包 宇，李一龍

(1.中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

隨著經濟的快速發(fā)展，我國以工業(yè)化、城鎮(zhèn)化為核心的現代化進程也日趨加快。事實上，我國工業(yè)化的速度超過城鎮(zhèn)化，造成了現在工業(yè)化超前、城鎮(zhèn)化滯后的態(tài)勢。目前我國絕大多數城市、區(qū)域、地塊都采用快排雨水的模式，雨水降在硬化地面，通過管網收集后集中排放。遇到強降雨時，城市雨水系統不堪重負，頻繁出現內澇災害。同時，過多的硬化地面、屋面導致雨水無法滲透至地下，自然水循環(huán)系統被阻隔，進而產生了“熱島效應”，引發(fā)極端天氣或自然災害。為了緩解雨洪帶來的各種問題，國家大力倡導“海綿城市”建設理念[1]，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方面的工程技術措施，促進雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護。

煤炭作為我國的主要能源，消費量占全球煤炭總消費量的一半左右，產品需求巨大[2]。在整個煤炭工業(yè)中，選煤廠能極大地提高了其能源利用率，是重要環(huán)節(jié)之一。選煤廠的廠址一般遠離市政規(guī)劃覆蓋地區(qū)，且廠區(qū)占地范圍較大，對周圍地區(qū)會產生輻射效應。傳統選煤廠一般在規(guī)劃和設計階段僅關注排洪防澇方面，缺乏對場地環(huán)境基底、水文條件的綜合認知和考慮。選煤廠硬化面積巨大，如何減少對周圍環(huán)境的影響、分析場地的水文特征，應該成為廠區(qū)規(guī)劃設計考慮的重點之一。

海綿城市中常應用低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)理念進行規(guī)劃、設計和分析。低影響開發(fā)指開發(fā)建設過程中采用源頭削減、中途轉輸、末端調蓄等多種手段，實現良性水文循環(huán)，提高對徑流雨水的滲透、調蓄、凈化、利用和排放能力，實現傳統型工業(yè)場地向海綿型工業(yè)場地的轉變[3]。根據董淑秋[4]等人分析研究，明確提出了“生態(tài)排水+管網排水”的雨水排除新模式。本文運用LID理念，以實際案例為基礎進行分析研究，闡述選煤廠雨水系統的構建思路和設計方式，為構建新型綠色選煤廠提供一定的參考思路。

1 工程概況

本文以紅慶梁礦井選煤廠為例，該廠是國家發(fā)改委煤炭工業(yè)“十一五”規(guī)劃的重點項目，年設計規(guī)模600萬t，選煤部分日處理原煤1.82萬t，過程有效提高了原煤資源利用率，減少環(huán)境污染，提供優(yōu)質分級的煤炭產品。

紅慶梁礦井選煤廠位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗境內，地處鄂爾多斯高原北部。場內地形總體趨勢是北高南低、西高東低。場地地形開闊，標高在1391～1423m。地區(qū)氣候特征屬于干旱至半干旱的溫帶高原大陸性氣候，日照較豐富，干燥少雨，風大沙多，無霜期短。當地最高氣溫+36.60℃，最低氣溫為-29.60℃；年降水量平均為396.0mm，多集中于7、8、9三個月內；年蒸發(fā)量平均為2534.20mm，年蒸發(fā)量為年降水量的5～10倍。凍結期一般從10月份開始至次年5月份，最大凍土深度為1.71m。場地周邊水文特點主要為枯水季節(jié)干涸無水，豐雨季節(jié)降水歷時短、流量大。場地東部的艾來色太溝流向由西南至東北，場地范圍內的洪炭溝、小艾來色太溝、榆樹溝等為其支流，呈東西向流入艾來色太溝，而后向北匯入西柳溝，最終注入黃河；場地西部的耳字溝及其支流虎石溝等，向西北方向徑流，匯入黑賴溝后最終注入黃河。

本文研究的選煤廠場地位于整個工業(yè)場地的東部。廠區(qū)分為生產及輔助生產兩類建構筑物。主要生產系統建構筑物包括原煤倉、篩分破碎車間、主廠房、矸石倉、混洗中塊煤倉、產品倉等。輔助生產設施包括綜合樓、濃縮車間及濃縮池、鍋爐房等。

