北京奧林匹克公園中心區(qū)雨洪綜合利用技術(shù)體系綜述

裴利計，胡浩云，張學(xué)英，李磊明

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021）

1 概況

北京奧林匹克公園位于北京市中軸線的北端，南起北四環(huán)路，北至科薈路，西臨天辰東路，東靠湖邊東路。中心區(qū)總面積84.7hm2。其中，屋頂綠化面積0.5hm2；屋頂雨水收集綜合利用面積3.4605hm2；透水地面建設(shè)面積17.1649hm2；不透水地面雨水收集綜合利用面積18.9065hm2；綠化面積28.2119hm2；水面面積16.5hm2。

針對奧運場區(qū)建成后公共區(qū)域多、硬化鋪裝面積大、下沉花園及地下構(gòu)筑物等設(shè)施復(fù)雜的特點，研究了滿足部分公共設(shè)施和景觀用水需求、經(jīng)濟適用的雨洪控制和利用技術(shù)，通過集成各種雨洪利用技術(shù)，形成了一套完整的雨水滲濾、凈化系統(tǒng)。

2 技術(shù)體系框架

工程針對奧運場區(qū)內(nèi)硬化鋪裝、綠地樹陣、下沉廣場、市政道路和場區(qū)環(huán)境建設(shè)的特點，以現(xiàn)有的雨洪利用技術(shù)：城市干道透水性人行道、基于雨水凈化的滲濾系統(tǒng)、綠地雨洪滲蓄自灌技術(shù)、透水鋪裝雨水利用技術(shù)、雨洪利用新組件的研發(fā)、雨洪利用效果評價與優(yōu)化技術(shù)、下沉花園雨洪利用措施、雨洪利用監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)，研究了水系岸邊綠地雨水利用技術(shù)、中心區(qū)非機動車道雨洪削減與徑流污染控制技術(shù)、跨水系構(gòu)筑物（跨水系橋）雨水綜合利用技術(shù)等。將現(xiàn)有雨洪利用技術(shù)與雨洪利用新技術(shù)進行集成，建立以消減洪峰流量為核心，將凈化回用、入滲補源、景觀生態(tài)、防洪減災(zāi)等功能相結(jié)合的奧運場區(qū)雨洪綜合利用技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 中心區(qū)雨水利用技術(shù)體系框架圖

3 雨洪綜合利用技術(shù)體系

3.1 入滲補源與凈化回用技術(shù)

雨水入滲補源即利用滲坑、滲井、滲溝等設(shè)施使雨水就地下滲補充地下水；雨水凈化回用即雨洪徑流通過滲坑、滲井、滲溝、綠地、機動車道、人行道及路橋等設(shè)施在滲透過程凈化后收集儲存供景觀、灌溉、沖廁等用水需求。

雨水入滲補源與凈化回用是一種間接的雨水利用技術(shù)，是合理利用和管理雨水資源，改善生態(tài)環(huán)境的有效方法之一。與傳統(tǒng)的雨水直接排放和雨水集中收集、儲存、處理與利用的技術(shù)方案相比，具有技術(shù)簡單、設(shè)計靈活、易于施工、運行方便、適用范圍大、投資少、環(huán)境效益顯著等優(yōu)點。雨水入滲補源與凈化回用技術(shù)的目的包括雨水下滲，補充涵養(yǎng)地下水資源，緩解地面沉降，雨水凈化收集，節(jié)約資源，改善生態(tài)環(huán)境等。

3.1.1 中心區(qū)非機動車道雨洪削減與徑流污染控制技術(shù)

奧林匹克公園中心區(qū)非機動車道鋪裝地面大量采用透水鋪裝（中軸路及慶典廣場除外）。中心區(qū)非機動車道總面積36.29萬m2，其中透水鋪裝17.16萬m2，非透水鋪裝19.13萬m2。

