以上海浦東地區(qū)的降雨資料和雨水徑流特點為基礎，參考國外高速公路雨水徑流污染處理設施的設計,，提出了采用棄流 —沉淀 —人工濕地組合工藝處理城市快速干道收集的雨水,，將處理后的出水儲存于清水池,，用于道路澆灑和綠化灌溉。對沉淀池,、人工濕地,、清水池的設計方法和設計參數(shù)進行了討論，使其在滿足工程條件下,，保證雨水的處理效果和可利用的水量,。

 

關鍵詞：城市快速干道；雨水收集,；雨水利用,；徑流處理

 

工程概述

該城市快速干道位于上海市浦東新區(qū)，設計車流量為8×104輛 /d,。根據(jù)實際工程需要,，該示范段內(nèi)為高架道路，雨水收集示范段長度確定為 200 m,實際道路有效雨水收集寬度為 64 m, 道路路面材料為瀝青,，中央綠化隔離帶寬度為 6 m, 邊側(cè)綠化帶寬度為36 m ( 單向為 18 m) , 利用雨水噴灌的綠化帶長度為200 m, 即該工程實際雨水收集面積為1. 28hm2, 收集后的雨水用于道路澆灑的服務面積為1. 28 hm2, 用于綠化的服務面積為8 400 m2,。雨水收集和處理構(gòu)筑物擬建在高架路下的綠化帶內(nèi)，其單體構(gòu)筑物用地限制在25 m×17 m的范圍內(nèi),。

 

降雨分析

為保證工程設計的合理性,，有必要對浦東地區(qū)的降雨情況進行分析。根據(jù)1989年—2004年浦東地區(qū)年降雨情況的記錄 , 16年間共有降雨1 880 d,降雨總量19 502. 3 mm, 平均降雨強度為 10. 37mm /d,。16年間共發(fā)生暴雨 61次( 日降雨量 > 50mm) , 年均 3. 8 次,。各降雨強度區(qū)間降雨量及其占總降雨量的比例見表1 。

 

工藝流程設計

國外研究資料表明, 理想的高速公路雨水徑流污染處理系統(tǒng)應包括隔油池或危險廢物收集池,、泥沙截留過濾植物帶,、沉淀塘或沉淀池及其附屬構(gòu)筑物、人工濕地或其他生態(tài)處理系統(tǒng),、后沉淀池,。根據(jù)本工程的具體用地實際和受納水體的情況 , 設計了如圖 1 所示的雨水收集處理工藝。

 

 

圖 1 雨水收集處理工藝流程

 

雨水分流井

雨水分流井的主要作用在于考慮后續(xù)處理構(gòu)筑物發(fā)生意外事故或者需要維護時 , 將底部的雨水出水管封閉 , 收集的雨水通過設置在上部的超越管直接排放到原有的收集干管或就近排放于水體,。為保證道路排水的安全性 , 選擇的超越管比進水管大 2號,。雨水分流井的構(gòu)造見圖 2 。

 

 

圖 2 雨水分流井構(gòu)造示意圖

 

初期雨水棄流池

工程中將快速干道的初期雨水進行收集并通過雨水干管直接排進城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng) , 利用浦東新區(qū)的初期雨水集中處理設施進行處理 , 可大大簡化后續(xù)處理工藝 , 節(jié)約處理成本,。另外 , 目前國內(nèi)高速公路附近幾乎都沒有設置危險廢物收集池 , 從長遠考慮工程中所設初期雨水棄流池也將發(fā)揮危險廢物收集池的作用,。

 

在分析國內(nèi)外特別是上海地區(qū)的大量實測道路徑流水質(zhì)資料的基礎上 , 在保證可利用水量的條件下 , 將初期 5 mm 的降雨量作為初期雨水。初期雨水棄流池容積可根據(jù)下式計算 :

