渗水井在提高庭院雨水下渗率中的应用

费 阳, 唐中亚, 王金辉, 王一鸣, 丛海兵*

(1. 扬州大学环境科学与工程学院, 江苏 扬州 225127; 2. 扬州市给排水管理处, 江苏 扬州 225000)

过去受经济、技术条件等制约, 历史街区多采用合流制排水系统[1], 易导致污水溢流[2-5]．为改善城市水环境, 许多国家开始实施低影响开发、雨水资源利用与管理[6]等措施, 如美国纽约市采用了绿色屋顶和生物滞留池[7]; 日本横滨市大量采用深层调蓄隧道、地下调蓄池、多功能调蓄池等[8]．在国内,雨污分流和海绵技术相结合的应用也逐渐受到广泛关注．刘玉兰[9]对镇江市老旧小区开展雨污分流的低影响改造设计,内容主要包含雨水花园、透水铺装设计等;王建龙等[10]认为对已建小区海绵化改造的重点是消除积水点,提高小区排水能力,可以采取透水铺装、生物滞留池、下沉绿地等低影响开发措施用于滞蓄、净化、消纳雨水．

扬州市历史街区的庭院建筑排水为截流式合流体制,溢流污染严重,加之历史街巷狭窄,地下空间有限,雨污分流改造难度大．由于历史庭院下垫层为瓦砾与土壤的混合物,本文针对其蓄渗特点,采用渗水井技术以瓦砾层为下渗面提高雨水下渗率,改善地表下渗能力不足的情况,从而削减降雨径流,拟达到减少溢流污水量、降低雨污分流改造难度的目的．

1 材料与方法

1.1 土样采集

取样点为扬州市广陵区某小区考古坑．表层为新土(厚约50 cm), 向下依次为瓦砾层(厚约3 m)和原状土层．取样时刨去表层新土,用直径为15 cm的镀锌钢管垂直打入瓦砾层分段取样,每段30 cm,共取10段．取2组平行瓦砾土样,分别用于蓄水率和渗透系数测试．同样方法取厚度为30 cm的原状土样备用．

1.2 试验方法

1) 蓄水率测定． 蓄水率测定装置如图1(a)所示．将取样管安置在蓄水率测定装置上, 测量土样高度, 计算土样总体积V1, m3．关闭出水口, 向取样管中灌水, 充分浸润土样以排尽土样中空气, 待水面与土面持平后, 打开底部出水口阀门,用量筒测量出水体积V2, L．瓦砾土层单位体积内包含的重力水体积即为蓄水率P=V2/V1, L·m-3．使用相同方法对原状土样进行蓄水率测定．

图1 蓄水率测定装置(a)和渗透系数测定装置(b)(单位:mm)Fig.1 Measuring devices of gravity water storage rate (a) and permeability coefficient (b)

图2 渗水井灌水试验装置(单位:mm)Fig.2 Irrigation experiment device for seepage well

2) 渗透系数测定．渗透系数测定装置如图1(b)所示．向取样管内持续注水并控制注水速度, 保持出水管出水且取样管内水位恒定,待形成恒定渗流后, 记录一段时间内的出水量, 土样渗透系数K=VL(tAh)-1, m·d-1．式中V为出水量, m3;L为土样高度, m;t为出水持续时间,d;A为土样横截面积, m2;h为进出水水位差, m．对原状土样按同样方法测定其渗透系数．

3) 渗水井渗水流量测定．渗水井灌水试验装置位于扬州市广陵区某庭院内, 装置示意图如图2所示, 装置由体积为3 m3的水箱、超声波流量计、进水管、阀门和渗水井组成,渗水井包括井体、井盖、进水口和溢流口．井体由砖砌成, 不抹面,井底自下而上铺设卵石层和粗砂层,卵石层以下为瓦砾层．水箱中注满水后,开启进水阀门,向渗水井中灌水,通过水位尺测量水深．调节进水阀门, 保持渗水井中水位高度H(m)不变, 使用超声波流量计测量进水管流量Ql, m3·h-1, 即为渗水井当前水位下的渗水流量Q, m3·h-1．

4) 地下水水位测定．在距离河道约81 m的某历史街区水井上安装超声波液位仪, 记录地下水位变化情况,同时采用虹吸式雨量计记录降雨过程．

2 结果与讨论

2.1 土样蓄水率及渗透系数

土样蓄水率、渗透系数测定结果如表1所示．由表1可见, 瓦砾层平均重力水蓄水率为33.52 L·m-3．定义单位厚度土样的重力水蓄水深度为单位体积土样的重力水蓄水量除以土样面积, 则该瓦砾层重力水蓄水深度为33.52 mm, 3 m厚的瓦砾层蓄水深度为100.56 mm．根据扬州市住房和城乡建设局公布的降雨强度公式q=15.727(1+0.697 lgTr)/(t+13.118)0.752, 式中q为降雨强度, mm·min-1;Tr为重现期, a;t为降雨历时, min．以上式计算, 该瓦砾层蓄水深度相当于重现期40 a、降雨历时2 h的降雨产生的雨量,表明瓦砾层有较大的蓄水潜能．又由表1可见,瓦砾层竖向渗透系数为0.005～128.500 m·d-1, 渗水能力差别大,存在强导水部位和弱导水部位,这是地下瓦砾层分布不均引起的．由于蓄水率和渗透系数数值来自不同的平行样品,故重力水蓄水率和渗透系数不完全匹配,但总体结果表明瓦砾层的渗透系数远大于原状土,其强导水部位分散分布,能形成连续的斜向导水层,保证水流下渗．

