海绵城市建设中嵌入式雨水收集系统设计研究

何茜

摘 要： 城市水资源系统是大自然系统中的一个子系统，令城市中雨水资源得到良好利用可达到改善区域环境的目的，提出对海绵城市建设中嵌入式雨水收集系统进行设计。首先，根据收集方式的不同概括为屋面雨水收集、路面雨水收集及绿地雨水收集，通过对年雨水量的计算获取集雨量数据，利用径流系数了解地面汇水面积、地面坡度、建筑密度分布及路面铺砌情况，对雨水管渠进行设计初步完成嵌入式雨水收集系统；其次，对收集后的雨水采用初期雨水弃流和旋流分离污染物控制处理技术，利用雨水径流对污染物的冲刷规律和输送规律对雨水中的杂质和非点源污染进行控制，再通过旋流分离器对雨水中难以分离的泥沙实现分离，通过以上步骤即完成了城市雨水收集系统的综合设计。实验证明，运用该嵌入式雨水收集系统可提高对雨水资源的利用率。

关键词： 海绵城市； 雨水收集系统； 雨水利用率； 嵌入式系统

中图分类号： TN919?34； TU178 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0141?04

Design of embedded rainwater collection system in sponge city construction

HE Qian

（College of Engineering and Technology， Xichang University， Xichang 615013， China）

Abstract： The city water resource system as a subsystem of the nature system makes good use of rainwater resource in the city to improve the regional environment. In this paper， an embedded rainwater collection system in the sponge city construction is put forward. According to the different collection methods， the roof rainwater collection， road rainwater collection and green area rainwater collection are summarized. The annual rainfall is calculated to collect the rainfall data， and the runoff coefficient is used to understand the ground catchment area， ground slope， road paving and building density distribution to preliminarily design the rainwater sewer for the embedded rainwater collection system. The initial rainwater drainage control technology and cyclone separation control technology are used to process the pollutants in the collected rainwater. The scouring rule and transportation rule of rainwater runoff for pollutants are used to control the impurity and non?point source pollution in rainwater， and then the cyclone separator is adopted to separate the sediment which is difficult to separate from the rainwater. By means of the above steps， the comprehensive design of the city rainwater collection system is accomplished. The experimental results show that the embedded rainwater collection system can improve the utilization of rainwater resource.

Keywords： sponge city； rainwater collection system； rainwater utilization； embedded system

0 引 言

文献[1]指出近些年随着城市人口的不断增长及城市面积的不断扩张，城市化进程也呈现迅速加快的模式。由于城市化进程使透水面积在逐渐减小，水资源问题就显得尤为突出，因此在城市经济发展过程中有效解决水资源矛盾成为首要问题[2?3]。比较其他可再生的水资源，雨水有较明显的优势，例如，雨水就地收集，处理步骤简单，水质硬度低及水中含有土壤需要的营养成分，雨水中也不含污染土壤及污染地下水的成分。文献[4]提到对雨水的有效收集能够使过度开采地下水而造成的城市地面区域下陷得到缓解，也是解决城市内涝及城市恶性水循环等一系列问题的有效方法。雨水资源的高效收集和利用，能提高蓄养水资源的能力，增强城市防涝抗洪能力及提升城市生态环境[5?6]。

文献[7]提出我国城市雨水的利用始于20世纪90年代，经过多年来的努力，中国大部分城市虽然已经运用该项技术，但对雨水的利用率还比较低，未能达到理想效果，主要是由于对雨水的处理及综合运用方面不成熟，而且采用该项技术的城市也只是进行了初步尝试。endprint

海绵城市具有调节生态环境及应对洪涝灾害的功能，尤其是在环境改善方面具有明显的优势[8?9]。因此，文中提出对海绵城市建设中嵌入式雨水收集系统实现优化设计，以提高城市雨水资源利用效率。首先，根据雨水收集方式的差别可分为屋面雨水收集、绿地雨水收集和路面雨水收集等方式，以年降水量为基础对雨水集雨量实现求解计算，并通过径流指数掌握汇水面积及各区域的透水情况，即可计算出雨水总集雨量，以初步实现嵌入式雨水收集系统设计；其次，运用初期雨水弃流控制技术和旋流分离控制技术对收集后的雨水实现污染物处理，根据雨水径流对污染物的冲刷和输送规律，再运用旋流分离器对雨水中的颗粒污染物实现分离，以上步骤即实现了对城市雨水收集系统的优化设计。

