一种低成本高水文效益的住区雨水处理系统

技术领域

本发明涉及一种雨水处理系统，具体为一种低成本高水文效益的住区雨水处理系统。

背景技术

雨水处理技术即具有渗、滞、蓄、净、用、排等功能的技术设施，在建成区应用雨水处理技术设施或设施组合的系统，能够利于实现城市良性水文循环，提高对雨水径流的渗透、调蓄、净化、利用和排放，维持或恢复城市的“海绵”功能。在居住区中多应用雨水处理系统削减外排的地表径流量、径流峰值等指标，以减少外排径流对市政雨水管网的负荷。

然而，住区中雨水处理设施的组合应用方式多样，目前国内已建成住区中，雨水处理系统多采用了建设和维护成本偏高的技术设施，雨水系统的水文效益缺乏量化评估，且缺乏径流控制模块的配比说明。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种低成本高水文效益的住区雨水处理系统解决了现有雨水处理系统多采用了建设和维护成本偏高的技术设施，占地面积大，且雨水系统的水文效益缺乏量化评估的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种低成本高水文效益的住区雨水处理系统，包括雨水桶设施系统、渗透塘、绿色屋顶、生物滞留设施、渗渠、住区建筑和地埋排水管；

所述绿色屋顶位于汇水区上游，用于滞留屋顶上的雨水；所述雨水桶设施系统汇水区上游，用于收集所述绿色屋顶溢流的雨水；所述渗渠汇水区中游，用于向所述渗透塘或所述生物滞留设施传输从汇水区上游收集的雨水并削减径流峰值；所述生物滞留设施位于汇水区中下游，用于滞留雨水；所述渗透塘位于汇水区下游，用于蓄积雨水，所述地埋排水管用于住区系统内各设施的连接；

所述绿色屋顶设置于所述住区建筑屋面；所述雨水桶设施系统设置于所述住区建筑底层；所述生物滞留设施的入水口通过所述地埋排水管与所述雨水桶设施系统连接，多个所述生物滞留设施之间通过所述地埋排水管连接；

所述渗渠的入水口通过所述地埋排水管与所述雨水桶设施系统的出水口或所述生物滞留设施的出水口连接，多个所述渗渠之间通过所述地埋排水管连接，位于最下游的所述渗渠的出水口与所述渗透塘的入水口连接；所述渗透塘的出水口与所述地埋排水管连接；位于汇水区最下游的所述地埋排水管的出水口与市政管网连接。

进一步地：所述绿色屋顶包括种植基质层、第一透水土工布、排水板、纤维细石混凝土防水层、无纺布隔离层、防渗隔根膜、第一防水卷材、防水涂料、隔热层、找平层、找坡层、原屋面结构层、细卵石上层、粗卵石层、细卵石下层、钢板隔档层、预埋件、聚苯泡沫塑料条、雨箅子、“L”型的第二防水卷材和“L”型的女儿墙；

所述女儿墙的水平面自下而上依次堆叠所述原屋面结构层、所述找坡层、所述找平层、所述隔热层、所述防水涂料、所述第一防水卷材、所述防渗隔根膜、所述无纺布隔离层、所述纤维细石混凝土防水层、所述排水板和所述第一透水土工布；

所述女儿墙的竖直面从左至右依次设置了第二防水卷材的竖直部分和所述聚苯泡沫塑料条；第二防水卷材的水平部分位于所述防水涂料和所述隔热层之间；所述雨箅子竖直安装于所述女儿墙竖直部分底部的出水口；

所述预埋件设置于所述第一透水土工布上方，且所述预埋件上方设置所述钢板隔档层，所述预埋件和所述钢板隔档层与女儿墙之间的所述第一透水土工布上依次铺设所述细卵石下层、所述粗卵石层和所述细卵石上层，其另一侧的第一透水土工布上设置有所述种植基质层。

进一步地：所述种植基质层厚度为50-200mm，所述第一透水土工布厚度为2mm，所述排水板为25mm的HDPE塑料加固排水板；所述纤维细石混凝土防水层厚度为40mm，内掺防水剂、膨胀剂、防水硅胶及聚苯塑料密封，内配直径4mm钢筋，横向间距为200mm；所述防渗隔根膜采用厚度1mm的隔根膜，所述第一防水卷材和所述防水卷材均采用厚度1.5mm的氯化聚乙烯-橡胶共混卷材；所述防水涂料采用厚度为2mm的单组分橡胶防水涂料；所述隔热层采用厚度为30mm的泡沫混凝土隔热板；所述找平层采用厚度为20mm的1:3水泥砂浆；所述找坡层采用1:8的水泥陶粒，向排水管方向找坡2％，其最薄处厚度为20mm；所述细卵石上层、所述粗卵石层和所述细卵石下层厚度均为50mm，其中所述细卵石上层和所述细卵石下层采用直径为20-30mm的卵石，所述粗卵石层采用直径为40-50mm的卵石；所述钢板隔档层采用厚度为4mm钢板折叠两层。

进一步地：所述渗透塘包括进水口、碎石、沉泥区、前置塘、边坡、种植土层、第一蓄水层、格栅、溢流竖管、放空管、阀门、滤料层、地下水层和第二透水土工布；

所述进水口与所述地埋排水管连接，水从所述进水口流进，经所述碎石缓冲后进入所述前置塘，所述前置塘通过所述边坡与所述第一蓄水层间隔，所述前置塘内设置有沉泥区；

所述第一蓄水层底部为种植土层，且所述种植土层内平铺有滤料层，所述滤料层通过所述第二透水土工布与其上下的种植土层间隔；所述第一蓄水层中的水经所述种植土层和所述滤料层过滤后渗透进入所述地下水层；