2 設計原則

選煤廠目前常采用傳統雨水排水系統，即通過雨水管網收集，快速將雨水排除，減少雨水在地面的滯留時間，其設計方法以末端處置為主[5]。如若遇到強降雨，廠區(qū)容易遭受內澇侵害及環(huán)境污染。與傳統模式相比，LID雨水系統構建思路是從源頭建設低影響開發(fā)雨水系統，減少徑流量，消減徑流峰值，控制徑流污染。參照對城市生態(tài)環(huán)境影響最低開發(fā)的建設理念，合理控制開發(fā)強度，在廠區(qū)中保留足夠的生態(tài)用地，控制廠區(qū)不透水面積比例，最大限度減少對選煤廠工業(yè)建設對原有水生態(tài)環(huán)境的破壞[6]。將雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環(huán)使用與排水密切結合，讓工業(yè)場地面對洪澇災害時具有良好的“彈性”，也讓工業(yè)與自然更好地融合?；谶x煤廠場地的地質和水文情況，LID措施適宜應用在加強雨水滲透、滯留雨水、調蓄削減雨峰流量和成型時間等方面，其他如雨水凈化、回用等應結合污水處理站設置，雨水末端的排放和場地排洪系統統一考慮。廠區(qū)傳統雨水系統與LID雨水系統的比較見表1。

表1 廠區(qū)傳統雨水系統與LID雨水系統特點比較

3 設計參數

3.1 暴雨強度

采用邵堯明等學者所著《中國城市新一代暴雨強度公式》[7]中內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯地區(qū)的暴雨強度公式如下：

式中，i為暴雨強度，mm/min；T為設計降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

該暴雨強度公式采用年最大值法，根據觀象臺站1961年至2000年共計40年的降雨資料，采用年最大值選樣法配合耿貝爾分布模型推求而成。

其中設計重現期取3年，雨水管道降雨歷時t按下式計算：

t=t1+t2

(2)

式中，t1為地面集水時間，min；t2為現狀或規(guī)劃雨水管渠內雨水流行時間，min。

t1按Kerby公式進行計算，結果取值為5.2min；t2取8min，則t取值為13.2min。

經計算，廠區(qū)設計暴雨強度為1.02mm/min，單位換算后為169.49L/(s·hm2)。

3.2 徑流系數

徑流系數分為兩類，流量徑流系數(也稱峰值徑流系數)和雨量徑流系數(也稱次暴雨流域平均綜合徑流系數、平均徑流系數)。設置低影響開發(fā)實施后徑流系數如下：

表2 徑流系數表

3.3 匯水面積

廠區(qū)劃分為三個匯水區(qū)域，從西至東，斜線區(qū)域為Ⅰ區(qū)，橫線區(qū)域為Ⅱ區(qū)，交叉線區(qū)域為Ⅲ區(qū)，如圖1所示。

圖1 廠區(qū)雨水匯水面積范圍

Ⅰ區(qū)總面積44425m2，Ⅱ區(qū)總面積48010m2，Ⅲ區(qū)總面積44665m2，分別在綜合樓南側、濃縮池南側和生活污水處理站西側設置雨水花園，雨水經過初步的滯蓄和凈化，匯集至南側道路雨水干管。在雨水干管末端生活污水處理站的東側設置雨水調蓄池，雨水經過調蓄后，向廠區(qū)東南角排出至八字管道出口。

3.4 雨水量

雨水設計流量采用推理公式計算，按下式：

Qs=ΨqF

(3)

式中，Qs為雨水設計流量，L/s；Ψ為徑流系數；q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；F為匯水面積，hm2。

經計算，廠區(qū)設計暴雨強度169.49L/(s·hm2)，廠區(qū)總雨水設計流量為2323.7L/s，其中Ⅰ區(qū)雨水設計流量為752.96L/s，Ⅱ區(qū)雨水設計流量為813.72L/s，Ⅲ區(qū)雨水設計流量為757.03L/s。

4 設計要點

4.1 透水鋪裝

透水鋪裝按照面層材料不同可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝。透水鋪裝具有增強降雨入滲、減少地表積水和徑流、及改善局部水循環(huán)等功能，在民用和工業(yè)領域均有廣泛應用。從整個場地來說，透水鋪裝能有效降低城市化、工業(yè)化對原場地的水文學和水質的影響，減少場地流域的徑流量和雨水污染[8]。試驗數據表明，透水性鋪裝對雨水地表徑流削減比率在30%～80%，洪峰削減比率在7%～70%[9]，對雨水污染物中如SS、TP、NH3-N等各類污染物去除效果顯著[10]。

透水鋪裝設計主要考慮承載能力、滲透能力和滯蓄能力。結合廠區(qū)情況分析，道路由于需要通行運煤卡車等重型荷載，核算承載能力后選用傳統混凝土路面。透水鋪裝主要應用于建筑物附近的硬化場地、停車場及人行道等位置，采用透水磚型式。

