雨水涵養利用與初雨水的凈化
1美國雨水排水與初雨水凈化
筆者于2005年2月考察了美國北部城市安阿堡及其周邊城鎮。安阿堡在美國最適宜居住城市中名列第六，是一個非常美麗和諧的城市，水資源并不缺乏，也不限制用水，居民似乎沒有節水意識，但雨水涵養和初雨水凈化非常先進和完備，其精密、自然和完美令人耳目一新。
1．1屋面排水
美國建筑沒有散水，屋面雨水全部通過雨水管首先排人地下涵養，涵養飽和后才組織排放。涵養方式有3種：1)滲透好的土壤，主要是沙質土和腐殖質土，直接排人土壤涵養；2)滲透一般的土壤，主要是腐殖質土等，沿建筑外墻開挖溝槽，回填木屑、碎石、腐殖質土等，種植花樹；3)市中心建筑密集，硬覆蓋多，沿建筑外墻開挖約1．5m×2m的溝槽，回填碎石等，形成地下儲水結構，地上部分建筑花壇，種植花木。
1．2綠地排水
美國的建筑風格與中國的不同，一般不形成中國式的庭院和街坊。美國郊區建筑問距大，單體建筑一般掩映在綠地和樹林叢中。市中心建筑密集，建筑寬大，街道以建筑建設，建筑沿街道建設。面積較大的綠地，修建人工池塘和人工湖，雨水漫流入湖，集中徑流人湖口鋪砌卵石。湖塘不防滲漏，起向地下補水、調節水量、自然沉淀的作用。湖邊設溢流井或溢流口，雨水經綠地涵養后進入湖塘調節和沉淀，雨量大時，通過溢流和管道排放。面積較小的綠地向中間找坡，低處設滲井，雨水經綠地涵養后漫流到滲井，然后通過管道排放。一般面積的綠地，中間修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時問較短時，底部植草綠化。洼地設滲透溢流井，井周圍設人工濾層，雨量小時，滲至地下；洼地水位升高，雨水經滲透過濾后通過管道排放；升高到一定水位(一般為1～2ITI)，雨水溢流排放。
1．3道路和硬覆蓋排水
美國的獨立人行道、綠地路徑、高速公路、鄉間公路、郊區支路均不設路牙，路面高出綠地，雨水直接漫流到綠地。部分郊區干道一側設人行道，另一側不設人行道和路牙，雨水通過無路牙一側直接漫流到綠地。部分郊區干道兩側設人行道和路牙，雨水分段通過雨水口和管道排人綠地洼地和湖塘，有時在路邊修建人工池塘，涵養和調節雨水，凈化初雨水。美國停車場高度發達，硬覆蓋平整，面積較大。硬覆蓋雨水通過雨水口和管道排人綠地洼地和湖塘。市中心以街道管道排水為主。
1．4區域排水
美國中小城鎮人口密度小，面積大，城鎮化程度高，如果全部采用管道輸送排放雨水，雨水管道長，峰值流量大，雨水排水設施的投資非常巨大。具體做法是：首先考慮土壤涵養，最大限度地涵養雨水；其次，在保證市政安全的情況下盡量采用地面徑流；第三，千方百計地利用自然條件和人工設施調節水量，削減峰值，除前端的洼地、湖塘調節外，管道匯集后盡量利用自然條件設置湖塘和人工設施，多次調節，大幅度地消減峰值，大大降低了系統造價。
1．5初雨水凈化
初雨水凈化的途徑主要有4種：土壤涵養凈化、自然沉淀、植物凈化、滲透過濾。總之，美國初雨水凈化主要依靠自然凈化，除簡單實用的滲透溢流井外，沒有專門的人工設施，方法簡單，投資少，效果非常突出。
1．6排水系統的特點
1)土壤涵養，最大限度地涵養雨水；2)盡量采用地面徑流，大大減少雨水管道長度；3)利用自然條件和人工設施，多次調節，大幅度地消減峰值，大大降低了系統造價；4)利用自然凈化，徹底凈化初雨水；5)雨水直接利用少，除涵養和補充地下水外，很少直接利用雨水。美國的水資源并不缺乏，其出發點主要是涵養雨水、凈化初雨水和減低系統造價，系統非常先進和完善，值得我們借鑒。
2中國雨水涵養利用系統
