北京城市雨洪控制与利用技术研究与示范

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简介： 雨洪利用是减轻北京城市汛期防洪压力、缓解缺水局面的重要措施。北京从2000年开始系统开展了相关研究，建设了5种类型总面积60ha的6个雨洪利用示范区，建立了雨洪收集、利用的技术体系和推广应用保障体系。本文对其相关的主要研究成果进行简介，旨在推动雨洪利用技术的进一步深化和广泛应用。
关键字：雨洪利用 城区 示范

随着北京城市化进程的加快，建成区面积不断扩大，从而导致不透水面积大幅度增加，致使相同降雨条件下，径流系数增大，洪峰提前，洪量增大，对城市排水和河道行洪构成巨大的压力，也威胁着首都的城市安全。因此，在国家科技部和德国联邦教研部（BMBF）的支持下，在北京市发改委、北京市科委和北京市水务局的资助下，从2000年开始开展了“北京城区雨洪控制与利用技术研究与示范”项的研究。项目的目标是建立实用的雨洪控制与利用技术体系和推广应用体系，以充分利用雨水，缓解水资源危机、削减洪峰流量，确保首都防洪安全。因此，本项目系统研究了北京城区降雨径流的水质与水量规律、雨洪收集、滞蓄、传输、处理、回用和入渗回补地下水技术、透水砖及地面铺装技术，提出了雨洪利用基本模式和拟定了相关政策和技术规范，建设了5种类型总面积60 hm²的6个雨洪利用试验示范区。项目于2005年2月通过了专家鉴定，结论认为本项目首次对我国城市雨洪利用进行了系统的技术集成示范研究，具有较高的实际应用价值，总体技术达到国际先进水平，对中国城市的雨洪利用具有开创性意义。

1 主要科学技术成果

    项目分基础性研究、应用性研究和示范推广研究3个层次开展，通过基础研究为应用和示范推广研究提供依据；通过应用性研究形成雨洪控制与利用的技术体系，通过示范推广研究建立推广应用体系。

    1.1 基础性研究成果

    通过历史资料收集、现场勘探和试验，查清了北京城近郊区的第四系水文地质的地层岩性、分布规律和入渗性能，对表层岩性进行了分区，在此基础上对地下水环境的脆弱性进行了评价和分区，指出了适宜地下水回灌的地区。

    以1999年1/5000航空影像资料为底图，利用遥感图像处理技术和GIS软件对规划市区范围内的下垫面类型进行了全面的统计分析，得到了24种不同类型下垫面所占面积及其分布。并通过对不同年代城区下垫面的调查和统计分析，总结了不同年代下垫面的变化规律，为进行城区降雨径流规律分析和雨洪利用总体规划提供了基础资料。

    利用28个雨量站的系列资料，对北京规划市区不同重现期的10min～7d短历时和月、汛期、年长历时雨量进行了分析，得出了相应的统计参数，摸清了城区降雨的时空分布和时程分配规律，绘制了100张不同频率和时段的降雨等值线图，提出了北京城区特短历时暴雨的拟合公式。根据长系列城区汛期出境水量的实测资料，结合上述降雨和下垫面分析结果，研究得出了以不透水面积比率为参数的城区降雨与径流关系综合图，由此分析得出了不同水平年的城区雨洪可利用潜力。

    对北京城区西部、东南部、东北部的不同类型屋顶、普装地面、绿地、机动车道的降雨径流水质特征进行了试验研究，摸清了其径流水质与下垫面类型之间的关系和随降雨历时、降雨量的变化规律，为处理和利用雨水提供了依据。

    1.2 雨洪控制与利用技术体系

    （1）确定了不同下垫面和不同用途的雨水处理方法。针对上述不同下垫面径流的水质特征和不同回用途径的水质要求，确定了相应的处理工艺。特别是提出了以初期径流量的两种界定标准，即前1～3mm径流或前10~15min径流，以及相应的弃除技术。研究设计了优先流式、截留自渗式和自动翻板式期径流池，和具有调蓄功能的砂过滤。提出了弃除水中漂浮物和油污的去除技术。

    （2）建立了雨洪收集、滞蓄、调控的技术体系。探讨了利用降雨量－历时－频率曲线推求设计降雨的方法，建立了基于产流、汇流理论的雨洪收集系统的计算方法和数学模型。提出了雨洪调控排放技术和2种确定雨洪利用调蓄池容积的方法：日调节计算法和数值模拟法。研究设计了新的具有拦截初期径流、大颗粒污物和油污的环保型道路雨水口。

    （3）形成了将雨洪回用于灌溉绿地、洗车冲厕和入渗回补地下水的技术。提出利用砂石坑、大口井、深井等回灌雨水的方法，探索了利用辐射井进行雨水回灌和利用技术；提出了回灌井回灌水量的计算方法，实践了雨水与中水联合运用技术。

    （4）研究了利用绿地消纳和利用雨洪的技术，得出了不同频率降雨情况下，不同形式绿地的径流系数，提出了绿地消纳硬化地面雨水的比例、标准和竖向关系。通过试验和模拟研究了绿地土壤对雨洪污染物净化能力，探明了其净化效果。

