自動沖洗式雨洪資源利用新裝置

邱 威， 曹 政， 張寬地， 陸燕清， 陳怡婷， 李培銓

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌712100)

1 研究背景

1.1 研究背景及現(xiàn)實意義

由于受氣候等因素的影響，我國降雨量在時間和空間上都呈現(xiàn)分布不均勻的特點，尤其是受西南、東南季風影響的東部、西南部、華南地區(qū)，其降雨特點更為突出。同時，以雨水為主的天然降水作為極其重要的可用水資源，卻并未得到充分利用，利用率為降水量的30%～40%，尚有60%～70%的降水以地表徑流和無效蒸發(fā)的方式損失掉[1]。在我國東部如武漢、廣州等大城市，洪澇災害與雨水利用率低是兩個十分顯著的問題。近年來，許多學者[2-3]從不同的角度對典型內(nèi)澇城市排水防澇情況分析發(fā)現(xiàn)，引起內(nèi)澇的因素有自然因素、地面硬化率增加、排水設施設計標準低、排水管網(wǎng)堵塞、城鎮(zhèn)管理缺陷等，而張艷杰等[4]認為排水不利是產(chǎn)生城市洪澇災害的主要原因。針對城市內(nèi)澇與雨水收集利用的問題，不同的學者從環(huán)境優(yōu)勢與建設管理等方面提出了自己的見解。毛獻忠等[5]提出利用城市湖泊的蓄水調(diào)洪能力緩解暴雨壓力；劉興坡等[6]和黃子謙[7]基于暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model, SWMM)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬分析技術提出對排水管網(wǎng)進行改造；張艷杰等[4]和范光龍[8]提出了利用城市道路有效收集由于城市化增多的地表徑流的觀念，并給出城市道路建設和城市雨水蓄集聯(lián)合運用的模式。另有許多學者[9-14]建立了綠色建筑水資源綜合利用系統(tǒng)，通過建筑物收集利用系統(tǒng)對雨水資源進行利用。

1.2 國內(nèi)外研究概況

建筑物雨水收集利用系統(tǒng)經(jīng)歷了長時間的研究發(fā)展，但是結(jié)合現(xiàn)有的城市道路建設標準與雨水收集利用的研究目前只是初步實施階段。

近年來，更是提出了“海綿城市”[15-17]這一極具熱度的綜合性建設理念。海綿城市建設的核心是雨洪管理。在國外，城市雨洪管理代表性的理念[17]主要包括3個：美國的低影響開發(fā)(LID)、英國的可持續(xù)發(fā)展排水系統(tǒng)(SUDS)和澳大利亞的水敏感性城市設計(WSUD)。這些理念側(cè)重于“凈、用”，強調(diào)城市水循環(huán)過程的“擬自然設計”，保護了原有水生態(tài)，對周邊水生態(tài)環(huán)境低影響，海綿城市建成后地表徑流量能盡量保持不變，它的本質(zhì)是實現(xiàn)城鎮(zhèn)化與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)和諧。但目前國內(nèi)海綿城市建設相關措施的規(guī)范、技術指南等較少，設計標準不統(tǒng)一，對海綿城市設計和建設環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響，同時一味模仿優(yōu)秀案例，未結(jié)合自身經(jīng)濟、社會、環(huán)境等多方面因素采取合理規(guī)劃、因地制宜設計各項措施，未將“滲、蓄、排、用”相結(jié)合進行有針對性地建設具有中國特色的海綿型城市。

另一方面，我國排水系統(tǒng)從最初的雨污合流制[18]到后來的截流式合流制[19]，再到最后的分流制排水[20]，雖然在下水道排水能力上具有一定程度的提高，但是并沒有帶來實質(zhì)性的改變。加之國內(nèi)現(xiàn)有的雨水收集利用系統(tǒng)大多都停留在建筑物方面的研究，并且缺乏處理和回用系統(tǒng)，因此，結(jié)合國內(nèi)道路與排水管鋪設的標準，設計了集“滲、蓄、排、用”于一體的自動沖洗式雨洪資源利用新裝置，在解決道路積水的前提下又能夠蓄積雨水，達到雨水資源均時性再利用。

2 設計原理

2.1 設計思路

設計裝置如圖1，2所示，主要是為了解決城市在雨季所面臨的積水問題。本著節(jié)約、環(huán)保的原則，又通過太陽能電池板對水泵供電，將積蓄的雨水抽出，對周圍綠化進行噴灌。積水問題包括以下兩方面：

