滲水井在提高庭院雨水下滲率中的應(yīng)用

費 陽, 唐中亞, 王金輝, 王一鳴, 叢海兵*

(1. 揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚州 225127; 2. 揚州市給排水管理處, 江蘇 揚州 225000)

過去受經(jīng)濟、技術(shù)條件等制約, 歷史街區(qū)多采用合流制排水系統(tǒng)[1], 易導(dǎo)致污水溢流[2-5]．為改善城市水環(huán)境, 許多國家開始實施低影響開發(fā)、雨水資源利用與管理[6]等措施, 如美國紐約市采用了綠色屋頂和生物滯留池[7]; 日本橫濱市大量采用深層調(diào)蓄隧道、地下調(diào)蓄池、多功能調(diào)蓄池等[8]．在國內(nèi),雨污分流和海綿技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用也逐漸受到廣泛關(guān)注．劉玉蘭[9]對鎮(zhèn)江市老舊小區(qū)開展雨污分流的低影響改造設(shè)計,內(nèi)容主要包含雨水花園、透水鋪裝設(shè)計等;王建龍等[10]認為對已建小區(qū)海綿化改造的重點是消除積水點,提高小區(qū)排水能力,可以采取透水鋪裝、生物滯留池、下沉綠地等低影響開發(fā)措施用于滯蓄、凈化、消納雨水．

揚州市歷史街區(qū)的庭院建筑排水為截流式合流體制,溢流污染嚴重,加之歷史街巷狹窄,地下空間有限,雨污分流改造難度大．由于歷史庭院下墊層為瓦礫與土壤的混合物,本文針對其蓄滲特點,采用滲水井技術(shù)以瓦礫層為下滲面提高雨水下滲率,改善地表下滲能力不足的情況,從而削減降雨徑流,擬達到減少溢流污水量、降低雨污分流改造難度的目的．

1 材料與方法

1.1 土樣采集

取樣點為揚州市廣陵區(qū)某小區(qū)考古坑．表層為新土(厚約50 cm), 向下依次為瓦礫層(厚約3 m)和原狀土層．取樣時刨去表層新土,用直徑為15 cm的鍍鋅鋼管垂直打入瓦礫層分段取樣,每段30 cm,共取10段．取2組平行瓦礫土樣,分別用于蓄水率和滲透系數(shù)測試．同樣方法取厚度為30 cm的原狀土樣備用．

1.2 試驗方法

1) 蓄水率測定． 蓄水率測定裝置如圖1(a)所示．將取樣管安置在蓄水率測定裝置上, 測量土樣高度, 計算土樣總體積V1, m3．關(guān)閉出水口, 向取樣管中灌水, 充分浸潤土樣以排盡土樣中空氣, 待水面與土面持平后, 打開底部出水口閥門,用量筒測量出水體積V2, L．瓦礫土層單位體積內(nèi)包含的重力水體積即為蓄水率P=V2/V1, L·m-3．使用相同方法對原狀土樣進行蓄水率測定．

圖1 蓄水率測定裝置(a)和滲透系數(shù)測定裝置(b)(單位:mm)Fig.1 Measuring devices of gravity water storage rate (a) and permeability coefficient (b)

圖2 滲水井灌水試驗裝置(單位:mm)Fig.2 Irrigation experiment device for seepage well

2) 滲透系數(shù)測定．滲透系數(shù)測定裝置如圖1(b)所示．向取樣管內(nèi)持續(xù)注水并控制注水速度, 保持出水管出水且取樣管內(nèi)水位恒定,待形成恒定滲流后, 記錄一段時間內(nèi)的出水量, 土樣滲透系數(shù)K=VL(tAh)-1, m·d-1．式中V為出水量, m3;L為土樣高度, m;t為出水持續(xù)時間,d;A為土樣橫截面積, m2;h為進出水水位差, m．對原狀土樣按同樣方法測定其滲透系數(shù)．

3) 滲水井滲水流量測定．滲水井灌水試驗裝置位于揚州市廣陵區(qū)某庭院內(nèi), 裝置示意圖如圖2所示, 裝置由體積為3 m3的水箱、超聲波流量計、進水管、閥門和滲水井組成,滲水井包括井體、井蓋、進水口和溢流口．井體由磚砌成, 不抹面,井底自下而上鋪設(shè)卵石層和粗砂層,卵石層以下為瓦礫層．水箱中注滿水后,開啟進水閥門,向滲水井中灌水,通過水位尺測量水深．調(diào)節(jié)進水閥門, 保持滲水井中水位高度H(m)不變, 使用超聲波流量計測量進水管流量Ql, m3·h-1, 即為滲水井當前水位下的滲水流量Q, m3·h-1．

