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渗透式雨水收集利用技术分析

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渗透式雨水收集利用技术分析

渗透式雨水收集利用技术分析

  • 作者:深圳市海绵雨水利用科技有限公司
  • 来源:www.spongerain.com
  • 发布时间:2017-11-16 00:00
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要 : 传统的路面雨水排放系统是城市涝灾的成因之一,而渗透式雨水收集利用技术具有抑制暴雨径流、延长汇流时间、减少路面积水等优点,对防灾减灾能起到重要作用。本文综述了该技术的原理、特点,讨论了其设计要点和发展前景。

键 词: 渗透式;雨水;收集利用;透水性;路面;排水

On Infiltrative form Technology for Rainwater Collection and UseHU Yue-feng 1 , WU Guo-juan 2 , XU Bing-feng 2(1. Faculty of Machinery and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093,China; 2. Faculty of Architectural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)Abstract: Traditional roadway rainwater drain system is one reason of city waterlogs, but the infiltrative form technology forrainwater collection and use has the advantage as follows. It can restrain stream of rainstorm, prolong conflux time and reduceseeped in roadway. These characteristics play important role in disaster prevention and decrease. This paper summarizes theprinciple and characteristic of the technology. The design key point was discussed. This technology is green, effective and hasgood prospects.Key words: infiltrative form; rainwater; collection and use; water-passed; roadway; drain

 

1 引言

我国大多数城市的道路硬质化后,在天空和地面之间形成了一个不透水的隔离层,雨水渗透量大大减少,过剩的雨水不但无法补充地下储水,而且还产生积水。雨后路面积水是长期以来困扰我国许多城市的难题。积水会使路面产生水膜,易引发水滑性交通事故;会导致交通阻塞,给人们的生活、工作带来许多不便。与此同时,雨水又是潜在的、可利用的水资源,一些轻污染雨水(如屋面雨水)直接可以用作中水。面对目前全球性水资源短缺、水污染严重等水资源问题,国内外学者正积极研究雨水利用技术,渗透式收集利用正是在此背景下出现的一种雨水收集利用技术。

 

2 渗透式收集利用的原理

雨水经多孔透水路面的表层直接渗入到集料层,然后逐渐渗入周围土壤或地下集水设施。其中,集料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料,包括岩石天然风化而成的砾石(卵石)、砂以及各种尺寸的碎石和石屑等。集料层比路面略宽。典型的雨水渗透系统见图1、图2 [1] 。研究表明,雨水经路面直接渗透减少了地面径流,同时经过路面和土壤的截留、吸附、生物降解等作用后,雨水中的溶解性污染物和某些重金属离子被去除,成为水质相对较好的地下水补充水源。

海绵城市

3 雨水收集方式比较

3.1 管道收集

市政工程中都设计有雨水管渠,但由于各种原因,目前雨污分流的效果并不理想。大量雨涌入污水管,再加上雨水流经路面时携带的泥沙等常常淤积在污水管内,致使排水系统负荷大、运行不顺畅,容易老化甚至崩溃。即使实行雨污分流,管道施工也显得费材费时(见图 3、表 1)。通过图 3 和表 1 可以看出城市中仅某一街坊的雨水管道、雨水口、雨水检查井的工程量就已经很大了,整个城市的雨水管渠工程量更是可想而知

 

3.2 调蓄收集

水塘、水池等调蓄设施对调蓄污水、收集雨水都是有用的。有些还能通过内部动植物对雨水中的污染物进行降解或去除。但因其占地面积大,对目前城市地价昂贵的现状来说,要修建雨水大型调蓄设施不大现实。雨水截留设施一般只适用于人口密度不大的城市或地区。

3.3 渗透式收集

渗透式收集的优点:

1) 能就地部分去除雨水中的污染物。研究表明土壤过滤对溶解性污染物特别是营养盐和重金属离子的去除效果优于雨水截留池。

2) 雨水经土壤渗透至地下储水层,可涵养地下水,抑制暴雨径流,减轻城市排水设施的负荷。这可解决目前许多城市因大量开挖地下水而引发的地面下降、地下水减少的问题。目前许多地方拟建的地下水库,其水源之一就是渗透后的雨水。这主要是充分利用了此类雨水污染物较少,能补充水源的特点。