(1)在路緣處設立一個立式入水口，在人行道下方0.5 m處修建一個小型蓄水池，以增大蓄水能力。另在蓄水池內(nèi)部修建一個弧形內(nèi)腔，雨水先流進內(nèi)腔，通過建造在一定高度處的滲水磚下滲至小型蓄水池中。當內(nèi)腔水位上漲到弧形內(nèi)腔最大高度時，不含泥沙的雨水就會溢到小型蓄水池中。

圖1 裝置位置分布圖

(2)目前造成城市積水的主要原因是排水管口堵塞和疏水緩慢，而主要堵塞物是雨水中攜帶的泥沙和漂浮物(如樹葉、垃圾等)。本設計利用水的浮力和壓力設置了兩個水力自動閘門，當弧形內(nèi)腔內(nèi)部達到一定水位時，閘門自動打開，利用水管的高度差，使淤積的泥沙順著弧形內(nèi)壁流走。

圖2 裝置內(nèi)部設計示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)設計

從整體裝置圖3可以看出，本裝置分為地上部分和地下部分。地上部分包括：立式入水口、太陽能電池、濕度傳感器；地下部分包括：小型蓄水池、弧形內(nèi)腔、水力自動閘門、進水管、出水管、水泵。此套裝置從功能運用上可以分為以下3個階段：

圖3 裝置模型外觀圖(粗略)

(1)蓄水階段：攜帶泥沙的雨水通過立式入水口流入弧形內(nèi)腔，泥沙在內(nèi)腔中沉積，上部清水通過滲水磚下滲至小型蓄水池中。下大暴雨時，當立式入水口處雨水進入速度大于下滲速度時，弧形內(nèi)腔中的水位會不斷上升，直到水位達到弧形內(nèi)腔最大高度時，雨水將會溢到小型蓄水池中。

(2)沖沙階段：當水位上漲時，浮球受到浮力而帶動排水管口處水力自動閘門打開，并固定在頂部卡位處，于此同時，當水位下降到一定高度時，進水管口處閘門在壓強差的作用下，而自動打開。由于進水管與出水管存在高度差，水流帶著泥沙，沿著弧形內(nèi)壁從排水管處流走。當水位下降時，由自動控制原理即可實現(xiàn)水力自動閘門復位。

(3)噴灌階段：固定在人行道路燈處的太陽能電池，通過吸收太陽能，來給小型蓄水池里的水泵供能，在人行道一側(cè)的綠化帶處設置一個濕度傳感器，天氣干燥時，會觸發(fā)水泵工作，通過管道連接對綠化帶進行噴灌。

3 分析與評價

3.1 原理分析

(1)尺寸設計(如圖4所示)：以廣州道路設計與雨水排水管鋪設標準為例，直徑為1.5米的雨水排水管底部埋藏在地面以下2米深的位置，由于下大暴雨時，其水位能達到管高2/3處，所以將進水管管口安裝在管頂以下1/3處，進水管與排水管有40 cm的高差，可以將水的勢能轉(zhuǎn)化為動能以便于沖走泥沙。

(2)位差設計：根據(jù)之前的設計，雨水排水管管底部在地面以下2 m位置，進水管的底部與排水管底部又有40 cm高差，那么排水管的底部與原有總雨水排水管底部就只有10 cm的高差，這將有可能導致排水管里面的雨水無法排到總雨水排水管中，但是由于現(xiàn)有管道的鋪設并不是水平的，它是具有一定的坡比，大約為2%，因而通過減小排水管鋪設坡比和增加排水管管道的長度就能夠達到所需要的測壓管水頭。

(3)滲水磚設計：以雨洪期特殊情況為最大標準，在弧形內(nèi)腔內(nèi)一定的高度使用滲水磚材料，可防止泥沙淤積影響滲水磚的滲水速度和效率，實現(xiàn)排水管道的泥沙過濾，為后續(xù)的自動沖排鋪墊，同時保證蓄水的水質(zhì)。

(4)攜帶泥沙的雨水去向設計：由于原有的雨水排水管是每100 m安裝一處沉沙井，所以將沖沙的水設計為兩個去向：一是排回原有總雨水排水管，這將會加大雨水管中的含沙量，但雨水的攜沙量較少且大多都是道路浮沙，加之雨水排水管管道直徑足夠大，所以不會造成管道堵塞問題；二是直接通過管道從側(cè)面排到沉沙井中，泥沙在沉沙井中沉積，沉積在沉沙井中的泥沙將會被人工清理。

圖4 裝置尺寸設計示意圖(單位：mm)

