CN102400494A - 一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法 - Google Patents

Abstract

一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法。雨水通过市政雨水管道进入雨水调蓄池，通过泵的自动控制，将污染较为严重的初期暴雨径流分离送入地表植草沟进行生态净化和就地灌溉利用。后期含污染物很低的大流量雨水可进入市政管道或直接排入景观河道进行利用。本方法与周围绿化景观相协调。本发明能收集、贮存暴雨径流，削减洪峰，并将污染较为严重的初期暴雨有效分离净化，占地面积小，能自动控制。既能使排出的雨水径流水质提高，防止对受纳水体的污染，又能够提高对雨水资源的利用。

Description

一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法

技术领域：

本发明涉及一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法，尤其是一种适用于工业、居住或办公小区初期降雨径流收集、分流、削峰及生态净化的自动/生态联合控制系统。 

背景技术：

初期雨水(初期降雨径流)中含有径流的大部分污染物，包括颗粒态污染物、溶解性污染物。初期径流的排放到城市水体给水环境带来污染。由于城市不透水面积大，暴雨时初期径流来势猛，径流高峰对城市主干管冲击大，有时会造成城市淹水。初期雨水弃流设施是有效的水质控制技术，合理设计可控制径流中大部分污染物。目前国内针对不同汇水面，如屋面和路面，已有一些定型的截污装置和初期雨水弃流装置。主要有：(1)初期雨水弃流池。在雨落管或汇集口处按照所需弃流雨水量设计弃流池，一般用砖砌、混凝土现浇或预制；(2)雨落管弃流装置。是一种安装在屋面雨落管上的弃流装置，它是利用小雨通常沿管壁下流的特点进行弃流。 

这些弃流装置在随机降雨条件下，达到高效率分流初期径流的目的。然而，这些初期分流装置具有如下特点：(1)典型区域屋面汇水面和路面汇水面的初期径流控制量相对容易掌握，而收集来自于屋面、路面等不同汇水面混合的雨水管道的初期雨水控制量还没有确定的方法，因此已有的初期雨水弃流设施都是针对某特定汇水面开发的，多用于分流屋面雨水；(2)在目前的市政排水分流制系统中，雨污管网混接、乱接和错接现象严重，也给雨水系统的初期降雨径流分离和净化带来困难；(3)雨水初期分流设施，一般占地面积大，处理设施并没有考虑与周围环境相融合，并且自动化程度不高。因此，需要开发一种新的初期径流控制方法，用于工业、居住或办公小区分流制排水系统的初期降雨径流收集、分流、削峰和生态净化集成系统。 

发明内容：

为了解决小区排水系统雨水收集、分流、削峰和生态净化的功能需求， 本发明开发了一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法，具体为小区雨水调蓄池和植草沟联合运行的自动/生态调控系统，目标是蓄存、分流和净化降雨初期径流，并通过实际工程进行了验证。本发明的目标是这样实现的(附图1)：考虑小区汇水面的降雨特性，对市政检查井实施改造，在市政检查井后设置雨水调蓄池，在雨水调蓄设施中设置初期雨水控制泵，通过其中液位和降雨历时控制水泵的启停，从而调控初期雨水的处理量。初期雨水控制泵将初期雨水输送至连接于雨水调蓄池之后的植草沟进行利用和净化，初期雨水泵在水位降低到一定位置后关停，调节池中的水位上升达到溢流水位时，后期雨水排入市政雨水管网或河道(附图2)。降雨停后，初期雨水泵处于自动关闭状态。 

其中，雨水滞留分流池初期径流控制体积按下式估算： 

V＝ψhF×10^-3(1) 

式中V——设计降雨径流量，m³

ψ——综合径流系统； 

F——水面积，10⁴m²； 

h——初期雨水控制降雨量，mm，一般屋面径流为2-4mm，路面径流为6-8mm，市政管道径流为6-8mm； 

植草沟的设计流程如下： 

当降雨径流流经植草沟时，经沉淀、过滤、渗透、持留及生物降解等共同作用，径流中的污染物被去除。在降雨径流污染控制和雨水利用系统中，植草沟的设计应尽可能增加持留、渗透、传输、净化雨水能力，设计主要涉及水力计算和满足水质净化功能两部分，同时考虑水文、土壤及植物类型等因素。 

进入植草沟系统的降雨径流量： 

Q₁＝ψqF×10^-3(2) 

