨水进行下渗。
(2)初期弃流一渗透井一管道一渗透渠。
具有占地少、渗透量大的特点,在用地较紧张时可采用此工艺。但由于渗透井对雨水水质的要求相对较高,因此对初期弃流措施的污染物去除效果要求较高。
(3)高位花坛一低势绿地一植被浅沟(渗透沟)。
该工艺通常首先通过高位花坛完成屋面雨水的渗透净化,然后与路面雨水一起通过低于路面的绿地、植被浅沟、无砂混凝土渗透沟等渗透没施,最终将净化后的雨水渗入地下。该工艺完全采用生态处理方法对雨水水质进行控制,采用植物及土壤截留雨水中的污染物,处理效果好,同时也可对水量进行控制。
(4)初期弃流一雨水池一渗透渠(渗透池)。
在雨水水质较好时(如某些屋面雨水),可采用该工艺将雨水收集技术与渗透技术进行结合。初期弃流去除初期污染物的雨水进人雨水池收集,部分溢流雨水进入渗透设施进行渗透。 [1] 

存在的主要问题

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渗透设施的堵塞

南于径流雨水中含有各种污染物质,如未经必要的预处理或预处理不够,渗透设施在运行过程中会造成堵塞,堵塞问题严重时甚至可导致雨水渗透设施的失效。
经研究证实,在雨水渗透系统中,堵塞主要来源于悬浮物、污染物、微生物等系统中的沉积物。Siriwardene的一维垂直流试验将渗透介质分为上下两层(0.9 m的砾石层和0.7m的土壤层),通过对雨水渗透设施渗透层的模拟,发现固体颗粒在土壤层与砾石层交界处易发生堵塞,此处大多数颗粒粒径均小于
  
,且以小于
  
的颗粒为主。郑兴等的试验研究结果表明,当渗透设施上层种植有植物时,由于种植层孔隙率小于下层滤床,颗粒污染物可更多地被截留在土壤孔隙内,堵塞首先发生在种植层,因此种植土的选择是防止渗透设施堵塞的关键。可见,不同的雨水渗透系统其发生堵塞的部位不同,需进行系统的理论分析与试验研究,有针对性地对堵塞层采取相应的防堵措施,保障渗透系统的有效性。
不仅堵塞层的结构要进行防堵设计,而且雨水渗透设施本身也应当进行周期性的清理与维护。例如,为了保持设施的水力有效性,多孔铺装中截留的固体通常采用表层清洗技术(如真空水射器)进行清理;低势绿地的设计中则可通过加强滤料层的通风作用来缓解其堵塞,促进渗滤性能的良性恢复。

对地下水的影响

雨水渗透技术是一种低成本的污染控制方法,但对地下水存在潜在威胁。近年来的研究发现,径流雨水中含有不同种类的重金属,可随下渗雨水的移动而发生迁移,最后进入地下水,从而威胁人类的健康与其他生物的繁衍生息,如来自城市工业区的径流雨水中含有大量的氰、砷、汞、铬等有害物质,是地下水污染的主要来源之一,由于其在地下水中难以有效去除而对地下水产生长期影响。美国在制定系列条款对渗透设施的设计标准进行检验时,也特别强调对部分溶解性重金属(如Cu和Zn)的检验。径流雨水中的无机物也会对地下水产生一定的影响,当渗透雨水中含有大量融雪剂时,导致土壤盐化,对地下水产生一定的污染,因此受到广泛关注。另外,雨水中含有的各种难降解有机污染物质如进入地下水环境,也会由于其难降解性及持久性而产生不可逆的环境影响。
因此,在雨水渗透技术中,需设定相应的回灌指标对人渗雨水水质进行限制,如MS4(Mu-nicipal separate storm sewer system)项目禁止污染严重的道路(此处规定大于25 000辆/d的交通量时为污染严重)径流雨水下渗。此外,也可在渗透设施前增加预处理措施,或在渗透设施中填充净化雨水的滤料对水质进行净化处理后再进行下渗。如可在雨水集中收集口设置截污挂篮、初期弃流装置等进行截污;还可在渗透设施中填充滤料,如活性炭、石英砂、无烟煤等净化水质。 [1] 

渗透设施的要求

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透水地面面层的渗透系数均应大于1*0.0001m/s。
根据不 的材料孔隙率不宜小于百分之二十,找平层厚度宜为20-500mm,透水垫层厚度不宜小于150mm,孔隙率不应小于百分之三十。


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