透水鋪裝非機動車道雨洪削減與徑流污染控制的主要方式是通過滲透設(shè)施下滲凈化后補充地下水源，不進行回收，同時達到削減雨洪與控制徑流污染的目的。

非透水鋪裝非機動車道主要為中軸大道和慶典廣場等地面。在60m寬的中軸路中間21m范圍內(nèi)鋪設(shè)花崗巖，在花崗巖鋪裝的兩側(cè)各設(shè)置了1條透水性雨洪集水溝，同時設(shè)置重力流棄流井。集水溝用透水或多孔材料制作，集水溝內(nèi)還設(shè)置一定高度的擋水板，收集的雨水通過初期棄流，然后收集，與樹陣廣場區(qū)的雨洪系統(tǒng)連在一起。同時在收集過程中通過滲濾管溝首先下滲補充地下水，多余的雨水再進行收集利用，實現(xiàn)雨洪利用最大化；慶典廣場為大面積的花崗石鋪裝，面層及基層均不透水。為了減輕排水壓力和改善排水的水質(zhì)，在地面雨水口處設(shè)置棄流井，棄流井的容積可以存蓄3～4mm的初期降雨，井內(nèi)設(shè)有多層過濾網(wǎng)，初期雨水過濾后下滲，后期雨水集中排放到下游的集水池。

3.1.2 跨水系構(gòu)筑物的雨洪利用技術(shù)

跨水系構(gòu)筑物是指中心區(qū)跨水系市政交通道路兩側(cè)人行道，采用特殊的透水鋪裝進行雨洪利用。地面雨水可以直接下滲、過濾后流入水系，以減少排水設(shè)施和就近利用雨水，起到削減雨洪與控制徑流污染的作用。

（1）在傳統(tǒng)不透水材料結(jié)構(gòu)（中心區(qū)跨水系市政交通道路兩側(cè)人行道）上實現(xiàn)透水功能（采用特殊的透水鋪裝進行雨洪利用）。

（2）在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，在跨水系市政交通道路兩側(cè)的鋼筋混凝土頂板結(jié)構(gòu)上按適當(dāng)比例開設(shè)一定數(shù)量的泄水孔，其上鋪設(shè)砂墊層和混凝土透水磚，滿足減少排水設(shè)施、就近利用雨水以及削減雨洪與控制徑流污染的要求。

（3）在跨水系市政交通道路兩側(cè)的鋼筋混凝土頂板結(jié)構(gòu)上開設(shè)泄水孔，經(jīng)濟上無需額外投入，實現(xiàn)了“低投入、高產(chǎn)出”。

跨水系市政交通道路兩側(cè)的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其頂板挑向水面，在鋼筋混凝土頂板結(jié)構(gòu)上按適當(dāng)比例預(yù)留一定數(shù)量的直徑50mm、縱橫間距500mm的泄水孔，其上鋪設(shè)砂墊層和混凝土透水磚，能更好地解決透水與保證結(jié)構(gòu)安全的矛盾，如圖2所示。

圖2 跨水系路橋斷面雨洪利用原理圖

3.1.3 雨水滲濾凈化系統(tǒng)

滲濾凈化系統(tǒng)由透水地面、多孔墊層、透水毛管、支滲濾溝、主滲濾溝組成。雨水徑流通過多重過濾凈化，匯集到雨水集水池，末端的水質(zhì)將滿足灌溉、水景的要求，如圖3,4所示。

圖3 雨水滲濾工藝流程圖

圖4 雨水滲濾凈化系統(tǒng)施工圖

（1）透水地面結(jié)構(gòu)由透水磚（或帶縫隙的不透水材料）、連接找平層、墊層構(gòu)成，墊層內(nèi)一定間距埋設(shè)全透型排水管。雨水通過透水磚、連接找平層、墊層、全透型排水管得到多重凈化。

（2）支滲濾溝為透水地面局部下降形成通長的滲濾溝槽，滲濾溝槽邊緣為無紡布反濾層，槽內(nèi)為單級配碎石，級配碎石內(nèi)埋設(shè)全透型排水管，雨水通過雨洪收集毛管匯入支滲濾溝。

（3）主滲濾溝的結(jié)構(gòu)基本同支滲濾溝，級配碎石內(nèi)埋設(shè)沖孔排水管，雨水通過支滲濾溝匯入主滲濾溝，再輸送到雨水集水池。

3.2 景觀生態(tài)改良技術(shù)

3.2.1 透水鋪裝技術(shù)

透水鋪裝地面是指各種人工材料鋪裝的透水地面，如多孔的嵌草磚（俗稱草皮磚）、碎石地面、透水性混凝土路面等。透水鋪裝由透水性面層和透水性墊層構(gòu)成，透水系數(shù)大于0.1mm/s。鋪裝面層大多采用混凝土透水磚、風(fēng)積沙透水磚、青磚、露骨料透水混凝土、木塑地面、嵌草石板路等。