3.2 模擬實驗定性分析

為了進一步驗證裝置的可行性，對照實際尺寸設計，按1∶40的幾何比尺制作了如圖3所示的模型進行定性實驗分析。由于道路交通、雨水蒸發(fā)等因素對裝置的影響很小，這里只討論降雨量的時間分布、雨水入管道時攜沙量、排水管排水量對裝置效果的影響。

以沿海降雨量較多的上海市季降雨量[22]為例，夏季降雨量最集中占比為41.1%，月最大降雨量接近200 mm。按此極限情況分析，道路每100m長度雨水量在裝置內(nèi)實際小型水池的最大蓄容積為6 m3，即模型水池蓄容為93.75 cm3(原型6 m3)的負荷之內(nèi)，滲水磚的透水系數(shù)大于等于1.0×10-2cm/s(15℃)的條件下，泥沙的沉淀、排放及管道排水情況良好，相比于原先簡單管道可見排水排沙更順暢，并且在解決道路積水的同時其集水、排沙、用水功能優(yōu)勢也可體現(xiàn)。

3.3 可行性評價

此裝置在原有雨水排水管處加裝集蓄水、用水、排沙、過濾于一體的裝置，能夠做到以水之能，疏水之患，達水之利，具有較強的可行性，具體有以下5點依據(jù)：

(1)下水道口采用了立式入口，增大入水口口徑，既避免占用路面面域、提高了交通的安全性，又使得道路雨水可以更高效快速地匯集下落，初步防止路面下水道口堵塞，減緩路面積水壓力。

(2)裝置在原有雨水排水管的基礎上加裝了小型蓄水池，小型蓄水池主要用于貯存雨水，其既可以緩解原有總雨水排水管的疏水壓力，又因其底部裝有以太陽能供能的抽水裝置，可將暴雨等情況下的大量雨水過濾后用于綠化帶的灌溉，整個過程借助綠色能源達到了雨水資源的均時性再利用。

(3)此裝置的上半部分嵌套了一弧形內(nèi)腔，雨水在其中可快速無殘留地下落至底部，便于雨水中泥沙的沉積以能夠?qū)崿F(xiàn)水沙初步分離，并最終利用進水管中的雨水沖走弧形內(nèi)腔底部的泥沙，既解決了裝置內(nèi)部的泥沙淤積問題，又可在暴雨等特殊情況下做出高效的應急措施。

(4)裝置中的進水管口閘門利用管道與弧形內(nèi)腔的壓強差自動打開，排水管口閘門由浮球滑槽銜接，兩者共同利用水的浮力和壓強做成了自動聯(lián)動式閘門。當水位到達最高水位時，浮子上連接的卡槽會卡在頂部卡位處，閘門打開；當水位下降時，進水管處閘門兩側(cè)形成水壓力差，閘門繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開。水排完后，此處閘門復位觸碰開關，卡位處的電導磁閥接通(如圖5所示)，使卡位回縮，浮子和閘門復位。

圖5 自動控制原理電路圖

(5)弧形內(nèi)腔側(cè)邊與小型蓄水池上部采用了特殊材料——滲水磚[21]，該材料制作成本較低，更是具有阻隔泥沙和快速滲水的功能，呼應了當今“海綿城市”的思想理念。

4 結(jié) 論

本文通過對自動沖洗式雨洪資源利用新裝置的尺寸、位差和運行原理等系列理論分析和模型模擬實驗定性分析，討論了該裝置的可行性，并得到以下結(jié)論：

(1)在路面地勢較低的地方匯積的雨水通過立式入水口進入弧形內(nèi)腔，并通過滲水磚進行泥沙過濾和自動聯(lián)動閘門進行排沙，將路面積水“轉(zhuǎn)移”到地下，同時發(fā)揮路面順暢導水和地下排水管的泥沙自排兩方面的作用，有效地防止了路面積水給交通帶來的不便。

(2)在雨水排水管外設置最大蓄容為6 m3的小型蓄水池，既緩解了下暴雨或連續(xù)下雨時雨水排水管的疏水壓力，又可蓄積過濾后的雨水以進行旱期綠化帶植被的灌溉，使雨水資源在時間上分布更均衡合理。

(3)此裝置采用的自動控制等原理簡單易行，能夠很大程度地解決道路積水問題，并實現(xiàn)集蓄水、用水、排沙為一體的設計理念，打破了原有“雨水棄之不用”的觀念，在解決道路積水和雨水利用等方面，有著良好的應用前景。

在本文中的實驗條件下得到的結(jié)論具有一定的可信度，但若推廣研究，還須進一步進行多種實際降雨量和道路情況模擬，以獲取更多的實驗數(shù)據(jù)支持。

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