 V 初期 = φ h 初期 A

式中 V 初期 ———初期雨水棄流池體積 ,m3

　φ———快速干道雨水徑流系數(shù) , 取 0. 90

　 A ———收集雨水路面面積 ,m2

　 h 初期 ———初期雨水量 , mm

根據(jù)以上分析,，計算得到初期雨水棄流池的設計容積為 57. 6 m3,。國外文獻指出，道路雨水危險廢物收集池的最小容積為 25 m3, 因此初期雨水棄流池的設計容積也可滿足危險廢物收集池的要求。

 

沉淀池

根據(jù)工程所處地理位置和設計車流量 , 預測徑流中 SS 濃度將達 300 ～ 500 mg/L ,。國外的研究表明, 沉淀池主要去除 SS ,、重金屬和部分 COD 及TP, 對 TN 的去除量很少。

 

關于雨水徑流沉淀池的設計 , 國內(nèi)尚沒有明確的設計參數(shù) , 因為雨水徑流本身具有很強的隨機性 ,徑流量的大小和時間都是不確定的,。 Shutes 等歸納了國外高速公路徑流污染處理構(gòu)筑物中沉淀池或沉淀塘的設計方法: ①沉淀池 ( 沉淀塘 ) 表面積取徑流面積的 2% ～ 3%; ②有效排水區(qū)域所需要的沉淀池 ( 沉淀塘 ) 容積 >100 m3/hm2; ③沉淀池 ( 沉淀塘 )容積取平均徑流體積的 4 ～ 6 倍,。

 

參考這些設計思想 , 綜合考慮用地限制和處理需要 , 本工程取沉淀池表面積為 210 m2 。沉淀池容積的確定需考慮雨水徑流的沉淀時間,。由于降雨期間進水流量不斷變化 , 出水流速也不確定 ( 是沉淀池水位的函數(shù)) ,這給沉淀池水力停留時間的計算帶來很大困難,。沉淀池的容積只能通過先確定有效水深 , 再進行校核。國外沉淀池 ( 沉淀塘 ) 的有效水深一般為 1. 0 ～ 2. 5 m, 考慮到較淺的沉淀池雖然有利于沉淀 , 但進水流量大時亦造成出水攜帶懸浮物 , 因此本工程沉淀池有效水深取 2. 5 m, 沉淀池的有效容積為 525 m3, 這也滿足了上述設計思想的要求,。

 

人工濕地

人工濕地作為一種生態(tài)處理技術 , 由于具有管理維護簡單,、不需要外加動力等特點 , 在國外道路徑流面源污染控制方面日益受到重視。雖然國外有不少應用人工濕地處理道路徑流的工程實例 , 但目前尚缺乏統(tǒng)一的設計參數(shù),。 Shutes 等認為, 人工濕地處理高速公路徑流的 HRT 至少要保證達到30 min; 對于年均暴雨徑流量至少要保證 HRT 為 3～ 5 h, 最好能保證 10 ～ 15 h, 最大是 24 h ,。

 

參考 Shutes 等人依據(jù)年均降雨量的設計思路 ,人工濕地的體積 ( V 人工濕地 ) 按下式計算 : V 人工濕地 = φ (h 設計 - h 初期 ) Aα T × 1 000t (3)式中 　α———人工濕地中基質(zhì)空隙率 , 根據(jù)小試結(jié)果取 0. 35 T ———設計降雨歷時 , 取 1 d t ———人工濕地的 HRT

 

設計降雨量為 50 mm /d 時 HRT 為 6 h, 計算得到所需的人工濕地體積為 371 m3 。 Bulc 等認為為保證人工濕地內(nèi)植物的正常生長 , 濕地有效水深應為 0. 6 ～ 1. 1 m ,?？紤]到用地限制 , 人工濕地的有效水深取上限值 (1. 1 m) , 平面尺寸為 23 m × 15 m 。為防止短流 , 人工濕地分為 10 個廊道 , 每個平面尺寸為 23 m × 1. 5 m, 水流呈推流狀態(tài),。濕地內(nèi)種植蘆葦 , 種植密度為 40 ～ 50 棵 /m2; 濕地基質(zhì)采用礫石和當?shù)赝寥?/span> , 礫石基質(zhì)厚度為 0. 90 m, 表層土壤厚度為 0. 20 m ,。基質(zhì)以上預留 0. 6 m 的超高 , 設置溢流管 , 暴雨時雨水可以直接溢流進入清水池,。