1 海绵城市嵌入式雨水收集系统设计过程

1.1 基于水质特性的雨水收集系统

雨水是一种受到轻度污染的水资源，该资源的高效利用一方面可以控制雨水径流产生的污染物质，另一方面还可以解决城市水资源的短缺问题。对雨水资源进行使用前，要先实现雨水收集过程。海绵城市雨水的收集方法主要包括三类：一是屋面雨水收集；二是路面雨水收集；三是绿地雨水收集。

集雨方式划分后，通过设计雨水管渠达到最大集雨量，根据年降水量的不同，集雨量也存在区别。雨水综合利用是一个较为复杂的过程，高效利用雨水前需先处理好雨水收集问题。根据某海绵城市的年雨水量对雨水管渠流量[Q]进行设计，计算公式如下：

[Q=ψm·q·F] （1）

[q=λA1+ClgPt+bn] （2）

式中：[ψm]表示流量径流系数；[q]表示设计暴雨强度；[F]表示汇水面积；[m]表示折减系数；[λ]表示常数；[C]表示流速系数；[t]表示雨水汇集时间；[n]表示雨水渠粗糙系数；[b]表示雨水渠宽度；[P]表示设计重现期。

雨水管渠设计重现期设定需结合海绵城市某区域当地实际条件，从经济及技术方面统一考虑，合理选择。可将部分城市的设计重现期取值作为参考值，对海绵城市中的新规划区域进行设计。

在城市中，雨水从地面径流至雨水口，经雨水管再汇入河流，这个过程中所需的时间为雨水汇集时间[t，]则可描述为：

[t=t1+mt2] （3）

式中：[t1]表示地面集水时间；[t2]表示管渠内雨水流动时间。地面集水时间主要受雨水流距长短、地面坡度和地面覆盖情况等因素影响。资料显示，地面集水时间所采用数据大多数不需要计算，按经验取值，而根据经验一般地面集水时间[t1]取值范围为5～10 min。

管渠内雨水流形成时间指的是雨水从雨水口传输到管道，最后流至河道的流经时间。[t2]值是暴雨强度指标之一，与管道长度、坡度、雨水流速及管材性质等因素相关。通过式（4）可对管渠内雨水流动时间[t2]进行描述：

[t2=Li60Vi] （4）

式中：[Li]表示各管段长度；[Vi]表示各管段满流时水流速度。

折减系数是我国学者依据雨水空隙容量思想研究提出的，因此折减系数的取值范围也必须根据海绵城市某地区的实际条件进行取值。通过以上公式已经确定了地面集水时间及管渠内雨水的流动时间，通过确定折减系数可最后获取雨水收集量。

1.2 基于雨水污染控制技术的雨水收集利用设计

为有效实现雨水资源的综合利用，需对收集后的雨水进行处理，本文提出采用两种技术对雨水中的污染物进行控制。具体雨水收集系统综合利用结构如图1所示。

初期雨水弃流控制技术是一种适用性强且有效的水质处理技术，经过对雨水弃流装置的合理设计可对雨水中细小颗粒或可溶性污染物进行处理控制。雨水汇集存在不同径流量的情况，例如小汇水面的径流雨水，由于初期雨水弃流量较小，可设计简易的雨水弃流装置。雨水先流入弃流池，当弃流池蓄满后雨水从设置的高水位蓄水池溢出后进入后续处理系统，直到雨停后将弃流池排空。

对于旋流分离器来讲，在其他条件相同的情况下，污染颗粒越小，则在旋流器内占用的平衡轨道半径越小，这种颗粒物不易与旋流器边壁产生有效分离，其分离的难度比分离大颗粒杂质难度高。若想使极细颗粒物质达到良好的分离效果，必须使旋流分离器能够达到较小的分离粒度。下面对影响旋流分离器的主要结构部件进行设计，包括旋流器进出口、旋流分离器直径和挡板安装角度等。旋流分离系统的具体设计结构图如图2所示。

