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蒋玖璐总工:他山之石——美国城市雨水控制设施介绍和启示

发布日期:2020-07-22 来源:城建水业
  雨水对受纳水体的影响
  城市受纳水体:溪流、湖泊、河流和海洋
  受纳水体有多种规划用途:
  ● 雨水输送(降低洪水风险);
  ● 完善生态系统(动植物的栖息地和生态多样性);
  ● 非接触式娱乐(公园、景观和游船);
  ● 接触式娱乐(游泳);
  ● 供水水源。
  1、城市化对径流量的影响
  ● 达到峰值流量的时间提前  
  ● 径流量增大
  雨水控制设施以调蓄池为例:将相应重现期的峰值流量控制在开发前水平或低于开发前水平。
  2、城市化对径流水质的影响
  径流携带污染物:氮、磷、重金属、碳氢化合物泥砂、病菌、有机物、氯化物、颗粒物、残渣。
  污染物来源 :化肥农药、机油、刹车片残渣、宠物和家畜粪便、人工除雪的盐分、施工现场的泥砂、街道上的垃圾、流经热铺砌地面的雨水。
  雨水控制设施主要工艺:沉淀、吸附、沉析、过滤、光合作用、硝化和反硝化、降温、消毒、拦截、光降解、氧化还原。
  雨水调蓄池对水文过程线的影响,由牧场开发成独栋住宅。
  3、城市化对河道形态的影响
  ● 径流量的增大和水流暂时性的分布改变会加速对河道的冲蚀,导致了河道断面和平面改变。
  ● 城市化流域中泥砂负荷的增加主要源于对河道的冲蚀,河岸冲蚀带来的泥砂量约占泥砂负荷量的2/3。
  雨水控制设施:如调蓄池削减降雨峰值,排放加大了冲蚀性水流在河道中的历时和频率,对于砂质河床,河道可能被刷深,设计时应考虑过量剪切应力的大小和持续时间。
  4、城市化对水生生物的影响
  ● 大多数生态系统和生物体并不适应城市雨水系统带来的物理、化学和温度的变化,热效应有助于藻类的繁殖,加剧氧气消耗和缺氧。
  ● 河床和河岸的冲蚀、沉积和水力条件的改变重塑了生物栖息地环境,导致具有耐受性动植物群的替换,如湿地失去了典型的植物物种,而被杂草和外来植物所代替。
  ● 雨水排放可能会影响下游生物体的避难所,透明度、温度或pH的变化可能中断溯河产卵的鱼类洄游的路线,河边植被的破坏会消灭河流源头的主要初级食物源。
  ● 水力泥砂的变化会影响泥砂和砾石砂丘的稳定性和产卵地质量、躲避洪水的安全地带。
  ● 受工业或市政排污影响的城市河段拥有缺乏多样性和以耐污染有机物为主的水生族,如食蚊鱼和水丝蚓。
  采用雨洪控制措施时需要掌握受纳水体的特性:受纳水体是湖泊,需加强磷和氮的控制;受纳水体是鳟鱼溪流,重点是温度和重金属的控制。
  雨水控制目标和控制设施
  1、雨水控制标准和目标体系
  1)补给蒸发R/EV
  地下水补给:指雨水对浅层和深层含水层的入渗。雨水浅层入渗成为土内水流的一部分,部分入渗水从植物中蒸腾或从土壤中直接蒸发。过量的入渗水到达更深的土壤,存储在含水层中,成为区域地下水系统的一部分 。
  2)水质保护WQV
  目的:雨水排放前去除雨水中污染物。水质标准确定雨水控制设施规模,决定需要截留和处理一定比例的年均降雨量或径流量,可通过连续的水文模型模拟,或给出一个明确的总量,如年均径流量的80%~90%,或规定一个频率的降雨径流截留量,如85%的降雨产生径流被截留。
  3)河道保护CPV
