基于透水砖铺装系统的城市雨水利用（丁跃元,侯立柱,张书函）

时间：2022-02-24 15:20:13 浏览量：次

摘要：针对水资源日益匮乏且面临城市雨洪威胁的现状, 北京城市雨水利用势在必行; 在城市雨水利用的具体形式中, 采用透水砖铺装系统, 具有削减径流洪峰, 贮存雨水, 施工维修简易等特点。从透水砖铺装系统的材料、铺装工艺、设计标准等方面进行研究, 提出常规透水砖铺装系统的具体径流系数, 可供城市雨水利用和市政排水工程规划设计时参考。

关键词：城市雨水利用透水砖径流系数

中图分类号TV213.9 文献标识码A 文章编号1673 - 4637 (2006 )06 - 0001 - 04

北京市人均水资源量不足300 m3, 为全国人均的1 / 8, 世界人均的1 / 30, 远远低于国际人均1 000 m3的缺水下限。降水量少, 且年内、年际分布极度不均,丰枯交替发生, 加之地表水源流域多在境外, 自身调控水资源能力有限, 更增加了北京水资源的不确定性。水资源严重紧缺已成为制约北京市经济社会发展的“瓶颈”。

北京水资源短缺, 而仍有大量暴雨径流出境而未加有效利用。城市化发展导致不透水面积猛增,又使暴雨洪峰增加, 加大了河道防洪负担。根据《北京城市总体规划( 2004 — 2020 年) 》, 到2020 年全市建设用地将达到1 650 km2, 其中中心城城镇建设用地规模将达到778 km2。这将产生更多的硬化地面, 在汛期形成更大的径流, 增加城市河道的防洪压力, 对首都的安全造成威胁。为了缓解北京市水资源紧缺和城市河道防洪设计流量不断增加的困难, 保障首都经济的可持续发展, 开展城市雨水利用, 将汛期来自屋顶、庭院等的雨水进行处理后, 直接回灌地下水或储蓄用于市政杂用; 落往绿地、透水砖铺装甬道和停车场等的雨水直接渗入地下。透水砖铺装系统, 具有削减径流洪峰、储存雨水、施工维修简易等优点, 得到业内专家的推崇。许多学者针对透水砖材料强度、渗透系数等进行了研究, 但是目前尚缺乏对透水砖铺装的综合系统研究。因此, 造成透水砖铺装系统的使用效果参差不齐。

本研究从透水砖及其垫层的渗透性能、铺装工艺等方面着手, 分析透水砖铺装系统的材料、铺装工艺、设计标准等对系统降雨径流关系的影响, 旨在提出透水砖铺装系统的具体径流系数, 为城市雨水利用和市政排水工程规划设计提供参考。

1 城市雨水利用与透水砖铺装

1.1 城市雨水利用

针对开发建设区域内的屋顶、道路、庭院、绿地、广场等不同下垫面所产生的降雨径流, 采取相应的措施, 或收集利用, 或渗入地下, 以达到充分利用雨水资源、提高环境自净能力、改善生态环境、降低建设项目所在区域径流系数、减少外排流量、减轻区域防洪压力的目的, 寓资源利用于灾害防范之中, 实现水资源的可持续开发与利用、人与自然的和谐相处。

自2000 年开展中德城市雨水合作以来, 北京市城区已建成老城区、新建小区、学校和公园等类型的示范小区85 处, 雨洪利用试验场1 个, 铺设研制了透水地砖, 开发了雨水收集与处理、地下水回灌等多项技术。

1.2 透水砖铺装

20 世纪80 年代以来, 国际上流行使用诸如透水沥青路面、透水性地砖以及类似我国园林的鹅卵石铺地等透水路面覆盖硬化地面, 增大其透水和透气性,使雨水及时渗入地下土壤, 削减洪峰, 减少水土流失,涵养当地水源, 改善区域生态环境, 起到雨水收集的作用。通常透水性铺装系统是由一系列的混凝土块和塑料网状结构, 填以沙子、砾石及土壤组成, 具有孔隙通透性。这些孔隙使雨水能够渗入到地下土壤, 对减少因城市发展带来的雨水径流起到很大的作用[1, 2]。Watanabe [3] 对日本横滨布设的渗透性铺装开展径流控制研究, 结果表明该设施削减了15%~ 20%的径流洪峰。Schluter 和Chris 的研究结果表明, 透水性铺装填充物的空隙率大小对停车场出口水流量影响很小, 但是对径流洪峰削减作用显著[4] ; Benedetto 采用透水性铺装促进下渗, 解决了下雨导致的飞机场积水问题[5]。透水砖路( 地) 面是透水性铺装的一种, 可广泛应用于居民小区、道路、园林绿化等领域。铺设透水性能很强的生态透水砖, 可以使雨水通过透水性路面很快入渗到地下, 下雨不积水, 下雪不打滑。