透水鋪裝因其透水性的特點，土基含水量較高，應綜合考慮季節(jié)性、土基潮濕類型、道路寬度、路面材料及基層混合料的物理性能。本場地具有冬季氣候寒冷、地面煤渣等污染物較多的特點，需要考慮透水磚的抗凍能力和抗堵塞能力。經測算，本地區(qū)路面抗凍最小厚度為0.6m，基層厚度取400mm，透水面層厚80mm，找平層厚30mm，砂墊層厚100mm，滿足抗凍要求。抗堵塞方面主要利用高壓水清洗方式，養(yǎng)護頻率為半年一次，養(yǎng)護后滲透系數可提高7～15倍，滲透系數達 2.0×10-3～2.6×10-3m/s，滿足滲透的要求[11]。

4.2 下沉式綠地

下沉式綠地具有狹義和廣義之分，狹義指低于周邊鋪砌地面或道路在200mm以內的綠地；廣義的下沉式綠地泛指具有一定的調蓄容積，且可用于調蓄和凈化徑流雨水的綠地。本文主要討論并應用的是狹義的下沉式綠地。下沉式綠地是一種生態(tài)功能性雨水設施，具有加強雨水滲透、削減雨水徑流量、初步凈化等效果，且造價低廉，易于實施，在各種場地各類環(huán)境都有廣泛的應用。根據試驗研究，在一倍匯水面積的情況下，對于10年、50年和100年一遇的暴雨，下沉式綠地的降雨攔蓄率分別為87.15%，58.48%和50.75%；其減峰率分別為71.04%，46.82%和41.52%[12]。另外，下沉式綠地對污染物指標SS、COD、TN、TP的削減率分別為 72.73%、61.07%、66.10%、83.40%，削減效果總體較好[13]。

下沉式綠地的設計主要考慮下凹深度、面積比例和淹水時間，并應選擇合適的溢流方式。場地綠地范圍較廣，土地入滲性能較佳，設計下凹深度取200mm，淹水時間經核算不大于24h。其中大范圍的下沉式綠地在中心位置設置雨水溢流口，小范圍下沉式綠地在靠道路一側設置，雨水口高程高于綠地高程且低于地面高程，超量的雨水通過溢流口排入雨水管道。做法如圖2所示。

圖2 下沉式綠地做法示意

4.3 生物滯留設施

生物滯留設施指通過植物、土壤和微生物系統共同作用，具有蓄滲和生態(tài)凈化功能的雨水低影響開發(fā)設施。分為簡易型和復雜型，按應用位置不同又稱作雨水花園、生物滯留帶、高位花壇、生態(tài)樹池等。生物滯留設施能有效削減雨水峰值徑流量、延遲峰現時間、凈化水質、加強雨水下滲等，且兼具了生態(tài)功能和景觀效果。研究表明，生物滯留設施可以有效減小中小型降雨的峰值徑流，在降雨厚度少于42mm的情況下，能有效減少至少96.5%的雨水徑流量[14]。另外，生物滯留設施對徑流中污染物NH3-N、TN、TP的去除率分別為70.70%、82.72%、74.24%[15]。

生物滯留設施的設計主要考慮選址、構造設計、表面積設計和排空時間的控制。根據工業(yè)場地的條件分析，生物滯留設施主要采用雨水花園和生態(tài)樹池兩種型式。其中生態(tài)樹池布置在道路兩側人行道樹木的下方；雨水花園選址考慮居民易用性，位于地勢比較低且雨水徑流可以流經的區(qū)域，分散布置于綜合樓的南側集中綠化處、濃縮池南側及生活污水處理站西側，距離建筑應至少3m距離，避免滲水等因素造成的建筑地基安全隱患。構造設計采用復雜凈化型雨水花園，從上到下為滯水層、覆蓋層、種植土層、填料層、排水層。其中滯水層厚度200mm，為蓄水空間；覆蓋層厚度100mm，采用多孔性碎石覆蓋；種植土層厚度300mm，采用草本植物，選用當地耐澇抗旱、深須根系、生長速度快，并能在貧瘠土壤中生長的植物物種；填料層厚度600mm，采用礫石填料，滲透系數不小于10-5m/s，即 36mm/h；排水層厚度200mm，采用濾料粒徑一般為5mm，在中部設置管徑100mm排水管。另外進水口區(qū)域設置卵石等消能措施，防止水流沖刷造成的地表侵蝕。做法如圖3所示。

