雨水涵养利用与初雨水的净化
1美国雨水排水与初雨水净化
笔者于2005年2月考察了美国北部城市安阿堡及其周边城镇。安阿堡在美国最适宜居住城市中名列第六，是一个非常美丽和谐的城市，水资源并不缺乏，也不限制用水，居民似乎没有节水意识，但雨水涵养和初雨水净化非常先进和完备，其精密、自然和完美令人耳目一新。
1．1屋面排水
美国建筑没有散水，屋面雨水全部通过雨水管首先排人地下涵养，涵养饱和后才组织排放。涵养方式有3种：1)渗透好的土壤，主要是沙质土和腐殖质土，直接排人土壤涵养；2)渗透一般的土壤，主要是腐殖质土等，沿建筑外墙开挖沟槽，回填木屑、碎石、腐殖质土等，种植花树；3)市中心建筑密集，硬覆盖多，沿建筑外墙开挖约1．5m×2m的沟槽，回填碎石等，形成地下储水结构，地上部分建筑花坛，种植花木。
1．2绿地排水
美国的建筑风格与中国的不同，一般不形成中国式的庭院和街坊。美国郊区建筑问距大，单体建筑一般掩映在绿地和树林丛中。市中心建筑密集，建筑宽大，街道以建筑建设，建筑沿街道建设。面积较大的绿地，修建人工池塘和人工湖，雨水漫流入湖，集中径流人湖口铺砌卵石。湖塘不防渗漏，起向地下补水、调节水量、自然沉淀的作用。湖边设溢流井或溢流口，雨水经绿地涵养后进入湖塘调节和沉淀，雨量大时，通过溢流和管道排放。面积较小的绿地向中间找坡，低处设渗井，雨水经绿地涵养后漫流到渗井，然后通过管道排放。一般面积的绿地，中间修挖洼地，周围找坡，底部铺砌卵石，周围绿化，洼地存水时问较短时，底部植草绿化。洼地设渗透溢流井，井周围设人工滤层，雨量小时，渗至地下；洼地水位升高，雨水经渗透过滤后通过管道排放；升高到一定水位(一般为1～2ITI)，雨水溢流排放。
1．3道路和硬覆盖排水
美国的独立人行道、绿地路径、高速公路、乡间公路、郊区支路均不设路牙，路面高出绿地，雨水直接漫流到绿地。部分郊区干道一侧设人行道，另一侧不设人行道和路牙，雨水通过无路牙一侧直接漫流到绿地。部分郊区干道两侧设人行道和路牙，雨水分段通过雨水口和管道排人绿地洼地和湖塘，有时在路边修建人工池塘，涵养和调节雨水，净化初雨水。美国停车场高度发达，硬覆盖平整，面积较大。硬覆盖雨水通过雨水口和管道排人绿地洼地和湖塘。市中心以街道管道排水为主。
1．4区域排水
美国中小城镇人口密度小，面积大，城镇化程度高，如果全部采用管道输送排放雨水，雨水管道长，峰值流量大，雨水排水设施的投资非常巨大。具体做法是：首先考虑土壤涵养，最大限度地涵养雨水；其次，在保证市政安全的情况下尽量采用地面径流；第三，千方百计地利用自然条件和人工设施调节水量，削减峰值，除前端的洼地、湖塘调节外，管道汇集后尽量利用自然条件设置湖塘和人工设施，多次调节，大幅度地消减峰值，大大降低了系统造价。
1．5初雨水净化
初雨水净化的途径主要有4种：土壤涵养净化、自然沉淀、植物净化、渗透过滤。总之，美国初雨水净化主要依靠自然净化，除简单实用的渗透溢流井外，没有专门的人工设施，方法简单，投资少，效果非常突出。
1．6排水系统的特点
1)土壤涵养，最大限度地涵养雨水；2)尽量采用地面径流，大大减少雨水管道长度；3)利用自然条件和人工设施，多次调节，大幅度地消减峰值，大大降低了系统造价；4)利用自然净化，彻底净化初雨水；5)雨水直接利用少，除涵养和补充地下水外，很少直接利用雨水。美国的水资源并不缺乏，其出发点主要是涵养雨水、净化初雨水和减低系统造价，系统非常先进和完善，值得我们借鉴。
2中国雨水涵养利用系统
中国现行《室外排水设计规范》的着眼点是排除雨水，没有考虑雨水利用。国家虽大力提倡雨水利用，但目前的雨水利用仅限于直接利用水池、池塘、薄膜防水结构收集储存雨水，投资大，水量小，实效差。美国的经验表明，雨水涵养利用可以提高雨水利用水平，发挥利用雨水、涵养地下水、初雨水净化等多方面作用，还可以减少雨水排水系统的造价。在借鉴美国经验的基础上，作者设计了适合中国国情的雨水涵养利用系统(图1)，具体做法是：雨水首先尽可能地进入地表土壤涵养层涵养储存。涵养饱和后多余的雨水经过地面径流和洼地、湖塘等调节，然后通过管道排放。涵养水一部分补充地下水，一部分通过渗渠和大口井取水利用。实践证明：该系统方法简单易行，雨水利用量大，效果好，值得推广应用。
