雨洪利用與城市自然水循環(huán)修復(fù)
城市的發(fā)展使越來越多的地表被建筑物和各種硬化鋪裝所覆蓋，嚴(yán)重破壞了天然水循環(huán)，一方面使地表易產(chǎn)生積水并形成高峰值的徑流，排入河道后增加防洪壓力，產(chǎn)生隱患；另一方面，阻斷了降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給通道，造成地下水補(bǔ)給量長期小于開采量，形成大范圍的降落漏斗，威脅城市安全。因此，必須采取措施減少地表徑流量、增加地下水補(bǔ)給量。這正是雨洪利用技術(shù)所追求的目標(biāo)之一。因此，研究通過雨洪利用技術(shù)修復(fù)城市自然水循環(huán)，對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境、保障城市防洪安全具有重要意義。
1城市化對(duì)自然水循環(huán)的影響
城市的水循環(huán)系統(tǒng)包括自然循環(huán)系統(tǒng)和人工循環(huán)系統(tǒng)兩部分，自然循環(huán)系統(tǒng)是指水由蒸發(fā)、降水、地表徑流、下滲、地下水流等構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)，人工水循環(huán)系統(tǒng)是指由城市給水、用水、排水和處理系統(tǒng)組成的循環(huán)系統(tǒng)。
在城市化前的自然水循環(huán)系統(tǒng)中，通過地表植被和洼地對(duì)雨水的截留和滯蓄，能夠削減大部分降雨徑流，超過截流和填洼(滯留)的雨量，會(huì)在地面匯成徑流進(jìn)入排水渠道，最后進(jìn)入河流。通常降雨的70～80％下滲入土壤，只有10～30％的雨水形成徑流排入河道，由5～10％的雨水被植被等截留，這部分水與下滲的水再蒸發(fā)回到大氣中，蒸發(fā)量占降雨量的50～70％，入滲到地下水的量占降水量的10～40％。城市化前河道內(nèi)的水與地下水有著密切的聯(lián)系，要么入滲補(bǔ)充地下水，要么地下水以基流的形式補(bǔ)充河水，使河道內(nèi)除了汛期發(fā)洪水以外呈現(xiàn)清水常流的景象。
城市化后下墊面硬質(zhì)化，受不透水面積、滯水空間、排水管網(wǎng)和河道特征等方面影響，使地表徑流量、匯流時(shí)間、調(diào)節(jié)容量及河道水位等產(chǎn)匯流參數(shù)發(fā)生改變。原有植被和土壤被不透水面替代，作為天然調(diào)蓄系統(tǒng)的池塘、濕地被填平，原有的雨水徑流途徑被排水管網(wǎng)和硬質(zhì)化的城市河道取代，徑流匯流時(shí)間縮短，洪峰增大。根據(jù)周玉文在北京市百萬莊小區(qū)所做的實(shí)驗(yàn)，在1小時(shí)內(nèi)新、舊瀝青路面的降雨損失分別僅為草地的6%和12%，為裸露土地面的14%和26%；而屋面的降水損失量更小，一般都僅1-2mm。而北京市水利科學(xué)研究所的實(shí)測結(jié)果顯示，屋頂?shù)慕涤険p失量僅有0.7mm～0.94mm。由此可估計(jì)，當(dāng)流域內(nèi)不透水面達(dá)到城市面積20%，遇到3年一遇降雨其產(chǎn)流量就可能相當(dāng)于該地區(qū)原有產(chǎn)流量的1.5~2倍。與此同時(shí)將使匯流時(shí)間大大縮短。
2 雨洪利用基本形式
雨洪利用是針對(duì)開發(fā)建設(shè)區(qū)域內(nèi)不同下墊面所產(chǎn)生的降雨徑流，采取相應(yīng)的措施，或收集利用，或滲入地下，以達(dá)到充分利用雨水資源、提高環(huán)境自凈能力、改善小區(qū)生態(tài)環(huán)境、減少外排流量、減輕區(qū)域防洪壓力的目的，寓資源利用于災(zāi)害防范之中的系統(tǒng)工程。城市的下墊面主要包括屋頂、道路、綠地（含公園及水面）、庭院、廣場等類型，不論那種類型的下墊面，基本的雨洪利用形式主要有3類，即滲入地下、攔蓄利用和調(diào)控排放。
2.1滲入地下
滲入地下法就是采用充分利用現(xiàn)有的能夠下滲雨水的綠地、增加可下滲面積、建設(shè)增加下滲能力的專用設(shè)施等措施，使更多的雨水盡快滲入地下的方法。將雨洪滲入地下的具體措施很多，一般有下凹式綠地、滲透性鋪裝地面和諸如滲溝、滲井等的增滲設(shè)施。
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下凹式綠地就是將綠地低于周圍地面適當(dāng)深度，以便自滲的雨水少外流或不外流，同時(shí)周圍地面的地表徑流能流入綠地下滲。研究結(jié)果表明，當(dāng)綠地下凹5～10cm時(shí)，能夠消納自身和相同面積不透水地面流入的雨水，使5年一遇日降雨無徑流外排。對(duì)于一些難以低于周圍地面的綠地，如果其四周的圍擋高于綠地5～10cm，則可使20年一遇日降雨無徑流外排。