（1）奧林匹克公園研發(fā)并采用專用的風(fēng)積沙透水磚，大面積采用風(fēng)積沙透水磚鋪裝，這種新材料、新工藝的創(chuàng)新技術(shù)，提高了路面透水磚的性能和解決了大塊透水磚抗折強度的問題，主要靠破壞水的表面張力來透水，透水磚的表面可以做成光滑的質(zhì)感，優(yōu)于普通無砂混凝土透水磚。透水磚和結(jié)合層材料完全采用沙漠中的風(fēng)積沙，是一種變廢為寶的新技術(shù)，這種材料的使用在雨水下滲的過程中還能起到很好的凈化過濾作用。風(fēng)積沙透水磚的結(jié)合層指采用專用水洗風(fēng)積沙及粘接材料拌制的粘結(jié)層。

（2）露骨料透水混凝土由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種孔隙均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的混凝土，有足夠的強度和良好的透水性，能夠?qū)⒂晁疂B透到地下，起到改善地下生態(tài)、減少地表徑流、節(jié)省能源的作用。

（3）停車場植草地坪是通過鋼筋將用模具制作的混凝土塊連接起來，形成一個整體，再在空隙中填滿種植土，播種或栽種草苗的施工工藝。由于有鋼筋連接，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)植草磚的易破碎、局部沉降等現(xiàn)象，而且混凝土塊的形狀、圖案及空隙距離可隨意調(diào)整，施工起來更靈活。由于所有植草的孔隙是彼此連通的，所以草的出苗率、成活率高，可達到80%～100%。而且植草地坪系統(tǒng)可以很好地解決暴雨沖刷形成的水土流失和硬化地面滲水能力差的問題，有利于地下水儲備，如圖5所示。

圖5 植草地坪斷面圖

（4）木塑地面由基床、無砂混凝土基層、木塑龍骨和木塑面板組成。木塑龍骨和木塑面板使用的木塑復(fù)合材料是目前新型生物質(zhì)復(fù)合材料家族中最具活力的一個分支，也是能夠具備多種功能的一類綠色環(huán)保材料。該材料是以鋸末、木屑、竹屑、麥秸、谷糠、椰殼、大豆皮、花生殼、甘蔗渣、棉秸桿等初級生物質(zhì)材料為主原料，利用高分子界面化學(xué)原理和塑料填充改性的特點，配混一定比例的塑料基料，經(jīng)特殊工藝處理后加工成型的一種可逆性循環(huán)再生利用、健康環(huán)保、形態(tài)結(jié)構(gòu)多樣的基礎(chǔ)性材料，如圖6所示。

3.2.2 水系岸邊綠地雨水利用技術(shù)

奧林匹克公園中心區(qū)屋頂綠化面積0.5hm2，綠化面積28.2119hm2，水系為南北向布置。南起北四環(huán)路，北至科薈路，總長約2.7km，水面寬度18～123m，總水面面積16.5hm2。奧林匹克水系岸邊綠地與常規(guī)綠地相比由于靠近水系，一方面保證良好的景觀效果，另一方面又要滿足游客親水的要求，又是奧運場區(qū)徑流補給水系的必經(jīng)途徑，有利于過濾面源污染，凈化水體；另外還要起到固坡、護堤等作用。

圖6 木塑地面結(jié)構(gòu)圖

（1）奧林匹克公園水系采取了兼?zhèn)涮岣咚|(zhì)凈化效率的生態(tài)護岸形式。以生態(tài)防護為目的，采取自然形態(tài)的水岸處理方式，只在少部分為人群游憩活動提供服務(wù)的區(qū)域內(nèi)采取硬質(zhì)材料砌筑護岸。這種護岸既能穩(wěn)定河床，又能改善生態(tài)和美化環(huán)境，盡量采用植物固坡的形式，以減少堤防硬化，使岸坡趨于自然形態(tài)。

采用生態(tài)護岸的方式，可促進地表水和地下水的交換，滯洪補枯、調(diào)節(jié)水位，恢復(fù)河中動植物的生長，利用動植物自身的功能凈化水體，如圖7所示。

圖7 水系生態(tài)護岸原理圖

（2）奧林匹克公園中心區(qū)水系采用了膨潤土防水毯的防滲技術(shù)，膨潤土防水毯是一種新型生態(tài)環(huán)保防滲材料，由兩層土工織物（1層有紡?fù)凉げ肌?層無紡?fù)凉げ迹┌鼉?yōu)質(zhì)鈉基膨潤土粉集速針刺復(fù)合而成，具有高防滲、強自愈、耐根刺、優(yōu)環(huán)保、易施工等優(yōu)點。

