北京城市雨洪控制與利用技術(shù)研究與示范

簡介： 雨洪利用是減輕北京城市汛期防洪壓力、緩解缺水局面的重要措施。北京從2000年開始系統(tǒng)開展了相關(guān)研究，建設(shè)了5種類型總面積60ha的6個雨洪利用示范區(qū)，建立了雨洪收集、利用的技術(shù)體系和推廣應(yīng)用保障體系。本文對其相關(guān)的主要研究成果進行簡介，旨在推動雨洪利用技術(shù)的進一步深化和廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵字：雨洪利用城區(qū) 示范

隨著北京城市化進程的加快，建成區(qū)面積不斷擴大，從而導致不透水面積大幅度增加，致使相同降雨條件下，徑流系數(shù)增大，洪峰提前，洪量增大，對城市排水和河道行洪構(gòu)成巨大的壓力，也威脅著首都的城市安全。因此，在國家科技部和德國聯(lián)邦教研部（BMBF）的支持下，在北京市發(fā)改委、北京市科委和北京市水務(wù)局的資助下，從2000年開始開展了“北京城區(qū)雨洪控制與利用技術(shù)研究與示范”項的研究。項目的目標是建立實用的雨洪控制與利用技術(shù)體系和推廣應(yīng)用體系，以充分利用雨水，緩解水資源危機、削減洪峰流量，確保首都防洪安全。因此，本項目系統(tǒng)研究了北京城區(qū)降雨徑流的水質(zhì)與水量規(guī)律、雨洪收集、滯蓄、傳輸、處理、回用和入滲回補地下水技術(shù)、透水磚及地面鋪裝技術(shù)，提出了雨洪利用基本模式和擬定了相關(guān)政策和技術(shù)規(guī)范，建設(shè)了5種類型總面積60 hm²的6個雨洪利用試驗示范區(qū)。項目于2005年2月通過了專家鑒定，結(jié)論認為本項目首次對我國城市雨洪利用進行了系統(tǒng)的技術(shù)集成示范研究，具有較高的實際應(yīng)用價值，總體技術(shù)達到國際先進水平，對中國城市的雨洪利用具有開創(chuàng)性意義。

1 主要科學技術(shù)成果

項目分基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用性研究和示范推廣研究3個層次開展，通過基礎(chǔ)研究為應(yīng)用和示范推廣研究提供依據(jù)；通過應(yīng)用性研究形成雨洪控制與利用的技術(shù)體系，通過示范推廣研究建立推廣應(yīng)用體系。

1.1 基礎(chǔ)性研究成果

通過歷史資料收集、現(xiàn)場勘探和試驗，查清了北京城近郊區(qū)的第四系水文地質(zhì)的地層巖性、分布規(guī)律和入滲性能，對表層巖性進行了分區(qū)，在此基礎(chǔ)上對地下水環(huán)境的脆弱性進行了評價和分區(qū)，指出了適宜地下水回灌的地區(qū)。

以1999年1/5000航空影像資料為底圖，利用遙感圖像處理技術(shù)和GIS軟件對規(guī)劃市區(qū)范圍內(nèi)的下墊面類型進行了全面的統(tǒng)計分析，得到了24種不同類型下墊面所占面積及其分布。并通過對不同年代城區(qū)下墊面的調(diào)查和統(tǒng)計分析，總結(jié)了不同年代下墊面的變化規(guī)律，為進行城區(qū)降雨徑流規(guī)律分析和雨洪利用總體規(guī)劃提供了基礎(chǔ)資料。

利用28個雨量站的系列資料，對北京規(guī)劃市區(qū)不同重現(xiàn)期的10min～7d短歷時和月、汛期、年長歷時雨量進行了分析，得出了相應(yīng)的統(tǒng)計參數(shù)，摸清了城區(qū)降雨的時空分布和時程分配規(guī)律，繪制了100張不同頻率和時段的降雨等值線圖，提出了北京城區(qū)特短歷時暴雨的擬合公式。根據(jù)長系列城區(qū)汛期出境水量的實測資料，結(jié)合上述降雨和下墊面分析結(jié)果，研究得出了以不透水面積比率為參數(shù)的城區(qū)降雨與徑流關(guān)系綜合圖，由此分析得出了不同水平年的城區(qū)雨洪可利用潛力。

對北京城區(qū)西部、東南部、東北部的不同類型屋頂、普裝地面、綠地、機動車道的降雨徑流水質(zhì)特征進行了試驗研究，摸清了其徑流水質(zhì)與下墊面類型之間的關(guān)系和隨降雨歷時、降雨量的變化規(guī)律，為處理和利用雨水提供了依據(jù)。