4) 地下水水位測定．在距離河道約81 m的某歷史街區(qū)水井上安裝超聲波液位儀, 記錄地下水位變化情況,同時采用虹吸式雨量計記錄降雨過程．

2 結(jié)果與討論

2.1 土樣蓄水率及滲透系數(shù)

土樣蓄水率、滲透系數(shù)測定結(jié)果如表1所示．由表1可見, 瓦礫層平均重力水蓄水率為33.52 L·m-3．定義單位厚度土樣的重力水蓄水深度為單位體積土樣的重力水蓄水量除以土樣面積, 則該瓦礫層重力水蓄水深度為33.52 mm, 3 m厚的瓦礫層蓄水深度為100.56 mm．根據(jù)揚州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局公布的降雨強度公式q=15.727(1+0.697 lgTr)/(t+13.118)0.752, 式中q為降雨強度, mm·min-1;Tr為重現(xiàn)期, a;t為降雨歷時, min．以上式計算, 該瓦礫層蓄水深度相當于重現(xiàn)期40 a、降雨歷時2 h的降雨產(chǎn)生的雨量,表明瓦礫層有較大的蓄水潛能．又由表1可見,瓦礫層豎向滲透系數(shù)為0.005～128.500 m·d-1, 滲水能力差別大,存在強導(dǎo)水部位和弱導(dǎo)水部位,這是地下瓦礫層分布不均引起的．由于蓄水率和滲透系數(shù)數(shù)值來自不同的平行樣品,故重力水蓄水率和滲透系數(shù)不完全匹配,但總體結(jié)果表明瓦礫層的滲透系數(shù)遠大于原狀土,其強導(dǎo)水部位分散分布,能形成連續(xù)的斜向?qū)畬?保證水流下滲．

從水井監(jiān)測2018-08-17至2018-09-10期間內(nèi)地下水位變化情況(以揚州市內(nèi)河常水位為基準)如圖3所示．從8月17日2時至8月18日0時, 虹吸式雨量計測得該地區(qū)總降雨量達133.5 mm,由圖3可知,地下水位升高了1.11 m, 以試驗測得的平均蓄水率計算, 該次降雨瓦礫層的下滲量為37.2 mm．定義降雨下滲率為降雨下滲量與降雨量的比值, 故此次降雨下滲率為27.9%．可見地下蓄水空間并未充分利用,地表滲水性較差,擬設(shè)計滲水井強化滲水過程．

2.2 滲水井滲水量

滲水井的滲水能力試驗結(jié)果如圖4所示．由圖4可知, 隨著井中水位的上升, 滲水流量逐步增加, 井中水位為0.9 m時, 滲水流量可達3.36 m3·h-1．經(jīng)擬合, 滲水流量與水位呈二次拋物線關(guān)系:Q=0.242+2.305H+1.226H2,R2=0.997．

圖3 地下水水位變化Fig.3 Variation of groundwater level

圖4 滲水井滲水能力試驗結(jié)果Fig.4 Water permeability experiment results of seepage well

瓦礫層的磚瓦碎石分布不均, 故采用半經(jīng)驗公式綜合考慮各種非均質(zhì)地質(zhì)條件, 可較好地反映滲水井滲水能力[11]．當無防滲措施時, 滲水井通過井壁和井底兩方面滲水, 滲水流量與滲水面積成正比, 有Q=(aH2+bH+c)πr(r+2dH), 式中r為滲水井半徑, m;a,b,c為地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù), 根據(jù)實際滲水井灌水試驗擬合得到; 由于井壁由磚砌而成, 滲水能力較弱,故引入折減系數(shù)d, 取值范圍為0～1．利用1stOpt軟件[12]對圖4中數(shù)據(jù)進行非線性曲線擬合, 得到參數(shù)a=0.247,b=1.073,c=0.112,d=0.097, 則滲水井滲水流量半經(jīng)驗計算公式為Q=(0.247H2+1.073H+0.112)πr(r+0.194H).