  目的:减小对河道的冲蚀。为了保护河流周边财产、地貌或穿越河道的基础设施,如水生动物栖息地。CPV是通过降雨和径流统计得到的,通过入渗、蒸发蒸腾、雨水截留来减少CPV,并将剩余径流量以不造成冲蚀的流速排放。
  4)漫滩洪水保护OFV
  目的:保护河道沿岸财产不会被淹没河滩的暴雨损坏,也用于确定排水系统以及跨河桥梁的设计标准。保障在特定情况下的峰值流量维持在一定范围内或在雨水输送系统中使水位保持在某一个高程内。
  5)极端洪水保护EFV
  保障在特定情况下的峰值流量维持在一定范围内或在雨水输送系统中使水位保持在某一个高程内。
  低流量和高流量雨水排水系统示意图:
  2、以水质保护为目标确定最佳WQV
  径流量截留率:截留的径流量占年总径流量的百分比。
  相对截留量:每场降雨的径流截留量除以99.9%概率降雨径流量。
  最佳WQV:截留效率最大时的径流截留量,最佳点在径流量累积分布曲线切线值1:1处。
  本例:在99.9%降雨概率(对应径流量77.2mm)的暴雨中18%的相对截留量对应径流量13.9mm的流域雨量处理容量,可以截留约83%的年总径流量。
  3、WQV的计算方法
  1)降雨强度-历时-频率曲线(IDF曲线)
  确定特定降雨重现期及历时下的总雨量。
  2)累积概率分布曲线
  截留“较小”降雨的地表径流,可以使大部分降雨产生的地表径流得到处理。
  对佛罗里达州奥兰多市以及俄亥俄州辛辛那提市40年的日降雨累积概率分布数据进行分析,在辛辛那提能产生径流的雨量为2.5mm,奥兰多为1.5mm。奥兰多年均降雨量1270mm,其中90%的降雨小于36mm。辛辛那提年均降雨量1020mm,其中90%的降雨小于20mm。累积概率90%基本代表了确定WQV的效果递减点,这是因为即使再明显提高处理设施的容量,取得的效果也极为有限。

  WQV的计算方法
  1)WQV=ζRv*a*Pavg*A
  ζ:径流系数的折减系数
  Rv:径流系数
  Pavg:日均降雨量(mm)
  a:雨水截留率
  A:汇水面积(m2)
  2)Rv=0.858i3-0.78i2+0.774i+0.04
  Rv=0.05+0.9i
  i:不透水面积比例
  选择约85%的径流量(范围介于82%~88%)
  4、典型雨水控制设施的进出水污染物浓度
  较平的椭圆表示排放浓度比较稳定且与进水浓度相关性不大。较陡的椭圆表示排放浓度受进水浓度影响较大。湿塘和滤池的出水中大部分污染物浓度都较低,干塘的处理效率相对低一些,植草沟的处理效率受进水浓度影响相对较大。



  5、雨水控制设施及功能



  常见控制设施的典型应用
  1、干塘
  1)水量控制:临时滞留雨水,削减峰值,由进出水结构和干塘底入渗量决定。
  2)水质控制:沉淀作用,植被型干塘比混凝土调蓄池的除污染能力强,是由于附着在沉淀物上的污染物释放,而干塘的植物对滞留的沉淀物具有稳定作用。
  3)适用条件及特点
  所需土地面积较大;需要与基岩有足够大的距离放坡;地下水位应较深;仅能去除沉淀性污染物效率不高;外观不佳,因为进水口处有累积的沉淀物和垃圾以及干燥、裸露、泥泞区域;不良植物和外来入侵植物疯长等。
  4)设计要点