1.2 雨洪控制與利用技術(shù)體系

（1）確定了不同下墊面和不同用途的雨水處理方法。針對上述不同下墊面徑流的水質(zhì)特征和不同回用途徑的水質(zhì)要求，確定了相應(yīng)的處理工藝。特別是提出了以初期徑流量的兩種界定標準，即前1～3mm徑流或前10~15min徑流，以及相應(yīng)的棄除技術(shù)。研究設(shè)計了優(yōu)先流式、截留自滲式和自動翻板式期徑流池，和具有調(diào)蓄功能的砂過濾。提出了棄除水中漂浮物和油污的去除技術(shù)。

（2）建立了雨洪收集、滯蓄、調(diào)控的技術(shù)體系。探討了利用降雨量－歷時－頻率曲線推求設(shè)計降雨的方法，建立了基于產(chǎn)流、匯流理論的雨洪收集系統(tǒng)的計算方法和數(shù)學模型。提出了雨洪調(diào)控排放技術(shù)和2種確定雨洪利用調(diào)蓄池容積的方法：日調(diào)節(jié)計算法和數(shù)值模擬法。研究設(shè)計了新的具有攔截初期徑流、大顆粒污物和油污的環(huán)保型道路雨水口。

（3）形成了將雨洪回用于灌溉綠地、洗車沖廁和入滲回補地下水的技術(shù)。提出利用砂石坑、大口井、深井等回灌雨水的方法，探索了利用輻射井進行雨水回灌和利用技術(shù)；提出了回灌井回灌水量的計算方法，實踐了雨水與中水聯(lián)合運用技術(shù)。

（4）研究了利用綠地消納和利用雨洪的技術(shù)，得出了不同頻率降雨情況下，不同形式綠地的徑流系數(shù)，提出了綠地消納硬化地面雨水的比例、標準和豎向關(guān)系。通過試驗和模擬研究了綠地土壤對雨洪污染物凈化能力，探明了其凈化效果。

（5）解決了透水磚的透水性與強度和抗凍性的矛盾，建立了利用透水地面下滲雨洪、削減徑流的技術(shù)體系。研發(fā)了透水快、強度高、抗凍融的透水磚及其生產(chǎn)和工藝，提出了透水磚及其普裝地面的質(zhì)量檢測方法。所研制的透水磚的透水系數(shù)可大于1.0 mm/s，抗壓強度達到35Mpa，25次凍融試驗強度損失為5.85%。所鋪裝的透水地面能夠使50～100mm的日降雨不積水不產(chǎn)流。

（6）研究開發(fā)了用于檢測雨洪利用系統(tǒng)所收集雨水量和管道流量，并能控制相關(guān)設(shè)備啟閉的自動化監(jiān)控軟件和硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了雨洪利用的效果的實時監(jiān)控。

（7）提出了雨洪蓄用、下滲、調(diào)排的3種基本利用類型，和屋頂、鋪裝地面、綠地與城市道路等不同類型下墊面的雨洪利用基本形式，和老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設(shè)區(qū)等不同類型區(qū)域的雨洪利用模式。

（8）提出了雨洪利用工程經(jīng)濟效益的計算方法和社會與環(huán)境效益的分析方法。

（9）建立了雨洪利用技術(shù)推廣應(yīng)用的政策保障體系。通過政府發(fā)布了《關(guān)于將強建設(shè)工程用地內(nèi)雨水資源利用的暫行規(guī)定》，將雨洪利用寫入了新修編的《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020）》，起草了雨洪利用技術(shù)導則，提出了城區(qū)雨洪利用總體規(guī)劃建議。

1.3 主要創(chuàng)新

該項目在理論、技術(shù)和應(yīng)用等方面有如下創(chuàng)新點：

創(chuàng)新之一：建立了北京城區(qū)不同類型下墊面降雨與徑流的定量關(guān)系，提出了以城市不透水面積比率作為參數(shù)的降雨徑流模型，是城市水文研究領(lǐng)域的重要創(chuàng)新。

創(chuàng)新之二：集成了不同條件下城市雨洪的處理技術(shù)，首次系統(tǒng)提出了初期徑流的界定標準與棄除技術(shù)，和不同下墊面雨水的綜合處理技術(shù)，為雨洪回用的水質(zhì)安全提供了保障。

創(chuàng)新之三：建立了雨洪收集、滯蓄、調(diào)控的技術(shù)體系，提出了基于水動力學的城市雨水管系計算模型和城市雨洪調(diào)控排放的理論，建立計算方法。