3) 雨水能迅速渗透而排除,路面积水,出现水膜的几率小了,增强了交通的安全性和顺畅度。

 

4 渗透式收集利用的设计要点

4.1 路面的形式

 

渗透式收集利用的基础在于路面需采用渗透性强的混凝土和沥青混合材料经特殊设计而成(见图4)。

从图4可以看出,一般路面主要考虑路基的强度和稳定度,往往不注意它的透水性,不能很好地利用雨水资源,还会产生路面积水。

透水性路面能将雨水通过透水层渗透至路基以下,有的会到达地下储水层。此种路面具有排水迅速、补充地下水、地面的热发射大大低于全硬化地面等优点。而对于路基的强度和稳定度没有太大影响。透水路面还减少了原不透水路面的坑洞内水分子在冬天结冰,体积膨胀后对道路造成的破坏。英国 1977年开始使用第一个透水沥青路面停车场 [3] ,至今运作良好。透水性路面可恢复土壤中的水分涵养,使树木生长并可调节大气温度

 

排水性路面是将雨水以表面排水方式,导入边沟及地下排水设施。我国公路多采用路界表面排水系统 [4] ,此种排水系统属于非透水性路面或排水性路面,会导致雨水排水管长增加和管径增大,加大市政工程投入,还会出现管道、沟渠因堵塞或满负荷而出现路面积水的可能。

 

相比较而言,透水性路面不仅生态而且环保,其在欧洲的普及率已达25%。它能有效地渗透雨水,为雨水的收集利用打下很好的基础。

海绵城市

雨水收集设计图

产业观察ECOLOGICAL INDUSTRY WATCH

 

4.2 渗透性(透水)路面

透水路面是由上至下均有良好的透水性,在表层采用孔隙率高的耐磨材料(如连锁砖、植草砖、水泥板块、砌石、透水性沥青),并以透水性较高的砂石为基层,则降水可由表层面材间的缝隙渗入地表以下,使得整体而言具有良好的透水性能。一般透水性路面的透水能力为正常土壤吸收雨水的60倍。

 

对于透水性路面,其主要性能参数是透水性、抗压性、耐磨性。同时,路面下基础层的蓄水度和土壤层的吸水能力也是此种路面渗透雨水的能力的相关因素。

 

 

 

 

4.2.1 块状透水路面

 

这是目前国内利用较多的形式。即在人行道和停车场地面,非连续拼接块状或镂空的植草砖、连锁砖,这些框格状镂空模块铺在较厚的粗砾石之上,多孔的可渗透织物铺设在砾石之下,以防止土壤颗粒扩散进入砾石的空隙之中。模块中间植草,使雨水渗透到土层,使

地表土既可渗水又可接触空气、阳光,以利植物生长。草皮砖因有草类植物生长,能更好地净化雨水径流及调节大气温度和湿度,试验表明它对重金属如铅、锌、铬等有一定去除效果。框格状地砖铺设的可渗透路面,基本不存在堵塞问题,它在任何气候条件下都能较好的工作。然而砖块会因为受过多车辆的碾轧易发生沉降或错位现象。

 

4.2.2 整体透水路面

为全面提高雨水的渗透式收集利用,应发展整体透水路面。这种路面的材质多为透水性沥青、透水性混凝土、多孔性混凝板构造、透水性树脂混合天然石砂粒。这里详细介绍透水性沥青混凝土(Porous Asphalt)[5] 。传统的不透水沥青路面是不同粒径的集料均匀拌和的密实结构,孔隙率仅为 4%左右。透水性沥青路面是不同粒径集料抽离的孔隙结构(无砂混凝土),其级配为开级配,粗粒料含量最高达85%,孔隙率可达 15%25%。沥青混合料的强度依靠粒料颗粒间互制结构产生互锁作用,强化了集料与沥青的结合力,相应腾出的孔隙又增加了透水的路径(见图5[6]

 

