CN103603320A - 一种lid型雨水沟渠及其设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LID型雨水沟渠及其设计计算方法，适用于边坡、道路两侧的排水沟、农田排水沟、排洪沟等各类雨水排水沟渠。该雨水沟渠由沟渠体、蓄水坝、溢流口、粗石层、砂土层以及生态边坡等组成。该砂土层铺设在沟渠体床面上，该粗石层铺设在砂土层的上方，该蓄水坝沿沟渠体纵向每隔一段距离连续设置，使沟渠沿程形成一系列连续分布的蓄水池。本发明还包括蓄水坝布设间距以及溢流口尺寸的设计计算。本发明具有“排水，蓄水，下渗，去污”多重功能，是仅有排水功能的硬化雨水沟渠所不能比拟的；其蓄水量大、排水速度快，则是湿地床型的雨水沟渠所不能具备的。本发明可减少雨洪径流量，增强地下水补给，削减雨水面源污染物质，还可美化环境。

Description

一种LID型雨水沟渠及其设计计算方法

技术领域

本发明属于水利工程及市政工程技术领域，具体而言，是一种LID型雨水沟渠及其设计计算方法。 

背景技术

传统的硬化雨水沟渠其建造目的仅是为了快速将周边的雨水径流排入受纳水体，其功能单一仅具有“排水”作用。这种单一功能在发挥排水优势的同时，也带来如下问题：加剧了雨季受纳水体的行洪压力与洪涝灾害的发生，雨水难于通过沟渠床面下渗补给地下水导致河流在旱季容易出现干枯，此外还加剧了雨水面源污染问题。特别是作为饮用水水源的河流大多发源于山区，流经的大部分地区为农村地带。降雨期间，农村地面上的泥土、畜禽粪便、农田化肥等大量雨水面源污染往往通过雨水沟渠随同雨水径流一同快速排入河流，严重影响了河流、水库等饮用水水源地的供水水质安全。因此，如何改良传统的单一功能的排水沟渠，缓解我国目前绝大部分地区所面临的三大水危机问题即水污染、洪涝灾害与水资源枯竭是一个重要课题。 

1990年代末期在欧美等国家开始发展起一种新型的暴雨管理与面源污染控制策略，那就是低影响开发（Low Impact Development）策略，简称LID。从字面上解释，LID就是在开发中尽量减少对环境的破坏和影响，其基本思路是通过综合采用蓄流、渗透、过滤等方式来减少暴雨径流排水量和截污，使开发地区尽量接近于开发前的自然水文循环。如果能够基于LID策略建造一种LID型雨水沟渠，使之不仅具有排水功能，而且还具有蓄流、渗透和去污等多重功能，则可实现对雨水径流的减排、缓排从而降低洪涝灾害风险，增强对地下水 的补给以及减轻雨水面源污染。 

对现有所有专利和受保护的技术资料查询，目前与本实用新型最接近最密切的专利或专利申请有2个。一个是中国实用新型专利申请号200620003976.5、申请日2006.2.15、授权公告号CN2866592Y、授权公告日2007.2.7、专利名称为：沟渠型湿地床。该专利将沟渠建成湿地以削减雨水面源污染物质，其主要不足之处：1）不适用于排水量大、排水速度快的排水沟，首先暴雨期间当排水量大流速快时湿地表面的土壤介质很容易被冲走，其次水流在湿地植物之间穿梭而行，遭受阻力大，难于顺畅排水，容易造成壅水漫出湿地床；2）蓄水功能不强，为了保证湿地植物的生长，蓄水位一般设计较低以免淹没湿地植物致其死亡，因此蓄水空间十分有限。虽然湿地下方的卵石层中设有集水管，但雨水只有下渗通过砂土层后才能进入卵石层再进入集水管，由于砂土层的下渗系数不大，暴雨期间大部分雨水将来不及下渗汇集到集水管，而是被排走，当来不及排走时则会发生壅水漫出湿地床。另一个相关的专利申请是中国发明专利申请，申请号：201110256167.0、申请日2011.09.01、申请公布号CN102351316A、申请公布日2012.02.15，专利名称为：一种处理公路降雨径流污染的绿化带排水沟人工湿地装置。该专利申请同样将排水沟建成湿地以削减雨水面源污染物质，虽然该专利申请在砂土层上覆盖了一层砾石层、增加了湿地对水流的耐冲刷性，并将设置在湿地下方的集水管改成了集水槽，但依然无法克服上述两个主要不足之处，因为排水时水流同样需要在湿地植物之间穿梭而行，遭受阻力大，难于顺畅排水，蓄水位同样需设计较低以免淹没湿地植物致其死亡。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种LID 型雨水沟渠及其设计计算方法，使其不仅具备良好的排水功能，能适用于排水量大流速快的各类雨水沟渠，而且具备良好的蓄水与下渗功能，能有效实现对雨水径流的减排缓排以及对地下水的补给，同时具有较好的去污功能以削减雨水面源污染物质。 

