城市道路徑流雨水初雨量特征分析和計(jì)算方法*

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

我國目前開展的海綿城市[1]建設(shè)主要是將自然降雨和地表徑流時(shí)空調(diào)蓄的人工措施相結(jié)合，遵循生態(tài)優(yōu)先等原則，模擬自然水文邊界條件，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市中的自然積存、自然滲透和自然凈化。隨著我國城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，城市房屋和道路面積逐年增長(zhǎng)，城市不透水下墊面的增長(zhǎng)，給傳統(tǒng)的城市雨水排水設(shè)施帶來了極大的壓力。一方面，基于快排理念的基礎(chǔ)，排水設(shè)施將雨水排出城市，遇到降雨量偏大的狀況，城市基礎(chǔ)排水設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增大市內(nèi)安全和交通的壓力；另一方面，城市大量雨水資源流失，地下水得不到補(bǔ)給，水位逐年下降，甚至有些河流出現(xiàn)了斷流現(xiàn)象，城市原有河道、湖泊由于無法保證基流的供給，水面干涸、枯竭，大量被填平作為城市建設(shè)用地，水面率的下降進(jìn)一步加劇了城市內(nèi)澇積水、排水除澇的壓力。雨水作為一種豐富的可再生資源，再利用的開發(fā)已經(jīng)迫在眉睫[2]。

城市建成區(qū)內(nèi)，不透水下墊面基本包括城市道路路面(含機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道)、城市快速路路面(城市高架路)、城市廣場(chǎng)、居民居住及公建小區(qū)房屋屋頂和小區(qū)路面、企業(yè)內(nèi)工業(yè)廠房屋頂和工廠路面等。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施比較完備的城市建成區(qū)，城市道路路面占城市建設(shè)用地比率一般為10%～15%?；谳^高城市道路面積占比，城市路面集雨技術(shù)是世界各國雨水低影響開發(fā)(LID)、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)、水敏感城市設(shè)計(jì)(WSUD)、低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā)(LIUDD)等雨洪管理系統(tǒng)的核心和重點(diǎn)。國外集雨技術(shù)發(fā)展較早，路面雨水蓄集技術(shù)已經(jīng)形成了一套完備的體系。早在1948年，以色列實(shí)行的“沙漠公園計(jì)劃”[3]就將雨水的利用率提高到70%以上；德國[4]利用城市大面積的屋面來進(jìn)行雨水收集，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后，當(dāng)作非飲用水來使用；美國興建屋頂蓄水池和地下蓄水系統(tǒng)，不僅減輕了防洪壓力，而且充分發(fā)揮了雨水的生態(tài)環(huán)境功能；日本在屋頂修建“空中花園”，利用雨水進(jìn)行灌溉。我國在集雨方面的起步較晚，雨水徑流一般是通過城市排水管網(wǎng)并入城市水體或污水處理廠。通常雨水會(huì)攜帶地表道路的污染物，因此，城市道路雨水被看作是一種污染源，而非可再生水資源。

鑒于此，本文以山西省太原市小店區(qū)路面雨水為研究對(duì)象，跟蹤測(cè)試兩種路面的雨水水質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)，確定不同路面集雨的初期棄雨量，提出雨水分質(zhì)利用方式并提供計(jì)算初期棄雨量和年均可利用水量的計(jì)算方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概述

太原市位于華北地區(qū)黃河流域中部，在山西省境的中央位置，太原市北、西、東三面環(huán)山，呈現(xiàn)北高南低簸箕形，平均海拔約800m，屬溫帶季風(fēng)性氣候，年均降雨量456mm，年平均氣溫9.5℃。山西省第二次水資源評(píng)價(jià)成果顯示，太原市全部可利用水資源總量為5.33億m3，人均水資源占有量為168m3，僅為全國人均水資源量的1/12，全省人均水資源量的1/2，處于極度缺水狀態(tài)。大氣降水和河流入滲補(bǔ)給是太原市地下水的主要來源，太原市水資源主要靠大氣降水補(bǔ)給。

