选煤厂场地低影响开发雨水系统设计

包 宇，李一龙

(1.中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120；2.中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

随着经济的快速发展，我国以工业化、城镇化为核心的现代化进程也日趋加快。事实上，我国工业化的速度超过城镇化，造成了现在工业化超前、城镇化滞后的态势。目前我国绝大多数城市、区域、地块都采用快排雨水的模式，雨水降在硬化地面，通过管网收集后集中排放。遇到强降雨时，城市雨水系统不堪重负，频繁出现内涝灾害。同时，过多的硬化地面、屋面导致雨水无法渗透至地下，自然水循环系统被阻隔，进而产生了“热岛效应”，引发极端天气或自然灾害。为了缓解雨洪带来的各种问题，国家大力倡导“海绵城市”建设理念[1]，采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等方面的工程技术措施，促进雨水资源的利用和生态环境保护。

煤炭作为我国的主要能源，消费量占全球煤炭总消费量的一半左右，产品需求巨大[2]。在整个煤炭工业中，选煤厂能极大地提高了其能源利用率，是重要环节之一。选煤厂的厂址一般远离市政规划覆盖地区，且厂区占地范围较大，对周围地区会产生辐射效应。传统选煤厂一般在规划和设计阶段仅关注排洪防涝方面，缺乏对场地环境基底、水文条件的综合认知和考虑。选煤厂硬化面积巨大，如何减少对周围环境的影响、分析场地的水文特征，应该成为厂区规划设计考虑的重点之一。

海绵城市中常应用低影响开发(Low Impact Development，LID)理念进行规划、设计和分析。低影响开发指开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，实现良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，实现传统型工业场地向海绵型工业场地的转变[3]。根据董淑秋[4]等人分析研究，明确提出了“生态排水+管网排水”的雨水排除新模式。本文运用LID理念，以实际案例为基础进行分析研究，阐述选煤厂雨水系统的构建思路和设计方式，为构建新型绿色选煤厂提供一定的参考思路。

1 工程概况

本文以红庆梁矿井选煤厂为例，该厂是国家发改委煤炭工业“十一五”规划的重点项目，年设计规模600万t，选煤部分日处理原煤1.82万t，过程有效提高了原煤资源利用率，减少环境污染，提供优质分级的煤炭产品。

红庆梁矿井选煤厂位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗境内，地处鄂尔多斯高原北部。场内地形总体趋势是北高南低、西高东低。场地地形开阔，标高在1391～1423m。地区气候特征属于干旱至半干旱的温带高原大陆性气候，日照较丰富，干燥少雨，风大沙多，无霜期短。当地最高气温+36.60℃，最低气温为-29.60℃；年降水量平均为396.0mm，多集中于7、8、9三个月内；年蒸发量平均为2534.20mm，年蒸发量为年降水量的5～10倍。冻结期一般从10月份开始至次年5月份，最大冻土深度为1.71m。场地周边水文特点主要为枯水季节干涸无水，丰雨季节降水历时短、流量大。场地东部的艾来色太沟流向由西南至东北，场地范围内的洪炭沟、小艾来色太沟、榆树沟等为其支流，呈东西向流入艾来色太沟，而后向北汇入西柳沟，最终注入黄河；场地西部的耳字沟及其支流虎石沟等，向西北方向径流，汇入黑赖沟后最终注入黄河。

本文研究的选煤厂场地位于整个工业场地的东部。厂区分为生产及辅助生产两类建构筑物。主要生产系统建构筑物包括原煤仓、筛分破碎车间、主厂房、矸石仓、混洗中块煤仓、产品仓等。辅助生产设施包括综合楼、浓缩车间及浓缩池、锅炉房等。

