邱 威， 曹 政， 張寬地， 陸燕清， 陳怡婷， 李培銓

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌712100)

1 研究背景

1.1 研究背景及現(xiàn)實(shí)意義

由于受氣候等因素的影響，我國(guó)降雨量在時(shí)間和空間上都呈現(xiàn)分布不均勻的特點(diǎn)，尤其是受西南、東南季風(fēng)影響的東部、西南部、華南地區(qū)，其降雨特點(diǎn)更為突出。同時(shí)，以雨水為主的天然降水作為極其重要的可用水資源，卻并未得到充分利用，利用率為降水量的30%～40%，尚有60%～70%的降水以地表徑流和無(wú)效蒸發(fā)的方式損失掉[1]。在我國(guó)東部如武漢、廣州等大城市，洪澇災(zāi)害與雨水利用率低是兩個(gè)十分顯著的問(wèn)題。近年來(lái)，許多學(xué)者[2-3]從不同的角度對(duì)典型內(nèi)澇城市排水防澇情況分析發(fā)現(xiàn)，引起內(nèi)澇的因素有自然因素、地面硬化率增加、排水設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、排水管網(wǎng)堵塞、城鎮(zhèn)管理缺陷等，而張艷杰等[4]認(rèn)為排水不利是產(chǎn)生城市洪澇災(zāi)害的主要原因。針對(duì)城市內(nèi)澇與雨水收集利用的問(wèn)題，不同的學(xué)者從環(huán)境優(yōu)勢(shì)與建設(shè)管理等方面提出了自己的見(jiàn)解。毛獻(xiàn)忠等[5]提出利用城市湖泊的蓄水調(diào)洪能力緩解暴雨壓力；劉興坡等[6]和黃子謙[7]基于暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model, SWMM)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬分析技術(shù)提出對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行改造；張艷杰等[4]和范光龍[8]提出了利用城市道路有效收集由于城市化增多的地表徑流的觀念，并給出城市道路建設(shè)和城市雨水蓄集聯(lián)合運(yùn)用的模式。另有許多學(xué)者[9-14]建立了綠色建筑水資源綜合利用系統(tǒng)，通過(guò)建筑物收集利用系統(tǒng)對(duì)雨水資源進(jìn)行利用。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況

建筑物雨水收集利用系統(tǒng)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的研究發(fā)展，但是結(jié)合現(xiàn)有的城市道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與雨水收集利用的研究目前只是初步實(shí)施階段。

近年來(lái)，更是提出了“海綿城市”[15-17]這一極具熱度的綜合性建設(shè)理念。海綿城市建設(shè)的核心是雨洪管理。在國(guó)外，城市雨洪管理代表性的理念[17]主要包括3個(gè)：美國(guó)的低影響開(kāi)發(fā)(LID)、英國(guó)的可持續(xù)發(fā)展排水系統(tǒng)(SUDS)和澳大利亞的水敏感性城市設(shè)計(jì)(WSUD)。這些理念側(cè)重于“凈、用”，強(qiáng)調(diào)城市水循環(huán)過(guò)程的“擬自然設(shè)計(jì)”，保護(hù)了原有水生態(tài)，對(duì)周邊水生態(tài)環(huán)境低影響，海綿城市建成后地表徑流量能盡量保持不變，它的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)和諧。但目前國(guó)內(nèi)海綿城市建設(shè)相關(guān)措施的規(guī)范、技術(shù)指南等較少，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對(duì)海綿城市設(shè)計(jì)和建設(shè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響，同時(shí)一味模仿優(yōu)秀案例，未結(jié)合自身經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多方面因素采取合理規(guī)劃、因地制宜設(shè)計(jì)各項(xiàng)措施，未將“滲、蓄、排、用”相結(jié)合進(jìn)行有針對(duì)性地建設(shè)具有中國(guó)特色的海綿型城市。