中國現行《室外排水設計規范》的著眼點是排除雨水，沒有考慮雨水利用。國家雖大力提倡雨水利用，但目前的雨水利用僅限于直接利用水池、池塘、薄膜防水結構收集儲存雨水，投資大，水量小，實效差。美國的經驗表明，雨水涵養利用可以提高雨水利用水平，發揮利用雨水、涵養地下水、初雨水凈化等多方面作用，還可以減少雨水排水系統的造價。在借鑒美國經驗的基礎上，作者設計了適合中國國情的雨水涵養利用系統(圖1)，具體做法是：雨水首先盡可能地進入地表土壤涵養層涵養儲存。涵養飽和后多余的雨水經過地面徑流和洼地、湖塘等調節，然后通過管道排放。涵養水一部分補充地下水，一部分通過滲渠和大口井取水利用。實踐證明：該系統方法簡單易行，雨水利用量大，效果好，值得推廣應用。
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2．1面排水與涵養屋面雨水首先盡可能地進入土壤涵養和人工涵養結構進行涵養、儲存、調節、凈化，多余雨水溢流到綠地或道路、硬覆蓋排水系統。屋面雨水涵養包括直接涵養、溝槽涵養、花池涵養和徑流涵養等基本形式，如圖2所示。
2．1．1直接涵養
屋面雨水管直接通人私家花園或庭院綠地土壤中，雨水管距地面O．4～0．9ITI處設溢流口，以便飽和后溢流和清通管道。直接涵養適合土壤滲透性較好的情況。
2．1．2溝槽涵養沿建筑外墻開挖溝槽，屋面雨水排水管通人溝槽之中，溝槽中下部回填沙石、木屑等，上部覆蓋種植土，種植樹木花草。雨水管距地面O．4～0．9ITI處設溢流口。溝槽涵養適于土壤滲透性一般或較差的情況，也可用于滲透性較好的土壤，以便增大雨水涵養量。
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2．1．3花池涵養在溝槽涵養的基礎上，地面上修建帶狀花壇，花壇底部與溝槽連通。花池涵養適于城市中心建筑密集區、廣場和停車場等硬覆蓋與建筑相連的情況。
2．1．4徑流涵養屋面雨水直接排入庭院綠地，通過地面徑流，滲入土壤涵養。徑流涵養適于土壤滲透性好的情況。
2．2．1滲井涵養適于面積較小的綠地。綠地向中間找坡，低處設滲井，雨水經綠地涵養后漫流到滲井，溢流后通過管道排放。
2．2．2洼地涵養適于一般面積的綠地。在綠地中間利用自然條件或修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時間較短時，底部植草綠化。洼地設滲透溢流井，井周圍設人工濾層。
2．2綠地排水與涵養綠地雨水首先盡可能地進入土壤涵養，地面徑流盡可能利用自然條件、水景設施和半人工結構進行涵養、儲存、調節、凈化，多余雨水溢流排水。綠地雨水涵養包括滲井涵養、洼地涵養、湖塘涵養等基本形式，如圖3所示。
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2．2．1滲井涵養適于面積較小的綠地。綠地向中間找坡，低處設滲井，雨水經綠地涵養漫流到滲井，溢流后通過管道排放。2．2．2洼地涵養適于一般面積的綠地。在綠地中間利用自然條件或修挖洼地，周圍找坡，底部鋪砌卵石，周圍綠化，洼地存水時間較短時，底部植草綠化。洼地設滲透溢流井，井周圍設人工濾層，雨量小時，滲至地下；洼地水位高于設計溢流水位(一般為1—2m)時，通過溢流和管道排放；洼地水位低于設計溢流水位時，經過人工濾層和滲井，通過管道排放。
2．2．3湖塘涵養適于面積較大的綠地，或有天然湖塘、人工水景湖的情況。雨水主要漫流入湖，形成溪流時入湖口鋪砌卵石，湖塘不防水，設溢流井，溢流井設雨水和洪水2級溢流。雨水經綠地涵養后進人湖塘調節和沉淀，雨量大時，通過溢流和管道排放。庭院一般采用滲井涵養和洼地涵養，有時也可以徑流到道路雨水口。
2．3道路、硬覆蓋排水與涵養道路和硬覆蓋雨水首先盡可能地進人土壤涵養和人工涵養結構進行涵養、儲存、調節、凈化，多余雨水溢流排放。道路和硬覆蓋雨水涵養有路邊滲井涵養、邊池涵養、邊溝涵養、轉移涵養等基本形式，如圖4所示。
