汪慧貞 (北京建筑工程學(xué)院)
李憲法 (北京市環(huán)境科學(xué)研究院)

　　摘 要 城區(qū)發(fā)展造成不透水地面面積增加，隨之產(chǎn)生的是地下水補(bǔ)給減少，雨水徑流洪峰流量增加，城市防洪壓力增大等危害。本文介紹了城區(qū)雨水徑流就地入滲的意義，適合于北京地區(qū)入滲設(shè)施的計(jì)算方法和關(guān)鍵參數(shù)等，為其推廣使用提供技術(shù)依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞　雨水　徑流　入滲設(shè)施　計(jì)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

　　北京城區(qū)的水資源由地表水和地下水兩部分組成，其中地下水可供水量為26億m³，約占總可供水量的2／3左右，因此北京地區(qū)的地下水源具有重要的戰(zhàn)略地位。北京市座落在地下含水層的補(bǔ)給區(qū)，因城區(qū)發(fā)展導(dǎo)致不透水地面增加，地下水的補(bǔ)給量逐年減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80年代地下水年均補(bǔ)給量比 60、70年代減少了約2.6m³。[1]而城市發(fā)展導(dǎo)致用水量增大，地下水的過量開采使北京市地下水位下降，以東郊為中心形成了一個(gè)2000平方公里的漏斗區(qū)。而且自1966年以來，北京市地面以每年10— 20mm速度下沉。
　　北京城區(qū)建設(shè)近年來發(fā)展迅速，不透水地面所占比例隨之快速增長(zhǎng)，由1959年的61％，增至目前的77％。[2]其結(jié)果是城區(qū)總徑流系數(shù)增大，徑流匯流速度加快，由3—4小時(shí)縮短至1—2小時(shí)。徑流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰歷時(shí)由20小時(shí)左右縮短為約10小時(shí)左右。例如在降雨量和降雨類型相似 的條件下，80年代北京城區(qū)徑流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量大于60mm時(shí)，樂家園水文站測(cè)得的洪峰流量才達(dá)100m³／s，而近年來，城區(qū)面平均降雨量近30mm時(shí)，所測(cè)得洪峰流量即達(dá)100m³／s以上。[3]這不僅對(duì)城市防洪形成巨大壓力，還會(huì)造成接納水體河岸侵蝕和下游城市的洪澇災(zāi)害。
　　因此，一方面是使用龐大的人工雨水排放系統(tǒng)(雨水管道、泵站等)將日益增長(zhǎng)的雨水徑流排出城市，增大汛期的出境水量，造成城市防洪設(shè)施建設(shè)的一個(gè)沉重包袱，另一方面卻是地下水源因補(bǔ)給不足而枯竭，從而加重城市水危機(jī)。如能合理、充分利用雨水資源，對(duì)緩解北京市水資源危機(jī)有現(xiàn)實(shí)意義。

1. 城區(qū)雨水徑流就地入滲

1.1 城區(qū)雨水就地人滲
　　城區(qū)雨水可粗分為直接利用和間接利用。直接利用是將雨水徑流收集起來，據(jù)用途的不同，使用混凝、沉淀、過濾、消毒等技術(shù)對(duì)之進(jìn)行不同程度處理后用于綠化、洗車、道路噴灑、廁所沖洗等。因北京市雨水分布極不均勻，80％以上降雨量集中在6—9月，而用(需)水卻多為連續(xù)且較穩(wěn)定的過程，兩者的銜接復(fù)雜，需要巨大的調(diào)節(jié)容量。而且在旱季，處理及調(diào)蓄構(gòu)筑物卻又多處于閑置狀態(tài)，因此雨水直接利用的可行性、經(jīng)濟(jì)性較差，所以北京市未能推廣使用。
　　 城區(qū)雨水的間接利用是使用多種措施強(qiáng)化雨水就地入滲，使更多雨水留在城市境內(nèi)并滲入地下以補(bǔ)充地下水。即使下滲量較小、地下水位太深或地質(zhì)條件限制，以致下滲雨水不能進(jìn)入地下含水層，至少可增加淺層土壤的含水量，調(diào)節(jié)氣候，遏制城市熱島效應(yīng)，還可減小徑流洪峰流量及洪澇災(zāi)害威協(xié)。 此外，雨水人滲的另一優(yōu)越性是能充分利用土壤的凈化能力，對(duì)于城區(qū)徑流導(dǎo)致的面源污染控制有重 要意義，因此強(qiáng)化雨水入滲是增加地下水源、減少城市雨洪、改善城市環(huán)境的有效途徑。
1.2雨水徑流就地入滲的研究和使用
　　60年代起，發(fā)達(dá)國(guó)家就努力開發(fā)多種雨水人滲裝置，并制訂了相應(yīng)的規(guī)章和政策。如德國(guó)任何種類的新建小區(qū)均需帶有雨洪利用設(shè)施，否則需交納雨洪排放設(shè)施費(fèi)和雨洪排放費(fèi)。又如日本92年頒行了“第二代城市下水總體規(guī)劃”，要求新建和改建的大型公共建筑群必須設(shè)置雨水就地下滲設(shè)施，對(duì)私人住宅雖尚無具體規(guī)定，但為鼓勵(lì)居民使用雨水入滲設(shè)施，政府可予以經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助。日本“降雨蓄存及 滲濾技術(shù)協(xié)會(huì)”經(jīng)模擬試驗(yàn)得出：在使用合流制雨水管道系統(tǒng)地區(qū)，若強(qiáng)化雨水入滲，使降雨量以每小時(shí)5mm的速率入滲地下，此地區(qū)每年排出的BOD₅總量可減少50％。[4]并具體提出了各種入滲設(shè)施滲 透系數(shù)變化規(guī)律和設(shè)置密度，以供設(shè)計(jì)使用(表1)。

