公路雨水集蓄利用工程設(shè)計_山東半島公路生態(tài)建設(shè)和修復(fù)工程技術(shù)及實踐

（一）設(shè)計原則

公路雨水集蓄利用工程設(shè)計原則主要有以下方面。

1. 科學(xué)性原則

雨水收集與利用工程應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局，應(yīng)注重路界內(nèi)外排水系統(tǒng)、已有設(shè)施的功能及相互之間的合理銜接，形成完善的防、排、用系統(tǒng)。

2. 安全性原則

雨水收集與利用設(shè)施應(yīng)以確保公路結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定為前提，并重視生態(tài)環(huán)境保護和水土保持，防止水體污染和生態(tài)損害。

3. 協(xié)調(diào)性原則

雨水收集與利用工程應(yīng)因地制宜、合理設(shè)計，與服務(wù)區(qū)建筑、互通立交橋、邊坡等主體工程、相關(guān)設(shè)施及周邊自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

4. 經(jīng)濟性原則

充分利用現(xiàn)場條件和已有排水設(shè)施，選擇適宜的工程方案及施工工藝，盡量降低后期運行人工維護和管理費用，做到經(jīng)濟合理。

5. 先進性原則

雨水收集與利用工程設(shè)計應(yīng)在總結(jié)實踐經(jīng)驗和已有成果的基礎(chǔ)上，積極采用新技術(shù)、新材料和新工藝，不斷提高公路雨水利用技術(shù)水平。

（二）公路雨水集蓄利用工程方案設(shè)計

以下以高速公路互通立交區(qū)雨水集蓄與回用工程為例，提出總體設(shè)計方案。

1. 系統(tǒng)組成

高速公路互通立交區(qū)雨水集蓄與回用系統(tǒng)主要由雨水收集設(shè)施、棄流設(shè)施、預(yù)處理設(shè)施、主處理設(shè)施、回用設(shè)施組成，見圖5-1。

圖5-1　高速公路互通立交區(qū)雨水集蓄與回用系統(tǒng)組成

雨水收集設(shè)施一般包括落水口及集水管（橋面）、泄水口及排水溝（路面）和坡面集排水溝等設(shè)施；棄流設(shè)施一般包括棄流裝置和棄流池（棄流井）等設(shè)施，棄流池同時可兼作路面危險化學(xué)品泄漏應(yīng)急收集池；預(yù)處理設(shè)施一般為生態(tài)化的植草邊溝，其亦為匯排水邊溝；主處理設(shè)施一般包括調(diào)節(jié)池、簡易型人工濕地和清水池，以及提升水泵、管線等設(shè)施。

2. 系統(tǒng)設(shè)計

（1）雨水棄流。

① 要求。

a. 對橋面和路面的初期雨水徑流，應(yīng)在其進入處理設(shè)施前先經(jīng)棄流裝置進行棄流。

b. 橋面、路面初期徑流的棄流設(shè)施一般應(yīng)分開設(shè)置，路面初期徑流的棄流設(shè)施可根據(jù)路面匯水單元分散設(shè)置。

c. 初期雨水棄流宜采用自動控制棄流裝置，以及具有滲透功能的棄流池或棄流井。

d. 路面雨水初期徑流的棄流量應(yīng)按照實測雨水徑流的CODcr、SS、色度等污染物濃度確定。當(dāng)無資料時，雨水棄流可采用3～4mm徑流厚度。

② 初期徑流棄流量計算。初期徑流棄流量按下式計算：

Wi=10ψcδF

式中，Wi—— 設(shè)計初期徑流棄流量（m3）；

　　　ψc——雨量徑流系數(shù)；

　　　δ—— 初期雨水徑流厚度（mm）；

　　　 F—— 匯水面積（hm2）。

（2）雨水調(diào)節(jié)池。

① 要求。

a. 調(diào)節(jié)池的設(shè)置主要考慮一次暴雨可集雨量、年平均可集雨量和處理水量（需水量）等因素，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際情況，對其進行統(tǒng)籌比較。

b. 當(dāng)用水量大于可收集雨量時，可依據(jù)一次暴雨可集雨量確定調(diào)節(jié)池的有效容積；當(dāng)用水量小于可收集雨量時，從經(jīng)濟實用角度出發(fā)，可直接依據(jù)處理水量（需水量）來確定調(diào)節(jié)池的有效容積。

② 雨水調(diào)節(jié)池容積計算。雨水調(diào)節(jié)池容積一般可按下式計算：

V=10ψc（hy-δ）F

式中，V——雨水調(diào)節(jié)池有效容積（m3）；

　　　ψc——雨量徑流系數(shù)；

　　　hy——設(shè)計降雨厚度（mm）；

　　　δ——初期雨水徑流厚度（mm）；

　　　F——匯水面積（hm2）。

（3）人工濕地。

① 要求。

a. 人工濕地系統(tǒng)可由一個或多個人工濕地單元組成，人工濕地單元包括配水裝置、集水裝置、基質(zhì)、防滲層、水生植物及通氣裝置等。

b. 人工濕地系統(tǒng)設(shè)施場所應(yīng)考慮互通立交區(qū)自然環(huán)境條件，包括土地面積、地形、氣象、水文以及動植物生態(tài)因素等，必要時可進行工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等方面的勘察。

c. 人工濕地工程建造應(yīng)因地制宜，充分選擇自然坡度為0～3%的洼地、水塘以及未利用土地。

d. 平面布置應(yīng)充分利用自然環(huán)境的有利條件，按構(gòu)筑物使用功能和流程要求，結(jié)合地形、氣候、地質(zhì)條件，考慮便于施工、維護和管理等因素，合理安排，緊湊布置。

e. 高程布置應(yīng)充分利用原有地形，符合排水通暢、降低能耗、平衡土方的要求；系統(tǒng)高程設(shè)計應(yīng)盡量結(jié)合自然坡度，采用重力流形式，需提升時，宜一次提升。

f. 人工濕地設(shè)施應(yīng)設(shè)置必要的溢流、排空、清淤、通氣等裝置。

g. 應(yīng)綜合考慮人工濕地系統(tǒng)構(gòu)筑物的外觀、輪廓、不同類型單元的搭配、水生植物的配置、景觀設(shè)施營建等因素，使工程設(shè)施與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，并達到應(yīng)有的生態(tài)景觀效果。