  进水口:TSS中50%在此沉淀,设碎石防冲垫层、跌水井等消能设施;两级结构:下级结构在塘出口处,深0.5-1m,防止大塘积水;边坡:不小于3:1,通常4:1,防冲蚀,保证安全;流槽:曲折增加停留时间有助降雨初期提高去除率,排水减少对沉淀物扰动;植被:种植耐水本地草类,提高沉淀效率、防冲蚀;分层出水口:50%WQV在前1/3时间内排空,50%WQV在后2/3时间内排空,可提高小颗粒SS去除效果;设格栅;设置检修通道;排空时间24-48hr。
  2、湿塘
  1)水量控制:削减峰值,由进出水结构和塘底入渗、塘内水分蒸发、植物水分蒸散量决定。
  2)水质控制:沉淀作用;有机物降解、硝化反硝化、病原体衰亡;污染物通过沉淀和吸附于底泥和水体内;溶解性磷酸盐与铁、铝、锰的氧化物发生反应,溶解性金属和硫化物及有机物发生反应;阳光照射产生的光降解作用可分解石油烃、杀虫剂和个人护理用品等有机物;也会有捕食病原体的阿米巴虫、轮虫等高等级生物生存。
  3)适用条件及特点
  所需土地面积较大;太阳辐射水温升高,不适合在敏感的受纳水体(鱼类产卵孵化区)上游;不设在砾石或喀斯特地貌上,考虑对地下水质的影响,一般雨水中污染物0.4-0.9m土层内被去除;旱季应有补充水源;对污染物去除方面效率高;景观作用对养护要求高;吸引野生动物,导致营养物和病原体增加等。
  4)设计要点
  前置塘:硬化底板,大颗粒SS在此去除;进口:设抛石垫层、跌水井等消能设施,形成扩散流;前置塘与塘体间:覆盖湿地植物的平台;保持推流状态:长宽比≥3:1、入口逐渐变宽出水口逐渐收缩、设置隔板或土丘减少短流措施;永久塘容积:至少等于WQV,2-3倍较好;调节塘容积:永久水位以上调蓄区满足CPV、OFV或EFV;开阔水域深度:大于阳光透射深度,避免挺水植物生长,约2-2.5m;塘体周边滨水区:种植挺水植物为水生和湿地动物提供栖息地,阻挡公众涉水,宽度≥3m,水深15-30cm,占永久塘体面积25-30%;边坡:通常4:1,防冲蚀,保证安全;湿塘底部土壤:不可为高透水性土壤,对塘底0.3m土层压实混入黏土;出水口:泄洪标高上至少有0.3m超高;出水口处设格栅;设置检修通道。排空时间12hr左右。
  3、人工湿地
  1)水量控制:削减峰值,由湿地内水分蒸发、植物水分蒸散量决定。
  2)水质控制:湿塘的一种变形,用于去除溶解性污染物;沉淀作用;有机物降解、硝化反硝化、病原体衰亡;污染物通过沉淀和吸附于底泥和水体内;溶解性磷酸盐与铁、铝、锰的氧化物发生反应,溶解性金属和硫化物及有机物发生反应。
  3)适用条件及特点
  美观性与野生动物栖息适应性较湿塘好,占地面积更大;比湿塘水头损失大;出水温度可能上升,不适合在敏感的受纳水体(鱼类产卵孵化区)上游;建于公众活动区域的安全问题;植物密集易引发蚊虫滋生;不能设在不稳定的坡地上;应有补充水源;对污染物去除效率高;景观作用对养护要求高;吸引野生动物,导致营养物和病原体增加等。
  4)设计要点
  前置塘:硬化底板,大颗粒SS在此去除;进口:设挡板消散水流;面积分配:前置塘、出水口、开阔水面占湿地总面积30-50%,深度0.6-1.2m,挺水植物种植区占湿地总面积50-70%,深度0.15-0.3m;植物:耐水位、盐度、温度和PH大幅变化,多年生植物与一年生植物混种,落叶量适中,污染物去除效率得到验证;湿地周边:安全湿地平台,宽度约1.2m,水深低于0.3m,边坡≥4:1,稳定平缓,保证安全;湿地底部土壤:现有湿地底泥置换表层土0.1-0.3m,原有底泥可提供根芽、种子、小型底栖动物等,使土壤处于饱和状态1周有助于种子发芽;出水口:排空时间12-24hr,出水口处设格栅;设置检修通道。