从水井监测2018-08-17至2018-09-10期间内地下水位变化情况(以扬州市内河常水位为基准)如图3所示．从8月17日2时至8月18日0时, 虹吸式雨量计测得该地区总降雨量达133.5 mm,由图3可知,地下水位升高了1.11 m, 以试验测得的平均蓄水率计算, 该次降雨瓦砾层的下渗量为37.2 mm．定义降雨下渗率为降雨下渗量与降雨量的比值, 故此次降雨下渗率为27.9%．可见地下蓄水空间并未充分利用,地表渗水性较差,拟设计渗水井强化渗水过程．

2.2 渗水井渗水量

渗水井的渗水能力试验结果如图4所示．由图4可知, 随着井中水位的上升, 渗水流量逐步增加, 井中水位为0.9 m时, 渗水流量可达3.36 m3·h-1．经拟合, 渗水流量与水位呈二次抛物线关系:Q=0.242+2.305H+1.226H2,R2=0.997．

图3 地下水水位变化Fig.3 Variation of groundwater level

图4 渗水井渗水能力试验结果Fig.4 Water permeability experiment results of seepage well

瓦砾层的砖瓦碎石分布不均, 故采用半经验公式综合考虑各种非均质地质条件, 可较好地反映渗水井渗水能力[11]．当无防渗措施时, 渗水井通过井壁和井底两方面渗水, 渗水流量与渗水面积成正比, 有Q=(aH2+bH+c)πr(r+2dH), 式中r为渗水井半径, m;a,b,c为地质条件相关系数, 根据实际渗水井灌水试验拟合得到; 由于井壁由砖砌而成, 渗水能力较弱,故引入折减系数d, 取值范围为0～1．利用1stOpt软件[12]对图4中数据进行非线性曲线拟合, 得到参数a=0.247,b=1.073,c=0.112,d=0.097, 则渗水井渗水流量半经验计算公式为Q=(0.247H2+1.073H+0.112)πr(r+0.194H).

2.3 渗水井使用效果

图5 渗水井设置俯视示意图Fig.5 Sketch map of seepage well setting

扬州历史街区内的建筑形式以四合院为主,渗水井设置区域的俯视示意图见图5, 在汇水区域内,降雨径流通过雨水口和进水管汇入渗水井, 在井内快速下渗．当渗水井内水位达到溢流高度时,通过出水管流入市政排水管网．

图6 渗水井的降雨径流模拟计算结果Fig.6 Simulation results of rainfall runoff in seepage well

根据扬州市降雨强度公式计算, 暴雨重现期为3 a、降雨历时2 h的总降雨量为63.5 mm．采用芝加哥雨型模拟各个降雨时间段的降水量, 区间降水量Qj=Aqctc/1 000, m3; 式中A为汇水面积, m2;qc为芝加哥雨型下的区间降雨强度, mm·min-1;tc为降雨时间区间, 取tc=5 min计算．区间产流量Qc=ac·Qj, m3, 式中ac为综合径流系数, 取值为0.78(经统计扬州典型庭院中瓦屋面、不透水地面、透水地面分别占汇水面积的55%、15%、30%, 径流系数分别为0.95、0.95、0.39, 加权平均后ac为0.78); 渗水井的区间下渗量Qx=πrtc(0.247H2+1.073H+0.112)(r+0.194H)/60, m3; 井内水位H=Qn/(πr2), 式中Qn为当前渗水井内蓄水量, 由产流量和下渗量累计计算得到; 渗水井区间溢流量Qy=Qsn+Qc-Qx-Qn, m3, 式中Qsn为上个降雨区间内的渗水井蓄水量, m3．以汇水面积为120 m2的典型庭院为例, 选用直径为1.6 m、蓄水深度为1.1 m的渗水井模拟径流过程, 模拟结果如图6所示．由图6可知, 在该模拟条件下, 降雨初期降雨量逐渐增大, 庭院自然径流汇入渗水井, 渗水井水位逐渐上涨,渗水井下渗量也随之提高．降雨中期,降雨强度达到顶峰,渗水井开始产生溢流,随后降雨强度减小,产流量小于下渗量时不再溢流,渗水井水位下降．降雨后期,降雨量不断减少,产流量不及下渗量,渗水井水位不断下降．降雨结束后,不再有雨水汇入渗水井, 而井内的水不断下渗直至空井状态．定义溢流率F=∑Qy/∑Qc, 即降雨过程中渗水井的总溢流量与总进水量的比值．经计算, 在该模拟条件下∑Qy=0.627 7 m3, ∑Qc=5.947 6 m3, 故F=10.55%, 即渗水井将庭院的自然径流削减了89.45%．对比历史街区现有的合流制排水结构,采用渗水井能大幅度削减污水溢流量, 对于雨污分流改造工程而言,可在一定程度上缩减雨水管径,降低改造难度．

2.4 渗水井方案建议

渗水井设计目的是为了使降雨产流通过渗水井下渗, 达到不溢流或减少溢流的效果．为提供渗水井选用的参考方案,取庭院综合径流系数为0.78、渗水井有效蓄水深度为1.1 m,计算暴雨重现期为3 a、降雨时长为2 h的条件下不同庭院采用不同直径的渗水井后的溢流率,结果如表3所示．在选取渗水井直径时,将溢流率控制在15%以内较为适宜,以汇水面积为100 m3的庭院为例,由表3可知宜选择直径为1.4 m及以上的渗水井．靠近河流的庭院由于地下水位较浅,渗水井的深度应适当减小,同时增大渗水井直径．另外,渗水井在长期使用后其渗透性会下降,须定期清掏维护,以保持渗水井的渗水能力．

表3 不同汇水面积庭院采用不同直径渗水井的溢流率