② 人工濕地主要參數(shù)計算。

a. 人工濕地體積一般可根據(jù)調(diào)節(jié)池有效容積進行推算，即

Vc=

式中，Vc——人工濕地體積（m3）；

　　　V——雨水調(diào)節(jié)池有效容積（m3）；

　　　t——人工濕地的水力停留時間（d），一般小于1d；

　　　nk——填料孔隙率，一般取值為0.4～0.5；

　　　T ——設(shè)計降雨歷時（d），一般為1d。

b. 人工濕地表面積按下式計算：

Ac=

式中，Ac——人工濕地表面積（m2）；

　　　Vc——人工濕地體積（m3）；

　　　h——人工濕地有效水深（m），一般取值為0.6～1.1 m。

c. 人工濕地表面水力負(fù)荷按下式計算：

qhs=

式中，qhs——表面水力負(fù)荷（m3/（m2·d））；

　　　Qc——人工濕地設(shè)計處理水量（m3）；

　　　Ac——人工濕地表面積（m2）。

③ 人工濕地植物及物料配置。

a. 人工濕地宜選用耐污能力強、根系發(fā)達、污染物去除效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力且易于養(yǎng)護管理的鄉(xiāng)土型水生植物。

b. 人工濕地可選擇一種或多種水生植物作為優(yōu)勢種搭配種植，增加植物的多樣性并具有景觀效果。

c. 水生植物物種的選擇通常包括蘆葦、蒲草、寬葉香蒲、菖蒲、水麥冬、風(fēng)車草、燈芯草等挺水植物和鳳眼蓮、浮萍、睡蓮等浮水植物，以及這些不同物種之間的組合。

d. 水生植物種植密度可根據(jù)植物種類與工程的要求配置，挺水植物的種植密度一般為9～25株/平方米；浮水植物的種植密度均一般為3～9株/平方米。

e. 人工濕地基質(zhì)配置應(yīng)選用比表面積大、孔隙率高并有一定機械強度的材料，如用土壤填料、卵石填料、爐渣填料、自然巖石與礦物材料等，基質(zhì)可采用多種填料、不同級配和多層結(jié)構(gòu)。填料粒徑規(guī)格宜在5 ～ 60 mm 范圍內(nèi)。

（4）清水池。清水池的有效容積一般可根據(jù)人工濕地設(shè)計處理水量、回用需水量確定。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回用需求。在規(guī)模一定的情況下,可根據(jù)降雨量、回用需水量和儲水量進行平衡計算，合理確定其規(guī)模。在有條件的情況下，可利用地形設(shè)置池塘、人工湖等，將清水池的儲水引入作為后備回用水源。

（5）雨水預(yù)處理。雨水預(yù)處理一般可采用植被控制處理方式，通常是將常規(guī)的排水邊溝改造成利用植物的沉淀、吸附、滲濾功能來凈化雨水的構(gòu)筑型式。

① 生態(tài)型邊溝結(jié)構(gòu)。所謂“生態(tài)型邊溝”，是一概念性術(shù)語，目前尚缺少統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其實為現(xiàn)有漿砌邊溝的生態(tài)化構(gòu)筑形式。常用的結(jié)構(gòu)有雙側(cè)柔化淺碟形、雙側(cè)柔化U形以及底部埋設(shè)盲管的復(fù)合形。雨水預(yù)處理一般采用圖5-2所示的結(jié)構(gòu)，工程設(shè)計時可參照其相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行，但注意要以滿足《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）相關(guān)要求為前提。

圖5-2　生態(tài)型邊溝的結(jié)構(gòu)

② 要求。

a. 生態(tài)邊溝表土層可采用噴播方式，植物種植品種可選用馬藺、紫羊茅、無芒雀麥、草地早熟禾、紫花苜蓿或這些品種的組合。

b. 因過水?dāng)嗝娴男螤詈兔娣e、溝底縱坡和溝壁的粗糙系數(shù)直接影響生態(tài)邊溝的排水能力，故在設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮，合理設(shè)置。一般縱坡可在0.3%～2%范圍內(nèi)取值，斷面邊坡坡度可在1/4～1/3 范圍內(nèi)取值。

c. 生態(tài)邊溝的雨水預(yù)處理功能應(yīng)與排水能力兼顧，種植草的高度一般應(yīng)保持在20～ 30 cm之間。生態(tài)邊溝的深度應(yīng)大于最大有效水深，但一般最大不宜超過60 cm。

d. 生態(tài)邊溝的長度應(yīng)根據(jù)具體的平面布置情況取值，主要以防止溝底沖刷破壞為原則。溝底部應(yīng)盡量設(shè)計成圓端形，寬度范圍宜在20 ～ 200 cm之間，當(dāng)設(shè)計底寬大于200 cm 時，應(yīng)在邊溝縱向增設(shè)水流分離裝置。