式中Q₁——设计降雨径流量，m³/s； 

ψ——综合径流系统； 

F——汇水面积，10⁴m²； 

q——设计暴雨强度，L/s·10⁴m²

植草沟水力计算： 

根据工程实际情况和经验数据，选择植草沟形状、确定植草沟坡度、粗糙度及断面尺寸，通过曼宁等式计算植草沟水流深度、流量及植草沟长度，曼宁等式表示为： 

$Q_2=V\×A=\frac{{\mathrm{AR}}^{\frac{2}{3}}{i}^{\frac{1}{2}}}{n}---\left(3\right)$

$R=\frac{A}{P}---\left(4\right)$

式中Q₂——植草沟计算径流量，m³/s； 

V——雨水在植草沟断面的平均流速，m/s； 

A——植草沟横断面面积，m²； 

R——横断面的水力半径，m； 

i——草沟纵向坡度，m/m； 

n——曼宁系数； 

p——湿周，m 

植草沟的长度为： 

L＝60Q₂t/A＝60Vt    (5) 

式中L——植草沟设计长度，m； 

t——水力停留时间，min； 

植草沟设计要素校核： 

用公式(2)和公式(3)验算流量和流速，当以1年1遇的暴雨强度计算得出的 

时，或以5年一遇的暴雨强度计算得出的 

时，返回步骤(3)，调整相关参数，直到满足条件为止。当以1年一遇的暴雨强度计算得出的 时，植草沟有足够处理暴雨的能力；且以5年一遇的暴雨强度计算得出的 

时，植草沟中径流流速和深度不会引起侵蚀，此时计算完毕。在设计要素的基础上进一步对植草沟进行平面和高程布置，保证植草地沟的径流水力临界条件和污染物净化效果。 

植草沟设计参数确定： 

(1)曼宁系数n值 

曼宁系数n值在水流设计中是很重要的值，依赖于植草沟的许多物理特征，如沟底和沟边坡的粗糙度、植物种植(类型、高度、密度)及植物对雨水在植草沟中的水流方式的影响、植草沟曲折变化程度、植草沟纵向坡度、以及雨水在植草沟中的侵蚀和沉淀等因素，此变量直接影响植草沟中水流的排放、流速的估算。需要指出，决定曼宁系数n值的和参数相关性较强，需综合分析确定。根据经验，植草沟排水能力的计算应采用较大的阻力系数，而植草沟的稳定性计算应采用较小的阻力系数。用下式计算曼宁系数： 

n＝(n₀+n₁+n₂+n₃+n₄)×m⁵(6) 

式中n——植草沟的曼宁粗糙系数； 

n₀——与植草沟渗透材料有关的系数； 

n₁——反映植草沟不规则程度的系数； 

n₂——反映植草沟断面变化的系数； 

n₃——与植草沟控制堰或污染物拦截设置有关的系数； 

n₄——与植草沟植物种植有关的系数； 

m₅——反映植草沟曲折程度的系数。 

式中计算植草沟曼宁系数的各系数取值如表1所示。 

表1植草沟曼宁粗糙系数计算的各系数取值 

(2)植草沟纵向坡度i和断面边坡坡度i₀

雨水在植草沟中是靠重力流输送，所以其纵向坡度的确定也十分重要。如果i值偏小，径流流速慢，植草沟对径流污染物的处理效果就好，但流速慢，雨水在植草沟的输送过程中的渗透量变大；如果i值偏大，雨水的径流流速也随之变大，输送过程中雨水的损失量减少，对雨水的处理效果也相应下降，甚至会造成冲蚀，这两种情况都应当避免。标准传输植草沟i取值范围通常为1％～5％。 

断面边坡坡度是控制断面尺寸的参数，i₀的取值范围是1/4～1/3，这样径流能够以较浅的深度、较低的流速在植草沟流动，此时断面湿周也较大，防止边坡侵蚀并加强污染径流经过边坡时的过滤作用。 