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是： 

一种LID型雨水沟渠，其构造由沟渠体、蓄水坝、溢流口、粗石层、砂土层以及生态边坡组成；该沟渠体床面自下而上铺设砂土层与粗石层，该蓄水坝沿沟渠体纵向每隔一段距离连续设置，使沟渠沿程形成一系列连续分布的蓄水池；每个蓄水坝上设置溢流口。 

所述蓄水坝上所设置的溢流口其形状为梯形、或矩形、或倒三角形、或圆形。 

所述的溢流口底宽是蓄水坝坝顶全宽或者小于蓄水坝坝顶宽度。 

所述的粗石层为粗砾石-沸石层。 

所述的生态边坡为非硬化的边坡，而是采用生态护岸技术的绿色边坡。 

所述的蓄水坝坝脚附近的沟渠床面上抛掷有一些乱石作为坝脚护石。 

所述沟渠体的沟渠床上设置有配有雨水口的渗透井或渗透管。 

所述的渗透井或渗透管四周铺设有碎石保护墙。 

上述LID型雨水沟渠的设计计算方法包括:a）蓄水坝布设间距的设计计算；b）溢流口尺寸的设计计算；具体方法如下： 

a）蓄水坝布设间距的设计计算方法： 

设沟渠床比降为i₀，蓄水坝坝底至溢流口底部的高度为△H_溢，上下游两蓄水坝的距离为L，上游蓄水坝坝底与蓄水池的最高蓄水位（即下游蓄水坝溢流口底部的高程H_溢）之高差为△h； 

可得： 

△h的取值范围建议为：

故，蓄水坝合理的布设间距为：

b）溢流口尺寸的设计计算方法： 

（1）设计暴雨强度q 

设计暴雨强度q应按下列公式计算： 

$q=\frac{{167A}_1(1+\mathrm{ClgP})}{{(t+b)}^n}---\left(4\right)$

式中，t—降雨历时（min）； 

P—设计重现期（a）； 

A₁、C、n、b—参数； 

（2）雨水设计流量Q 

雨水设计流量Q的计算公式为 

Q=ψqF     （5） 

式中：Q—雨水设计流量（l/s）； 

ψ—径流系数； 

F—汇水面积（ha）； 

q—设计暴雨强度（l/s·ha），1ha=10000m²； 

（3）单位时间内的下渗量： 

设雨水沟渠床的底宽为b，第i个蓄水坝距离沟渠首的长度为l_i，沟渠床的稳定下渗能力为f_渗；如忽略沟渠两侧的下渗量，则到第i个蓄水坝为止，单位时间通过雨水沟渠床底的下渗量F_i渗为： 