采用膨潤土防水毯防滲，可以通過選用不同滲透系數(shù)的防水毯，也可通過控制防水毯的連接錨固來控制滲漏量，達到在保證水系垂直連通性的同時，有利于更多地滯蓄雨水，減少補水量。

（3）中心區(qū)地下商業(yè)出口為陡坡的種植屋面，其雨水利用采用蓄—排水盤系統(tǒng)，其工藝如圖8所示。①專用營養(yǎng)土。其重量是自然土重量的50%，具有較強的蓄、排水能力。種植花草灌木土層厚度150～300mm。②采用高度為20mm蓄—排水盤，具有蓄、排水的雙重能力。蓄—排水盤具有極強的快速排水能力和蓄水能力，蓄水能力可達50%以上。在天氣干旱時盤里面蓄存的水分可以通過揮發(fā)孔進入底土層，向盤上方的植被供水。③覆蓋蓄—排水盤上方過濾膜（無紡布）可以確保不使泥土微細顆粒進入蓄—排水盤，以保證其蓄—排能力。④保濕毯對于下方的防水層和隔根層具有雙重的保護功能。同時每m2保濕毯可存4～5L的水。待天氣干旱時，保濕毯內(nèi)的水就可以通過蓄—排水盤的揮發(fā)孔進入土層。⑤隔根防水層采用厚度不小于0.5mm的HPDE膜，保證其建筑物防水的要求。

圖8 種植屋面雨水利用工藝圖

3.2.3 雨洪利用新組件

為了便于具體落實雨水利用理念，研發(fā)并采用了大量的雨洪利用新組件。包括PP透水網(wǎng)材料、防嵌排水網(wǎng)、滲濾型排水溝、雨水滲濾井、無動力棄流井等雨水過濾、凈化和收集裝置，其工藝簡單、無能耗，使用簡便，便于推廣。

（1）防嵌排水網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上分為3層：上、下2層和中間1層。上、下2層為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，功能有：①支撐功能，支撐配套的土工織物；②透水功能，入滲水可通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔進入排水網(wǎng)；③防嵌功能，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對配套土工織物提供了支撐面和透水孔，是“面式支撐”，而不是“點式支撐”或“線式支撐”，只有網(wǎng)眼處存在懸空點，最大程度防止了配套土工織物下嵌的可能。中間1層為支撐肋結(jié)構(gòu)，由若干直線支撐肋條平行間隔排列（沿排水網(wǎng)縱向），類似于斑馬線的形式。排水網(wǎng)的抗壓強度由支撐肋條的徑向抗壓縮性能決定，而不是長度方向的抗彎折性能決定，在肋條徑向支撐下，可保證在長期高壓作用時上下2層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保持一定距離，肋條之間的空腔即為排水空腔，可長期保持暢通。

（2）奧林匹克公園中心區(qū)中軸景觀大道有綠化帶的兩側(cè)排水溝及景觀路、湖邊西路、樹陣內(nèi)廣場及人行道的透水鋪裝區(qū)，采用滲透型U型排水溝，滲透型排水溝下為雨水收集系統(tǒng)的滲透溝，使徑流雨水在溝內(nèi)不斷經(jīng)過溝壁孔洞進入雨水收集系統(tǒng)，當(dāng)雨量超過雨洪利用標(biāo)準(zhǔn)，溝內(nèi)水位升至溢流水位時，溢流至各雨水排放口至排水系統(tǒng)排除。

U型排水溝寬度125mm，深度475mm，擋板高度200mm，由樹脂混凝土制作，可通行20t機動車，溝壁開孔率4%。經(jīng)測試其綜合滲透系數(shù)不小于1.0mm/s。

（3）按材料分有LDPE雨水滲濾井、風(fēng)積沙雨水滲濾井、混凝土透水磚雨水滲濾井，其中LDPE雨水滲濾井及風(fēng)積沙雨水滲濾井為成品，機械式結(jié)構(gòu)；混凝土透水磚雨水滲濾井的底板為無砂混凝土，井壁為現(xiàn)場砌筑混凝土透水磚。一旦安裝，不易損壞，只需定期清掏即可。