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2．1面排水与涵养屋面雨水首先尽可能地进入土壤涵养和人工涵养结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流到绿地或道路、硬覆盖排水系统。屋面雨水涵养包括直接涵养、沟槽涵养、花池涵养和径流涵养等基本形式，如图2所示。
2．1．1直接涵养
屋面雨水管直接通人私家花园或庭院绿地土壤中，雨水管距地面O．4～0．9ITI处设溢流口，以便饱和后溢流和清通管道。直接涵养适合土壤渗透性较好的情况。
2．1．2沟槽涵养沿建筑外墙开挖沟槽，屋面雨水排水管通人沟槽之中，沟槽中下部回填沙石、木屑等，上部覆盖种植土，种植树木花草。雨水管距地面O．4～0．9ITI处设溢流口。沟槽涵养适于土壤渗透性一般或较差的情况，也可用于渗透性较好的土壤，以便增大雨水涵养量。
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2．1．3花池涵养在沟槽涵养的基础上，地面上修建带状花坛，花坛底部与沟槽连通。花池涵养适于城市中心建筑密集区、广场和停车场等硬覆盖与建筑相连的情况。
2．1．4径流涵养屋面雨水直接排入庭院绿地，通过地面径流，渗入土壤涵养。径流涵养适于土壤渗透性好的情况。
2．2．1渗井涵养适于面积较小的绿地。绿地向中间找坡，低处设渗井，雨水经绿地涵养后漫流到渗井，溢流后通过管道排放。
2．2．2洼地涵养适于一般面积的绿地。在绿地中间利用自然条件或修挖洼地，周围找坡，底部铺砌卵石，周围绿化，洼地存水时间较短时，底部植草绿化。洼地设渗透溢流井，井周围设人工滤层。
2．2绿地排水与涵养绿地雨水首先尽可能地进入土壤涵养，地面径流尽可能利用自然条件、水景设施和半人工结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流排水。绿地雨水涵养包括渗井涵养、洼地涵养、湖塘涵养等基本形式，如图3所示。
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2．2．1渗井涵养适于面积较小的绿地。绿地向中间找坡，低处设渗井，雨水经绿地涵养漫流到渗井，溢流后通过管道排放。2．2．2洼地涵养适于一般面积的绿地。在绿地中间利用自然条件或修挖洼地，周围找坡，底部铺砌卵石，周围绿化，洼地存水时间较短时，底部植草绿化。洼地设渗透溢流井，井周围设人工滤层，雨量小时，渗至地下；洼地水位高于设计溢流水位(一般为1—2m)时，通过溢流和管道排放；洼地水位低于设计溢流水位时，经过人工滤层和渗井，通过管道排放。
2．2．3湖塘涵养适于面积较大的绿地，或有天然湖塘、人工水景湖的情况。雨水主要漫流入湖，形成溪流时入湖口铺砌卵石，湖塘不防水，设溢流井，溢流井设雨水和洪水2级溢流。雨水经绿地涵养后进人湖塘调节和沉淀，雨量大时，通过溢流和管道排放。庭院一般采用渗井涵养和洼地涵养，有时也可以径流到道路雨水口。
2．3道路、硬覆盖排水与涵养道路和硬覆盖雨水首先尽可能地进人土壤涵养和人工涵养结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流排放。道路和硬覆盖雨水涵养有路边渗井涵养、边池涵养、边沟涵养、转移涵养等基本形式，如图4所示。
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2．3．1路边渗井涵养适于设有绿化带的城市道路雨水涵养和排水。雨水排水干管铺设于绿化带下，按渗井的要求建设检查井，除发挥检查井的功2．4区域连接各单元雨水进入管道输送后应尽量利用自然条件(如洼地、湖塘、水景湖等)，进行进一步涵养和调节，以最大限度地涵养雨水，削减峰值流量，减少管道造价。其基本做法如图5所示。
