CN105672447B - 用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用，该系统包括依次串联的过滤区、多级折流区和下渗回用区，过滤区与第一级折流区之间设置有非溢流隔墙，过滤区底部和第一级折流区底部相连通，奇数级折流区与后端相邻的偶数级折流区之间设置有溢流隔墙，偶数级折流区与后端相邻的奇数级折流区之间设置有非溢流隔墙，偶数级折流区底部和后端相邻的奇数级折流区底部相连通，最后级折流区与下渗回用区之间设置有溢流隔墙。该系统可适用于公园、小区、校园和城市绿化等，能够有效地对初期雨水中的污染物进行处理，同时还能够将处理后较干净的雨水渗入地下或收集回用，从而降低径流总量、削减径流峰值，达到环境保护和景观改善的目的。

Description

用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用。

背景技术

随着城市化发展的不断加快，城市内涝、初期雨水污染和河道黑臭的问题越来越严重，这些问题严重地影响居民的生活与身体健康。主要原因是由于城市化快速发展，城市内水系不断减少，不透水路面的覆盖率逐渐升高，导致降雨径流无法通过地面下渗，形成积水之后在城市内部造成严重的城市内涝。同时由于城市面源污染问题严重，雨水径流冲刷路面还会造成初期雨水污染的问题，有研究表明，径流中污染物浓度：COD平均值为242mg/L，NH₃-N平均值为323.5mg/L，TN平均值为419mg/L，TP平均值为10.9mg/L。其污染程度远远高于地表水环境质量标准（GB3838-2002）的基本项目标准Ⅴ类水质，属于劣Ⅴ类水；若不对初期雨水进行有效的净化就排入自然水体，将会对自然水体带来严重污染，从而加剧河道黑臭的问题。城市内涝和自然水体的污染现已成为制约中国经济发展的主要问题，采取相应的措施来增强雨水的截留、回用、下渗补充地下水以及防止自然水体污染势在必行。

为了解决以上问题，中国目前大力推行海绵城市建设，海绵城市是指城市在降雨的时候，能够将降雨径流净化、下渗和储存，并在需要时将蓄存的水“释放”加以利用。海绵城市的建设包括总体规划和局部建设，雨水花园系统就是海绵城市局部建设的重要模块之一。雨水花园属于土地处理系统中的一种，是集生物滞留池和植草沟两者优点于一体的低影响开发模块，被用于汇聚和吸收来自地面的雨水径流。雨水花园的构造主要由植被层、土壤层、人工填料层和砾石层组成，根据实际应用还可添加蓄水层和透水层。雨水花园一般建设在地势较低区域的自然或人工挖掘的浅凹式绿地，种植有各种灌木、花草以及树木等植物。植被层能够减缓降雨径流的冲击达到滞留雨水的目的，人工填料层内的微生物作用使深入雨水花园系统的雨水得以净化，透水层使雨水能够渗入地下补充地下水，同时蓄水层安装的雨水回用管道能够将雨水花园系统净化过的雨水回收利用或排入自然水体。可见，雨水花园系统是一种生态可持续的雨水控制与利用设施。

雨水花园因其系统布置灵活、结构简单、成本低廉且适用性广泛，适用于海绵城市建设中控制城市降雨径流污染与截留雨水径流。但是传统的雨水花园系统还存在着一些不足，如在寒冷气候下处理效果严重下降、甚至存在着植物死亡的问题；运行一段时间后土壤受到污染出现板结问题影响下渗效果；传统设计方法的雨水花园对于污染物的去除效率不能够达到较高的水平等；目前公开的专利大多是提高雨水花园的径流削减效果或对景观效果进行改造，没有针对初期雨水中的氮污染物处理采取有效的强化处理手段，存在着出水的氮污染含量依然较高的问题。因此，有必要对传统的雨水花园系统进行升级改造。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用，该系统将多级雨水花园进行串联组合并且加入折流的过流方式，以加强去除污染物的能力，达到处理初期雨水污染和改善景观效果的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案一是：一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统，包括依次串联的过滤区、多级折流区和下渗回用区，所述多级折流区包含第一级折流区、奇数个中间级折流区和最后级折流区，所述过滤区与第一级折流区之间设置有非溢流隔墙，所述过滤区底部和第一级折流区底部相连通以传输雨水，奇数级折流区与后端相邻的偶数级折流区之间设置有传输雨水的溢流隔墙，所述偶数级折流区与后端相邻的奇数级折流区之间设置有非溢流隔墙，所述偶数级折流区底部和后端相邻的奇数级折流区底部相连通以传输雨水，所述最后级折流区与下渗回用区之间设置有传输雨水的溢流隔墙，所述下渗回用区末端设置有超标雨水溢流堰。

