海綿城市建設(shè)中嵌入式雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

何茜

摘 要： 城市水資源系統(tǒng)是大自然系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，令城市中雨水資源得到良好利用可達(dá)到改善區(qū)域環(huán)境的目的，提出對(duì)海綿城市建設(shè)中嵌入式雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)收集方式的不同概括為屋面雨水收集、路面雨水收集及綠地雨水收集，通過(guò)對(duì)年雨水量的計(jì)算獲取集雨量數(shù)據(jù)，利用徑流系數(shù)了解地面匯水面積、地面坡度、建筑密度分布及路面鋪砌情況，對(duì)雨水管渠進(jìn)行設(shè)計(jì)初步完成嵌入式雨水收集系統(tǒng)；其次，對(duì)收集后的雨水采用初期雨水棄流和旋流分離污染物控制處理技術(shù)，利用雨水徑流對(duì)污染物的沖刷規(guī)律和輸送規(guī)律對(duì)雨水中的雜質(zhì)和非點(diǎn)源污染進(jìn)行控制，再通過(guò)旋流分離器對(duì)雨水中難以分離的泥沙實(shí)現(xiàn)分離，通過(guò)以上步驟即完成了城市雨水收集系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用該嵌入式雨水收集系統(tǒng)可提高對(duì)雨水資源的利用率。

關(guān)鍵詞： 海綿城市； 雨水收集系統(tǒng)； 雨水利用率； 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN919?34； TU178 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0141?04

Design of embedded rainwater collection system in sponge city construction

HE Qian

（College of Engineering and Technology， Xichang University， Xichang 615013， China）

Abstract： The city water resource system as a subsystem of the nature system makes good use of rainwater resource in the city to improve the regional environment. In this paper， an embedded rainwater collection system in the sponge city construction is put forward. According to the different collection methods， the roof rainwater collection， road rainwater collection and green area rainwater collection are summarized. The annual rainfall is calculated to collect the rainfall data， and the runoff coefficient is used to understand the ground catchment area， ground slope， road paving and building density distribution to preliminarily design the rainwater sewer for the embedded rainwater collection system. The initial rainwater drainage control technology and cyclone separation control technology are used to process the pollutants in the collected rainwater. The scouring rule and transportation rule of rainwater runoff for pollutants are used to control the impurity and non?point source pollution in rainwater， and then the cyclone separator is adopted to separate the sediment which is difficult to separate from the rainwater. By means of the above steps， the comprehensive design of the city rainwater collection system is accomplished. The experimental results show that the embedded rainwater collection system can improve the utilization of rainwater resource.

Keywords： sponge city； rainwater collection system； rainwater utilization； embedded system

0 引 言

文獻(xiàn)[1]指出近些年隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)及城市面積的不斷擴(kuò)張，城市化進(jìn)程也呈現(xiàn)迅速加快的模式。由于城市化進(jìn)程使透水面積在逐漸減小，水資源問(wèn)題就顯得尤為突出，因此在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中有效解決水資源矛盾成為首要問(wèn)題[2?3]。比較其他可再生的水資源，雨水有較明顯的優(yōu)勢(shì)，例如，雨水就地收集，處理步驟簡(jiǎn)單，水質(zhì)硬度低及水中含有土壤需要的營(yíng)養(yǎng)成分，雨水中也不含污染土壤及污染地下水的成分。文獻(xiàn)[4]提到對(duì)雨水的有效收集能夠使過(guò)度開(kāi)采地下水而造成的城市地面區(qū)域下陷得到緩解，也是解決城市內(nèi)澇及城市惡性水循環(huán)等一系列問(wèn)題的有效方法。雨水資源的高效收集和利用，能提高蓄養(yǎng)水資源的能力，增強(qiáng)城市防澇抗洪能力及提升城市生態(tài)環(huán)境[5?6]。

文獻(xiàn)[7]提出我國(guó)城市雨水的利用始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的努力，中國(guó)大部分城市雖然已經(jīng)運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，但對(duì)雨水的利用率還比較低，未能達(dá)到理想效果，主要是由于對(duì)雨水的處理及綜合運(yùn)用方面不成熟，而且采用該項(xiàng)技術(shù)的城市也只是進(jìn)行了初步嘗試。endprint

