基于雨洪利用的湖體補(bǔ)水削減研究
——以北京云景公園為例

李盼盼

( 北京當(dāng)代科旅規(guī)劃建設(shè)研究中心，北京 100037)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活水平不斷提高，居民對公園的要求也隨之上升，建設(shè)集運動健身、休閑游玩、生態(tài)觀賞、環(huán)境良好等功能為一體的公園是城市建設(shè)的必然趨勢。公園內(nèi)景觀湖體是居民放松身心，舒緩情緒的場所，景觀湖水水源短缺、流動緩慢、生境單一等因素易發(fā)生水質(zhì)問題[1]，定期補(bǔ)水換水是保障湖水水質(zhì)的關(guān)鍵。然而由于城市水資源短缺，很多湖體受到水源因素的限制[2]。同時，城市洪澇頻發(fā)，雨水資源并未得到充分利用，將雨洪作為湖體的補(bǔ)水水源以改善湖水水質(zhì)，是缺水型及內(nèi)澇型城市未來的研究方向。

2 工程概述

本工程位于北京市通州區(qū)，一期工程范圍13.7 hm2，其中水面面積約為3.5 hm2，最淺處0.3 m，最深處2.5 m，平均水深約1m，整個湖體庫容為35400m3，公園湖水為景觀用水，無水上娛樂設(shè)施。其余綠地及道路等部分綜合徑流系數(shù)為0.36，公園內(nèi)將海綿設(shè)施與地形結(jié)合，雨水經(jīng)海綿設(shè)施初步截留后經(jīng)截污雨水口匯入湖水，工程范圍內(nèi)綠地收水面積占綠地面積93.7%。

北京市具有明顯的北方降雨特點，即全年降雨分布極不均勻，降雨量集中在6、7、8月份，其余非雨季如11月至次年3月份，月均降雨量不足10 mm[3]，北京市1981～2010年月均降雨量如圖1所示[4]。

圖1 北京市月均降雨量

3 補(bǔ)水量削減分析

3.1 補(bǔ)水量計算方法

依據(jù)《水量平衡計算方法—用于研究和實踐的國際指南》[5]，公園湖體水量平衡可依據(jù)下式計算：

Q補(bǔ)+Q雨1+Q雨2=Q蒸發(fā)+Q下滲+Q他用

(1)

式(1)中：Q補(bǔ)為外來水源補(bǔ)水量；Q雨1為湖面降雨量；Q雨2為徑流匯入量；Q蒸發(fā)為湖水蒸發(fā)量；Q下滲為湖水下滲量；Q他用為湖水他用水量，例如灌溉等。

3.2 無雨洪利用時，水量平衡分析

公園內(nèi)湖體補(bǔ)水水源為再生水廠出水，北京地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量依據(jù)《雨水控制與利用工程設(shè)計規(guī)范》見圖2[6]。

圖2 北京市月均蒸發(fā)量

湖底防滲措施采用700 mm厚黏土，壓實后滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s,公園內(nèi)湖水經(jīng)處理后主要用于綠化灌溉，公園綠地面積約8.1 hm2，綠化灌溉每日用水量約1～3 L/d[7]，其用水量主要集中在春夏秋三季，冬季無綠化灌溉，為保持公園水體1 m的常水位需進(jìn)行補(bǔ)水，公園湖體水量平衡計算見表1。

表1 公園湖體水量平衡計算

3.3 雨洪利用時，水量平衡分析

公園內(nèi)綠地平均坡度在3%～11%之間，綠地含蓄雨水量為9.5 mm[8]，即降雨超過9.5 mm時才能在公園內(nèi)形成徑流。公園內(nèi)有3種不同的下墊面類型：建筑、綠地、廣場，依據(jù)不同下墊面類型的特點，制定不同的雨洪利用方案，具體措施見下圖3。雨水經(jīng)一系列海綿措施后，最終匯入湖水，公園內(nèi)部年徑流控制率達(dá)85%(32.5 mm)，對比月均降雨量可見僅有5-9月份會有綠地中雨水匯入湖體中，其余月份湖體僅接納水面范圍內(nèi)降雨。