入滲設(shè)施的設(shè)置密度及堵塞情況[4] 種類
項(xiàng)目 滲井 滲溝 透水地面 設(shè)置密度 —20(個(gè)/ha) 30—40(m／ha) 200—300(m²/ha) 滲透系數(shù)K的變化 0.2K(10年后) 0.5K(10年后) 0.15K(3年后)

注：透水地面經(jīng)高壓水槍沖洗，可基本恢復(fù)原狀。

　　我國(guó)古代的建筑中早已使用了雨水入滲技術(shù)，許多老城區(qū)利用滲坑、滲井、滲溝使雨水就地下滲。
　　北京市在90年和91年對(duì)草坪高度對(duì)入滲量的影響作了試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表中可看出，若草坪低于路面，其入滲量比高于路面要3—4倍。

表2 草坪地面高度對(duì)入滲量的影響[3] 草坪高度 有效入滲量/降雨量(％) 高出路面0.8mm 與路面平 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

　　總之，雨水入滲已有一些成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)近年來因城市迅速發(fā)展，逐漸認(rèn)識(shí)到雨水就地入滲的重要作用和意義，無論是科研部門還是政府機(jī)構(gòu)在這方面均做了許多工作。但在北京市雨水入滲設(shè)施尚未得到推廣使用，缺乏設(shè)計(jì)計(jì)算方法及有關(guān)參數(shù)是其原因之一。

2.雨水入滲設(shè)施的計(jì)算方法及關(guān)鍵參數(shù)

　　雨水入滲設(shè)施有許多種類，在城區(qū)，因用地限制，宜使用埋設(shè)于地下的設(shè)施。本文僅討論城區(qū)多用的滲透管、渠、溝的計(jì)算方法。
2.1 計(jì)算方法簡(jiǎn)介
　　入滲設(shè)施有多種計(jì)算方法，如圖解法、德國(guó)Geiger提出的推理法等，但它們均以水量平衡為基礎(chǔ)，即設(shè)施進(jìn)水量等于滲透水量與貯存水量之和。所不同的僅是一些參數(shù)的選擇和處理。本文以圖解法 為例。
　　1.設(shè)計(jì)進(jìn)水量VT
　　 VT的近似值可據(jù)下式計(jì)得：
　　　　　 VT＝3600（qT/1000)(C.A+AO)t.........(1)
　　 式中：qT：重現(xiàn)期為T，降雨歷時(shí)為t的暴雨強(qiáng)度(L／S·ha)
　　　　 C：平均徑流系數(shù)
　　　　 A：設(shè)施的服務(wù)面積(ha)
　　　　 AO 設(shè)施直接承受降雨的面積，可忽視不計(jì)(ha)
　　　　 t：降雨歷時(shí)(h)
　　 瑞典的Sjoberg和Martensson[5]在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得出了修正系數(shù)1.25，認(rèn)為將式(1)乘上1.25后，VT的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際吻合，因此有
　　　　VT＝1.25[3600(qT/1000)(C.A+A0)t]..........(2)
　　 2.設(shè)計(jì)滲透量Vp
　　 人滲設(shè)施在降雨歷時(shí)t時(shí)段內(nèi)的滲透量Vp可按下式計(jì)得：
　　　　　Vp＝K.J·As·3600t............(3)
　　 式中：K：土壤滲透系數(shù)(m／s)
　　　　　 J：水力坡度。若地下水位較低，可認(rèn)為J＝1
　　　　　 As：有效滲透面積(m²)
　　 具體計(jì)算時(shí)，為安全起見，滲透系數(shù)K要乘以0.3—0.5的系數(shù)。因滲透溝、管、渠的底面積易堵 塞，底面積不計(jì)入有效滲透面積As，且側(cè)面積也僅按其1／2計(jì)，這是因?yàn)闈B透管、溝、渠中水位上下浮 動(dòng)，取1/2高度水位作為平均水位。
　　3.設(shè)計(jì)存貯空間V
　　 對(duì)某一降雨重現(xiàn)期，入滲設(shè)施中應(yīng)有一定的空間以存貯未能及時(shí)滲透的進(jìn)水量，存貯空間應(yīng)為設(shè) 計(jì)進(jìn)水量與設(shè)計(jì)滲透量之差的最大值。
　　　　 V＝max[VT—Vp]
　　　　 或V＝max[4.5qT(C.A十A0)t—3600K·As·t]............(4)
　　 具體計(jì)算過程是圖解加試算，以求得所需滲透管、溝、渠的長(zhǎng)、寬、高。
2.2　適宜于北京地區(qū)的計(jì)算方法
　　入滲設(shè)施的多種計(jì)算方法雖然原理相同，但安全性、精確性多有差異。圖解法中滲透系數(shù)乘上安全系數(shù)0.3—0.5，有效滲透面積舍去底面積而僅取1/2側(cè)面積，比其它計(jì)算方法更偏安全。此外，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)水量進(jìn)行了1.25倍的修正，比較其它計(jì)算法又更為精細(xì)。
　　北京地區(qū)周圍多為黃土地帶，且目前防風(fēng)林、綠化隔離帶不完整，造成雨水徑流水質(zhì)較差。現(xiàn)代化入滲設(shè)施的使用在我國(guó)尚屬新生事物，管理制度有待完善，管理人員水平有待提高。而入滲設(shè)施一旦發(fā)生堵塞，要恢復(fù)其功能很困難，且往往是事倍功半。出于對(duì)新生事物的呵護(hù)，建議在北京地區(qū)使用偏 安全的圖解計(jì)算方法。
　　考慮在設(shè)計(jì)進(jìn)水量中扣除污染性極強(qiáng)的初期徑流部分及上游滲透設(shè)施的滲透量，對(duì)式(4)作修正 為：
　　　　 V＝max[4.5qT(C·A十A0)t—3600K.As·t—△1一△2]…………(5)
　　式中：A1初期徑流棄流量(m³)
　　　　　 A2：上游入滲設(shè)施的滲透量(m³)
2.3 關(guān)鍵參數(shù)一滲透系數(shù)
　　滲透管、溝、渠等多使用滲透性材料如無砂混凝土，打孔PVC管等，它們的滲透系數(shù)較大，常為10-3—104m／s，因此入滲設(shè)施的總滲透系數(shù)實(shí)際上取決于土壤的滲透系數(shù)。
　　土壤滲透系數(shù)有大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)方法測(cè)定。室內(nèi)測(cè)定法所取土樣少，代表性差。尤其城區(qū)土壤多為經(jīng)擾動(dòng)后的回填土，均勻性差，因此建議使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定K值有 多種方法，如單(雙)環(huán)注水法，立管注水法等，也可使用一些簡(jiǎn)易方法以減少工作量，如使用矩形土槽 注水等，當(dāng)然也可使用接近于實(shí)際工作情況的滲透管、溝、渠裝置以取得更準(zhǔn)確的Ｋ值。