F_i渗=b×l_i×f_渗     （6） 

（4）溢流口的尺寸： 

第i个溢流口需排放的雨水设计流量： 

Q_i溢=Q-F_i渗     （7） 

溢流口的流量可采用无淹没的实用堰的流量公式，即： 

式中ε为侧收缩系数；m为流量系数；b为溢流口底部宽度，H为溢流口处的水头； 

为简便起见，也可用第一个溢流口需排放的雨水设计流量Q_1溢这个最大值代替（8）式中的Q_i溢值来进行统一的溢流口尺寸设计； 

根据（8）式，可获得b和H的关系式，拟定若干个b和H的比例，计算出对应的b和H值，根据工程实地情况，选定最合适的一组b和H值； 

最后，由溢流口深度D=H+安全超高，确定溢出口的底宽与深度。 

采用上述方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1.本发明所述的雨水沟渠具有“排水、蓄流、下渗、去污”等多重功能，与现有的硬化排水沟渠仅具有的排水功能相比，该雨水沟渠多出了如下功能：a）可减少径流排水量从而减轻受纳水体的压力；b）可有效利用雨水资源对地下水进行补给从而减轻枯季的干旱；c）可削减雨水面源污染物质从而保护受纳水体的水环境；d）具有生态景观性，硬化沟渠在非雨水季节成为干沟渠，景观效果很差，本发明通过生态边坡使沟渠具有绿意，美化了环境。 

2.本发明所述的雨水沟渠与现有的采用湿地技术的沟渠相比，具有蓄水量大，排水速度快，沟渠床不易被冲毁等优点。首先由于沟渠沿程设置了一系列蓄水坝，形成了一系列蓄水池，因此可以大大增强蓄水空间。其次，当沿程蓄水池均蓄满之后，水流从设置于蓄水坝 顶部的溢流口流向下游时，水流所受的阻力仅来自于底层死水层以及两边坡附近死水层的阻力，不会直接受到粗糙床面与生态边坡植被的阻力，因此所受阻力小排水速度快。同时，一旦蓄水池内蓄上一层水后，从溢流口排泄下来的水流将不会直接冲击床面，从而使沟渠床不易被冲毁。 

3.本发明所述沟渠的床面为非硬化床面，床面上铺设了渗透性良好且能去污的两层填料层，自下而上分别是砂土层和粗砾石-沸石层，从而使该雨水沟渠具备了下渗与去污功能。与通常的湿地床填料层上细下粗特征相反，该LID型雨水沟渠的一个显著特征是填料层上粗下细，从而增强了雨水沟渠排水时床面的耐冲性。 

4.该雨水沟渠同时即是排水沟又是雨水资源化利用的蓄水池，两者合二为一，节约了单独建设的占地面积与工程量。蓄水池内的雨水，暴雨过后将继续下渗补给地下水，也可以用于灌溉等用途，雨水得到资源化利用。 

5.该雨水沟渠结构简单、施工容易、建设成本低，适用于边沟、道路两侧的排水沟、农田排水沟、排洪沟等各类雨水排水沟渠，应用面宽广。 

总之，本发明所述的LID型雨水沟渠所具有的“排水，蓄水，下渗，去污”等多重功能，是现有仅有排水功能的硬化雨水沟渠所不能比拟的；其蓄水量大、排水速度快，则又是现有湿地床型的雨水沟渠所不能具备的。且本发明可减少雨洪径流量，降低雨洪灾害发生概率，增强地下水补给，削减雨水面源污染物质，还可美化环境。 

附图说明

图1为本发明整体结构的纵向剖面示意图； 

图2为本发明整体结构的横向剖面示意图； 

图3为本发明所述上下游蓄水坝布设间距示意图； 

图4为本发明所述溢流口尺寸示意图一； 

图5为本发明所述溢流口尺寸示意图二。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。 

本发明所揭示的是一种LID型雨水沟渠，如图1及图2所示，为本发明的较佳实施例。所述的雨水沟渠包括沟渠体1、蓄水坝2、溢流口3、粗石层4、砂土层5以及生态边坡6，还可以进一步设置坝脚护石7以及配有雨水口的渗透井或渗透管8。其中： 

所述的沟渠体1床面上先铺设一层砂土层5，该砂土层5上方再铺设一层粗石层4，所述的蓄水坝2沿沟渠体1纵向每隔一段距离连续设置，使沟渠沿程形成一系列连续分布的蓄水池9。每个蓄水坝2上设置有溢流口3。 