(3)植草沟草的高度，最大有效水深d及断面高度d′ 

当草过高时，在水流冲击下稳定性较差，所以草的高度可取50～150mm，最大有效水深d为草高度的一半。 

如果按照最大有效水深d设计断面高度，植草沟对径流雨水污染物有很好的去除效果，当汇水面较大和设计重现期较高时(可按照雨水管渠设计重现期取值)，雨水径流量很大，植草沟的宽度也随之增大，不利于在城区寸土寸金的地方应用；为了同时兼顾植草沟的输水能力，保证暴雨时雨水能够顺利地通过植草沟排出，植草沟的高度应大于最大有效水深，但一般最大不宜大于0.6m。一旦径流水深超过最大有效水深d，减小曼宁系数n，这样的设 计参数取值既保证了对重现期较低的降雨径流污染的控制，又满足了重现期较高时，径流时水的顺利排出。 

(4)水力停留时间t 

水力停留时间又称名义停留时间，其取值范围为6～8min。由于植被磨擦阻力等因素，实际水力停留时间可能大于理论计算值。t值越大，植草沟对污染物的去除效果越好。根据项目具体条件，并结合植草沟长度，保证径流雨水在标准传输型植草沟的水力停留时间为6～8min，干植草沟的水力停留时间为24h。 

(5)最大径流流速V 

为了防止雨水径流对植草沟表层土壤以及覆盖植被的冲蚀，特大降雨事件的径流在植草沟中的流速应小于1.0m/s。 

(6)植草沟底宽 

植草沟底部应设计为水平，宽度为0.5～2m。当设计底宽大于2m时，应在植草沟纵向增设水流分离装置，防止植草沟侵蚀和底部顺流沟渠化。 

(7)植草沟的长度L 

实际上，植草沟长度L应根据具体的平面布置情况取值，但从净化径流雨水的角度考虑最好大于5m，当区域径流水质较好，也可视具体情况减小。据资料介绍，利用植草沟去除污染物，有80％的污染物是在60～75m内去除的，为了保证对污染物的去除率，最短长度不宜小于5m。实际工程中，特别是对已有工程进行改造时，当植草沟长度达不到要求时，可采用增加植被的厚度、减小植草沟的纵向坡度和调整弯曲度等措施，增加径流在植草沟内的水力停留时间，也可和景观水体岸边的净化带结合使用，从而达到较好的污染物去除效果。 

植草沟运行和维护 

植草沟入口和出口：当管道集中汇入植草沟时，植草沟入口处侵蚀和淤塞风险增加，可用卵石进行消能分流处理。植草沟出口处可设置溢流结构或防侵蚀溢流沟渠，保证超出植草沟径流量的雨水安全流至下游排水系统。 

植被的养护：植被设计高度为30mm～150mm，植被最大高度为150mm，切割后的草高为30mm～50mm。 

在示范工程建成后一年多的实施研究过程中，在不同降雨量和降雨强度的条件下，初期雨水收集、分流及生态净化集成系统处理初期雨水5mm，SS去除率在20％～30％，COD去除率在7％～10％，TN和TP去除率分别为20％～30％。排出的雨水洪峰有所降低，初期雨水用于灌溉植草沟和周边绿地，系统保持稳定运行。 

本发明中初期雨水分流池占地面积小，且实现了自动化控制。植草沟经土壤改良和本地植物种植，充分发挥了植被、土壤和生物对初期雨水的滞留和对污染物的净化作用，并且与周围生态景观相协调。本发明能在不影响生态景观的前提下收集暴雨径流并将污染较为严重的初期暴雨有效分离净化，既能够防止污染雨水对受纳水体的污染，又能够减小处理系统的规模，是一种在小区值得推广的初期径流控制方法。

附图说明：

图1是一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的集成系统的平面示意图。 

图2是小区初期雨水调蓄池截面图。 

Claims (3)

1.一种初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法，其特征是：雨水通过区域市政管网系统进入雨水调蓄池，根据初期雨水在调蓄池中的水位决定雨水泵的启停控制，从而进行初期雨水分流，初期雨水输送至植草沟进行净化后排放，后期雨水在调蓄池水位提升后或排入河道，或用于灌溉绿地，或排入市政雨水管网。

2.根据权利要求1所述的初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法，其特征是雨水通过滞留分流设施进行初期雨水量的控制，初期径流控制量为V＝ψhF×10^-3，其中，ψ为综合径流系统，F为汇水面积；h为初期雨水控制降雨量。

3.根据权利要求1所述的初期雨水收集、分流、削峰及生态净化的方法，其特征是通过植草沟对分流后的雨水进行净化，植草沟的水力计算、形状设计、长度设计、坡度设计、断面设计、草的高度设计等。

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