3.結(jié)束語

　　北京市政府于2000年頒布了第66號(hào)令“北京市節(jié)約用水若干規(guī)定”，其中有一條為“城鎮(zhèn)地區(qū)機(jī)關(guān)、企業(yè)、事業(yè)單位院內(nèi)應(yīng)當(dāng)建設(shè)雨水收集利用的設(shè)施，鼓勵(lì)單位和居民庭院建設(shè)雨水利用設(shè)施和滲水井。”這對(duì)于北京市地區(qū)的雨水利用工作是一有力推動(dòng)。但雨水利用不僅是水利和城建系統(tǒng)的任務(wù)，它牽涉到許多部門、政策和規(guī)范。如屋面材料對(duì)屋面徑流水質(zhì)起了至關(guān)重要的作用，從雨水利用角度望能改瀝青油氈屋面為瓦制或其它材料屋面以減少屋面徑流的污染性，故建設(shè)在“屋面工程技術(shù)規(guī)范”修訂時(shí)增加有關(guān)條款。又如為了充分利用自然凈化能力及增加雨水人滲量，建議道路高程高于周圍綠地高程，以便道路徑流進(jìn)入綠地。屋面徑流也應(yīng)盡量引入花壇、綠地，經(jīng)自然凈化、滲透后再進(jìn)入人工人滲設(shè)施。這些均需在城市平面和高程規(guī)劃中體現(xiàn)。
　　目前城區(qū)雨水滲透利用在我國(guó)尚處于起步階段，應(yīng)強(qiáng)調(diào)選用適合于我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)具體情況的雨水入滲利用技術(shù)，在保證人民生活和生產(chǎn)安全的前題下，充分利用雨水資源。

參考文獻(xiàn)

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　　汪慧貞，女，1944年生。1966年畢業(yè)于上海同濟(jì)大學(xué)，1981年獲工學(xué)碩士學(xué)位，北京建筑工程學(xué)院教授。曾在加拿大British Columbia大學(xué)和英國(guó)leeds大學(xué)任訪問學(xué)者。主持或參加多項(xiàng)國(guó)家、市級(jí) 科研項(xiàng)目，發(fā)表有關(guān)廢水生物處理、除磷脫氮技術(shù)、節(jié)能曝氣系統(tǒng)、垃圾填埋場(chǎng)滲瀝水處理等論文30余篇。