實(shí)行道路雨水收集利用的前提條件是有充分可供收集利用的有效水資源，研究指出，年均降雨量在250mm以上的地區(qū)可進(jìn)行雨水徑流集蓄再利用。城市道路不透水面面積增加使路面的地表徑流系數(shù)遠(yuǎn)大于農(nóng)村地區(qū)的徑流系數(shù)[5]。大多數(shù)地區(qū)年均可收集雨量可用下式計(jì)算：

Q=ψαβA(H×10-3)

(1)

式中Q——規(guī)劃區(qū)年平均可收集雨量，m3；

ψ——平均徑流系數(shù)，可通過對(duì)各匯流單元的徑流系數(shù)加權(quán)平均求得，不同下墊面條件下的徑流系數(shù)見表1[6]；

α——季節(jié)折減系數(shù)，在數(shù)值上等于汛期平均降雨量與年平均降雨量的比值，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶侄嗄杲y(tǒng)計(jì)資料分析確定；

β——初期棄流系數(shù) ；

A——集雨面積，m2；

H——年平均降雨量，mm。

表1 不同下墊面條件下的徑流系數(shù)

由表1可知，太原市城市建成區(qū)收水范圍內(nèi)的綜合地表徑流系數(shù)ψ高達(dá)0.65～0.75。由式(1)可粗略計(jì)算市區(qū)路面可利用雨水徑流量達(dá)1.45億m3/a，因此太原市內(nèi)道路雨水資源具有較大的開發(fā)利用潛力[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于封閉的城市硬質(zhì)化路面排水收水范圍，其影響路面地表徑流雨水的污染物來源主要是：汽車尾氣(含Pb等石油類)、揚(yáng)塵(無機(jī)砂粒、黏土等)、可形成降雨雨核的顆粒有機(jī)物降落(這些顆粒有機(jī)物是由霧霾產(chǎn)生的)等。對(duì)于開發(fā)的城市道路系統(tǒng)，其城市道路下雨水管道的收集雨水量為：路面雨水量+街坊支管雨水量(來自兩側(cè)的居住小區(qū)、公建、工礦企業(yè))，這種情況下的初雨水質(zhì)比較復(fù)雜，不在此次試驗(yàn)研究范圍內(nèi)。此次試驗(yàn)研究的對(duì)象是硬質(zhì)路面雨水，純粹的地表徑流，不含源頭的滲(透水性路面)、滯(道路隔離帶的植草溝、下凹式綠地等)、蓄(地下蓄水模塊、透水性路面下的碎石蓄水層)等海綿設(shè)施。為了獲取各種下墊面的雨水徑流水質(zhì)狀況，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在山西省太原市小店區(qū)節(jié)水示范基地400m2混凝土路面集雨區(qū)(素混凝土白石路面)和300m2砂石路面集雨區(qū)。混凝土路面是目前城鄉(xiāng)公路的典型代表，砂石路面代表鄉(xiāng)村的道路特點(diǎn)。試驗(yàn)區(qū)道路為城市三級(jí)道路，即商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)較少的路段，居民區(qū)和單位相間的路段，城鄉(xiāng)接合部的主要交通路段。城市三級(jí)道路占整個(gè)城市道路的20%左右，每日人工普掃一次。試驗(yàn)區(qū)道路在路面結(jié)構(gòu)、保潔頻率、機(jī)動(dòng)車流量等方面都具有明顯的代表性。通過采樣點(diǎn)的水樣對(duì)比分析水質(zhì)情況。

根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)選取水質(zhì)分析的項(xiàng)目，選取對(duì)雨水利用影響最大的幾項(xiàng)污染指標(biāo)，見表2[8]。

表2 水質(zhì)分析項(xiàng)目

雨水徑流水樣水質(zhì)分析采用國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，各項(xiàng)目的分析方法及設(shè)備見表3。

本文試驗(yàn)盛放水樣的容器為聚氯乙烯瓶(容積1000mL)。混凝土道路產(chǎn)流較快，因此應(yīng)在產(chǎn)流開始時(shí)立即取樣，選擇大的徑流量間隔5min取樣1次，小的徑流量間隔10min取樣1次，取樣3次后，取樣時(shí)間逐步延長(zhǎng)。試驗(yàn)根據(jù)1次降水的歷時(shí)長(zhǎng)短來確定取樣的次數(shù)，長(zhǎng)歷時(shí)的降雨取樣一般要持續(xù)60～90min，并且在降雨后期要補(bǔ)取1次。