    （5）解决了透水砖的透水性与强度和抗冻性的矛盾，建立了利用透水地面下渗雨洪、削减径流的技术体系。研发了透水快、强度高、抗冻融的透水砖及其生产和工艺，提出了透水砖及其普装地面的质量检测方法。所研制的透水砖的透水系数可大于1.0 mm/s，抗压强度达到35Mpa，25次冻融试验强度损失为5.85%。所铺装的透水地面能够使50～100mm的日降雨不积水不产流。

    （6）研究开发了用于检测雨洪利用系统所收集雨水量和管道流量，并能控制相关设备启闭的自动化监控软件和硬件系统，实现了雨洪利用的效果的实时监控。

    （7）提出了雨洪蓄用、下渗、调排的3种基本利用类型，和屋顶、铺装地面、绿地与城市道路等不同类型下垫面的雨洪利用基本形式，和老城区、新建城区、将建设区等不同类型区域的雨洪利用模式。

    （8）提出了雨洪利用工程经济效益的计算方法和社会与环境效益的分析方法。

    （9）建立了雨洪利用技术推广应用的政策保障体系。通过政府发布了《关于将强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》，将雨洪利用写入了新修编的《北京城市总体规划（2004～2020）》，起草了雨洪利用技术导则，提出了城区雨洪利用总体规划建议。

    1.3 主要创新

    该项目在理论、技术和应用等方面有如下创新点：

    创新之一：建立了北京城区不同类型下垫面降雨与径流的定量关系，提出了以城市不透水面积比率作为参数的降雨径流模型，是城市水文研究领域的重要创新。

    创新之二：集成了不同条件下城市雨洪的处理技术，首次系统提出了初期径流的界定标准与弃除技术，和不同下垫面雨水的综合处理技术，为雨洪回用的水质安全提供了保障。

    创新之三：建立了雨洪收集、滞蓄、调控的技术体系，提出了基于水动力学的城市雨水管系计算模型和城市雨洪调控排放的理论，建立计算方法。

    创新之四：集成了雨洪回用和回补地下的技术体系，首次提出了利用辐射井回灌和利用雨洪的方法。

    创新之五：建立了利用透水地面消纳雨洪的技术体系，提出了环保型透水砖普装地面的设计和施工方法。

    创新之六：建立了利用绿地消纳雨洪的技术体系，提出了绿地消纳硬化地面降雨的比例、标准和竖向关系。

    创新之七：首次建立6个雨洪示范工程,出台了国内第一个建设用地雨洪利用暂行规定,编制了雨洪利用技术导则。

2 雨洪利用示范工程

    从2000年到2004年在北京城区共建设了代表老城区、新建城区、将建设区、公园绿地、校园特点的5种类型、6个雨洪利用试验示范区，总面积达60hm²。

    2.1 老城区示范工程

    老城区雨洪利用示范工程在水文地质公司小区内，总面积3hm²，其中房屋占地1hm²，庭院占地1.8 hm²，绿地占地0.2 hm²。代表80年代以前建设的老城区。雨洪利用工程包括南部屋顶雨水收集利用系统和北部庭院雨水收集利用系统。在南部屋顶雨水收集利用系统中，利用UPVC管连接原有屋顶雨落管，再经钢筋混凝土管传输汇集后先流入初期径流弃除池后，再进入滞蓄池，通过流量控制器，流入回灌井回补地下。在北部庭院雨水收集利用系统中，屋顶雨水由雨落管流向地面，与庭院及道路雨水混合后通过雨水口进入管道，汇集后先进入初期径流池，然后依次进入沉淀池和过滤后池。过滤后的雨水通过设置在分水井中的流量控制器流入回灌井回补地下。工艺流程见图1。工程设计暴雨重现期为5年。

    2.2 新建设区示范工程

    新建设区示范工程位于双紫园小区内，总面积2 hm²，绿地面积大于30%，代表90年代以来的新建成区。雨洪利用工艺流程见见图2。对于屋顶雨水，一部分直接通过管道收集、传输，经沉淀后，进入蓄水池备用；而另外一部分屋顶雨水，先排入周边绿地，通过下凹式绿地，入渗地下。示范区区铺装地面可以分为两种，一种是透水性铺装；另一种为不透水铺装。透水性铺装地面主要表现形式为铺砌透水砖，它的雨水收集利用为恢复自然雨水渗透通道，雨水入渗地下，超渗产流通过弧形边沟，进入不透水性铺装地面收集系统；而不透水性铺装地面雨水通过地面布设的雨水口，经管道收集传输、拦污栅拦截后，进入沉淀池沉淀处理后，进入蓄水池备用。该工程设计暴雨重现期为5年。