2.3 滲水井使用效果

圖5 滲水井設(shè)置俯視示意圖Fig.5 Sketch map of seepage well setting

揚州歷史街區(qū)內(nèi)的建筑形式以四合院為主,滲水井設(shè)置區(qū)域的俯視示意圖見圖5, 在匯水區(qū)域內(nèi),降雨徑流通過雨水口和進水管匯入滲水井, 在井內(nèi)快速下滲．當滲水井內(nèi)水位達到溢流高度時,通過出水管流入市政排水管網(wǎng)．

圖6 滲水井的降雨徑流模擬計算結(jié)果Fig.6 Simulation results of rainfall runoff in seepage well

根據(jù)揚州市降雨強度公式計算, 暴雨重現(xiàn)期為3 a、降雨歷時2 h的總降雨量為63.5 mm．采用芝加哥雨型模擬各個降雨時間段的降水量, 區(qū)間降水量Qj=Aqctc/1 000, m3; 式中A為匯水面積, m2;qc為芝加哥雨型下的區(qū)間降雨強度, mm·min-1;tc為降雨時間區(qū)間, 取tc=5 min計算．區(qū)間產(chǎn)流量Qc=ac·Qj, m3, 式中ac為綜合徑流系數(shù), 取值為0.78(經(jīng)統(tǒng)計揚州典型庭院中瓦屋面、不透水地面、透水地面分別占匯水面積的55%、15%、30%, 徑流系數(shù)分別為0.95、0.95、0.39, 加權(quán)平均后ac為0.78); 滲水井的區(qū)間下滲量Qx=πrtc(0.247H2+1.073H+0.112)(r+0.194H)/60, m3; 井內(nèi)水位H=Qn/(πr2), 式中Qn為當前滲水井內(nèi)蓄水量, 由產(chǎn)流量和下滲量累計計算得到; 滲水井區(qū)間溢流量Qy=Qsn+Qc-Qx-Qn, m3, 式中Qsn為上個降雨區(qū)間內(nèi)的滲水井蓄水量, m3．以匯水面積為120 m2的典型庭院為例, 選用直徑為1.6 m、蓄水深度為1.1 m的滲水井模擬徑流過程, 模擬結(jié)果如圖6所示．由圖6可知, 在該模擬條件下, 降雨初期降雨量逐漸增大, 庭院自然徑流匯入滲水井, 滲水井水位逐漸上漲,滲水井下滲量也隨之提高．降雨中期,降雨強度達到頂峰,滲水井開始產(chǎn)生溢流,隨后降雨強度減小,產(chǎn)流量小于下滲量時不再溢流,滲水井水位下降．降雨后期,降雨量不斷減少,產(chǎn)流量不及下滲量,滲水井水位不斷下降．降雨結(jié)束后,不再有雨水匯入滲水井, 而井內(nèi)的水不斷下滲直至空井狀態(tài)．定義溢流率F=∑Qy/∑Qc, 即降雨過程中滲水井的總溢流量與總進水量的比值．經(jīng)計算, 在該模擬條件下∑Qy=0.627 7 m3, ∑Qc=5.947 6 m3, 故F=10.55%, 即滲水井將庭院的自然徑流削減了89.45%．對比歷史街區(qū)現(xiàn)有的合流制排水結(jié)構(gòu),采用滲水井能大幅度削減污水溢流量, 對于雨污分流改造工程而言,可在一定程度上縮減雨水管徑,降低改造難度．

2.4 滲水井方案建議

滲水井設(shè)計目的是為了使降雨產(chǎn)流通過滲水井下滲, 達到不溢流或減少溢流的效果．為提供滲水井選用的參考方案,取庭院綜合徑流系數(shù)為0.78、滲水井有效蓄水深度為1.1 m,計算暴雨重現(xiàn)期為3 a、降雨時長為2 h的條件下不同庭院采用不同直徑的滲水井后的溢流率,結(jié)果如表3所示．在選取滲水井直徑時,將溢流率控制在15%以內(nèi)較為適宜,以匯水面積為100 m3的庭院為例,由表3可知宜選擇直徑為1.4 m及以上的滲水井．靠近河流的庭院由于地下水位較淺,滲水井的深度應(yīng)適當減小,同時增大滲水井直徑．另外,滲水井在長期使用后其滲透性會下降,須定期清掏維護,以保持滲水井的滲水能力．

表3 不同匯水面積庭院采用不同直徑滲水井的溢流率