創(chuàng)新之四：集成了雨洪回用和回補地下的技術(shù)體系，首次提出了利用輻射井回灌和利用雨洪的方法。

創(chuàng)新之五：建立了利用透水地面消納雨洪的技術(shù)體系，提出了環(huán)保型透水磚普裝地面的設(shè)計和施工方法。

創(chuàng)新之六：建立了利用綠地消納雨洪的技術(shù)體系，提出了綠地消納硬化地面降雨的比例、標準和豎向關(guān)系。

創(chuàng)新之七：首次建立6個雨洪示范工程,出臺了國內(nèi)第一個建設(shè)用地雨洪利用暫行規(guī)定,編制了雨洪利用技術(shù)導則。

2 雨洪利用示范工程

從2000年到2004年在北京城區(qū)共建設(shè)了代表老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設(shè)區(qū)、公園綠地、校園特點的5種類型、6個雨洪利用試驗示范區(qū)，總面積達60hm²。

2.1 老城區(qū)示范工程

老城區(qū)雨洪利用示范工程在水文地質(zhì)公司小區(qū)內(nèi)，總面積3hm²，其中房屋占地1hm²，庭院占地1.8 hm²，綠地占地0.2 hm²。代表80年代以前建設(shè)的老城區(qū)。雨洪利用工程包括南部屋頂雨水收集利用系統(tǒng)和北部庭院雨水收集利用系統(tǒng)。在南部屋頂雨水收集利用系統(tǒng)中，利用UPVC管連接原有屋頂雨落管，再經(jīng)鋼筋混凝土管傳輸匯集后先流入初期徑流棄除池后，再進入滯蓄池，通過流量控制器，流入回灌井回補地下。在北部庭院雨水收集利用系統(tǒng)中，屋頂雨水由雨落管流向地面，與庭院及道路雨水混合后通過雨水口進入管道，匯集后先進入初期徑流池，然后依次進入沉淀池和過濾后池。過濾后的雨水通過設(shè)置在分水井中的流量控制器流入回灌井回補地下。工藝流程見圖1。工程設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為5年。

2.2 新建設(shè)區(qū)示范工程

新建設(shè)區(qū)示范工程位于雙紫園小區(qū)內(nèi)，總面積2 hm²，綠地面積大于30%，代表90年代以來的新建成區(qū)。雨洪利用工藝流程見見圖2。對于屋頂雨水，一部分直接通過管道收集、傳輸，經(jīng)沉淀后，進入蓄水池備用；而另外一部分屋頂雨水，先排入周邊綠地，通過下凹式綠地，入滲地下。示范區(qū)區(qū)鋪裝地面可以分為兩種，一種是透水性鋪裝；另一種為不透水鋪裝。透水性鋪裝地面主要表現(xiàn)形式為鋪砌透水磚，它的雨水收集利用為恢復自然雨水滲透通道，雨水入滲地下，超滲產(chǎn)流通過弧形邊溝，進入不透水性鋪裝地面收集系統(tǒng)；而不透水性鋪裝地面雨水通過地面布設(shè)的雨水口，經(jīng)管道收集傳輸、攔污柵攔截后，進入沉淀池沉淀處理后，進入蓄水池備用。該工程設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為5年。

2.3 將建設(shè)區(qū)示范工程

將建設(shè)區(qū)雨洪利用示范工程包括天秀花園小區(qū)示范工程和水利基礎(chǔ)總隊小區(qū)示范工程兩部分。天秀花園小區(qū)示范工程總面積11 hm²，代表將要開發(fā)建設(shè)區(qū)域，能在規(guī)劃設(shè)計階段實施雨水利用的理念，并與小區(qū)建設(shè)同步進行雨洪利用工程建設(shè)。工程內(nèi)容包括：將屋頂和部分道路的雨水收集、處理后用于景觀補水和回灌地下水；將部分車行道和人行道鋪裝為透水地面；建設(shè)有入滲設(shè)施的下凹或平綠地。

屋頂與道路雨水利用系統(tǒng)在人工湖的的北部和東部，基本流程如圖3所示。工程收集14棟樓屋頂和樓前透水地面與部分不透水道路的雨水，經(jīng)去除初雨、沉淀過濾后進入回灌井回補地下，同時在沉淀池內(nèi)安裝水泵，抽取沉淀后的雨水補充人工湖的耗水。系統(tǒng)的設(shè)計標準為5年一遇降雨。超過設(shè)計標準的降雨徑流，通過設(shè)在系統(tǒng)中游和下游的2個溢流堰溢流到外部的市政雨水管道。