当地表径流流入所述的雨水沟渠时，一部分径流通过下渗作用补给地下水，来不及下渗的雨水径流蓄在沟渠的蓄水池9内，当蓄水位超过溢流口3的高程时，雨水径流通过溢流口3向下游流去。另一方面，蓄在沟渠蓄水池9中的雨水径流经过生态边坡6中的植物层、土壤层、沟渠床面中的粗石层4、砂土层5的渗透过滤、植物吸收、土壤吸附、微生物吸收分解等作用，水质得到了净化。 

所述沟渠体1的断面形状可以是人工渠道的矩形或梯形，也可以是自然沟渠的无规则下凹式形状。蓄水坝2顶部的溢流口3形状可以是梯形、矩形、倒三角形或圆形等，且该溢流口3的底宽可以是蓄水坝2坝顶全宽，也可以小于蓄水坝2坝顶宽度。所述的生态边坡6为采用生态护坡技术的非硬化的绿色边坡，植被以耐旱耐淹的草皮为主，可配合种植一些对氮磷吸收能力强的水陆两栖植物。 

所述的粗石层4可以是粗砾石-沸石层。该粗砾石-沸石层其组成材料为砾石和沸石，为了具备耐冲性，要求其粒径可以为大于10mm的粗砾石与粗沸石，两种基质材料的配比可以根据实际需要灵活调配，由于砾石远比沸石价格低廉，当工程预算不足且氮磷等污染物质含量不高时，滤料可以主要采用砾石，反之则主要采取沸石。 

所述砂土层5的组成材料为砂子和土壤，一般砂土层5中的砂粒含量可以在60%以上，其饱和渗透系数Ks最好是3.47×10^-4cm/s≤K_s≤0.001cm/s，太大了持不住水分，不宜植物生长，太小了影响了雨水沟渠的下渗功能。 

此外，为了减轻从溢流口3排泄下来的水流对蓄水坝2的坝脚附近沟渠床面的冲刷，在蓄水坝2坝脚附近的沟渠床面上可以抛掷一些乱石作为坝脚护石7。 

另外，为了增强沟渠的渗透功能，可在沟渠床上设置渗透井或渗透管8，同时为了避免渗透井或渗透管8堵塞，渗透井或渗透管8的顶部可以接带有截污筐的渗透井式雨水口。但是否使用渗透井/管可以根据实际情况进行选择，此项不是必需的，当地下水位较浅时，渗透井或渗透管末端距地下水位不具备1m以上的保护土层时不建议设置渗透井或渗透管。为了防止渗透井或渗透管8的空隙被堵塞，可以在渗透井或渗透管8四周铺设碎石子或砾石或沸石等粒径较大的材料形成碎石保护墙10。 

本发明还揭示了所述LID型雨水沟渠的设计计算方法，包括:a）蓄水坝布设间距的设计计算；b）溢流口尺寸的设计计算。其计算方法说明如下： 

a）蓄水坝布设间距的设计计算方法 

设沟渠床比降为i₀，蓄水坝坝底至溢流口底部的高度为△H_溢， 上下游两蓄水坝的距离为L，上游蓄水坝坝底与蓄水池的最高蓄水位（即下游蓄水坝溢流口底部高程H_溢）之高差为△h（参见图3）。 

根据图3可得： 

△h的合理取值范围为：

故，蓄水坝合理的布设间距为：

b）溢流口尺寸的设计计算方法 

1.设计暴雨强度q 

设计暴雨强度q应按下列公式计算： 

$q=\frac{{167A}_1(1+\mathrm{ClgP})}{{(t+b)}^n}---\left(4\right)$

式中，t—降雨历时（min）； 

P—设计重现期（a），排水沟渠的设计重现期，应根据汇水地区性质（广场、干道、厂区、居住区）、地形特点和气象特点等因素确定，重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，重现期一般选用2～5a； 

