北京城區雨水入滲設施的計算方法
汪慧貞1，李憲法2
（1.北京建筑工程學院給排水教研室，北京100044；2.北京市環境科學研究院，北京100037）
摘 要：城區的發展造成不透水地面面積增加，隨之產生的是地下水補給減少，雨水徑流洪峰流量增加，城市防洪壓力增大等危害。闡述了城區雨水徑流就地入滲的意義，并提出了適合北京地區入滲設施的計算方法和關鍵參數的確定方法，為雨水徑流入滲設計提供了技術依據。
關鍵詞：雨水；徑流；入滲設施；計算方法
中圖分類號：TU992.02
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)11-0037-03
1 概述
北京城區建設近年來發展迅速，不透水地面所占比例由1959年的61%增至目前的77%［1］，導致城區總徑流系數增大，徑流匯流速度由3～4 h縮短至1～2 h。徑流洪峰量增加，峰形尖瘦，洪峰歷時由20 h左右縮短為約10 h。例如在降雨量和降雨類型相似的條件下，20世紀80年代北京城區的徑流洪峰流量是50年代的2倍。又如70年代前，北京市降雨量＞60 mm時，樂家園水文站測得的洪峰流量才達100m3/s，而近年來城區平均降雨量近30 mm時，洪峰流量即達100m3/s以上［2］。這不僅對城市防洪形成巨大壓力，還會造成接納水體河岸侵蝕和下游城市的洪澇災害。
因此，一方面是使用龐大的人工雨水排放系統(雨水管道、泵站等)將日益增長的雨水徑流排出城市，增大汛期的出境水量；另一方面卻是地下水源因補給不足而枯竭(20世紀80年代地下水年均補給量比70年代減少了2.6×108m3)，從而加重了城市水危機［3］。
雨水徑流具有一定的污染性，特別是初期徑流。如北京地區屋面初期徑流的COD通常為200～1800mg/L(偶爾高達3300mg/L)，SS為400～800mg/L(偶爾高達2000 mg/L)，而且其中酚、石油類含量也超出《北京市地下水人工回灌水質控制標準》。根據北京城區實測數據統計，對降雨量＜10mm的降雨，屋面徑流污染物總量的70%以上包含于2mm降雨量的初期徑流中。而當降雨量＞15mm時，污染物總量的30%～40%包含于2mm降雨量的初期徑流中。為此建議清濁分流，將初期2 mm降雨量所形成的屋面徑流分離出來，并加以妥善處置或排入污水管道。
若能采用一定方法，合理地利用雨水作為城市補充水源，對于北京這樣的缺水城市具有現實意義。
2 城區雨水徑流就地入滲
城區雨水利用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，據用途的不同進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月～9月，因此需要巨大的調節容量。但在旱季，處理及調蓄構筑物大多閑置，故雨水直接利用的可行性、經濟性較差。間接利用是使用多種措施強化雨水就地入滲，使更多雨水留在城市境內并滲入地下以補充地下水。即使下滲量較小、地下水位太深或受地質條件限制以致下滲雨水不能進入地下含水層，至少可增加淺層土壤的含水量、調節氣候而遏制城市熱島效應，還可減小徑流洪峰流量及洪澇災害威脅。此外，雨水入滲的另一優越性是能充分利用土壤的凈化能力，這對城區徑流導致的面源污染控制有重要意義。因此，強化雨水入滲是增加地下水源、減少城市雨洪量、改善城市環境的有效途徑。
20世紀60年代起，發達國家就努力開發多種雨水入滲裝置，并制定了相應的規章和政策。如德國的任何種類的新建小區均需帶有雨洪利用設施，否則需交納雨洪排放設施費和雨洪排放費。又如日本于1992年頒布了“第二代城市下水總體規劃”，正式將雨水滲溝、滲塘及透水地面作為城市總體規劃的組成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必須設置雨水就地下滲設施。日本“降雨蓄存及滲濾技術協會”經模擬試驗得出：在使用合流制雨水管道系統地區，若強化雨水入滲，使降雨量以5 mm/h的速率入滲地下，此地區每年排出的BOD總量可減少50%［4］。并具體提出了各種入滲設施的設置密度和滲透系數變化規律［4］(見表1)。
北京市在1990年—1991年做了草坪高度對入滲量的影響試驗［1］，結果見表2，數據表明若草坪低于路面，其入滲量是高于路面時的3～4倍。
總之，雨水入滲已有一些成熟的技術和經驗，但在北京市雨水入滲設施中尚未得到推廣使用，缺乏設計計算方法及有關參數是其原因之一。
3 雨水入滲設施的計算方法及關鍵參數
雨水入滲設施有許多種類，現討論多用于城區的滲透管、渠、溝的計算方法。