2 设计原则

选煤厂目前常采用传统雨水排水系统，即通过雨水管网收集，快速将雨水排除，减少雨水在地面的滞留时间，其设计方法以末端处置为主[5]。如若遇到强降雨，厂区容易遭受内涝侵害及环境污染。与传统模式相比，LID雨水系统构建思路是从源头建设低影响开发雨水系统，减少径流量，消减径流峰值，控制径流污染。参照对城市生态环境影响最低开发的建设理念，合理控制开发强度，在厂区中保留足够的生态用地，控制厂区不透水面积比例，最大限度减少对选煤厂工业建设对原有水生态环境的破坏[6]。将雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用与排水密切结合，让工业场地面对洪涝灾害时具有良好的“弹性”，也让工业与自然更好地融合。基于选煤厂场地的地质和水文情况，LID措施适宜应用在加强雨水渗透、滞留雨水、调蓄削减雨峰流量和成型时间等方面，其他如雨水净化、回用等应结合污水处理站设置，雨水末端的排放和场地排洪系统统一考虑。厂区传统雨水系统与LID雨水系统的比较见表1。

表1 厂区传统雨水系统与LID雨水系统特点比较

3 设计参数

3.1 暴雨强度

采用邵尧明等学者所著《中国城市新一代暴雨强度公式》[7]中内蒙古自治区鄂尔多斯地区的暴雨强度公式如下：

式中，i为暴雨强度，mm/min；T为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。

该暴雨强度公式采用年最大值法，根据观象台站1961年至2000年共计40年的降雨资料，采用年最大值选样法配合耿贝尔分布模型推求而成。

其中设计重现期取3年，雨水管道降雨历时t按下式计算：

t=t1+t2

(2)

式中，t1为地面集水时间，min；t2为现状或规划雨水管渠内雨水流行时间，min。

t1按Kerby公式进行计算，结果取值为5.2min；t2取8min，则t取值为13.2min。

经计算，厂区设计暴雨强度为1.02mm/min，单位换算后为169.49L/(s·hm2)。

3.2 径流系数

径流系数分为两类，流量径流系数(也称峰值径流系数)和雨量径流系数(也称次暴雨流域平均综合径流系数、平均径流系数)。设置低影响开发实施后径流系数如下：

表2 径流系数表

3.3 汇水面积

厂区划分为三个汇水区域，从西至东，斜线区域为Ⅰ区，横线区域为Ⅱ区，交叉线区域为Ⅲ区，如图1所示。

图1 厂区雨水汇水面积范围

Ⅰ区总面积44425m2，Ⅱ区总面积48010m2，Ⅲ区总面积44665m2，分别在综合楼南侧、浓缩池南侧和生活污水处理站西侧设置雨水花园，雨水经过初步的滞蓄和净化，汇集至南侧道路雨水干管。在雨水干管末端生活污水处理站的东侧设置雨水调蓄池，雨水经过调蓄后，向厂区东南角排出至八字管道出口。

3.4 雨水量

雨水设计流量采用推理公式计算，按下式：

Qs=ΨqF

(3)

式中，Qs为雨水设计流量，L/s；Ψ为径流系数；q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；F为汇水面积，hm2。

经计算，厂区设计暴雨强度169.49L/(s·hm2)，厂区总雨水设计流量为2323.7L/s，其中Ⅰ区雨水设计流量为752.96L/s，Ⅱ区雨水设计流量为813.72L/s，Ⅲ区雨水设计流量为757.03L/s。

4 设计要点

4.1 透水铺装

透水铺装按照面层材料不同可分为透水砖铺装、透水水泥混凝土铺装和透水沥青混凝土铺装。透水铺装具有增强降雨入渗、减少地表积水和径流、及改善局部水循环等功能，在民用和工业领域均有广泛应用。从整个场地来说，透水铺装能有效降低城市化、工业化对原场地的水文学和水质的影响，减少场地流域的径流量和雨水污染[8]。试验数据表明，透水性铺装对雨水地表径流削减比率在30%～80%，洪峰削减比率在7%～70%[9]，对雨水污染物中如SS、TP、NH3-N等各类污染物去除效果显著[10]。

透水铺装设计主要考虑承载能力、渗透能力和滞蓄能力。结合厂区情况分析，道路由于需要通行运煤卡车等重型荷载，核算承载能力后选用传统混凝土路面。透水铺装主要应用于建筑物附近的硬化场地、停车场及人行道等位置，采用透水砖型式。