另一方面，我國(guó)排水系統(tǒng)從最初的雨污合流制[18]到后來(lái)的截流式合流制[19]，再到最后的分流制排水[20]，雖然在下水道排水能力上具有一定程度的提高，但是并沒(méi)有帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的改變。加之國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的雨水收集利用系統(tǒng)大多都停留在建筑物方面的研究，并且缺乏處理和回用系統(tǒng)，因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)道路與排水管鋪設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了集“滲、蓄、排、用”于一體的自動(dòng)沖洗式雨洪資源利用新裝置，在解決道路積水的前提下又能夠蓄積雨水，達(dá)到雨水資源均時(shí)性再利用。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)裝置如圖1，2所示，主要是為了解決城市在雨季所面臨的積水問(wèn)題。本著節(jié)約、環(huán)保的原則，又通過(guò)太陽(yáng)能電池板對(duì)水泵供電，將積蓄的雨水抽出，對(duì)周?chē)G化進(jìn)行噴灌。積水問(wèn)題包括以下兩方面：

(1)在路緣處設(shè)立一個(gè)立式入水口，在人行道下方0.5 m處修建一個(gè)小型蓄水池，以增大蓄水能力。另在蓄水池內(nèi)部修建一個(gè)弧形內(nèi)腔，雨水先流進(jìn)內(nèi)腔，通過(guò)建造在一定高度處的滲水磚下滲至小型蓄水池中。當(dāng)內(nèi)腔水位上漲到弧形內(nèi)腔最大高度時(shí)，不含泥沙的雨水就會(huì)溢到小型蓄水池中。

圖1 裝置位置分布圖

(2)目前造成城市積水的主要原因是排水管口堵塞和疏水緩慢，而主要堵塞物是雨水中攜帶的泥沙和漂浮物(如樹(shù)葉、垃圾等)。本設(shè)計(jì)利用水的浮力和壓力設(shè)置了兩個(gè)水力自動(dòng)閘門(mén)，當(dāng)弧形內(nèi)腔內(nèi)部達(dá)到一定水位時(shí)，閘門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，利用水管的高度差，使淤積的泥沙順著弧形內(nèi)壁流走。

圖2 裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從整體裝置圖3可以看出，本裝置分為地上部分和地下部分。地上部分包括：立式入水口、太陽(yáng)能電池、濕度傳感器；地下部分包括：小型蓄水池、弧形內(nèi)腔、水力自動(dòng)閘門(mén)、進(jìn)水管、出水管、水泵。此套裝置從功能運(yùn)用上可以分為以下3個(gè)階段：

圖3 裝置模型外觀圖(粗略)

(1)蓄水階段：攜帶泥沙的雨水通過(guò)立式入水口流入弧形內(nèi)腔，泥沙在內(nèi)腔中沉積，上部清水通過(guò)滲水磚下滲至小型蓄水池中。下大暴雨時(shí)，當(dāng)立式入水口處雨水進(jìn)入速度大于下滲速度時(shí)，弧形內(nèi)腔中的水位會(huì)不斷上升，直到水位達(dá)到弧形內(nèi)腔最大高度時(shí)，雨水將會(huì)溢到小型蓄水池中。

(2)沖沙階段：當(dāng)水位上漲時(shí)，浮球受到浮力而帶動(dòng)排水管口處水力自動(dòng)閘門(mén)打開(kāi)，并固定在頂部卡位處，于此同時(shí)，當(dāng)水位下降到一定高度時(shí)，進(jìn)水管口處閘門(mén)在壓強(qiáng)差的作用下，而自動(dòng)打開(kāi)。由于進(jìn)水管與出水管存在高度差，水流帶著泥沙，沿著弧形內(nèi)壁從排水管處流走。當(dāng)水位下降時(shí)，由自動(dòng)控制原理即可實(shí)現(xiàn)水力自動(dòng)閘門(mén)復(fù)位。

(3)噴灌階段：固定在人行道路燈處的太陽(yáng)能電池，通過(guò)吸收太陽(yáng)能，來(lái)給小型蓄水池里的水泵供能，在人行道一側(cè)的綠化帶處設(shè)置一個(gè)濕度傳感器，天氣干燥時(shí)，會(huì)觸發(fā)水泵工作，通過(guò)管道連接對(duì)綠化帶進(jìn)行噴灌。