滲透性鋪裝地面是指在較大降雨情況下，能夠較快地下滲雨水、使地表不積水或少積水的鋪裝地面。通常由鋪裝面層、墊層和基層三部分組成（見圖1），面層和墊層又統(tǒng)稱為鋪裝層。降雨先下到面層，因此要求面層有很強(qiáng)的透水性，能夠使可能發(fā)生的所有強(qiáng)度的降雨很快入滲到下層，下部墊層除了應(yīng)當(dāng)有較大的滲透能力外，還應(yīng)當(dāng)有較大的孔隙率，以便滯蓄滲入的雨水。基層通常為密實(shí)的土壤，有較強(qiáng)的承載能力，但也有一定的下滲能力，可使暫時(shí)停留在鋪裝層的雨水逐漸的滲入地下。所采用的面層材料有透水磚、草坪磚、透水瀝青、透水混凝土等。透水磚是一種壓制的無砂混凝土砌塊，有很多連通的空隙，能很快的滲透雨水，是效果最好的一種透水面層材料。滲透性鋪裝地面通常用在人行道、庭院、廣場、停車場、自行車道和小區(qū)內(nèi)小流量的機(jī)動(dòng)車道。
增滲設(shè)施是將雨水引入較深層地下入滲的專用設(shè)施，包括滲水管溝、滲水井、回灌井等。地下有時(shí)會(huì)有一些透水性較強(qiáng)的砂層或砂礫層，如果將雨水經(jīng)過適當(dāng)處理，在保證安全的前提下，引入這些砂層或砂礫層進(jìn)行滲透，則會(huì)大大加快下滲的速度。因此可以根據(jù)具體情況建設(shè)滲水管溝、滲水井或回灌井等增滲設(shè)施。
滲水管溝是在地下淺層建設(shè)的能夠暫時(shí)留住雨水和下滲雨水的溝槽，一般采用透水性管道將雨水引入溝槽內(nèi)，屬于條狀或帶狀滲水設(shè)施；滲水井相對(duì)是一種點(diǎn)狀增滲設(shè)施，深度可比管溝深一些，雨水主要通過滲井底部滲入地下；回灌井的深度更深，底部通常與較大的粗砂或砂礫層接觸，滲水能力更強(qiáng)。
2.2攔蓄利用
攔蓄利用是將屋頂、道路、庭院、廣場等的雨水進(jìn)行收集，經(jīng)適當(dāng)處理后進(jìn)入蓄水池，可以用來灌溉綠地、沖廁所、洗車、噴灑路面、為景觀補(bǔ)水等。這種方法能夠使雨水得到有價(jià)值的利用，減少自來水的用量，從而既減少了雨水排放量，又節(jié)約了水資源。但是由于北京降雨的時(shí)空分布極不均勻，不能只靠雨水來作為上述用途的水源，應(yīng)當(dāng)在不降雨的時(shí)間里考慮采用再生水或自來水補(bǔ)充。
2.3調(diào)控排放
雨洪的調(diào)控排放是在雨水排放系統(tǒng)的下游，排出區(qū)域之前的適當(dāng)位置建設(shè)調(diào)蓄池、流量控制井和溢流堰等設(shè)施，使區(qū)域內(nèi)的雨洪暫時(shí)滯留在地下管道和調(diào)蓄池內(nèi)，按照設(shè)定的下泄流量控制排放到下游管道，其原理如圖2所示。當(dāng)匯集的降雨徑流小于控制井限定的過流量時(shí)，按照匯集的流量排入市政管道，當(dāng)大于限定的過流量時(shí)，將按限定的最大過流量外排，同時(shí)將在管道和滯蓄池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生積水。如果降雨小于溢流堰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)積水的最大水位不會(huì)超過溢流堰，所滯蓄的雨水會(huì)逐漸地以不大于限定值的流量排走。如果降雨大于溢流堰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)通過溢流堰溢流到外部市政管道。這樣調(diào)控排放系統(tǒng)的下泄流量通常會(huì)被控制在限定的較小范圍之內(nèi)，從而減少了下游管道的排水壓力。
實(shí)際應(yīng)用中可以將上述方法進(jìn)行有機(jī)的組合，形成適合區(qū)域自身特點(diǎn)的、科學(xué)的最佳雨洪利用體系。
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3 雨洪利用對(duì)城市水循環(huán)的修復(fù)作用
城市雨洪利用的核心是減少因不透水面積增加所產(chǎn)生的外排水量或徑流峰量的增加。而以北京的降雨特點(diǎn)是80％的降雨集中在汛期、短歷時(shí)降雨強(qiáng)度大，完全收集利用雨水的費(fèi)用高，應(yīng)當(dāng)以滲入地下為主，因而對(duì)城市水循環(huán)有很好的修復(fù)作用。
3.1增加降雨向土壤水的轉(zhuǎn)化量