从图 5 可看出,因为粒料间空隙大,填充孔隙的沥青含量就高。级配沥青混合料使用较多的沥青胶泥,包裹粒料的沥青膜厚度较厚,可增强耐久性。为使沥青胶泥具有足够劲度,多采用高粘滞度的地沥青或改性沥青,有时还添加有矿物纤维的改良物,如纤维或石灰,这些添加料还能起到降噪(4dB7dB)的作用。

 

由此可见,透水性沥青路面虽然孔隙多、孔隙率大,但耐久性并未降低,因此不仅可用于车流量小的地方,高速公路也可以使用这种路面材料。已有资料表明,此路面材料运用于高速公路是安全持久的。

 

4.2.3 具有透水管的路面

这种路面可用于土质渗透性较差的地方,利用渗透管道收集雨水,或用在需大量集中收集雨水的地方。渗透管多采用穿孔 P V C 管或透水材料制成,汇集的雨水通过透水管渠进入四

周碎石层,日本和德国在渗透管方面已经有较成熟的经验 [7] 。

 

4.3 排水基层

排水基层是一个比较硬的结构层,材质为砂石、混凝土等。须兼顾其透水性和稳定性 [4] 。

4.3.1 基层透水性采用透水性材料,透水性材料可选用三类混合料:

1)不含或含少量开级配碎石(或砾石)集料。从图6 可看出,开级配集料比密级配集料的透水性好。同时有研究表明,细集料含量越少,粒料透水性越好。

2)沥青处治开级配碎石集料。如德国就在混凝土板下面采用10cm厚的沥青处治材料。

3 )水泥处治开级配碎石(或砾石)集料。

 

 

 

4.3.2稳定性

稳定性是指在施工碾压时的稳定性和使用过程中的变形度。粒料排水基层一般在施工时较难压实平整,且抗变形能力差,可采用稳定透水性粒料,如多孔性沥青稳定碎石、多孔性水泥稳定碎石、复合土工排水板(不同密度的聚乙烯或聚氯乙烯做成不同断面形状的芯体,外面包裹无纺土工织物如聚丙烯或聚酯类无纺布,作为滤层)等来提高其强度。

4.3.3注意事项

对排水基层,要注意防止裂缝,防止石屑进入透水层。另外要注意坡度,一般坡度为2%~4%。其厚度按所需排放的水量和粒料的透水性而定,一般在 815cm,其宽度应超出面层3090cm。美国爱荷华州鼓励基层使用再生混凝土,规定通过8号筛的混凝土含量为 20%

4.4 集料级配

级配是集料中各级粒径颗粒的分配情况,可通过筛分实验确定。它是一个很重要的参数,它影响粒料的孔隙率,也就影响着透水性。欧洲目前使用的级配,其最大粒径达到 19mm 或2.5mm。为得到良好的透水性,粗粒料的含量很高,一般在80%。许多学者研究得出了一些经验式,如:k=-0.251+0.92 ε b +2.68/p 0.6 -0.005p 0.075 (cm/s)式中,k 为渗透系数,ε b 为透水材料的孔隙比,p0.6 为透水材料通过0.6mm 筛子的百分率,p 0.075 为透水材料通过 0.075mm 筛子的百分率。利用上式,可按要求的渗透系数和孔隙率初选透水材料所需的级配组成,而后对所选试配材料进行渗透实验以确定最终的级配。

 

5 结语

雨水是城市地区宝贵且经济的水资源。将雨水从封闭路面或屋顶引向非封闭路面,经过土壤渗透、过滤既可以减缓雨水地表径流的强度,使地下水得到补充; 也可部分去除雨水中的污染物,就地排除雨水,减少积水引发的事故; 还可将过滤后的雨水用作城市非饮用水,减少饮用水的需求量,节约水资源、缓解城市供水的压力; 另外,还能节省饮用水配水管网的建设费用,获得可观的经济效益。因此,渗透式收集雨水是一项可行的雨水利用技术,其透水性路面的设计将结合环境工程、交通工程、市政工程而日趋完善,广泛应用于各种路面建设中。

 

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