 

人工濕地是保證雨水能夠利用的關鍵性處理單元 , 結(jié)合本項目進行的小試結(jié)果表明 , 沉淀后的路面徑流經(jīng)人工濕地處理 , 其出水 SS 為 20 ～ 30 mg/L,COD 為 21 ～ 26 mg/L, TN 為 1 ～ 1. 5 mg/L, TP <0. 2mg/L ,。

 

清水池

清水池的有效容積跟降雨量、收集雨水的利用量,、降雨時間間隔直接相關,。在理想狀態(tài)下 , 清水池的容積就是前一場降雨后所收集的雨水剛好能滿足后一場降雨前的雨水利用需求。在規(guī)模一定的情況下 , 為了使清水池發(fā)揮最大效率 , 需進行降雨量,、需水量和儲水量之間的平衡計算 , 以合理確定規(guī)模,。

 

根據(jù)對綠化養(yǎng)護部門的調(diào)查 , 上海地區(qū)春(3月 — 5 月 ) 、秋(9月 — 11 月 ) 兩季綠化養(yǎng)護用水量一般都根據(jù)當日及前 2 d 的降雨情況確定 , 在夏季(6月 — 8 月 ) 則根據(jù)當日和前 1 d 的降雨情況確定,。需水量計算公式為 :

　 V 用 = < Fq (4)

式中V 用 ———日用水量 ,m3

<———綜合用水系數(shù) , 根據(jù)管理部門的要求 ,道路養(yǎng)護用水不用直接考慮 , 而是在綠化用水的基礎上放大一定比例

q ———綠化用水定額 ,L / (d · m2)

F ———服務區(qū)綠化面積 ,m2

儲水量是用水量和可收集水量之差 , 如果超過清水池容積 , 則認為等于清水池容積,。

V 儲 =V 設 　　　　　　

V 儲 > V 設

V 儲前日 + V 收 - V 用 V 儲 < V 設0 計算值 V 儲 <0(5)式中 　 V 儲 ———某計算日可儲存的雨水量 ,m3

V 設 ———預先設定的清水池容積 ,m3

V 用 ———該計算日用水量 ,m3

V 儲前日 ———該計算日的前 1 d 可儲存的雨水量 ,m3

 

按照以上思路 , 編制逐日雨水水量平衡計算流程見圖 3 。

雨水利用

目前上海市綠化澆灌用水仍以自來水為主 , 本工程運行后將為示范區(qū)內(nèi)的道路澆灑和綠化灌溉提供雨水 , 基本保證用水自足,。雨水利用示范帶的綠化澆灌設置自動噴灌系統(tǒng) , 由噴灌系統(tǒng)感應裝置根據(jù)降雨、氣溫,、時間等條件決定清水池內(nèi)潛水泵的啟動,。另外還設置取水口為灑水車供水 , 工程建成后每年可以利用的雨水量約為 9 000 m3 。

 

 

國內(nèi)的雨水資源利用主要是針對住宅小區(qū)、公共綠地和公共建筑群 , 本項目結(jié)合國外的相關工程和研究經(jīng)驗 , 探索了基于當?shù)亟涤晏卣鞯某鞘锌焖俑傻烙晁占孟到y(tǒng)的設計方法和設計參數(shù) , 示范項目區(qū)內(nèi)的道路澆灑和綠化灌溉用水可基本實現(xiàn)自足 , 同時也為城市道路建設中環(huán)境保護和生態(tài)補償提供了新的途徑,。