圖3 公園內(nèi)部海綿措施方案

有雨洪利用設(shè)施時，徑流經(jīng)滲透、沉淀凈化后，徑流雨水匯入湖體，此時公園湖體每月補(bǔ)水量見下表。

表2 公園湖體水量平衡計算

3.4 補(bǔ)水量對照分析

園內(nèi)布置海綿措施，降雨量小于32.5 mm時，園內(nèi)無匯流入湖水，對補(bǔ)水量無影響，但在5～9月份，對補(bǔ)水量有較大影響，由于7、8月份降雨量較大，無雨洪利用時也可以不用補(bǔ)水，有雨洪利用時，湖水的常水位較無雨洪利用時增加0.1 m。有雨洪利用時，5月份可以節(jié)省413 m3水量，在6月份節(jié)省水量最高，可達(dá)3078 m3，9月份可以節(jié)省1312 m3水量。經(jīng)過雨洪利用，湖水補(bǔ)水全年可節(jié)約4803 m3水量，補(bǔ)水量削減約23%。

3.5 雨洪利用時水質(zhì)保證

雨洪利用時，園內(nèi)徑流雨水通過一系列的海綿措施進(jìn)入湖體，初期徑流污染得到控制，但后期徑流水質(zhì)仍低于景觀用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以道路、廣場雨水為例，后期徑流雨水的TSS為30～120 mg/L，NH3-N為1～4 mg/L，TN約為5～10 mg/L，TP為0.1～0.2 mg/L[6]，公園內(nèi)道路廣場等較為清潔，取下限值與地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)對比發(fā)現(xiàn)，TN略顯超標(biāo)，為保證湖水水質(zhì)，采取如下措施。

(1)增加曝氣推流設(shè)備13臺，曝氣能力約4 kg O2/h，增加水體復(fù)氧性，提高水體內(nèi)微生物活性，加速水中污染物分解，同時推流造流，增加水體流動性，減少湖體死水區(qū)水流狀態(tài)。

(2)湖體末端增加循環(huán)水泵，形成末端—首端的循環(huán)，循環(huán)管道上設(shè)置砂濾等過濾設(shè)施，增強(qiáng)水體流動的同時清潔水質(zhì)。

(3)利用湖體中開闊的水面，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，在水體中營造出植物群落—魚類—底棲動物的生物網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)動態(tài)彈性的生物平衡網(wǎng)絡(luò)，控制水體富營養(yǎng)化。

(4)整個湖體最淺處0.3 m，最深處2.5 m，集合了溪流、湖體、淺灘等多種水體形態(tài)，通過蜿蜒的河流形態(tài)以及淺灘、深潭的構(gòu)建使水中形成不同水位及流速帶，滿足不同水生生物生存要求，有利于提升生物多樣性。

(5)在淺水區(qū)使用卵石襯底，極大地提高了河床的比表面積，增加了附著在河床上的微生物的數(shù)量，促進(jìn)硝化作用和反硝化作用，有利于水體自凈。

4 結(jié)論

雨洪利用作為湖水補(bǔ)水源，充分發(fā)揮水資源利用率，減輕市政補(bǔ)水負(fù)擔(dān)，是未來的發(fā)展趨勢。本工程內(nèi)經(jīng)過雨洪利用后補(bǔ)水量有大幅度削減，全年削減量可達(dá)23%。北方城市僅在夏季有徑流匯入湖水中，所以夏季補(bǔ)水量削減較大，如6月份補(bǔ)水量減可達(dá)95%，若南方城市建設(shè)雨洪利用設(shè)施，則效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于北方。

雨水水質(zhì)不穩(wěn)定，所含污染物濃度較補(bǔ)水水源高，雨水進(jìn)入湖體后如何凈化，保持湖水水質(zhì)仍是雨洪利用中需要注意的問題。