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2．3．1路邊滲井涵養適于設有綠化帶的城市道路雨水涵養和排水。雨水排水干管鋪設于綠化帶下，按滲井的要求建設檢查井，除發揮檢查井的功2．4區域連接各單元雨水進入管道輸送后應盡量利用自然條件(如洼地、湖塘、水景湖等)，進行進一步涵養和調節，以最大限度地涵養雨水，削減峰值流量，減少管道造價。其基本做法如圖5所示。
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2．5雨水涵養
雨水進入地表涵養層后，一部分向外徑流，一部分補充深層地下水，一部分涵養在本區域內。前兩者是間接利用，后者可以直接利用，這些可以直接利用的涵養水及其結構稱之為地表涵養水庫。為了提高雨水利用量，必須提高地表涵養水庫的涵養能力，其主要途徑如下：
1)合理規劃勘察地表土層、表層水的徑流走向、地形等，摸清區域地表層水脈，確立地表涵養水匯聚點，合理布置和規劃地表涵養水庫，最大限度地利用地理資源。
2)土壤涵養土壤尤其是種植土，是地表水庫的載體和物質基礎。表層土壤孔隙發達，毛細孔豐富，生長著大量微生物。孔隙可以儲存水，毛細孔具有吸附和緩釋水的作用。微生物可以分解有機物，也是物質循環的重要環節，微生物分解和土壤吸附起著凈化水質的作用。利用覆土綠化可以增加地表涵養水庫的涵養能力。
3)植物涵養植被可以有效地減少水分從地面蒸發，植被越茂盛，涵養水越豐富；植被越高大，根系越發達，涵養水的能力越強，一棵十年生喬木，可以涵養水5m以上。
4)物理阻截利用地下建筑等阻截涵養水向外徑流；向外徑流量較大的斷面，可修建地下暗壩。
5)水力截留在涵養水徑流下游邊界修建滲渠和大口井，設立取水口，降低水位，不僅可以有效地阻止地表涵養水庫水向外徑流，還可以使一定數量的區外水流向區內。
2．6涵養水的利用
涵養水的水質好，可以被廣泛利用。主要利用方式有：1)湖塘直接取水利用，適于用水量較小、間斷用水和臨時用水；2)滲渠取水利用，適于向外徑流斷面取水；3)大口井取水利用，適于水脈匯集地點取水。
2．7初雨水凈化
初雨水淋洗空氣和沖刷地面，含有大量污染物，是水環境的重要污染源之一，城鎮初雨水凈化也是水環境保護的重要課題。目前，我國初雨水凈化尚屬空白。本研究中設計的雨水涵養系統是非常簡單、實用、穩定、經濟的初雨水凈化方法。凈化過程主要有：1)土壤涵養凈化，通過土壤的過濾、吸附和生物降解作用，凈化初雨水；2)植物凈化，通過植物生長，吸收去除污染物；3)自然沉淀，通過洼地和湖塘自然沉淀，去除懸浮物和部分其它初雨水污染物；4)滲透過濾，通過滲井的滲透過濾作用去除污染物。
3管道排水量分析
雨水排水管道造價的主要影響因素是管道長度和排水量。雨水排水管道的長度與排水區域的特點有關，雨水涵養系統大大減少了管道長度，降低了管道造價。對較大規模的住宅小區，雨水涵養系統與普通雨水排水系統相比，可以減少管道長度30%一60%。排水量直接決定管徑的大小，從而決定管道造價。排水量可以由下式計算：由于涵養，徑流系數緲減少到0．4以下，比不涵養的徑流系數減少40%一50%；地面徑流時間t比不涵養的增加50%一150%；涵養后的排水量比不涵養的普通系統減少45%一70%。2)當起始管段的起始點不同時，不涵養的普通系統需要通過管道輸送到涵養系統的管道起始點，此時流量關系式為涵養系統與不涵養系統徑流系數的關系、地面徑流時間t的關系均與情況1)類似；管道徑流時間t大致相等；涵養后的排水量比不涵養的普通系統減少34%一60%。4)當下游管段的管道長度不相同時，流量關系式與情況3)相同；涵養系統徑流系數的關系、地面徑流時間的關系均與情況2)類似；普通系統的管道徑流時間大于涵養系統；涵養后的排水量比不涵養的普通系統減少30%一60%。總之，涵養系統的管道排水流量遠遠小于普通系統，大大減少了管徑，節省管道造價。
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