圖3 生物滯留設施做法示意

4.4 雨水調蓄設施

雨水調蓄設施一般為人工建設的構筑物池體或現狀場所如池塘、人工湖、景觀水池等改造建設。其主要作用是削減雨水的徑流高峰，控制雨水收集總量，提高雨水利用率。根據住建部2014年10月發(fā)布的《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統構建》[16]規(guī)定，本場地所在地區(qū)位于Ⅰ區(qū)，年徑流總量控制率的最低和最高限值85%和95%。設計年徑流總量控制率取85%，為達到該目標，除了上文所述采用雨水下滲減排的措施之外，雨水直接的調蓄利用也是重要途徑之一。

調蓄池設計采用容積法，主要參數包括設計控制降雨量、綜合雨量徑流系數、廠區(qū)面積等。其中設計降雨量參考呼和浩特在85%年徑流總量控制率下對應的設計降雨量值22mm，計算得總調蓄容積1290m3，取1300m3。

調蓄池前端設初期雨水棄流設施，將存在初期沖刷效應、污染物濃度較高的降雨初期徑流棄流至污水管道，以減少調蓄池的沉積，增加調蓄池內雨水的可回用性。設計棄流厚度5mm，初期雨水進入西側的生活污水處理站一并進行處理回用。后續(xù)較潔凈雨水可直接作為道路澆灑或綠化用水回用，減輕當地水資源的壓力，加強水生態(tài)系統的自然循環(huán)。具體做法如圖4、圖5所示。廠區(qū)低影響開發(fā)雨水設施總體布置如圖6所示。

圖4 雨水調蓄設施位置示意圖(mm)

圖5 雨水棄流井做法示意

圖6 廠區(qū)低影響開發(fā)雨水設施總體布置

5 低影響開發(fā)效果分析

低影響開發(fā)對于新建區(qū)域，一般以徑流管控為核心目標，對雨水體積、水質、峰值進行效果評價。場地在規(guī)劃階段、設計階段和實施階段應結合研究區(qū)域的降雨資料和設計參數，對降雨過程中低影響開發(fā)的目標效果進行評估。依據暴雨強度公式，采用芝加哥流量過程線模型模擬降雨歷程，雨峰系數取0.4，降雨歷時為120min，統計出設計典型降雨過程線，如圖7所示。

圖7 基于暴雨強度公式和雨峰系數的降雨過程線

根據降雨過程線，筆者以降雨歷時5min為區(qū)間，對降雨厚度進行統計。對未經過低影響開發(fā)設計的傳統選煤廠區(qū)下墊面情況和完成低影響開發(fā)設計的下墊面進行分析，計算出原廠地的外排水流量和低影響開發(fā)后的實際外排水，并作出對比曲線，如圖8所示。

圖8 廠區(qū)原場地外排水流量和實際外排水流量曲線圖(P=3a)

徑流管控采用年徑流總量控制率作為核心控制指標，場地經過低影響開發(fā)設計后，實際控制降雨量為22.07mm，其中入滲控制率占57%，調蓄控制率占43%，滿足要求的85%年徑流總量控制率。峰值方面要求新建項目外排峰值流量不宜大于開發(fā)建設前原有峰值流量，場地開發(fā)建設前下墊面類型為草甸土和風沙土，開發(fā)后主要為硬化屋面、路面等。相比原始場地，外排雨水徑流量峰值減少了37%，對于未增加低影響開發(fā)措施的場地，外排雨水徑流量峰值減少了76%，峰現時間延后了10min。峰值流量的削減可以有效減輕雨水管網的壓力，降低內澇的風險，實質上提高排水管網的設計重現期。水質控制方面，初期雨水收集后匯入污水處理站處理回用，能有效減少70%左右的污染物排放，雨水經過LID措施和調蓄后，污染物削減率以SS計為89%。

6 結 語

傳統選煤廠一般位置遠離城市區(qū)，排水系統的設計多注重防洪排澇、截污納管等方面，對于雨水系統的低影響開發(fā)和水資源循環(huán)等內容少有涉及。本文以項目為例，通過運用源頭削減、中途轉輸、末端調蓄的各項措施，結合廠區(qū)的實際情況進行分析，設計了“生態(tài)排水+管網排水”二者相結合的雨水排出方式。詳細闡釋選煤廠中各項海綿措施設計的參數選取和要點分析，為低影響開發(fā)理念在傳統選煤廠中的設計和應用提供了參考。另外，選煤廠常處于寒冷地區(qū)且地面煤渣較多，設施中的植物配置亦應選擇耐寒、抗旱、易存活的類型，場地透水鋪裝的養(yǎng)護頻率、沖洗方式及抗凍性能需要進一步進行研究和效果驗證。