优选的，所述多级折流区采用由向上流的第一级折流区、向下流的第二级折流区和向上流的第三级折流区组成的三级折流结构，所述第一级折流区与第二级折流区之间设置传输雨水的溢流隔墙，所述第二级折流区与第三级折流区之间设置有非溢流隔墙，所述第二级折流区底部和第三级折流区底部相连通以传输雨水。

优选的，所述过滤区底部和第一级折流区底部设置有传输雨水的穿孔管，所述偶数级折流区底部和后端相邻的奇数级折流区底部设置有传输雨水的穿孔管。

优选的，所述过滤区从上往下依次设置有碎石缓冲层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述过滤区的卵石层底部设置有将雨水传输至第一级折流区的穿孔管。

优选的，各级折流区从上往下依次设置有植被层、土壤层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述第一级折流区的卵石层底部设置有接收来自过滤区的雨水的穿孔管，所述偶数级折流区的卵石层底部和后端相邻的奇数级折流区的卵石层底部设置有传输雨水的穿孔管。

优选的，所述下渗回用区从上到下依次设置有植被层、土壤层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述下渗回用区底部通过不透水矮墙分隔成下渗区和雨水回用区，所述下渗区设置有位于卵石层底部的透水层，所述雨水回用区设置有位于卵石层底部的不透水层，所述不透水层上方设置有回收处理后雨水的雨水回用管，所述雨水回用管外部覆盖有滤网。

优选的，所述下渗区和雨水回用区的面积相等。

优选的，所述过滤区、多级折流区和下渗回用区的高度依次降低。

为了实现上述目的，本发明的技术方案二是：一种利用多级折流式雨水花园系统处理初期雨水的方法，采用上述的多级折流式雨水花园系统，并包括以下步骤：

（1）降雨时雨水在路面产生雨水径流，当雨水径流汇集到雨水花园系统的入口时，过滤区顶部对雨水径流进行缓冲减速，雨水以向下流的方式到达过滤区底部以去除雨水中的大量固体污染物，径流中仅残留有溶解性污染物；

（2）雨水从过滤区底部进入第一级折流区后，在奇数级折流区通过溢流隔墙进入后端相邻的偶数级折流区，在偶数级折流区底部进入后端相邻的奇数级折流区，雨水在折流区内上下交错折流通过以延长雨水在系统内的停留时间，同时对雨水进行充氧以增强雨水的生物处理效果；

（3）雨水从最后级折流区通过溢流隔墙进入下渗回用区后，雨水以向下流的方式进入下渗回用区底部，其中一部分雨水直接下渗进入地下以补充地下水资源，另一部分雨水被回用。

优选的，该方法还可以包括步骤（4）当降雨径流量超过设计量时，由于初期污染严重的雨水已经被雨水花园系统充分收纳，较干净的雨水径流则通过雨水花园系统的各个隔墙逐区溢流至末端的超标雨水溢流堰，最后被送入雨水管网、雨水回用设施或雨水收纳水体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过过滤区保护雨水花园系统内土壤与植被，同时有效减少进入系统的固体污染物；通过多级折流区的折流方式来延长雨水径流在系统内的停留时间，增强系统的生物处理效果；通过下渗回用区的下渗和雨水回用功能，在满足雨水下渗的要求的同时，还能够将处理后的雨水回收再利用；该系统应用范围广泛，可适用于公园、居民小区、校园和城市绿化等，能够有效地对初期雨水中的污染物进行处理，同时还能够将处理后较干净的雨水渗入地下或者收集回用，从而降低径流总量、削减径流峰值，达到环境保护和景观改善的目的，在海绵城市建设中拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的多级折流式雨水花园系统结构示意图。