表3 分析儀器及分析方法

地表徑流采樣的同時(shí)，要對(duì)天然雨水進(jìn)行采集、分析及測(cè)定，目的是確定徑流雨水水質(zhì)的污染程度。因降雨雨量小于地表徑流量，所以強(qiáng)度小的降雨過程所收集水樣的時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)貫穿整個(gè)降雨過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種路面雨水徑流水質(zhì)分析

a.對(duì)混凝土路面雨水徑流水樣的化學(xué)需氧量、濁度、pH值、氨氮等的分析結(jié)果如下：

pH值：混凝土路面雨水徑流pH值隨徑流時(shí)間的延長(zhǎng)變化很小，基本在7～8之間。道路雨水徑流水樣初期pH<7，逐漸趨于穩(wěn)定，最終pH值在7.5左右。

濁度：混凝土路面雨水徑流濁度在徑流初期有小幅度變化，初期濁度小幅度上升，但總體呈下降趨勢(shì)，徑流后期穩(wěn)定在6以下。整個(gè)匯流過程中，混凝土路面徑流的濁度在70以下，原因可能是混凝土路面傾斜導(dǎo)致雜物灰塵等物質(zhì)不容易在路面堆積，路面比較干凈，從而整體濁度較小。

化學(xué)需氧量：混凝土路面雨水徑流COD的數(shù)值總體呈下降趨勢(shì)，雨水徑流后期下降到40mg/L以下，表示徑流中的耗氧物質(zhì)較少，混凝土路面雨水水質(zhì)較好。

氨氮：混凝土路面雨水徑流初始氨氮含量小于6mg/L，隨著徑流時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，最終在1.5mg/L以下，始終保持一個(gè)比較低的數(shù)值。

SS：混凝土路面雨水徑流SS值波動(dòng)較小，總體呈下降趨勢(shì)，匯流后期穩(wěn)定在20～40之間。

b.對(duì)砂石路面雨水徑流水樣的pH值、濁度、化學(xué)需氧量、氨氮等的分析結(jié)果如下：

pH值：砂石路面雨水pH值穩(wěn)定性差，在整個(gè)匯流過程中一直在變化。

濁度：砂石路面雨水濁度值遠(yuǎn)大于混凝土路面，且在整個(gè)測(cè)試過程中變化幅度較大，其原因主要是砂石路面狀況差，降雨沖刷導(dǎo)致濁度不穩(wěn)定，遠(yuǎn)大于混凝土路面濁度。

化學(xué)需氧量：砂石路面雨水徑流的COD值隨降雨強(qiáng)度的增大，下降幅度明顯加快。

氨氮：砂石路面雨水徑流的氨氮含量相對(duì)混凝土路面較高。

由整個(gè)降雨過程中兩種路面雨水徑流水樣的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)可知，砂石路面雨水徑流水質(zhì)較差，混凝土路面雨水徑流水質(zhì)明顯優(yōu)于砂石路面雨水徑流水質(zhì)。

2.2 初期棄雨量的確定

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)混凝土路面和砂石路面的徑流水質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)砂石路面徑流水質(zhì)明顯不如混凝土道路的徑流水質(zhì)，并且各水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)而下降最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。城市雨水收集在初級(jí)階段，應(yīng)首先考慮收集路面雨水徑流水質(zhì)較好的部分，對(duì)水質(zhì)不好的徑流部分需經(jīng)處理后加以利用。根據(jù)混凝土路面和砂石路面徑流水質(zhì)的情況，首先應(yīng)收集混凝土路面的雨水徑流，其次收集砂石路面雨水徑流，并且在利用之前應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)化處理，水質(zhì)合格后方可進(jìn)行再利用。

