城市道路径流雨水初雨量特征分析和计算方法*
2019-03-14
(1.山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002；2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)
我国目前开展的海绵城市[1]建设主要是将自然降雨和地表径流时空调蓄的人工措施相结合，遵循生态优先等原则，模拟自然水文边界条件，最大限度地实现雨水在城市中的自然积存、自然渗透和自然净化。随着我国城镇化快速推进，城市房屋和道路面积逐年增长，城市不透水下垫面的增长，给传统的城市雨水排水设施带来了极大的压力。一方面，基于快排理念的基础，排水设施将雨水排出城市，遇到降雨量偏大的状况，城市基础排水设施超负荷运转，增大市内安全和交通的压力；另一方面，城市大量雨水资源流失，地下水得不到补给，水位逐年下降，甚至有些河流出现了断流现象，城市原有河道、湖泊由于无法保证基流的供给，水面干涸、枯竭，大量被填平作为城市建设用地，水面率的下降进一步加剧了城市内涝积水、排水除涝的压力。雨水作为一种丰富的可再生资源，再利用的开发已经迫在眉睫[2]。
城市建成区内，不透水下垫面基本包括城市道路路面(含机动车道、非机动车道、人行道)、城市快速路路面(城市高架路)、城市广场、居民居住及公建小区房屋屋顶和小区路面、企业内工业厂房屋顶和工厂路面等。对于基础设施比较完备的城市建成区，城市道路路面占城市建设用地比率一般为10%～15%。基于较高城市道路面积占比，城市路面集雨技术是世界各国雨水低影响开发(LID)、可持续城市排水系统(SUDS)、水敏感城市设计(WSUD)、低影响城市设计与开发(LIUDD)等雨洪管理系统的核心和重点。国外集雨技术发展较早，路面雨水蓄集技术已经形成了一套完备的体系。早在1948年，以色列实行的“沙漠公园计划”[3]就将雨水的利用率提高到70%以上；德国[4]利用城市大面积的屋面来进行雨水收集，经过简单处理后，当作非饮用水来使用；美国兴建屋顶蓄水池和地下蓄水系统，不仅减轻了防洪压力，而且充分发挥了雨水的生态环境功能；日本在屋顶修建“空中花园”，利用雨水进行灌溉。我国在集雨方面的起步较晚，雨水径流一般是通过城市排水管网并入城市水体或污水处理厂。通常雨水会携带地表道路的污染物，因此，城市道路雨水被看作是一种污染源，而非可再生水资源。
鉴于此，本文以山西省太原市小店区路面雨水为研究对象，跟踪测试两种路面的雨水水质，并以此为基础，确定不同路面集雨的初期弃雨量，提出雨水分质利用方式并提供计算初期弃雨量和年均可利用水量的计算方法。
1 材料与方法
1.1 试验区概述
太原市位于华北地区黄河流域中部，在山西省境的中央位置，太原市北、西、东三面环山，呈现北高南低簸箕形，平均海拔约800m，属温带季风性气候，年均降雨量456mm，年平均气温9.5℃。山西省第二次水资源评价成果显示，太原市全部可利用水资源总量为5.33亿m3，人均水资源占有量为168m3，仅为全国人均水资源量的1/12，全省人均水资源量的1/2，处于极度缺水状态。大气降水和河流入渗补给是太原市地下水的主要来源，太原市水资源主要靠大气降水补给。
实行道路雨水收集利用的前提条件是有充分可供收集利用的有效水资源，研究指出，年均降雨量在250mm以上的地区可进行雨水径流集蓄再利用。城市道路不透水面面积增加使路面的地表径流系数远大于农村地区的径流系数[5]。大多数地区年均可收集雨量可用下式计算：
Q=ψαβA(H×10-3)
(1)
式中Q——规划区年平均可收集雨量，m3；
ψ——平均径流系数，可通过对各汇流单元的径流系数加权平均求得，不同下垫面条件下的径流系数见表1[6]；
α——季节折减系数，在数值上等于汛期平均降雨量与年平均降雨量的比值，应根据当地气象局多年统计资料分析确定；
β——初期弃流系数 ；
A——集雨面积，m2；