图中标记：1、碎石缓冲层；2、砂滤层；3、过渡层；4、卵石层；5、穿孔管；6、土壤层；7、植被层；8、溢流隔墙；9、非溢流隔墙；10、透水层；11、雨水回用管；12、不透水层；13、超标雨水溢流堰；14、过滤区；15、折流区；15a、第一级折流区；15b、中间级折流区或第二级折流区；15c、最后级折流区或第三级折流区；16、下渗回用区；16a、下渗区；16b、雨水回用区；17、滤网。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1所示，一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统，包括依次串联的过滤区14、多级折流区15和下渗回用区16，所述多级折流区15包含第一级折流区15a、奇数个中间级折流区15b和最后级折流区15c，所述过滤区14与第一级折流区15a之间设置有非溢流隔墙9，所述过滤区14底部和第一级折流区15a底部相连通以传输雨水，奇数级折流区与后端相邻的偶数级折流区之间设置有传输雨水的溢流隔墙8，所述偶数级折流区与后端相邻的奇数级折流区之间设置有非溢流隔墙9，所述偶数级折流区底部和后端相邻的奇数级折流区底部相连通以传输雨水，所述最后级折流区15c与下渗回用区16之间设置有传输雨水的溢流隔墙8，所述下渗回用区16末端设置有超标雨水溢流堰13。

在本发明实施例中，所述多级折流区15采用由向上流的第一级折流区15a、向下流的第二级折流区15b（即中间级折流区）和向上流的第三级折流区15c（即最后级折流区）组成的三级折流结构，所述第一级折流区15a与第二级折流区15b之间设置传输雨水的溢流隔墙8，所述第二级折流区15b与第三级折流区15c之间设置有非溢流隔墙9，所述第二级折流区15b底部和第三级折流区15c底部相连通以传输雨水。

在本发明实施例中，所述过滤区14底部和第一级折流区15a底部设置有传输雨水的穿孔管5，所述偶数级折流区底部和后端相邻的奇数级折流区底部设置有传输雨水的穿孔管5，如第二级折流区15b和第三级折流区15c通过底部的穿孔管5传输雨水。

在本发明实施例中，所述过滤区14从上往下依次设置有碎石缓冲层1、砂滤层2、过渡层3和卵石层4，所述过滤区14的卵石层4底部设置有将雨水传输至第一级折流区15a的穿孔管5。其中，碎石缓冲层1的作用是对来自路面的雨水径流进行减速，防止冲刷破坏雨水花园系统内的土壤层6和植被层7。

在本发明实施例中，各级折流区15从上往下依次设置有植被层7、土壤层6、砂滤层2、过渡层3和卵石层4，所述第一级折流区15a的卵石层4底部设置有接收来自过滤区14的雨水的穿孔管5，所述偶数级折流区的卵石层4底部和后端相邻的奇数级折流区的卵石层4底部设置有传输雨水的穿孔管5。

在本发明实施例中，所述下渗回用区16从上到下依次设置有植被层7、土壤层6、砂滤层2、过渡层3和卵石层4，所述下渗回用区16底部通过不透水矮墙分隔成下渗区16a和雨水回用区16b，所述下渗区16a设置有位于卵石层4底部的透水层10，所述雨水回用区16b设置有位于卵石层4底部的不透水层12，所述不透水层12上方设置有回收处理后雨水的雨水回用管11，所述雨水回用管11外部覆盖有滤网17以过滤来自雨水花园系统内的泥砂。