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2．5雨水涵养
雨水进入地表涵养层后，一部分向外径流，一部分补充深层地下水，一部分涵养在本区域内。前两者是间接利用，后者可以直接利用，这些可以直接利用的涵养水及其结构称之为地表涵养水库。为了提高雨水利用量，必须提高地表涵养水库的涵养能力，其主要途径如下：
1)合理规划勘察地表土层、表层水的径流走向、地形等，摸清区域地表层水脉，确立地表涵养水汇聚点，合理布置和规划地表涵养水库，最大限度地利用地理资源。
2)土壤涵养土壤尤其是种植土，是地表水库的载体和物质基础。表层土壤孔隙发达，毛细孔丰富，生长着大量微生物。孔隙可以储存水，毛细孔具有吸附和缓释水的作用。微生物可以分解有机物，也是物质循环的重要环节，微生物分解和土壤吸附起着净化水质的作用。利用覆土绿化可以增加地表涵养水库的涵养能力。
3)植物涵养植被可以有效地减少水分从地面蒸发，植被越茂盛，涵养水越丰富；植被越高大，根系越发达，涵养水的能力越强，一棵十年生乔木，可以涵养水5m以上。
4)物理阻截利用地下建筑等阻截涵养水向外径流；向外径流量较大的断面，可修建地下暗坝。
5)水力截留在涵养水径流下游边界修建渗渠和大口井，设立取水口，降低水位，不仅可以有效地阻止地表涵养水库水向外径流，还可以使一定数量的区外水流向区内。
2．6涵养水的利用
涵养水的水质好，可以被广泛利用。主要利用方式有：1)湖塘直接取水利用，适于用水量较小、间断用水和临时用水；2)渗渠取水利用，适于向外径流断面取水；3)大口井取水利用，适于水脉汇集地点取水。
2．7初雨水净化
初雨水淋洗空气和冲刷地面，含有大量污染物，是水环境的重要污染源之一，城镇初雨水净化也是水环境保护的重要课题。目前，我国初雨水净化尚属空白。本研究中设计的雨水涵养系统是非常简单、实用、稳定、经济的初雨水净化方法。净化过程主要有：1)土壤涵养净化，通过土壤的过滤、吸附和生物降解作用，净化初雨水；2)植物净化，通过植物生长，吸收去除污染物；3)自然沉淀，通过洼地和湖塘自然沉淀，去除悬浮物和部分其它初雨水污染物；4)渗透过滤，通过渗井的渗透过滤作用去除污染物。
3管道排水量分析
雨水排水管道造价的主要影响因素是管道长度和排水量。雨水排水管道的长度与排水区域的特点有关，雨水涵养系统大大减少了管道长度，降低了管道造价。对较大规模的住宅小区，雨水涵养系统与普通雨水排水系统相比，可以减少管道长度30%一60%。排水量直接决定管径的大小，从而决定管道造价。排水量可以由下式计算：由于涵养，径流系数缈减少到0．4以下，比不涵养的径流系数减少40%一50%；地面径流时间t比不涵养的增加50%一150%；涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少45%一70%。2)当起始管段的起始点不同时，不涵养的普通系统需要通过管道输送到涵养系统的管道起始点，此时流量关系式为涵养系统与不涵养系统径流系数的关系、地面径流时间t的关系均与情况1)类似；管道径流时间t大致相等；涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少34%一60%。4)当下游管段的管道长度不相同时，流量关系式与情况3)相同；涵养系统径流系数的关系、地面径流时间的关系均与情况2)类似；普通系统的管道径流时间大于涵养系统；涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少30%一60%。总之，涵养系统的管道排水流量远远小于普通系统，大大减少了管径，节省管道造价。
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