H——年平均降雨量，mm。
表1 不同下垫面条件下的径流系数
由表1可知，太原市城市建成区收水范围内的综合地表径流系数ψ高达0.65～0.75。由式(1)可粗略计算市区路面可利用雨水径流量达1.45亿m3/a，因此太原市内道路雨水资源具有较大的开发利用潜力[7]。
1.2 实验方法
对于封闭的城市硬质化路面排水收水范围，其影响路面地表径流雨水的污染物来源主要是：汽车尾气(含Pb等石油类)、扬尘(无机砂粒、黏土等)、可形成降雨雨核的颗粒有机物降落(这些颗粒有机物是由雾霾产生的)等。对于开发的城市道路系统，其城市道路下雨水管道的收集雨水量为：路面雨水量+街坊支管雨水量(来自两侧的居住小区、公建、工矿企业)，这种情况下的初雨水质比较复杂，不在此次试验研究范围内。此次试验研究的对象是硬质路面雨水，纯粹的地表径流，不含源头的渗(透水性路面)、滞(道路隔离带的植草沟、下凹式绿地等)、蓄(地下蓄水模块、透水性路面下的碎石蓄水层)等海绵设施。为了获取各种下垫面的雨水径流水质状况，试验地点选择在山西省太原市小店区节水示范基地400m2混凝土路面集雨区(素混凝土白石路面)和300m2砂石路面集雨区。混凝土路面是目前城乡公路的典型代表，砂石路面代表乡村的道路特点。试验区道路为城市三级道路，即商业网点较少的路段，居民区和单位相间的路段，城乡接合部的主要交通路段。城市三级道路占整个城市道路的20%左右，每日人工普扫一次。试验区道路在路面结构、保洁频率、机动车流量等方面都具有明显的代表性。通过采样点的水样对比分析水质情况。
根据国内外文献选取水质分析的项目，选取对雨水利用影响最大的几项污染指标，见表2[8]。
表2 水质分析项目
雨水径流水样水质分析采用国家标准进行，各项目的分析方法及设备见表3。
本文试验盛放水样的容器为聚氯乙烯瓶(容积1000mL)。混凝土道路产流较快，因此应在产流开始时立即取样，选择大的径流量间隔5min取样1次，小的径流量间隔10min取样1次，取样3次后，取样时间逐步延长。试验根据1次降水的历时长短来确定取样的次数，长历时的降雨取样一般要持续60～90min，并且在降雨后期要补取1次。
表3 分析仪器及分析方法
地表径流采样的同时，要对天然雨水进行采集、分析及测定，目的是确定径流雨水水质的污染程度。因降雨雨量小于地表径流量，所以强度小的降雨过程所收集水样的时间较长，应贯穿整个降雨过程。
2 结果与分析
2.1 两种路面雨水径流水质分析
a.对混凝土路面雨水径流水样的化学需氧量、浊度、pH值、氨氮等的分析结果如下：
pH值：混凝土路面雨水径流pH值随径流时间的延长变化很小，基本在7～8之间。道路雨水径流水样初期pH<7，逐渐趋于稳定，最终pH值在7.5左右。
浊度：混凝土路面雨水径流浊度在径流初期有小幅度变化，初期浊度小幅度上升，但总体呈下降趋势，径流后期稳定在6以下。整个汇流过程中，混凝土路面径流的浊度在70以下，原因可能是混凝土路面倾斜导致杂物灰尘等物质不容易在路面堆积，路面比较干净，从而整体浊度较小。
化学需氧量：混凝土路面雨水径流COD的数值总体呈下降趋势，雨水径流后期下降到40mg/L以下，表示径流中的耗氧物质较少，混凝土路面雨水水质较好。
氨氮：混凝土路面雨水径流初始氨氮含量小于6mg/L，随着径流时间的延长而下降，最终在1.5mg/L以下，始终保持一个比较低的数值。
SS：混凝土路面雨水径流SS值波动较小，总体呈下降趋势，汇流后期稳定在20～40之间。
b.对砂石路面雨水径流水样的pH值、浊度、化学需氧量、氨氮等的分析结果如下：
pH值：砂石路面雨水pH值稳定性差，在整个汇流过程中一直在变化。
浊度：砂石路面雨水浊度值远大于混凝土路面，且在整个测试过程中变化幅度较大，其原因主要是砂石路面状况差，降雨冲刷导致浊度不稳定，远大于混凝土路面浊度。
化学需氧量：砂石路面雨水径流的COD值随降雨强度的增大，下降幅度明显加快。
氨氮：砂石路面雨水径流的氨氮含量相对混凝土路面较高。