进出口高度确定：依据旋流条件的限制，为防止旋转时水流速度过快出现的涌出现象，需要合理设计进出口高度，进口应该设置在距离观察孔一倍左右的进口下方，该设计方式可以避免水流涌出现象，但也不能够使进出口过高，过高会使旋流不顺畅，造成流动受阻现象，可将进出口设计为距离顶部4.0 cm处。

旋流分离器直径确定：该组件主要对过流能力和分离力度大小产生影响。过流能力和分离力度会伴随旋流分离器直径的增大而增加，因此进口直径与旋流器直径的关系为：[D进口=0.15-0.25D直径，]计算得到中间值，则旋流分离器的直径为150 cm。

旋流分离器总高度确定：对于旋流分离器来说，若旋流沉降的線路越长，表明旋流分离器越高，颗粒物沉降处理时间越长，效果也越好。但根据实际工程情况和沉淀物处理等步骤，不能将旋流分离器设计得过高。考虑到实际条件，根据经验通过计算后确定旋流分离器高度为200 cm。

综上所述，通过对雨水管渠的计算可以初步对雨水收集系统进行设计，在经过雨水收集后充分利用旋流分离系统对收集后的雨水进行污染物控制处理，达到标准回用水水质，从而完成了海绵城市雨水收集系统的综合优化设计。

2 实验与结果分析

为缓解城市化进程给生态环境带来的影响，本文提出对海绵城市的雨水收集系统进行优化设计，从而增加雨水的综合利用效率，达到改善城市生态环境的目的。通过仿真实验验证本文雨水收集系统的可行性，具体实验如下。endprint

实验1：将海绵城市的某区域作为实验对象，统计夏季汛期6—8月的降水量，同时对该区域各雨水收集系统设施的集雨量進行实际监测，通过运用本文雨水管渠设计方法对该区域的雨水集雨量进行求解计算，并对两组数据比较差异性。具体集雨量数据如表1所示。

表1数据为对6—8月份雨水收集系统的实际集雨量监测数据，对照表1可看出，6—8月份的屋顶集雨量、绿地集雨量、路面集雨量和水面集雨量与实际监测结果差距微小，且总集雨量也基本一致，表明本文的雨水管渠设计方法对该区域6—8月份的雨水集雨量计算较为准确，能较好地反映该地区雨水收集系统的良好性能。

实验2：为提高雨水的利用率，在通过雨水收集步骤之后，利用本文的旋流分离系统对雨水资源进行进一步污染物控制处理。对收集后的雨水进行样品采集，运用本文旋流分离系统和雨落管弃流系统对雨水样品进行处理，分别观察雨水经过处理后进出口SS（悬浮固体）浓度变化及进出口浊度变化，具体变化曲线图如图3，图4所示。

（1） 先从雨水收集系统中取3组样品，利用旋流分离系统对以上3组样品进行处理，获取进出口SS浓度变化曲线图，具体如图3所示。

图3为利用旋流分离系统对收集后的雨水进行悬浮固体控制处理操作，从图中能够看出随着处理时间的增加，悬浮固体浓度呈现逐渐下降的趋势，且下降趋势明显，说明由出水口流出处理后的雨水水质较好。

（2） 实验提供3组雨水样品，利用雨落管弃流系统对雨水样品实行处理后，比较处理后雨水的浊度变化，具体如图4所示。

对比以上两种系统，显示本文中的旋流分离系统对雨水处理综合利用效率较高。

3 结 论

城市水资源的有效利用能够为经济发展提供坚实的基础，因此本文提出对海绵城市的雨水收集系统进行优化设计，从而提高雨水资源的利用效果，缓解城市热岛效应。首先，利用不同的雨水收集方式，即屋顶雨水收集、绿地收集、路面收集等方式先对雨水实现收集，根据年降水量求解雨水集雨量，再运用径流系数来掌握地面覆盖物的透水情况，并根据集雨量和径流系数设计雨水管渠，使嵌入式雨水收集系统初步完成；其次，采用初期雨水弃流控制技术和旋流分离控制技术对收集后的雨水进行处理，根据雨水径流规律和污染物的冲刷规律，运用两种控制技术实现雨水污染物处理过程，最终完成雨水收集系统的综合设计。实验证明，运用该嵌入式雨水收集系统可提高对雨水资源的利用率。

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