海綿城市具有調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境及應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的功能，尤其是在環(huán)境改善方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8?9]。因此，文中提出對(duì)海綿城市建設(shè)中嵌入式雨水收集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高城市雨水資源利用效率。首先，根據(jù)雨水收集方式的差別可分為屋面雨水收集、綠地雨水收集和路面雨水收集等方式，以年降水量為基礎(chǔ)對(duì)雨水集雨量實(shí)現(xiàn)求解計(jì)算，并通過(guò)徑流指數(shù)掌握匯水面積及各區(qū)域的透水情況，即可計(jì)算出雨水總集雨量，以初步實(shí)現(xiàn)嵌入式雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)；其次，運(yùn)用初期雨水棄流控制技術(shù)和旋流分離控制技術(shù)對(duì)收集后的雨水實(shí)現(xiàn)污染物處理，根據(jù)雨水徑流對(duì)污染物的沖刷和輸送規(guī)律，再運(yùn)用旋流分離器對(duì)雨水中的顆粒污染物實(shí)現(xiàn)分離，以上步驟即實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市雨水收集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 海綿城市嵌入式雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 基于水質(zhì)特性的雨水收集系統(tǒng)

雨水是一種受到輕度污染的水資源，該資源的高效利用一方面可以控制雨水徑流產(chǎn)生的污染物質(zhì)，另一方面還可以解決城市水資源的短缺問(wèn)題。對(duì)雨水資源進(jìn)行使用前，要先實(shí)現(xiàn)雨水收集過(guò)程。海綿城市雨水的收集方法主要包括三類：一是屋面雨水收集；二是路面雨水收集；三是綠地雨水收集。

集雨方式劃分后，通過(guò)設(shè)計(jì)雨水管渠達(dá)到最大集雨量，根據(jù)年降水量的不同，集雨量也存在區(qū)別。雨水綜合利用是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，高效利用雨水前需先處理好雨水收集問(wèn)題。根據(jù)某海綿城市的年雨水量對(duì)雨水管渠流量[Q]進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算公式如下：

[Q=ψm·q·F] （1）

[q=λA1+ClgPt+bn] （2）

式中：[ψm]表示流量徑流系數(shù)；[q]表示設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；[F]表示匯水面積；[m]表示折減系數(shù)；[λ]表示常數(shù)；[C]表示流速系數(shù)；[t]表示雨水匯集時(shí)間；[n]表示雨水渠粗糙系數(shù)；[b]表示雨水渠寬度；[P]表示設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。

雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期設(shè)定需結(jié)合海綿城市某區(qū)域當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，從經(jīng)濟(jì)及技術(shù)方面統(tǒng)一考慮，合理選擇?？蓪⒉糠殖鞘械脑O(shè)計(jì)重現(xiàn)期取值作為參考值，對(duì)海綿城市中的新規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在城市中，雨水從地面徑流至雨水口，經(jīng)雨水管再匯入河流，這個(gè)過(guò)程中所需的時(shí)間為雨水匯集時(shí)間[t，]則可描述為：

[t=t1+mt2] （3）

式中：[t1]表示地面集水時(shí)間；[t2]表示管渠內(nèi)雨水流動(dòng)時(shí)間。地面集水時(shí)間主要受雨水流距長(zhǎng)短、地面坡度和地面覆蓋情況等因素影響。資料顯示，地面集水時(shí)間所采用數(shù)據(jù)大多數(shù)不需要計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)取值，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般地面集水時(shí)間[t1]取值范圍為5～10 min。

管渠內(nèi)雨水流形成時(shí)間指的是雨水從雨水口傳輸?shù)焦艿溃詈罅髦梁拥赖牧鹘?jīng)時(shí)間。[t2]值是暴雨強(qiáng)度指標(biāo)之一，與管道長(zhǎng)度、坡度、雨水流速及管材性質(zhì)等因素相關(guān)。通過(guò)式（4）可對(duì)管渠內(nèi)雨水流動(dòng)時(shí)間[t2]進(jìn)行描述：