A₁、C、n、b—参数，在具有十年以上自动雨量记录的地区，根据统计方法进行计算确定，在自动雨量记录不足十年的地区，参照地方实测暴雨气象资料确定参数。 

2.雨水设计流量Q 

雨水设计流量Q的计算公式为 

Q=ψqF     （5） 

式中：Q—雨水设计流量（l/s）； 

ψ—径流系数，陡峻山地的径流系数：ψ=0.75～0.90； 

F—汇水面积（ha）； 

q—设计暴雨强度（l/s·ha），1ha=10000m²。 

3.单位时间内的下渗量： 

设雨水沟渠床的底宽为b，第i个蓄水坝距离沟渠首的长度为l_i，沟渠床的稳定下渗能力为f_渗。如忽略沟渠两侧的下渗量，则到第i个蓄水坝为止，单位时间通过雨水沟渠床底的下渗量F_i渗为： 

F_i渗=b×l_i×f_渗     （6） 

4.溢流口的尺寸： 

第i个溢流口需排放的雨水设计流量： 

Q_i溢=Q-F_i渗     （7） 

溢流口的流量可采用无淹没的实用堰的流量公式，即： 

式中ε为侧收缩系数，如无侧收缩，则ε=1.0。m为流量系数，其精确数值应由模型实验决定。在初步估算时，可取真空堰m≈0.5，非真空堰m≈0.45，折线多边形堰m=0.35～0.42；b为堰宽（溢流口底部宽度），H为堰前水头（即溢流口处的水头）。参见图4、5所示。 

虽然Q_i溢沿程改变，因此沿程溢流口设计尺寸严格意义上也是沿程改变的。但为了简便起见，工程上可用第一个溢流口需排放的雨水设计流量Q_1溢这个最大值代替（8）式中的Q_i溢值来进行统一的溢流口尺寸设计。 

根据（8）式，可获得b和H的关系式。拟定若干个b和H的比例，计算出对应的b和H值，根据工程实地情况，选定最合适的一组b和H值。 

最后，由溢流口深度D=H+安全超高，确定溢出口的底宽与深度（参见图4、5）。 

至于沟渠体断面形状，可采用梯形、矩形或自然沟渠的下凹式。其尺寸决定了雨水沟渠蓄水容量的大小。场地与资金条件允许的情况下，可挖深挖宽一些从而多蓄水，反之，则挖浅挖窄一些少蓄点水。因该尺寸主要决定蓄水能力而非决定排水能力，因此可根据实际情况自由设计尺寸。 

本发明所述雨水沟渠的施工过程为： 

第一步：首先开挖沟渠体1，沟渠体是指开挖成如图2短斜线所围成的断面形状的沟渠，虽然图2所示意的沟渠断面上半部为规则的梯形，但可根据实际用地情况，选择矩形或保留自然沟渠无规则的下凹式，但无论沟渠上半部断面形状是规则还是非规则，床面均需进一步深挖一定深度以铺设两层填料层； 

第二步：如图1所示，沟渠体1开挖完成后，沿沟渠体1每隔一段距离建设一个蓄水坝2（相邻两蓄水坝的间距可根据（3）式计算），坝顶高程与岸边高程持平或略低，并如图2所示在蓄水坝2顶部设置溢流口3（溢流口尺寸可根据（8）式计算）； 

第三步：如图1所示在沟渠床上沿程设置若干个渗透井或渗透管8（非必需），并在渗透井或渗透管8顶部设置带有截污筐的渗透井式雨水口； 

第四步：如图2所示，在深挖的沟渠床上先沿程铺设一层砂土层5，然后在砂土层5上再覆盖铺设一层粗砾石-沸石层4； 

第五步：如图1所示在沿程蓄水坝2的坝脚附近的床面上抛掷一些乱石； 

第六步：如图2所示，根据边坡缓急程度，采用相应的生态护坡技术对边坡进行护坡使边坡铺满植被。 

具体实施过程中需注意的是：a）如图1所示，为了防止渗透井 或渗透管8的空隙被堵塞，在沟渠底部铺设两层填料时如遇到有埋设渗透井或渗透管8时，可以在渗透井或渗透管8四周铺设碎石子或砾石或沸石等粒径较大的材料。b）上下游蓄水坝2相隔距离不宜太近或太远，太近影响排水功能又浪费蓄水坝建设工程量，太远可能造成下游蓄水坝溢流口高程比上游蓄水坝的坝底高程还低，不仅影响沟渠的蓄水功能，而且上游溢流口排水时水流将永远直接冲击在其正下方的沟渠床面上，带来床面易被冲毁的问题。蓄水坝布设的合理间距可根据（3）式计算。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。 