3 分析與評(píng)價(jià)

3.1 原理分析

(1)尺寸設(shè)計(jì)(如圖4所示)：以廣州道路設(shè)計(jì)與雨水排水管鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為例，直徑為1.5米的雨水排水管底部埋藏在地面以下2米深的位置，由于下大暴雨時(shí)，其水位能達(dá)到管高2/3處，所以將進(jìn)水管管口安裝在管頂以下1/3處，進(jìn)水管與排水管有40 cm的高差，可以將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能以便于沖走泥沙。

(2)位差設(shè)計(jì)：根據(jù)之前的設(shè)計(jì)，雨水排水管管底部在地面以下2 m位置，進(jìn)水管的底部與排水管底部又有40 cm高差，那么排水管的底部與原有總雨水排水管底部就只有10 cm的高差，這將有可能導(dǎo)致排水管里面的雨水無(wú)法排到總雨水排水管中，但是由于現(xiàn)有管道的鋪設(shè)并不是水平的，它是具有一定的坡比，大約為2%，因而通過(guò)減小排水管鋪設(shè)坡比和增加排水管管道的長(zhǎng)度就能夠達(dá)到所需要的測(cè)壓管水頭。

(3)滲水磚設(shè)計(jì)：以雨洪期特殊情況為最大標(biāo)準(zhǔn)，在弧形內(nèi)腔內(nèi)一定的高度使用滲水磚材料，可防止泥沙淤積影響滲水磚的滲水速度和效率，實(shí)現(xiàn)排水管道的泥沙過(guò)濾，為后續(xù)的自動(dòng)沖排鋪墊，同時(shí)保證蓄水的水質(zhì)。

(4)攜帶泥沙的雨水去向設(shè)計(jì)：由于原有的雨水排水管是每100 m安裝一處沉沙井，所以將沖沙的水設(shè)計(jì)為兩個(gè)去向：一是排回原有總雨水排水管，這將會(huì)加大雨水管中的含沙量，但雨水的攜沙量較少且大多都是道路浮沙，加之雨水排水管管道直徑足夠大，所以不會(huì)造成管道堵塞問(wèn)題；二是直接通過(guò)管道從側(cè)面排到沉沙井中，泥沙在沉沙井中沉積，沉積在沉沙井中的泥沙將會(huì)被人工清理。

圖4 裝置尺寸設(shè)計(jì)示意圖(單位：mm)

3.2 模擬實(shí)驗(yàn)定性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的可行性，對(duì)照實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)，按1∶40的幾何比尺制作了如圖3所示的模型進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)分析。由于道路交通、雨水蒸發(fā)等因素對(duì)裝置的影響很小，這里只討論降雨量的時(shí)間分布、雨水入管道時(shí)攜沙量、排水管排水量對(duì)裝置效果的影響。

以沿海降雨量較多的上海市季降雨量[22]為例，夏季降雨量最集中占比為41.1%，月最大降雨量接近200 mm。按此極限情況分析，道路每100m長(zhǎng)度雨水量在裝置內(nèi)實(shí)際小型水池的最大蓄容積為6 m3，即模型水池蓄容為93.75 cm3(原型6 m3)的負(fù)荷之內(nèi)，滲水磚的透水系數(shù)大于等于1.0×10-2cm/s(15℃)的條件下，泥沙的沉淀、排放及管道排水情況良好，相比于原先簡(jiǎn)單管道可見(jiàn)排水排沙更順暢，并且在解決道路積水的同時(shí)其集水、排沙、用水功能優(yōu)勢(shì)也可體現(xiàn)。

3.3 可行性評(píng)價(jià)

此裝置在原有雨水排水管處加裝集蓄水、用水、排沙、過(guò)濾于一體的裝置，能夠做到以水之能，疏水之患，達(dá)水之利，具有較強(qiáng)的可行性，具體有以下5點(diǎn)依據(jù)：