    2.3 将建设区示范工程

    将建设区雨洪利用示范工程包括天秀花园小区示范工程和水利基础总队小区示范工程两部分。天秀花园小区示范工程总面积11 hm²，代表将要开发建设区域，能在规划设计阶段实施雨水利用的理念，并与小区建设同步进行雨洪利用工程建设。工程内容包括：将屋顶和部分道路的雨水收集、处理后用于景观补水和回灌地下水；将部分车行道和人行道铺装为透水地面；建设有入渗设施的下凹或平绿地。

    屋顶与道路雨水利用系统在人工湖的的北部和东部，基本流程如图3所示。工程收集14栋楼屋顶和楼前透水地面与部分不透水道路的雨水，经去除初雨、沉淀过滤后进入回灌井回补地下，同时在沉淀池内安装水泵，抽取沉淀后的雨水补充人工湖的耗水。系统的设计标准为5年一遇降雨。超过设计标准的降雨径流，通过设在系统中游和下游的2个溢流堰溢流到外部的市政雨水管道。

    水利基础总队雨洪利用示范工程总面积1hm²，其特点为雨水与中水联合利用。工程主要收集6号楼和7号楼的屋顶雨水，经新型高流内联过滤器（IRM® High-Flow-Inlinefilter）过滤处理后，储存于蓄水池，回用于7号楼冲洗厕所。同时，将6号楼的淋浴与洗涤用水经单独的管路收集后进入GRAYWATER处理系统，处理后储存于清水池用于6号楼的厕所冲洗。GRAYWATER处理系统采用生物转盘工艺，即利用转盘上的生物膜对污水进行净化，整个系统的操作（包括进水、出水、排泥）都为自动控制。处理单元包括：污水收集池、调节水箱、四级生物转盘、斜板沉淀池、沙滤罐、UV消毒器等。

    2.4 公园示范工程

    公园雨洪利用示范区位于海淀公园内，总面积38ha，其中建筑物及道路等硬化面积2.18hm²，水面2.32hm²，其余为绿地。雨洪利用内容包括：屋顶和道路的雨水收集后经处理、回灌地下，同时绿地内采用渗井、渗沟等设施增加入渗能力。

    公园的建筑物集中在广场周围，因此结合实际情况在广场西侧现有空地建设一套雨水处理与贮存系统，广场及周围建筑物所产生的径流通过雨水口进入雨水利用系统，然后汇入雨水处理与贮存系统。雨水处理的流程与图1基本相同。超过设计标准的雨水将排入市政管网。

    在公园的绿地内，根据实际情况因地制宜地设置起伏地形，在竖向上营造低洼面，结合园路建设，适当建设渗透管沟，使雨水尽可能入渗。工程设计暴雨重现期为5年。

    2.5 校园示范工程

    校园雨洪利用示范工程在北京水利水电学校内，总面积4hm²。雨洪利用内容包括：屋顶雨水采用管道系统收集，经处理后灌溉校园绿地和冲厕；运动场雨水采用渗沟和环沟收集，经除去初雨、过滤后储存，用于喷洒操场和灌溉绿地；人行道和部分运动场采用透水铺装；绿地采用下凹式绿地；采用屋顶绿化技术。系统的工艺流程如图5所示。

    工程收集5494m²教学楼和试验楼顶雨水，经去除初初期径流后汇入操场西南部的蓄水池。蓄水池容积为500m³。2360m²塑胶跑道的雨水通过环沟收集，环沟上串联若干个小型初期拦截池，弃除初期径流后进入过滤池，过滤后泵入水蓄水池。6116m²人工草坪运动场采用透水性垫层，雨水下渗后经渗沟收集，然后汇入蓄水池。

3. 推广应用

    目前已经先后分别在中关村温泉环保科技示范园、2008年奥运会园中心场区、永顺新区中心区、珠江国际城、黄村工业园区、亦庄卫星城、五棵松文化体育中心等地区推广应用雨洪利用技术,累计推广面积超过7000hm²。这将有力推动雨洪利用在北京的实施，为促进雨洪利用产业在中国的兴起奠定坚实基础。

    城市雨洪利用是涉及水资源、节水、供水、排水、市政、园林景观等多学科多专业的一门交叉和边缘学科和技术，在我国的研究和应用刚刚起步。需要进一步深入研究综合技术并制定相关规程或标准。雨洪利用最突出的效益是社会性或公益性效益，只有大范围地推广应用雨洪利用技术才能最大化地实现其各种效益。由于工程建设单位所关注的自身的直接经济效益相对较小，投资者自身的积极性一般不是很高，推广应用的困难较大。因此必须尽快制定相应的鼓励政策，提高了广大投资者的主动性和积极性。

参考文献

    1 张书函，丁跃元，陈建刚. 德国的雨水收集利用与调控技术，北京水利，2002，(3)：39-41.

    2 陈建刚，丁跃元，张书函，等. 北京城区雨洪利用工程措施，北京水利，2003，(6)：12-14.

【作者简介】

    张书函，1972年5月，男，2003年中国农业大学毕业，工学博士，北京市水利科学研究所专业总工、节水技术研究中心主任工程师，高级工程师，2005年北京市青年岗位能手。