其中，所述下渗区16a和雨水回用区16b的面积相等，但并不局限于此。其中，所述不透水矮墙的材料优选不透水混凝土，所述透水层10的材料优选透水混凝土，所述不透水层12的材料优选不透水混凝土，但并不局限于此。

在本发明实施例中，所述过滤区14、多级折流区15和下渗回用区16的高度依次降低，即雨水花园系统总体为从高到低设计，对于超过雨水花园系统设计的雨水量，则直接通过雨水花园顶部逐级溢流至末端的超标雨水溢流堰13，最后进入雨水管网、雨水回用设施或雨水收纳水体（如附近自然水体）。

在实际应用时，应根据场地的具体情况设计雨水花园系统，例如具体设计参数如下：

（1）可处理的水量为6~90m³；过流速度为2~4m/h；设计面积为10~60m²或更大，形状为矩形、扇形或椭圆形，但不局限于以上形状；长宽比为1:5~1:8；厚度为60~150cm。

（2）穿孔管5和雨水回用管11可采用多根并排设置，间隔为30~50cm，开孔面积比不低于15％，管径30~50mm；隔墙8、9厚度为5~15cm；溢流隔墙8高于土壤层610~20cm；非溢流隔墙9高于土壤层620~30cm。

（3）过滤区14的碎石缓冲层1粒径为20~40cm，厚度为15~30cm；折流区15和下渗区16a的植被层7植物高度为30~150cm；土壤层6材料选用当地土壤，厚度为25~30cm；砂滤层2粒径为300~3500mm，厚度为25~50cm；卵石层4粒径为10~30mm，厚度为10~20cm；过渡层3材料为土工布，厚度为3~6cm。

其中，植被层7内种植的植物为草本植物和/或木本植物，具体选择需根据当地自然环境和植物自身特性决定，木本植物可选雪莲、蔷薇、玫瑰、茉莉、黑桤木等，草本植物可选芦苇、香蒲、千屈菜、水芹、水葱、黄葛蒲、石葛蒲、香菇草等，但植物不局限于以上列举种类。

该雨水花园系统针对污染程度在TSS为200~700mg/L、COD为150~350mg/L、NH₃-N为250~400mg/L、TN为350~500 mg/L、TP为5~15mg/L范围内的初期雨水，处理效果能够达到：TSS为90~98%、COD为90~95%、NH₃-N为90%~97%、TN为85~95%、TP为80~95%。

如图1所示，一种利用多级折流式雨水花园系统处理初期雨水的方法，采用上述的多级折流式雨水花园系统，并包括以下步骤：

（1）降雨时雨水在路面产生雨水径流，当雨水径流汇集到雨水花园系统的入口时，过滤区14顶部对雨水径流进行缓冲减速，雨水以向下流的方式到达过滤区14底部以去除雨水中的大量固体污染物，径流中仅残留有溶解性污染物；

（2）雨水从过滤区14底部进入第一级折流区15a后，在奇数级折流区通过溢流隔墙8进入后端相邻的偶数级折流区，在偶数级折流区底部进入后端相邻的奇数级折流区，雨水在折流区15内上下交错折流通过以延长雨水在系统内的停留时间，同时对雨水进行充氧以增强雨水的生物处理效果；

（3）雨水从最后级折流区15c通过溢流隔墙8进入下渗回用区16后，雨水以向下流的方式进入下渗回用区16底部，其中一部分雨水直接下渗进入地下以补充地下水资源，另一部分雨水被回用。

在本发明实施例中，该方法还包括步骤（4）当降雨径流量超过设计量时，由于初期污染严重的雨水已经被雨水花园系统充分收纳，较干净的雨水径流则通过雨水花园系统的各个隔墙8、9逐区溢流至末端的超标雨水溢流堰13，最后被送入雨水管网、雨水回用设施或雨水收纳水体（如附件自然水体）。