3.1計算方法
入滲設施有多種計算方法，如圖解法、推理法等，它們均以水量平衡為基礎，即設施進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的選擇和處理。現以圖解法為例。
①設計進水量VT
VT的近似值可據下式計算：
VT＝3600（qT／1000）(C·A+A0)t (1)
式中qT——重現期為T、降雨歷時為t的暴雨強度，L/s·hm2
C——平均徑流系數
A——設施的服務面積，hm2
A0——設施直接承受降雨的面積，可忽略不計，hm2
t——降雨歷時，h
瑞典的Sjoberg和Martensson［5］在大量數據統計的基礎上得出了修正系數1.25，認為將式(1)乘上1.25后，VT的計算結果與實際吻合，因此有
VT＝1.25［3 600qT1 000(C·A+A0)t］ (2)
②設計滲透量VP
入滲設施在降雨歷時t時段內的滲透量VP可按下式計算：
VP＝K·JAS·3600t (3)
式中K——土壤滲透系數，m/s
J——水力坡度，若地下水位較低，J＝1
AS——有效滲透面積，m2
具體計算時，滲透系數K要乘以0.3～0.5的安全系數。因滲透溝、管、渠的底面積易堵塞，底面積不計入有效滲透面積AS，且側面積也僅按其1/2計，這是因為滲透管、溝、渠中水位上下浮動，取1/2高度水位作為平均水位。
③設計存貯空間V
對某一降雨重現期，入滲設施中應有一定的空間以存貯未能及時滲透的進水量，存貯空間應為設計進水量與設計滲透量之差的最大值。
V＝max(VT-VP) (4)
具體計算過程是圖解加試算，以求得所需滲透管、溝、渠的長、寬、高。
3.2北京地區的計算方法
入滲設施的多種計算方法雖然原理相同，但安全性、精確性多有差異。圖解法中滲透系數乘上安全系數0.3～0.5，有效滲透面積舍去底面積而僅取1/2側面積。此外，對設計進水量又進行了1.25倍的修正，使其比其他計算方法更為安全、精細。采用此安全算法的原因為：①北京地區周圍多為黃土地帶，且目前防風林、綠化隔離帶不完整，造成雨水徑流水質較差；②現代化入滲設施的使用在我國尚屬新生事物，管理制度有待完善，管理人員水平有待提高；③入滲設施一旦發生堵塞，要恢復其功能很困難，且往往是事倍功半。
考慮在設計進水量中扣除污染性極強的初期徑流部分及上游滲透設施的滲透量，對式(4)作修正：
V＝max［4.5qT(C·A+A0)t-3 600K·AS·t-Δ1-Δ2］ (5)
式中Δ1——初期徑流棄流量，m3
Δ2——上游入滲設施的滲透量，m3
3.3 滲透系數K
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，它們的滲透系數較大，常為10-3～10-4 m/s，因此入滲設施的總滲透系數實際上取決于土壤的滲透系數。
土壤滲透系數可依據經驗數據確定，也可通過室內和現場方法測定。室內測定法所取土樣少，代表性差，尤其城區土壤多為經擾動后的回填土，均勻性差，故建議使用現場測定方法。現場測定K值有多種方法，如單(雙)環注水法，立管注水法等，也可采用一些簡易方法以減少工作量，如矩形土槽注水法等，當然也可使用接近于實際工程情況的滲透管、溝、渠裝置以取得更準確的K值。
4 建議
目前，城區雨水滲透利用在我國尚處于起步階段，應強調選用適合于城區建設具體情況的雨水入滲利用技術，合理設計入滲設施，并結合其他有效措施以充分利用雨水資源，如：
①因屋面材料對屋面徑流水質起了至關重要的作用，從雨水利用角度考慮，望能改瀝青油氈屋面為瓦制或其他材料屋面以減少屋面徑流的污染性，建議在“屋面工程技術規范”修訂時增加有關條款。
②為了充分利用自然凈化能力及增加雨水入滲量，建議道路高程高于周圍綠地高程，以使道路徑流進入綠地。
③屋面徑流也應盡量引入花壇、綠地，經自然凈化、滲透后再進入人工入滲設施。
參考文獻：
［1］北京市水利局.北京水旱災害［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.
［2］顏昌遠.北京的水利［M］.北京：科學普及出版社，1997.
［3］顏昌遠.水惠京華［M］.北京：中國水利水電出版社，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.
電 話：(010)68322128(O)
E-mail:wanghuizhen@163.net
收稿日期：2001-06-20
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