以上海浦东地区的降雨资料和雨水径流特点为基础，参考国外高速公路雨水径流污染处理设施的设计，提出了采用弃流 —沉淀 —人工湿地组合工艺处理城市快速干道收集的雨水，将处理后的出水储存于清水池，用于道路浇洒和绿化灌溉。对沉淀池、人工湿地、清水池的设计方法和设计参数进行了讨论，使其在满足工程条件下，保证雨水的处理效果和可利用的水量。
关键词：城市快速干道；雨水收集；雨水利用；径流处理
工程概述
该城市快速干道位于上海市浦东新区，设计车流量为8×104辆 /d。根据实际工程需要，该示范段内为高架道路，雨水收集示范段长度确定为 200 m,实际道路有效雨水收集宽度为 64 m, 道路路面材料为沥青，中央绿化隔离带宽度为 6 m, 边侧绿化带宽度为36 m ( 单向为 18 m) , 利用雨水喷灌的绿化带长度为200 m, 即该工程实际雨水收集面积为1. 28hm2, 收集后的雨水用于道路浇洒的服务面积为1. 28 hm2, 用于绿化的服务面积为8 400 m2。雨水收集和处理构筑物拟建在高架路下的绿化带内，其单体构筑物用地限制在25 m×17 m的范围内。
降雨分析
为保证工程设计的合理性，有必要对浦东地区的降雨情况进行分析。根据1989年—2004年浦东地区年降雨情况的记录 , 16年间共有降雨1 880 d,降雨总量19 502. 3 mm, 平均降雨强度为 10. 37mm /d。16年间共发生暴雨 61次( 日降雨量 > 50mm) , 年均 3. 8 次。各降雨强度区间降雨量及其占总降雨量的比例见表1 。
工艺流程设计
国外研究资料表明, 理想的高速公路雨水径流污染处理系统应包括隔油池或危险废物收集池、泥沙截留过滤植物带、沉淀塘或沉淀池及其附属构筑物、人工湿地或其他生态处理系统、后沉淀池。根据本工程的具体用地实际和受纳水体的情况 , 设计了如图 1 所示的雨水收集处理工艺。
图 1 雨水收集处理工艺流程
雨水分流井
雨水分流井的主要作用在于考虑后续处理构筑物发生意外事故或者需要维护时 , 将底部的雨水出水管封闭 , 收集的雨水通过设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体。为保证道路排水的安全性 , 选择的超越管比进水管大 2号。雨水分流井的构造见图 2 。
图 2 雨水分流井构造示意图
初期雨水弃流池
工程中将快速干道的初期雨水进行收集并通过雨水干管直接排进城市雨水管网系统 , 利用浦东新区的初期雨水集中处理设施进行处理 , 可大大简化后续处理工艺 , 节约处理成本。另外 , 目前国内高速公路附近几乎都没有设置危险废物收集池 , 从长远考虑工程中所设初期雨水弃流池也将发挥危险废物收集池的作用。
在分析国内外特别是上海地区的大量实测道路径流水质资料的基础上 , 在保证可利用水量的条件下 , 将初期 5 mm 的降雨量作为初期雨水。初期雨水弃流池容积可根据下式计算 :
V 初期 = φ h 初期 A
式中 V 初期 ———初期雨水弃流池体积 ,m3
φ———快速干道雨水径流系数 , 取 0. 90
A ———收集雨水路面面积 ,m2
h 初期 ———初期雨水量 , mm
根据以上分析，计算得到初期雨水弃流池的设计容积为 57. 6 m3。国外文献指出，道路雨水危险废物收集池的最小容积为 25 m3, 因此初期雨水弃流池的设计容积也可满足危险废物收集池的要求。
沉淀池
根据工程所处地理位置和设计车流量 , 预测径流中 SS 浓度将达 300 ～ 500 mg/L 。国外的研究表明, 沉淀池主要去除 SS 、重金属和部分 COD 及TP, 对 TN 的去除量很少。
关于雨水径流沉淀池的设计 , 国内尚没有明确的设计参数 , 因为雨水径流本身具有很强的随机性 ,径流量的大小和时间都是不确定的。 Shutes 等归纳了国外高速公路径流污染处理构筑物中沉淀池或沉淀塘的设计方法: ①沉淀池 ( 沉淀塘 ) 表面积取径流面积的 2% ～ 3%; ②有效排水区域所需要的沉淀池 ( 沉淀塘 ) 容积 >100 m3/hm2; ③沉淀池 ( 沉淀塘 )容积取平均径流体积的 4 ～ 6 倍。
参考这些设计思想 , 综合考虑用地限制和处理需要 , 本工程取沉淀池表面积为 210 m2 。沉淀池容积的确定需考虑雨水径流的沉淀时间。由于降雨期间进水流量不断变化 , 出水流速也不确定 ( 是沉淀池水位的函数) ,这给沉淀池水力停留时间的计算带来很大困难。沉淀池的容积只能通过先确定有效水深 , 再进行校核。国外沉淀池 ( 沉淀塘 ) 的有效水深一般为 1. 0 ～ 2. 5 m, 考虑到较浅的沉淀池虽然有利于沉淀 , 但进水流量大时亦造成出水携带悬浮物 , 因此本工程沉淀池有效水深取 2. 5 m, 沉淀池的有效容积为 525 m3, 这也满足了上述设计思想的要求。