[t2=Li60Vi] （4）

式中：[Li]表示各管段長(zhǎng)度；[Vi]表示各管段滿流時(shí)水流速度。

折減系數(shù)是我國(guó)學(xué)者依據(jù)雨水空隙容量思想研究提出的，因此折減系數(shù)的取值范圍也必須根據(jù)海綿城市某地區(qū)的實(shí)際條件進(jìn)行取值。通過(guò)以上公式已經(jīng)確定了地面集水時(shí)間及管渠內(nèi)雨水的流動(dòng)時(shí)間，通過(guò)確定折減系數(shù)可最后獲取雨水收集量。

1.2 基于雨水污染控制技術(shù)的雨水收集利用設(shè)計(jì)

為有效實(shí)現(xiàn)雨水資源的綜合利用，需對(duì)收集后的雨水進(jìn)行處理，本文提出采用兩種技術(shù)對(duì)雨水中的污染物進(jìn)行控制。具體雨水收集系統(tǒng)綜合利用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

初期雨水棄流控制技術(shù)是一種適用性強(qiáng)且有效的水質(zhì)處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)雨水棄流裝置的合理設(shè)計(jì)可對(duì)雨水中細(xì)小顆?；蚩扇苄晕廴疚镞M(jìn)行處理控制。雨水匯集存在不同徑流量的情況，例如小匯水面的徑流雨水，由于初期雨水棄流量較小，可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的雨水棄流裝置。雨水先流入棄流池，當(dāng)棄流池蓄滿后雨水從設(shè)置的高水位蓄水池溢出后進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)，直到雨停后將棄流池排空。

對(duì)于旋流分離器來(lái)講，在其他條件相同的情況下，污染顆粒越小，則在旋流器內(nèi)占用的平衡軌道半徑越小，這種顆粒物不易與旋流器邊壁產(chǎn)生有效分離，其分離的難度比分離大顆粒雜質(zhì)難度高。若想使極細(xì)顆粒物質(zhì)達(dá)到良好的分離效果，必須使旋流分離器能夠達(dá)到較小的分離粒度。下面對(duì)影響旋流分離器的主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括旋流器進(jìn)出口、旋流分離器直徑和擋板安裝角度等。旋流分離系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

進(jìn)出口高度確定：依據(jù)旋流條件的限制，為防止旋轉(zhuǎn)時(shí)水流速度過(guò)快出現(xiàn)的涌出現(xiàn)象，需要合理設(shè)計(jì)進(jìn)出口高度，進(jìn)口應(yīng)該設(shè)置在距離觀察孔一倍左右的進(jìn)口下方，該設(shè)計(jì)方式可以避免水流涌出現(xiàn)象，但也不能夠使進(jìn)出口過(guò)高，過(guò)高會(huì)使旋流不順暢，造成流動(dòng)受阻現(xiàn)象，可將進(jìn)出口設(shè)計(jì)為距離頂部4.0 cm處。

旋流分離器直徑確定：該組件主要對(duì)過(guò)流能力和分離力度大小產(chǎn)生影響。過(guò)流能力和分離力度會(huì)伴隨旋流分離器直徑的增大而增加，因此進(jìn)口直徑與旋流器直徑的關(guān)系為：[D進(jìn)口=0.15-0.25D直徑，]計(jì)算得到中間值，則旋流分離器的直徑為150 cm。

旋流分離器總高度確定：對(duì)于旋流分離器來(lái)說(shuō)，若旋流沉降的線路越長(zhǎng)，表明旋流分離器越高，顆粒物沉降處理時(shí)間越長(zhǎng)，效果也越好。但根據(jù)實(shí)際工程情況和沉淀物處理等步驟，不能將旋流分離器設(shè)計(jì)得過(guò)高?？紤]到實(shí)際條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算后確定旋流分離器高度為200 cm。