透水铺装因其透水性的特点，土基含水量较高，应综合考虑季节性、土基潮湿类型、道路宽度、路面材料及基层混合料的物理性能。本场地具有冬季气候寒冷、地面煤渣等污染物较多的特点，需要考虑透水砖的抗冻能力和抗堵塞能力。经测算，本地区路面抗冻最小厚度为0.6m，基层厚度取400mm，透水面层厚80mm，找平层厚30mm，砂垫层厚100mm，满足抗冻要求。抗堵塞方面主要利用高压水清洗方式，养护频率为半年一次，养护后渗透系数可提高7～15倍，渗透系数达 2.0×10-3～2.6×10-3m/s，满足渗透的要求[11]。

4.2 下沉式绿地

下沉式绿地具有狭义和广义之分，狭义指低于周边铺砌地面或道路在200mm以内的绿地；广义的下沉式绿地泛指具有一定的调蓄容积，且可用于调蓄和净化径流雨水的绿地。本文主要讨论并应用的是狭义的下沉式绿地。下沉式绿地是一种生态功能性雨水设施，具有加强雨水渗透、削减雨水径流量、初步净化等效果，且造价低廉，易于实施，在各种场地各类环境都有广泛的应用。根据试验研究，在一倍汇水面积的情况下，对于10年、50年和100年一遇的暴雨，下沉式绿地的降雨拦蓄率分别为87.15%，58.48%和50.75%；其减峰率分别为71.04%，46.82%和41.52%[12]。另外，下沉式绿地对污染物指标SS、COD、TN、TP的削减率分别为 72.73%、61.07%、66.10%、83.40%，削减效果总体较好[13]。

下沉式绿地的设计主要考虑下凹深度、面积比例和淹水时间，并应选择合适的溢流方式。场地绿地范围较广，土地入渗性能较佳，设计下凹深度取200mm，淹水时间经核算不大于24h。其中大范围的下沉式绿地在中心位置设置雨水溢流口，小范围下沉式绿地在靠道路一侧设置，雨水口高程高于绿地高程且低于地面高程，超量的雨水通过溢流口排入雨水管道。做法如图2所示。

图2 下沉式绿地做法示意

4.3 生物滞留设施

生物滞留设施指通过植物、土壤和微生物系统共同作用，具有蓄渗和生态净化功能的雨水低影响开发设施。分为简易型和复杂型，按应用位置不同又称作雨水花园、生物滞留带、高位花坛、生态树池等。生物滞留设施能有效削减雨水峰值径流量、延迟峰现时间、净化水质、加强雨水下渗等，且兼具了生态功能和景观效果。研究表明，生物滞留设施可以有效减小中小型降雨的峰值径流，在降雨厚度少于42mm的情况下，能有效减少至少96.5%的雨水径流量[14]。另外，生物滞留设施对径流中污染物NH3-N、TN、TP的去除率分别为70.70%、82.72%、74.24%[15]。

生物滞留设施的设计主要考虑选址、构造设计、表面积设计和排空时间的控制。根据工业场地的条件分析，生物滞留设施主要采用雨水花园和生态树池两种型式。其中生态树池布置在道路两侧人行道树木的下方；雨水花园选址考虑居民易用性，位于地势比较低且雨水径流可以流经的区域，分散布置于综合楼的南侧集中绿化处、浓缩池南侧及生活污水处理站西侧，距离建筑应至少3m距离，避免渗水等因素造成的建筑地基安全隐患。构造设计采用复杂净化型雨水花园，从上到下为滞水层、覆盖层、种植土层、填料层、排水层。其中滞水层厚度200mm，为蓄水空间；覆盖层厚度100mm，采用多孔性碎石覆盖；种植土层厚度300mm，采用草本植物，选用当地耐涝抗旱、深须根系、生长速度快，并能在贫瘠土壤中生长的植物物种；填料层厚度600mm，采用砾石填料，渗透系数不小于10-5m/s，即 36mm/h；排水层厚度200mm，采用滤料粒径一般为5mm，在中部设置管径100mm排水管。另外进水口区域设置卵石等消能措施，防止水流冲刷造成的地表侵蚀。做法如图3所示。