根據(jù)路面雨水徑流的水質(zhì)狀況，應(yīng)去除初期雨水匯流以達(dá)到收集優(yōu)質(zhì)雨水徑流的目的。初期棄雨量的確定主要依據(jù)路面雨水水質(zhì)及其與降雨量的關(guān)系。雨水積蓄的初級(jí)階段，雨水主要用于灌溉和噴灑路面等非飲用方面，因此，雨水COD值不應(yīng)過高，本文采取路面雨水徑流的COD指標(biāo)來確定初期棄雨量。通過實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如下：

a.當(dāng)累積降雨量達(dá)到1.9mm時(shí)，混凝土路面雨水徑流的COD值基本穩(wěn)定在100mg/L以下。

b.當(dāng)累積降雨量達(dá)到4mm時(shí)，砂石路面雨水徑流的COD值基本穩(wěn)定在100mg/L以下。

c.以混凝土路面和砂石路面為集流面時(shí)，可以路面雨水徑流的COD穩(wěn)定值作為標(biāo)準(zhǔn)，以此來計(jì)算不同路面的雨水徑流初期棄雨量，保證蓄集到水質(zhì)較好的雨水徑流。

根據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，偏于安全考慮，最終確定混凝土路面的初期棄雨量為2.5mm，砂石路面的初期棄雨量為4.5mm。

2.3 雨水分質(zhì)利用及其初期棄雨量的確定

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)不同路面雨水徑流的水質(zhì)分析結(jié)果，可以判定兩種路面雨水都是適合回收再利用的。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)以路面雨水水質(zhì)分析結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)確定初期棄雨量的方法，同樣以水質(zhì)分析結(jié)果對(duì)路面雨水進(jìn)行分質(zhì)利用。首先以雨水徑流COD值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雨水水質(zhì)進(jìn)行劃分：

a.COD>100mg/L，將雨水徑流排入城市排水系統(tǒng)，不加以利用。

b.50

c.COD<50mg/L，將雨水作為非飲用的生活用水。

根據(jù)劃分好的雨水徑流，確定相應(yīng)的初期棄雨量h。根據(jù)道路材料，可以將路面雨水徑流分為n種，第i(i=l……n)種路面雨水對(duì)應(yīng)的累計(jì)降雨量分別為：當(dāng)降雨初期，路面雨水徑流作棄流處理時(shí)，初期棄雨量為hi1；將雨水徑流直接進(jìn)行利用，對(duì)應(yīng)的初期棄雨量為hi2；當(dāng)累計(jì)降雨量hi1≤h≤hi2時(shí)，將雨水進(jìn)行處理后再加以利用。

2.4 年均可收集水量的確定

根據(jù)太原市氣象局關(guān)于小店區(qū)近20年降雨量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定示范區(qū)域年均降雨量為488mm，汛期雨量是雨水利用主要參考數(shù)值，因此季節(jié)折減系數(shù)α取0.6。由于雨水水質(zhì)初期較差，要棄流并排入污水管網(wǎng)，初期雨水是不可利用的，棄流系數(shù)β取0.9，路面雨水徑流系數(shù)ψ取0.9。2012年、2020年的路面雨水收集系數(shù)分別為20%和40%?？梢韵鹿接?jì)算年均可利用雨水量[9]：

Q2012= 0.9×0.6×0.9×(sj+sg)×

488×10-3×20%

(2)

Q2020=0.9×0.6×0.9×(sj+sg)×

488×10-3×40%

(3)

式中Q2012——2012年的年均可利用雨水量，m3；

Q2020——2020年的年均可利用雨水量，m3；

sj——混凝土路面面積，m2；

sg——瀝青路面面積，m2。

3 結(jié) 語

本文以COD指標(biāo)為例，確定了路面雨水分質(zhì)使用方法，并計(jì)算了初期棄雨量和年均可收集雨量。研究結(jié)果可為北方地區(qū)路面集水提供技術(shù)支撐，同時(shí)，也對(duì)路面集雨技術(shù)的發(fā)展有重要的意義。本文對(duì)不同硬化下墊面的地表徑流水質(zhì)在降雨過程中的變化情況進(jìn)行了分析研究，對(duì)太原地區(qū)貫徹《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中規(guī)定的年徑流總量控制率(80%～85%)、低影響開發(fā)措施實(shí)現(xiàn)源頭削減雨水徑流污染(特別是場(chǎng)次降雨污染物總量占比達(dá)80%的初期雨頭部分削減)、源頭LID措施削減污染物的類型選擇和效果評(píng)判具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。