人工湿地
人工湿地作为一种生态处理技术 , 由于具有管理维护简单、不需要外加动力等特点 , 在国外道路径流面源污染控制方面日益受到重视。虽然国外有不少应用人工湿地处理道路径流的工程实例 , 但目前尚缺乏统一的设计参数。 Shutes 等认为, 人工湿地处理高速公路径流的 HRT 至少要保证达到30 min; 对于年均暴雨径流量至少要保证 HRT 为 3～ 5 h, 最好能保证 10 ～ 15 h, 最大是 24 h 。
参考 Shutes 等人依据年均降雨量的设计思路 ,人工湿地的体积 ( V 人工湿地 ) 按下式计算 : V 人工湿地 = φ (h 设计 - h 初期 ) Aα T × 1 000t (3)式中 α———人工湿地中基质空隙率 , 根据小试结果取 0. 35 T ———设计降雨历时 , 取 1 d t ———人工湿地的 HRT
设计降雨量为 50 mm /d 时 HRT 为 6 h, 计算得到所需的人工湿地体积为 371 m3 。 Bulc 等认为为保证人工湿地内植物的正常生长 , 湿地有效水深应为 0. 6 ～ 1. 1 m 。考虑到用地限制 , 人工湿地的有效水深取上限值 (1. 1 m) , 平面尺寸为 23 m × 15 m 。为防止短流 , 人工湿地分为 10 个廊道 , 每个平面尺寸为 23 m × 1. 5 m, 水流呈推流状态。湿地内种植芦苇 , 种植密度为 40 ～ 50 棵 /m2; 湿地基质采用砾石和当地土壤 , 砾石基质厚度为 0. 90 m, 表层土壤厚度为 0. 20 m 。基质以上预留 0. 6 m 的超高 , 设置溢流管 , 暴雨时雨水可以直接溢流进入清水池。
人工湿地是保证雨水能够利用的关键性处理单元 , 结合本项目进行的小试结果表明 , 沉淀后的路面径流经人工湿地处理 , 其出水 SS 为 20 ～ 30 mg/L,COD 为 21 ～ 26 mg/L, TN 为 1 ～ 1. 5 mg/L, TP <0. 2mg/L 。
清水池
清水池的有效容积跟降雨量、收集雨水的利用量、降雨时间间隔直接相关。在理想状态下 , 清水池的容积就是前一场降雨后所收集的雨水刚好能满足后一场降雨前的雨水利用需求。在规模一定的情况下 , 为了使清水池发挥最大效率 , 需进行降雨量、需水量和储水量之间的平衡计算 , 以合理确定规模。
根据对绿化养护部门的调查 , 上海地区春(3月 — 5 月 ) 、秋(9月 — 11 月 ) 两季绿化养护用水量一般都根据当日及前 2 d 的降雨情况确定 , 在夏季(6月 — 8 月 ) 则根据当日和前 1 d 的降雨情况确定。需水量计算公式为 :
V 用 = < Fq (4)
式中V 用 ———日用水量 ,m3
<———综合用水系数 , 根据管理部门的要求 ,道路养护用水不用直接考虑 , 而是在绿化用水的基础上放大一定比例
q ———绿化用水定额 ,L / (d · m2)
F ———服务区绿化面积 ,m2
储水量是用水量和可收集水量之差 , 如果超过清水池容积 , 则认为等于清水池容积。
V 储 =V 设
V 储 > V 设
V 储前日 + V 收 - V 用 V 储 < V 设0 计算值 V 储 <0(5)式中 V 储 ———某计算日可储存的雨水量 ,m3
V 设 ———预先设定的清水池容积 ,m3
V 用 ———该计算日用水量 ,m3
V 储前日 ———该计算日的前 1 d 可储存的雨水量 ,m3
按照以上思路 , 编制逐日雨水水量平衡计算流程见图 3 。
雨水利用
目前上海市绿化浇灌用水仍以自来水为主 , 本工程运行后将为示范区内的道路浇洒和绿化灌溉提供雨水 , 基本保证用水自足。雨水利用示范带的绿化浇灌设置自动喷灌系统 , 由喷灌系统感应装置根据降雨、气温、时间等条件决定清水池内潜水泵的启动。另外还设置取水口为洒水车供水 , 工程建成后每年可以利用的雨水量约为 9 000 m3 。
国内的雨水资源利用主要是针对住宅小区、公共绿地和公共建筑群 , 本项目结合国外的相关工程和研究经验 , 探索了基于当地降雨特征的城市快速干道雨水收集利用系统的设计方法和设计参数 , 示范项目区内的道路浇洒和绿化灌溉用水可基本实现自足 , 同时也为城市道路建设中环境保护和生态补偿提供了新的途径。