水利基礎(chǔ)總隊雨洪利用示范工程總面積1hm²，其特點為雨水與中水聯(lián)合利用。工程主要收集6號樓和7號樓的屋頂雨水，經(jīng)新型高流內(nèi)聯(lián)過濾器（IRM® High-Flow-Inlinefilter）過濾處理后，儲存于蓄水池，回用于7號樓沖洗廁所。同時，將6號樓的淋浴與洗滌用水經(jīng)單獨的管路收集后進入GRAYWATER處理系統(tǒng)，處理后儲存于清水池用于6號樓的廁所沖洗。GRAYWATER處理系統(tǒng)采用生物轉(zhuǎn)盤工藝，即利用轉(zhuǎn)盤上的生物膜對污水進行凈化，整個系統(tǒng)的操作（包括進水、出水、排泥）都為自動控制。處理單元包括：污水收集池、調(diào)節(jié)水箱、四級生物轉(zhuǎn)盤、斜板沉淀池、沙濾罐、UV消毒器等。

2.4 公園示范工程

公園雨洪利用示范區(qū)位于海淀公園內(nèi)，總面積38ha，其中建筑物及道路等硬化面積2.18hm²，水面2.32hm²，其余為綠地。雨洪利用內(nèi)容包括：屋頂和道路的雨水收集后經(jīng)處理、回灌地下，同時綠地內(nèi)采用滲井、滲溝等設(shè)施增加入滲能力。

公園的建筑物集中在廣場周圍，因此結(jié)合實際情況在廣場西側(cè)現(xiàn)有空地建設(shè)一套雨水處理與貯存系統(tǒng)，廣場及周圍建筑物所產(chǎn)生的徑流通過雨水口進入雨水利用系統(tǒng)，然后匯入雨水處理與貯存系統(tǒng)。雨水處理的流程與圖1基本相同。超過設(shè)計標準的雨水將排入市政管網(wǎng)。

在公園的綠地內(nèi)，根據(jù)實際情況因地制宜地設(shè)置起伏地形，在豎向上營造低洼面，結(jié)合園路建設(shè)，適當建設(shè)滲透管溝，使雨水盡可能入滲。工程設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為5年。

2.5 校園示范工程

校園雨洪利用示范工程在北京水利水電學校內(nèi)，總面積4hm²。雨洪利用內(nèi)容包括：屋頂雨水采用管道系統(tǒng)收集，經(jīng)處理后灌溉校園綠地和沖廁；運動場雨水采用滲溝和環(huán)溝收集，經(jīng)除去初雨、過濾后儲存，用于噴灑操場和灌溉綠地；人行道和部分運動場采用透水鋪裝；綠地采用下凹式綠地；采用屋頂綠化技術(shù)。系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示。

工程收集5494m²教學樓和試驗樓頂雨水，經(jīng)去除初初期徑流后匯入操場西南部的蓄水池。蓄水池容積為500m³。2360m²塑膠跑道的雨水通過環(huán)溝收集，環(huán)溝上串聯(lián)若干個小型初期攔截池，棄除初期徑流后進入過濾池，過濾后泵入水蓄水池。6116m²人工草坪運動場采用透水性墊層，雨水下滲后經(jīng)滲溝收集，然后匯入蓄水池。

3. 推廣應(yīng)用

目前已經(jīng)先后分別在中關(guān)村溫泉環(huán)?？萍际痉秷@、2008年奧運會園中心場區(qū)、永順新區(qū)中心區(qū)、珠江國際城、黃村工業(yè)園區(qū)、亦莊衛(wèi)星城、五棵松文化體育中心等地區(qū)推廣應(yīng)用雨洪利用技術(shù),累計推廣面積超過7000hm²。這將有力推動雨洪利用在北京的實施，為促進雨洪利用產(chǎn)業(yè)在中國的興起奠定堅實基礎(chǔ)。

城市雨洪利用是涉及水資源、節(jié)水、供水、排水、市政、園林景觀等多學科多專業(yè)的一門交叉和邊緣學科和技術(shù)，在我國的研究和應(yīng)用剛剛起步。需要進一步深入研究綜合技術(shù)并制定相關(guān)規(guī)程或標準。雨洪利用最突出的效益是社會性或公益性效益，只有大范圍地推廣應(yīng)用雨洪利用技術(shù)才能最大化地實現(xiàn)其各種效益。由于工程建設(shè)單位所關(guān)注的自身的直接經(jīng)濟效益相對較小，投資者自身的積極性一般不是很高，推廣應(yīng)用的困難較大。因此必須盡快制定相應(yīng)的鼓勵政策，提高了廣大投資者的主動性和積極性。