2 透水砖铺装技术

2.1 透水砖铺装系统材料

2.1.1 透水砖

透水砖在透水铺装地面的最上层, 其透水性能直接影响雨水下渗。北京市雨洪试验场进行试验所用透水砖, 渗透系数在0.789 ～2.14 mm/ s, 远大于100 a 一遇5 min 降雨的降雨强度5.08 mm/min, 降雨落到地面随即入渗地下, 因此透水砖面层对雨水入渗起不了阻碍作用。

2.1.2 垫层

因为有较大的贮水能力( 集料间的空隙) , 一般有30%～40%, 常使用非连续级配砾料垫层。在非连续级配的砾料垫层里, 石子的尺寸6 ～75mm。垫层材料应最大限度地贮存、过滤和处理进入路面砖表面的暴雨水径流中的污染物。因为在贮存和处理透入的水方面有较大的优势, 所以非连续级配基础应作为首选。

小颗粒连续级配基础偶尔也应用于透水路面砖下面,如[6]: 美国康涅狄格州幽谷溪绿色园和加拿大多伦多安大略湖港前消防站。小颗粒连续级配集料基础还可用于卡车密集的重荷载地区, 但同时需要附加的结构支撑。大部分来自普通暴雨的径流, 贮藏在床基材料以及路面砖的空隙中。

透水砖系统垫层中的水通常在24 h 内渗走。在温度降到低于0 ℃这段时间内, 垫层中不可能会结冰。假如在水排走之前结冰, 在非连续级配垫层中, 有足够的空间让冰膨胀, 降低隆起的风险。

2.1.3 路基土壤类型、密实度和渗透性对降雨径流关系的影响

透水砖铺装路基土壤的透水性能直接影响整个透水铺装体系的最终透水效果。在其他条件相同的条件下, 路基土壤的渗透系数越大, 雨水穿过铺装层渗到地下越快, 透水地面消纳的雨水量越多, 产生的径流量越少。路基土壤的渗透性又与土壤类型和密实度有关, 同一种土壤密实度越高渗透性越差。透水性能最好的路基土壤层是砾石夹砂层, 最差的是黏土。如果遇到黏土层时, 局部少量小范围的可采用换土法解决;若下部黏土层范围很大, 这时可考虑利用其上部垫层中的透水孔隙作为雨水的储存空间, 即通过加大上部垫层厚度的方法来处理。

如果土壤渗透速度慢( 低于1.16 ×10 - 7m/ s) , 可在基础底部铺设塑料排水管, 允许在部分水渗入土壤的同时, 排走过量的水。路基中所容纳的水分应在24 h 内排( 渗) 完。事实上, 在不透水土壤或高密度基岩上铺设透水砖时, 可铺设一种不透水垫衬, 主要通过排水管储存、过滤、排放。

2.2 铺装坡度及工艺

在室内模型试验中, 选择了面层地表坡度均为1%~ 2%。由于地表面的粗糙, 地表坡度的增大对降雨产流的影响不大。当透水地面的地表坡度较大而路基水平时, 由于坡脚相对坡顶铺装层的蓄水空间较少,坡脚比坡顶易产生积水。当地表坡地较大路基坡度与地表相同时, 坡脚与坡顶铺装层的蓄水空间相同, 但是由于铺装层内含水量较大时, 雨水将沿着路基的坡度在铺装层内向下运动, 从而易于在坡脚处涌出地面形成积水和径流。

铺装工艺主要指在铺装过程中对垫层、找平层的施工方式。垫层可以采用砂砾料、单级配砾石等; 找平层可采用中、粗砂、透水混凝土等。铺装工艺对降雨径流的影响从根本上是对铺装层的渗透系数和铺装层容水量的影响, 从而影响降雨径流关系。当铺装工艺能使从面层到垫层的渗透系数和孔隙率依次增大时,透水地面消纳降雨的能力也增大, 反之则减小。

2.3 不同标准设计降雨对透水砖铺装地面的降雨径流影响

透水砖铺装地面应付多大强度和多长时间, 取决于渗入透水路面砖下面的水的总量、路面砖厚度( 和贮水容量) 、以及非连续级配基础下土壤的渗透率、路基中的排水管系统。铺设透水路面砖路面旨在应付一些较小的、经常性的降雨带来的雨水和污染物, 如10 a 一遇或周期性更短的暴雨。这种降雨往往持续时间较短、但带有浓度较高的污染物。透水路面砖无意控制大的不常发生的洪水。

设计暴雨强度应按下列公式[7] 计算:

对于一定结构的透水地面( 图1) , 径流系数与设计降雨的量和强度有关系。当降雨量超过铺装层容水量和路基土壤下渗量时就产生积水和径流, 则可按照下式计算径流系数理论值。