(1)下水道口采用了立式入口，增大入水口口徑，既避免占用路面面域、提高了交通的安全性，又使得道路雨水可以更高效快速地匯集下落，初步防止路面下水道口堵塞，減緩路面積水壓力。

(2)裝置在原有雨水排水管的基礎(chǔ)上加裝了小型蓄水池，小型蓄水池主要用于貯存雨水，其既可以緩解原有總雨水排水管的疏水壓力，又因其底部裝有以太陽(yáng)能供能的抽水裝置，可將暴雨等情況下的大量雨水過(guò)濾后用于綠化帶的灌溉，整個(gè)過(guò)程借助綠色能源達(dá)到了雨水資源的均時(shí)性再利用。

(3)此裝置的上半部分嵌套了一弧形內(nèi)腔，雨水在其中可快速無(wú)殘留地下落至底部，便于雨水中泥沙的沉積以能夠?qū)崿F(xiàn)水沙初步分離，并最終利用進(jìn)水管中的雨水沖走弧形內(nèi)腔底部的泥沙，既解決了裝置內(nèi)部的泥沙淤積問(wèn)題，又可在暴雨等特殊情況下做出高效的應(yīng)急措施。

(4)裝置中的進(jìn)水管口閘門(mén)利用管道與弧形內(nèi)腔的壓強(qiáng)差自動(dòng)打開(kāi)，排水管口閘門(mén)由浮球滑槽銜接，兩者共同利用水的浮力和壓強(qiáng)做成了自動(dòng)聯(lián)動(dòng)式閘門(mén)。當(dāng)水位到達(dá)最高水位時(shí)，浮子上連接的卡槽會(huì)卡在頂部卡位處，閘門(mén)打開(kāi)；當(dāng)水位下降時(shí)，進(jìn)水管處閘門(mén)兩側(cè)形成水壓力差，閘門(mén)繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開(kāi)。水排完后，此處閘門(mén)復(fù)位觸碰開(kāi)關(guān)，卡位處的電導(dǎo)磁閥接通(如圖5所示)，使卡位回縮，浮子和閘門(mén)復(fù)位。

圖5 自動(dòng)控制原理電路圖

(5)弧形內(nèi)腔側(cè)邊與小型蓄水池上部采用了特殊材料——滲水磚[21]，該材料制作成本較低，更是具有阻隔泥沙和快速滲水的功能，呼應(yīng)了當(dāng)今“海綿城市”的思想理念。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)沖洗式雨洪資源利用新裝置的尺寸、位差和運(yùn)行原理等系列理論分析和模型模擬實(shí)驗(yàn)定性分析，討論了該裝置的可行性，并得到以下結(jié)論：

(1)在路面地勢(shì)較低的地方匯積的雨水通過(guò)立式入水口進(jìn)入弧形內(nèi)腔，并通過(guò)滲水磚進(jìn)行泥沙過(guò)濾和自動(dòng)聯(lián)動(dòng)閘門(mén)進(jìn)行排沙，將路面積水“轉(zhuǎn)移”到地下，同時(shí)發(fā)揮路面順暢導(dǎo)水和地下排水管的泥沙自排兩方面的作用，有效地防止了路面積水給交通帶來(lái)的不便。

(2)在雨水排水管外設(shè)置最大蓄容為6 m3的小型蓄水池，既緩解了下暴雨或連續(xù)下雨時(shí)雨水排水管的疏水壓力，又可蓄積過(guò)濾后的雨水以進(jìn)行旱期綠化帶植被的灌溉，使雨水資源在時(shí)間上分布更均衡合理。

(3)此裝置采用的自動(dòng)控制等原理簡(jiǎn)單易行，能夠很大程度地解決道路積水問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)集蓄水、用水、排沙為一體的設(shè)計(jì)理念，打破了原有“雨水棄之不用”的觀念，在解決道路積水和雨水利用等方面，有著良好的應(yīng)用前景。

在本文中的實(shí)驗(yàn)條件下得到的結(jié)論具有一定的可信度，但若推廣研究，還須進(jìn)一步進(jìn)行多種實(shí)際降雨量和道路情況模擬，以獲取更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

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