由整个降雨过程中两种路面雨水径流水样的水质分析数据可知，砂石路面雨水径流水质较差，混凝土路面雨水径流水质明显优于砂石路面雨水径流水质。
2.2 初期弃雨量的确定
根据试验区混凝土路面和砂石路面的径流水质的研究，发现砂石路面径流水质明显不如混凝土道路的径流水质，并且各水质指标呈现随降雨时间的延长而下降最终趋于稳定的趋势。城市雨水收集在初级阶段，应首先考虑收集路面雨水径流水质较好的部分，对水质不好的径流部分需经处理后加以利用。根据混凝土路面和砂石路面径流水质的情况，首先应收集混凝土路面的雨水径流，其次收集砂石路面雨水径流，并且在利用之前应进行水质优化处理，水质合格后方可进行再利用。
根据路面雨水径流的水质状况，应去除初期雨水汇流以达到收集优质雨水径流的目的。初期弃雨量的确定主要依据路面雨水水质及其与降雨量的关系。雨水积蓄的初级阶段，雨水主要用于灌溉和喷洒路面等非饮用方面，因此，雨水COD值不应过高，本文采取路面雨水径流的COD指标来确定初期弃雨量。通过实验分析，结果如下：
a.当累积降雨量达到1.9mm时，混凝土路面雨水径流的COD值基本稳定在100mg/L以下。
b.当累积降雨量达到4mm时，砂石路面雨水径流的COD值基本稳定在100mg/L以下。
c.以混凝土路面和砂石路面为集流面时，可以路面雨水径流的COD稳定值作为标准，以此来计算不同路面的雨水径流初期弃雨量，保证蓄集到水质较好的雨水径流。
根据本文的试验数据，偏于安全考虑，最终确定混凝土路面的初期弃雨量为2.5mm，砂石路面的初期弃雨量为4.5mm。
2.3 雨水分质利用及其初期弃雨量的确定
根据试验区不同路面雨水径流的水质分析结果，可以判定两种路面雨水都是适合回收再利用的。以此为基础，根据以路面雨水水质分析结果为标准确定初期弃雨量的方法，同样以水质分析结果对路面雨水进行分质利用。首先以雨水径流COD值为标准，对雨水水质进行划分：
a.COD>100mg/L，将雨水径流排入城市排水系统，不加以利用。
b.50 c.COD<50mg/L，将雨水作为非饮用的生活用水。 根据划分好的雨水径流，确定相应的初期弃雨量h。根据道路材料，可以将路面雨水径流分为n种，第i(i=l……n)种路面雨水对应的累计降雨量分别为：当降雨初期，路面雨水径流作弃流处理时，初期弃雨量为hi1；将雨水径流直接进行利用，对应的初期弃雨量为hi2；当累计降雨量hi1≤h≤hi2时，将雨水进行处理后再加以利用。 根据太原市气象局关于小店区近20年降雨量的统计结果，确定示范区域年均降雨量为488mm，汛期雨量是雨水利用主要参考数值，因此季节折减系数α取0.6。由于雨水水质初期较差，要弃流并排入污水管网，初期雨水是不可利用的，弃流系数β取0.9，路面雨水径流系数ψ取0.9。2012年、2020年的路面雨水收集系数分别为20%和40%。可以下公式计算年均可利用雨水量[9]： Q2012= 0.9×0.6×0.9×(sj+sg)× 488×10-3×20% (2) Q2020=0.9×0.6×0.9×(sj+sg)× 488×10-3×40% (3) 式中Q2012——2012年的年均可利用雨水量，m3； Q2020——2020年的年均可利用雨水量，m3； sj——混凝土路面面积，m2； sg——沥青路面面积，m2。 本文以COD指标为例，确定了路面雨水分质使用方法，并计算了初期弃雨量和年均可收集雨量。研究结果可为北方地区路面集水提供技术支撑，同时，也对路面集雨技术的发展有重要的意义。本文对不同硬化下垫面的地表径流水质在降雨过程中的变化情况进行了分析研究，对太原地区贯彻《海绵城市建设技术指南》中规定的年径流总量控制率(80%～85%)、低影响开发措施实现源头削减雨水径流污染(特别是场次降雨污染物总量占比达80%的初期雨头部分削减)、源头LID措施削减污染物的类型选择和效果评判具有现实指导意义。2.4 年均可收集水量的确定
3 结 语