雨水滲濾井具有占地面積和所需地下空間小、便于集中控制管理的優(yōu)點，井壁和底部均做成透水的，在井底和四周鋪設(shè)碎石，雨水通過井壁、井底向四周滲透。

（4）為了棄除收集系統(tǒng)所收集的污染物濃度較高的初期徑流，研發(fā)了無動力棄流井。奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，在U型線性排水溝每隔30m設(shè)置1座無動力棄流井，一共28座，每座能存水2.4m3，是集滲透、過濾、檢查、儲存于一體的多功能棄流井。該井截留初期雨水（2～4mm降雨），初期雨水被截留后先進入雨水收集系統(tǒng)，當(dāng)雨量超過雨洪利用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，收水系統(tǒng)被充滿，排放口內(nèi)水面升至溢流排放水位后由雨水管道排放。實現(xiàn)雨時暫存，雨后下滲；雨多收水，過剩排走。

棄流井的底板為碎石墊層上澆筑無砂混凝土，井壁為現(xiàn)場砌筑混凝土透水磚。經(jīng)測試，棄流井的綜合滲透系數(shù)達到1.0mm/s以上。

3.3 防洪減災(zāi)技術(shù)

防洪減災(zāi)技術(shù)包括下沉花園雨洪利用措施、雨洪利用監(jiān)控技術(shù)兩方面。防洪減災(zāi)主要表現(xiàn)在利用中心區(qū)雨水利用系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)對奧運中心場區(qū)及奧運水系的降雨量、徑流量、外排流量等的監(jiān)測及調(diào)控，盡可能降低場區(qū)雨洪風(fēng)險。確保國家體育場（鳥巢）、國家體育館、國家游泳中心（水立方）等主要場館及各種設(shè)施的安全運行。

3.3.1 下沉花園雨洪利用

下沉花園總地勢為南低北高，南區(qū)控制標(biāo)高為35.55m，比周邊自然地面約低9m；北區(qū)控制標(biāo)高為36.55m，比周邊自然地面約低8m。在下沉花園的雨水設(shè)計中，將蓄洪系統(tǒng)作為首要問題考慮，并將蓄洪與雨水收集系統(tǒng)有機結(jié)合起來形成體系，較好地解決了雨水利用收水與蓄洪排水的矛盾。

下沉花園地下最底部分是整體的混凝土結(jié)構(gòu)底板，底板上方有平均厚3m的覆土層。雨水利用系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期定為5a；下沉花園內(nèi)部廣場及人行道不小于80%的面積采用透水磚鋪裝，其他部分為不透水路面。按入滲要求，不透水路面坡向透水路面；綠地全部采用下凹式綠地或帶增滲設(shè)施的下凹式綠地形式。綠地比周圍路面或廣場下凹50～100mm，路面和廣場多余的雨水可經(jīng)過綠地入滲。

3.3.2 雨水利用系統(tǒng)

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的雨水經(jīng)過透水鋪裝（或綠地）、水平疏水層、豎向疏水層、收水溝匯集到回用蓄水池。由于下沉花園為南北兩區(qū)，收水系統(tǒng)也相應(yīng)設(shè)為2個，由收水溝分別匯至設(shè)在下沉花園南、北區(qū)主入口大坡道下的雨水收集池內(nèi)，水池總?cè)莘e2795m3，用于綠化澆灌及水景補充用水。超過雨洪利用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的雨水，通過排水系統(tǒng)排向蓄洪溝暫蓄，減小外排水量及市政排水壓力。

4 結(jié)語

在北京奧運場區(qū)雨水利用系統(tǒng)設(shè)計過程中，對雨水回收利用各項技術(shù)進行了大量研究，解決了綠地、透水鋪裝水體自然凈化的雨水利用，跨水系路橋的雨水利用及水系岸邊防洪、親水等難題，體現(xiàn)了雨水自然凈化的設(shè)計理念，使奧林匹克公園中心區(qū)的雨水綜合利用率超過80%，提高了水資源利用率，在一定程度上緩解了北京市水資源的供需矛盾，有效改善了區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。

［1］鄧卓智，趙生成，吳東敏.北京奧林匹克公園雨水利用示范工程［J］.給水排水動態(tài),2009（8）.

［2］鄧卓智,趙生成,宗復(fù)芃,等.基于水體自然凈化的北京奧林匹克公園中心區(qū)雨水利用技術(shù)［J］.給水排水,2008（9）.

［3］趙生成.奧林匹克公園中區(qū)雨洪利用設(shè)計[J].北京水務(wù),2006（5）.

［4］吳東敏，高巍.奧林匹克公園中心區(qū)雨洪利用成套技術(shù)集成［J］.水利水電技術(shù),2009（9）.

［5］鄧卓智,李樹峰,胡云暉,等.奧運龍形水系膨潤土防水毯防滲技術(shù)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計,2009（5）.