图3 生物滞留设施做法示意

4.4 雨水调蓄设施

雨水调蓄设施一般为人工建设的构筑物池体或现状场所如池塘、人工湖、景观水池等改造建设。其主要作用是削减雨水的径流高峰，控制雨水收集总量，提高雨水利用率。根据住建部2014年10月发布的《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》[16]规定，本场地所在地区位于Ⅰ区，年径流总量控制率的最低和最高限值85%和95%。设计年径流总量控制率取85%，为达到该目标，除了上文所述采用雨水下渗减排的措施之外，雨水直接的调蓄利用也是重要途径之一。

调蓄池设计采用容积法，主要参数包括设计控制降雨量、综合雨量径流系数、厂区面积等。其中设计降雨量参考呼和浩特在85%年径流总量控制率下对应的设计降雨量值22mm，计算得总调蓄容积1290m3，取1300m3。

调蓄池前端设初期雨水弃流设施，将存在初期冲刷效应、污染物浓度较高的降雨初期径流弃流至污水管道，以减少调蓄池的沉积，增加调蓄池内雨水的可回用性。设计弃流厚度5mm，初期雨水进入西侧的生活污水处理站一并进行处理回用。后续较洁净雨水可直接作为道路浇洒或绿化用水回用，减轻当地水资源的压力，加强水生态系统的自然循环。具体做法如图4、图5所示。厂区低影响开发雨水设施总体布置如图6所示。

图4 雨水调蓄设施位置示意图(mm)

图5 雨水弃流井做法示意

图6 厂区低影响开发雨水设施总体布置

5 低影响开发效果分析

低影响开发对于新建区域，一般以径流管控为核心目标，对雨水体积、水质、峰值进行效果评价。场地在规划阶段、设计阶段和实施阶段应结合研究区域的降雨资料和设计参数，对降雨过程中低影响开发的目标效果进行评估。依据暴雨强度公式，采用芝加哥流量过程线模型模拟降雨历程，雨峰系数取0.4，降雨历时为120min，统计出设计典型降雨过程线，如图7所示。

图7 基于暴雨强度公式和雨峰系数的降雨过程线

根据降雨过程线，笔者以降雨历时5min为区间，对降雨厚度进行统计。对未经过低影响开发设计的传统选煤厂区下垫面情况和完成低影响开发设计的下垫面进行分析，计算出原厂地的外排水流量和低影响开发后的实际外排水，并作出对比曲线，如图8所示。

图8 厂区原场地外排水流量和实际外排水流量曲线图(P=3a)

径流管控采用年径流总量控制率作为核心控制指标，场地经过低影响开发设计后，实际控制降雨量为22.07mm，其中入渗控制率占57%，调蓄控制率占43%，满足要求的85%年径流总量控制率。峰值方面要求新建项目外排峰值流量不宜大于开发建设前原有峰值流量，场地开发建设前下垫面类型为草甸土和风沙土，开发后主要为硬化屋面、路面等。相比原始场地，外排雨水径流量峰值减少了37%，对于未增加低影响开发措施的场地，外排雨水径流量峰值减少了76%，峰现时间延后了10min。峰值流量的削减可以有效减轻雨水管网的压力，降低内涝的风险，实质上提高排水管网的设计重现期。水质控制方面，初期雨水收集后汇入污水处理站处理回用，能有效减少70%左右的污染物排放，雨水经过LID措施和调蓄后，污染物削减率以SS计为89%。

6 结 语

传统选煤厂一般位置远离城市区，排水系统的设计多注重防洪排涝、截污纳管等方面，对于雨水系统的低影响开发和水资源循环等内容少有涉及。本文以项目为例，通过运用源头削减、中途转输、末端调蓄的各项措施，结合厂区的实际情况进行分析，设计了“生态排水+管网排水”二者相结合的雨水排出方式。详细阐释选煤厂中各项海绵措施设计的参数选取和要点分析，为低影响开发理念在传统选煤厂中的设计和应用提供了参考。另外，选煤厂常处于寒冷地区且地面煤渣较多，设施中的植物配置亦应选择耐寒、抗旱、易存活的类型，场地透水铺装的养护频率、冲洗方式及抗冻性能需要进一步进行研究和效果验证。