綜上所述，通過(guò)對(duì)雨水管渠的計(jì)算可以初步對(duì)雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在經(jīng)過(guò)雨水收集后充分利用旋流分離系統(tǒng)對(duì)收集后的雨水進(jìn)行污染物控制處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)回用水水質(zhì)，從而完成了海綿城市雨水收集系統(tǒng)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為緩解城市化進(jìn)程給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響，本文提出對(duì)海綿城市的雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而增加雨水的綜合利用效率，達(dá)到改善城市生態(tài)環(huán)境的目的。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文雨水收集系統(tǒng)的可行性，具體實(shí)驗(yàn)如下。endprint

實(shí)驗(yàn)1：將海綿城市的某區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，統(tǒng)計(jì)夏季汛期6—8月的降水量，同時(shí)對(duì)該區(qū)域各雨水收集系統(tǒng)設(shè)施的集雨量進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，通過(guò)運(yùn)用本文雨水管渠設(shè)計(jì)方法對(duì)該區(qū)域的雨水集雨量進(jìn)行求解計(jì)算，并對(duì)兩組數(shù)據(jù)比較差異性。具體集雨量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1數(shù)據(jù)為對(duì)6—8月份雨水收集系統(tǒng)的實(shí)際集雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)照表1可看出，6—8月份的屋頂集雨量、綠地集雨量、路面集雨量和水面集雨量與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果差距微小，且總集雨量也基本一致，表明本文的雨水管渠設(shè)計(jì)方法對(duì)該區(qū)域6—8月份的雨水集雨量計(jì)算較為準(zhǔn)確，能較好地反映該地區(qū)雨水收集系統(tǒng)的良好性能。

實(shí)驗(yàn)2：為提高雨水的利用率，在通過(guò)雨水收集步驟之后，利用本文的旋流分離系統(tǒng)對(duì)雨水資源進(jìn)行進(jìn)一步污染物控制處理。對(duì)收集后的雨水進(jìn)行樣品采集，運(yùn)用本文旋流分離系統(tǒng)和雨落管棄流系統(tǒng)對(duì)雨水樣品進(jìn)行處理，分別觀察雨水經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)出口SS（懸浮固體）濃度變化及進(jìn)出口濁度變化，具體變化曲線圖如圖3，圖4所示。

（1） 先從雨水收集系統(tǒng)中取3組樣品，利用旋流分離系統(tǒng)對(duì)以上3組樣品進(jìn)行處理，獲取進(jìn)出口SS濃度變化曲線圖，具體如圖3所示。

圖3為利用旋流分離系統(tǒng)對(duì)收集后的雨水進(jìn)行懸浮固體控制處理操作，從圖中能夠看出隨著處理時(shí)間的增加，懸浮固體濃度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)明顯，說(shuō)明由出水口流出處理后的雨水水質(zhì)較好。

（2） 實(shí)驗(yàn)提供3組雨水樣品，利用雨落管棄流系統(tǒng)對(duì)雨水樣品實(shí)行處理后，比較處理后雨水的濁度變化，具體如圖4所示。

對(duì)比以上兩種系統(tǒng)，顯示本文中的旋流分離系統(tǒng)對(duì)雨水處理綜合利用效率較高。

3 結(jié) 論

城市水資源的有效利用能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此本文提出對(duì)海綿城市的雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高雨水資源的利用效果，緩解城市熱島效應(yīng)。首先，利用不同的雨水收集方式，即屋頂雨水收集、綠地收集、路面收集等方式先對(duì)雨水實(shí)現(xiàn)收集，根據(jù)年降水量求解雨水集雨量，再運(yùn)用徑流系數(shù)來(lái)掌握地面覆蓋物的透水情況，并根據(jù)集雨量和徑流系數(shù)設(shè)計(jì)雨水管渠，使嵌入式雨水收集系統(tǒng)初步完成；其次，采用初期雨水棄流控制技術(shù)和旋流分離控制技術(shù)對(duì)收集后的雨水進(jìn)行處理，根據(jù)雨水徑流規(guī)律和污染物的沖刷規(guī)律，運(yùn)用兩種控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)雨水污染物處理過(guò)程，最終完成雨水收集系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用該嵌入式雨水收集系統(tǒng)可提高對(duì)雨水資源的利用率。

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