在本发明实施例中，步骤（1）中的过滤区14顶部设置有对雨水径流进行缓冲减速的碎石缓冲层1，从而保护系统内的土壤和植被不受冲击。

在本发明实施例中，步骤（2）中的雨水通过穿孔管5从过滤区14底部进入第一级折流区15a，雨水在通过溢流隔墙8时进行了一定程度的充氧。

在本发明实施例中，步骤（3）中的下渗回用区16底部通过不透水矮墙分隔成下渗区16a和雨水回用区16b，下渗区16a和雨水回用区16b的面积各占一半；进入下渗区16a的雨水通过底部的透水混凝土直接下渗进入地下；进入雨水回用区16b的雨水被不透水混凝土拦截，经过滤网17过滤之后进入雨水回用管11，被送入雨水回用设施。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统及其应用。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种用于处理初期雨水的多级折流式雨水花园系统，其特征在于：包括依次串联的过滤区、多级折流区和下渗回用区，所述多级折流区包含第一级折流区、奇数个中间级折流区和最后级折流区，包含第一级折流区、奇数个中间级折流区和最后级折流区的所述多级折流区具体设置为向上流的第一级折流区、向下流的第二级折流区和向上流的第三级折流区组成的三级折流结构，所述第一级折流区与第二级折流区之间设置传输雨水的溢流隔墙，所述第二级折流区与第三级折流区之间设置有非溢流隔墙，所述第二级折流区底部和第三级折流区底部相连通以传输雨水，所述下渗区和雨水回用区的面积相等，所述过滤区、多级折流区和下渗回用区的高度依次降低，所述过滤区与第一级折流区之间设置有非溢流隔墙，所述过滤区底部和第一级折流区底部相连通以传输雨水，所述第三级折流区与下渗回用区之间设置有传输雨水的溢流隔墙，所述下渗回用区末端设置有超标雨水溢流堰，所述过滤区底部和第一级折流区底部设置有传输雨水的穿孔管，所述第二级折流区底部和后端相邻的第三级折流区底部设置有传输雨水的穿孔管，所述过滤区从上往下依次设置有碎石缓冲层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述过滤区的卵石层底部设置有将雨水传输至第一级折流区的穿孔管，各级折流区从上往下依次设置有植被层、土壤层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述第一级折流区的卵石层底部设置有接收来自过滤区的雨水的穿孔管，所述第二级折流区的卵石层底部和后端相邻的第三级折流区的卵石层底部设置有传输雨水的穿孔管，所述下渗回用区从上到下依次设置有植被层、土壤层、砂滤层、过渡层和卵石层，所述下渗回用区底部通过不透水矮墙分隔成下渗区和雨水回用区，所述下渗区设置有位于卵石层底部的透水层，所述雨水回用区设置有位于卵石层底部的不透水层，所述不透水层上方设置有回收处理后雨水的雨水回用管，所述雨水回用管外部覆盖有滤网。

2.一种利用多级折流式雨水花园系统处理初期雨水的方法，其特征在于，采用权利要求1中所述的多级折流式雨水花园系统，并包括以下步骤：

（1）降雨时雨水在路面产生雨水径流，当雨水径流汇集到雨水花园系统的入口时，过滤区顶部对雨水径流进行缓冲减速，雨水以向下流的方式到达过滤区底部以去除雨水中的大量固体污染物，径流中仅残留有溶解性污染物；

（2）雨水从过滤区底部进入第一级折流区后，在第一级折流区通过溢流隔墙进入后端相邻的第二级折流区，在第二级折流区底部进入后端相邻的第三级折流区，雨水在折流区内上下交错折流通过以延长雨水在系统内的停留时间，同时对雨水进行充氧以增强雨水的生物处理效果；

（3）雨水从最后级折流区通过溢流隔墙进入下渗回用区后，雨水以向下流的方式进入下渗回用区底部，其中一部分雨水直接下渗进入地下以补充地下水资源，另一部分雨水被回用；

（4）当降雨径流量超过设计量时，由于初期污染严重的雨水已经被雨水花园系统充分收纳，较干净的雨水径流则通过雨水花园系统的各个隔墙逐区溢流至末端的超标雨水溢流堰，最后被送入雨水管网、雨水回用设施或雨水收纳水体。