  4、地表砂滤池
  1)水量控制:峰值削减主要在预处理池完成,本体能削减一定峰值,通过池底入渗和滤料孔隙水蒸发。
  2)水质控制:沉淀及过滤作用。
  3)适用条件:要求场地平整,在地下高水位0.6m以上,考虑入渗要高出1.2m以上。
  4)设计要点
  预处理单元:大颗粒SS在此去除,V≤25%WQV;进口:配水均匀;本体:滤层上水深<1.2m,V≥0.75WQV;设置二级溢流口;滤料:渗透系数0.6-1.2m/d(0.6-6m/d),有效粒径D10=0.3mm(0.15-0.45mm),均匀系数k60=2(1.5-3.5),厚度0.45-0.6m,高滤速滤池采用粗滤料1-2mm;集水系统:碎石垫层-穿孔管-碎石,碎石垫层厚300mm,粒径2-5cm,穿孔管孔径10-13mm,渗透系数>6m/d不设集水系统,排空时间12-48hr;边坡:通常3:1。
  5、生物滞留滤池
  1)水量控制:峰值削减主要在预处理池完成,本体能削减一定峰值,通过池底入渗和植物蒸散。
  2)水质控制:沉淀、滤料吸附及过滤作用,植物新陈代谢作用实现有机物降解。
  3)适用条件:要求场地平整,在地下高水位0.6m以上,考虑入渗要高出1.2m以上。
  4)设计要点
  预处理单元:大颗粒SS在此去除,汇水面积小可不设;本体:滤层上水深0.3-0.6m;碎树皮护根层:滤池表面,厚度<70mm,每年更换一次;滤料:高渗透性砂/细颗粒砾石(50-70%)-堆肥(10-20%)-木屑/护根层(5-20%)-壤土(10-25%)的混合物,渗透系数0.3-6m/d,PH5.5-6.5,厚度0.6-0.9m,最厚1.5m(深根植物),均匀系数>6;进口:消能防冲蚀;集水系统:碎石垫层-穿孔管-碎石,碎石垫层厚300mm,粒径2-5cm,穿孔管孔径10-13mm,渗透系数>6m/d不设集水系统,排空时间12-24hr;植物:湿地植物、杂草、深根植物等多样性本地植物。
  6、景观屋顶
  1)水量控制:土壤水蒸发和植物蒸散,通过排水控制峰值削减。
  2)水质控制:沉淀、吸附、过滤作用,植物新陈代谢作用实现有机物降解。
  3)适用条件:合理的排水、防水措施、荷载约束。
  4)设计要点
  全屋顶绿化:土壤薄80-200mm,使用耐旱植物(肉质植物、禾草、苔藓)几乎不需维护,植物多样性低,不对外开放,完全浸水50-170kg/m2;屋顶花园:土壤厚600(灌木)-800mm(小型树木),植物多样性高,对外开放,完全浸水240-1500kg/m2;屋顶底板:混凝土或金属,要求耐腐蚀,坡度0.02-0.05,不透水膜:惰性材料,水吸收量<1%,蒸汽透过量<0.2perms,可现场粘结,强度高,改性沥青膜、热熔橡胶沥青膜等。根障层:防止植物根系穿透排水层;排水层:与屋顶雨水口相连。
  7、挡罩
  1)水质控制:撇除漂浮物,配备挡罩的雨水口。
  2)适用地点:设在集泥井或存水的雨水井出口处。
  3)设计要点:罩体底边低于出水管底,低于井内水位,罩体底设置格网。考虑过罩体水头损失,避免雨水从井内溢出溢出。

  原创: 蒋玖璐