Claims (10)

1.一种LID型雨水沟渠，其特征在于：其构造由沟渠体、蓄水坝、溢流口、粗石层、砂土层以及生态边坡组成；该沟渠体床面自下而上铺设砂土层与粗石层，该蓄水坝沿沟渠体纵向每隔一段距离连续设置，使沟渠沿程形成一系列连续分布的蓄水池；每个蓄水坝上设置溢流口。 

2.根据权利要求1所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述蓄水坝上所设置的溢流口其形状为梯形、或矩形、或倒三角形、或圆形。 

3.根据权利要求1或2所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述的溢流口底宽是蓄水坝坝顶全宽或者小于蓄水坝坝顶宽度。 

4.根据权利要求1所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述的粗石层为粗砾石-沸石层。 

5.根据权利要求1所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述的生态边坡为非硬化的边坡，而是采用生态护岸技术的绿色边坡。 

6.根据权利要求1所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述的蓄水坝坝脚附近的沟渠床面上抛掷有一些乱石作为坝脚护石。 

7.根据权利要求1所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述沟渠体的沟渠床上设置有配有雨水口的渗透井或渗透管。 

8.根据权利要求7所述的一种LID型雨水沟渠，其特征在于：所述的渗透井或渗透管四周铺设有碎石保护墙。 

9.根据权利要求1-8之一所述的一种LID型雨水沟渠的设计计算方法，其特征在于包括:a）蓄水坝布设间距的设计计算；b）溢流口尺寸的设计计算；具体方法如下： 

a）蓄水坝布设间距的设计计算方法： 

设沟渠床比降为i₀，蓄水坝坝底至溢流口底部的高度为△H_溢，上下游两蓄水坝的距离为L，上游蓄水坝坝底与蓄水池的最高蓄水位即下游蓄水坝溢流口底部高程H_溢之高差为△h； 

可得： 

△h的取值范围为：

故，蓄水坝合理的布设间距为：

b）溢流口尺寸的设计计算方法： 

（1）设计暴雨强度q 

设计暴雨强度q应按下列公式计算： 

式中，t—降雨历时（min）； 

P—设计重现期（a）； 

A₁、C、n、b—参数； 

（2）雨水设计流量Q 

雨水设计流量Q的计算公式为 

Q=ψqF     （5） 

式中：Q—雨水设计流量（l/s）； 

ψ—径流系数； 

F—汇水面积（ha）； 

q—设计暴雨强度（l/s·ha），1ha=10000m²； 

（3）单位时间内的下渗量： 

设雨水沟渠床的底宽为b，第i个蓄水坝距离沟渠首的长度为l_i， 沟渠床的稳定下渗能力为f_渗；如忽略沟渠两侧的下渗量，则到第i个蓄水坝为止，单位时间通过雨水沟渠床底的下渗量F_i渗为： 

F_i渗=b×l_i×f_渗     （6） 

（4）溢流口的尺寸： 

第i个溢流口需排放的雨水设计流量： 

Q_i溢=Q-F_i渗     （7） 

溢流口的流量可采用无淹没的实用堰的流量公式，即： 

式中ε为侧收缩系数；m为流量系数；b为溢流口底部宽度，H为溢流口处的水头； 

根据（8）式，可获得b和H的关系式，拟定若干个b和H的比例，计算出对应的b和H值，根据工程实地情况，选定最合适的一组b和H值； 

最后，由溢流口深度D=H+安全超高，确定溢出口的底宽与深度。 

10.根据权利要求9所述的一种LID型雨水沟渠的设计计算方法，其特征在于：所述溢流口尺寸的设计计算方法中，用第一个溢流口需排放的雨水设计流量Q_1溢这个最大值代替（8）式中的Q_i溢值来进行统一的溢流口尺寸设计。 

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