采用下凹式綠地和透水鋪裝能夠大量增加降雨滲入土壤的水量。通常綠地的徑流系數(shù)為0.15，小區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的砼硬化鋪裝地面的徑流系數(shù)為0.9，實(shí)施雨洪利用措施后，對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)降雨，綠地和透水地面的徑流外排徑流系數(shù)可降為零。一般情況下小區(qū)內(nèi)綠地占30％、硬化鋪裝地面占35％，若綠地的截留量按10%計(jì)，僅此兩部分采取雨洪利用措施后，就比不采取雨洪利用措施增加降雨向土壤水的轉(zhuǎn)化量160％。如果將屋頂雨水也全部下滲，則增加量達(dá)到300％，相當(dāng)于小區(qū)內(nèi)全部降雨的90％轉(zhuǎn)化為土壤水。
3.2增加地下水補(bǔ)給量
部分土壤水在重力作用下逐漸向下運(yùn)動(dòng)最終補(bǔ)給地下水。根據(jù)北京市城區(qū)的水文地質(zhì)條件，滲入土壤的雨水轉(zhuǎn)化為地下水的比例一般在5～20％，平均10％，因此，若僅綠地和普裝地面采取雨洪利用措施，所增加的地下水補(bǔ)給量為小區(qū)降雨量的3.6％。若將屋頂雨水也全部下滲，則所增加的地下水補(bǔ)給量將達(dá)到小區(qū)降雨量的6.75％，如果以10ha的小區(qū)面積計(jì)算，每年所增加的地下水補(bǔ)給量為2685m3。
3.3 增加蒸散發(fā)量
下凹式綠地能夠使土壤含水量增加2～5％，使植物生長旺盛，從而增加綠地的蒸散發(fā)量0.02～0.32mm。通過透水地面滲入土壤的雨水、鋪裝層吸收和滯蓄的雨水，在降雨規(guī)過后會(huì)逐漸通過鋪裝層的孔隙蒸發(fā)到空中。如果一個(gè)10ha小區(qū)采取下凹式綠地、透水鋪裝、屋頂雨水收集下滲等雨洪措施使90％的降雨轉(zhuǎn)化成土壤水，這部分中又有10％補(bǔ)充地下水，則其余的81％的降雨量將通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰回到大氣中去。若只作綠地和鋪裝地面雨洪利用，屋頂雨水全部收集利用或外排，則蒸散發(fā)量將占小區(qū)降雨的58.5％，比不做雨洪利用蒸散發(fā)量增加160％。
3.4 有效減少徑流外排量
實(shí)施雨洪利用措施能夠使小區(qū)的外排徑流量大大削減，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于一定標(biāo)準(zhǔn)的降雨無徑流外排。如果上述10ha小區(qū)內(nèi)綠地和硬化地面的雨水全部下滲，屋頂雨水全部外排，則其綜合徑流系數(shù)會(huì)從不采取雨洪利用措施的0.67減少為0.32。如果對(duì)屋頂雨水也適當(dāng)采取攔蓄利用、入滲地下或調(diào)控排放的措施，則可使外排的徑流系數(shù)控制在開發(fā)建設(shè)前農(nóng)田或綠地的水平。
3.5 有利于城市河道“清水常流”
調(diào)控排放形式的雨洪利用措施可使滯蓄在小區(qū)管道和調(diào)蓄池內(nèi)的雨水在降雨結(jié)束后5～10h內(nèi)緩慢排走，再考慮5～10h的匯流時(shí)間，則可使城市河道的徑流時(shí)間延長10～20h。另外，如果采用滲入地下的雨洪利用形式，并且在地下適當(dāng)布設(shè)滲濾性排水溝槽，使下滲的雨水通過溝槽緩慢排出，然后再匯集排入河道，則不僅能使排入河道的徑流延長5～10天，還能使排入河道的雨水水質(zhì)基本達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，使城市河道呈現(xiàn)出類似天然河道基流的狀態(tài)，趨向與“清水常流”。
4 結(jié)語
隨著社會(huì)的進(jìn)步、人民生活水平的提高，對(duì)生存環(huán)境、生活質(zhì)量的要求也越來越高。我國提出了構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的目標(biāo)，同時(shí)北京也提出了要建設(shè)“宜居城市”的目標(biāo)。和諧時(shí)會(huì)和宜居城市的重要標(biāo)志是人與自然和諧相處，而采取適當(dāng)?shù)挠旰槔么胧軌蛟谝欢ǔ潭壬闲迯?fù)城市自然水循環(huán)，因而也有利于“和諧社會(huì)”和“宜居城市”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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