依据我们试验所采用的透水地面基本情况, 取路基土渗透系数为2.28 ×10 - 4mm/ s、透水砖及其垫层的平均空隙率11.0%、渗透系数0.5mm/ s、平均蓄水量大于35 mm, 计算所产径流的理论径流系数如表1所示。

从表1 可以看出, 透水地面的径流系数随着降雨重现期的增大、降雨历时的增加均呈增大趋势。具体表现为: 暴雨重现期越小, 下渗量占降雨量的比例越大, 地表径流系数越小, 对地表径流削减的程度越显著; 降雨历时越短, 地表径流系数越小, 地表径流削减比例越大。这种透水地面在北京市2 a 一遇60 min、5 a 一遇30 min、10 a 一遇20 min、20 a 一遇15 min 情况下基本不产流。

3 结语

3.1 结论

(1) 透水砖面层一般不阻碍降雨入渗。

(2) 在其他相同条件下, 垫层的空隙率越大透水地面的降雨径流量越小。

(3) 在其他条件相同的条件下, 路基土壤的渗透系数越大, 雨水穿过铺装层渗到地下越快, 透水地面消纳的雨水量越多, 产生的径流量越少。

(4) 在铺装工艺上, 当面层到垫层的渗透系数和孔隙率依次增大时, 透水地面消纳降雨的能力也增大,反之则减小。

(5) 当地面坡度增加时, 易在坡脚积水产生径流。

(6) 透水地面的径流系数随着降雨重现期的增大、降雨历时的增加均呈增大趋势。

3.2 应注意的问题

在透水砖铺装研究与推广过程中, 应注意以下几点:

(1) 加快制定透水砖铺装推广应用配套政策。为促进城市雨水利用技术的推广应用, 2003 年3 月4日, 北京市规划委员会和北京市水务局共同制定并发布《关于加强建设工程用地内雨水资源的暂行规定》,要求新建、改建、扩建工程均应进行雨水工程设计和建设, 建设中水利用设施的新建扩建工程, 必须同时考虑建设雨水利用设施。目前急需研究透水砖铺装利用工程的效益计算和效果评价的方法; 研究透水砖铺装的评价方法; 研究透水砖铺装实施后防洪费减免的具体方法, 鼓励开发商或业主主动出资实施透水砖铺装等。

(2) 加强维护管理。目前透水砖的生产厂家较多,全国已有1 000 多家, 但是透水性差别较大, 质量参差不齐; 在许多透水砖铺装现场, 发现垫层很薄, 达不到设计标准, 这样不但影响渗透效果, 也会在冬季引起冻涨隆起。因此, 亟待出台完善透水砖铺装系统生产施工的统一标准。定期清除透水路面砖路面缝隙间的碎石及其他沉积物, 通常用街道真空清扫机来清除污垢。当路面砖表面和碎石都干燥了, 且沉积物易于被真空清扫机松开时, 才能进行清扫。清扫的频率取决于路面砖的使用、沉积物以及相邻区域的树叶等等。但1 a 至少要清除1 次, 并在道路使用初期就进行监控, 以便制定清洗计划。

(3) 坚持以人为本, 树立全面、协调、可持续的发展观, 促进透水砖铺装推广。坚持走市场化道路,引入市场竞争机制, 以进一步降低透水砖铺装造价、缩短工期、提高质量, 为首都北京提供更多质优价廉的服务。

参考文献

[1] Pratt CJ. A review of source control of urban stormwater runoff [J]. Water Environ Manage, 1995, 9( 2) : 132 - 139.

[2] Pratt CJ. Use of permeable, reservoir pavement constructions for stormwater treatment and storage for reuse[J]. Water Science and Technology, 1999, 39( 5) : 145- 155.

[3] Watanabe S. Study on storm water control by permeable pavement and infiltration pipes [J ]. Water Science and Technology, 1995, 32( 1) : 25 - 32.

[4] Schluter W, Chris J. Modelling the outflow from a porous pavement [J]. Urban Water. 2002, 4( 3) : 245 - 253.

[5] Benedetto A. A decision support system for the safety of airport runways: the case of heavy rainstorms [J]. Transportation Research Part A. 2002, 36: 665 - 682.

[6] 贾力. 透水联锁路面砖应用时的常见问题[J]. 建筑砌块与砌块建筑, 2005, ( 06) : 30 - 31.

[7] 中华人民共和国国家计划委员会. GBJ14 - 87 室外排水设计规范( 1997 版) [Z]. 北京: 中国计划出版社, 1998.

作者简介: 丁跃元( 1961 — ) , 男, 高级工程师( 教授级) 。

来源：《北京水务》2006.6

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