所述溢流竖管竖直埋设于远离所述边坡一侧的种植土层中，其第一入水口上设置有格栅并穿出所述种植土层，其第二入水口与所述放空管的出水口连接，所述放空管的入水口与所述第一蓄水池的底面平齐，所述溢流竖管的出水口与所述地埋排水管连接，所述放空管和所述溢流竖管的第二入水口之间设置有阀门。

进一步地：所述边坡的垂直角度与水平角度之比小于等于1比3；所述种植土层厚度为200-300mm，所述第一蓄水层厚度为300-600mm；所述滤料层厚度为300-500mm。

上述进一步方案的有益效果为：采用渗透塘作为蓄水模块，相比现有方案常用的调蓄池在同等蓄水体积下显著降低了成本。

进一步地：所述生物滞留设施包括溢流设施、接雨水管渠、第二蓄水层、树皮覆盖层、换土层、砂层/透水土工布层、穿孔排水层、砾石层、防渗膜；

所述防渗膜位于底层，从下至上依次铺设了所述砾石层、所述砂层/透水土工布层、所述换土层、所述树皮覆盖层和所述第二蓄水层；所述穿孔排水层埋设于所述砾石层中，且末端位于所述砾石层之外；所述溢流设施贯穿所述砾石层、所述砂层/透水土工布层、所述换土层、所述树皮覆盖层和所述第二蓄水层；所述接雨水管渠位于所述溢流设施之中，且与所述穿孔排水层连接。

进一步地：所述渗渠包括第三透水土工布、结构层和滤料；

所述滤料厚度为300-500mm，呈“凹”字形，其中的粒子直径为10-20mm；所述第三透水土工布铺设于所述滤料上表面；所述结构层位于所述滤料凹面中，且所述结构层宽400-600mm。

上述进一步方案的有益效果为：渗渠作为传输模块，可以有效削减径流峰值。

进一步地：所述雨水桶设施系统包括雨水桶、建筑落水管和建筑屋面；

所述雨水桶位于地面，其出水管与所述地埋排水管连接；所述建筑落水管的出水管与所述雨水桶的入水管连接，所述建筑落水管的入水管与所述建筑屋面连接。

上述进一步方案的有益效果为：采用雨水桶设施系统滞留屋面溢流的雨水，相比现有方案常用的生物滞留设施显著降低了成本。

进一步地：所述绿色屋顶布设总面积占住区屋面总面积的0％-10％，所述雨水桶设施系统布设总面积占住区绿地总面积的0.1％-0.3％，所述生物滞留设施布设总面积占住区绿地总面积的3.0％-4.0％，所述渗渠布设面积占住区绿地总面积的0％-1.5％，所述渗透塘占绿地总面积的3.5％-4.5％。

上述进一步方案的有益效果为：径流控制模块的配比说明清晰，有利于设计应用。

本发明的有益效果为：

1.采用绿色屋顶、生物滞留设施、渗透塘、雨水桶和渗渠结合的雨水处理系统，优化了由调蓄池、生物滞留设施、透水铺装等组成的高成本雨水处理系统的常规方案，降低了系统成本；

2.占地面积显著低于现有常规方案，节省用地空间。

3.采用的雨水处理设施均为常用的设施类型，便于施工建造应用。

4.雨水系统的径流控制模块的配比说明清晰，有利于设计应用。

附图说明

图1为住区雨水系统布设平面示意图。

图2为绿色屋顶正剖面图。

图3为渗透塘正剖面图。

图4为生物滞留设施正剖面图。

图5为渗渠正剖面图。

图6为雨水桶正剖面图。

其中：1、雨水桶设施系统；2、渗透塘；3、绿色屋顶；4、生物滞留设施；5、渗渠；6、住区建筑；7、地埋排水管；8、雨水径流方向；9、种植基质层；10、第一透水土工布；11、排水板；12、纤维细石混凝土防水层；13、无纺布隔离层；14、防渗隔根膜；15、第一防水卷材；16、防水涂料；17、隔热层；18、找平层；19、找坡层；20、原屋面结构层；21、细卵石上层；22、粗卵石层；23、细卵石下层；24、钢板隔档层；25、预埋件；26、聚苯泡沫塑料条；27、雨箅子；28、第二防水卷材；29、女儿墙；30、进水口；31、碎石；32、沉泥区；33、前置塘；34、边坡；35、种植土层；36、第一蓄水层；37、格栅；38、溢流竖管；39、放空管；40、阀门；41、滤料层；42、地下水层；43、第二透水土工布；44、溢流设施；45、接雨水管渠；46、第二蓄水层；47、树皮覆盖层；48、换土层；49、砂层/透水土工布层；50、穿孔排水层；51、砾石层；52、防渗膜；53、第三透水土工布；54、结构层；55、滤料；56、雨水桶；57、建筑落水管；58、建筑屋面。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，以我国亚热带湿润气候下，绿地率为30％-35％的某典型海绵建设示范居住区为例，其住区总体规模4.34hm

所述绿色屋顶3位于汇水区上游，用于滞留屋顶上的雨水；所述雨水桶设施系统1汇水区上游，用于收集所述绿色屋顶3溢流的雨水；所述渗渠5汇水区中游，用于向所述渗透塘2或所述生物滞留设施4传输从汇水区上游收集的雨水并削减径流峰值；所述生物滞留设施4位于汇水区中下游，用于滞留雨水；所述渗透塘2位于汇水区下游，用于蓄积雨水，所述地埋排水管7用于住区系统内各设施的连接；

所述绿色屋顶3设置于所述住区建筑6顶层；所述雨水桶设施系统1设置于所述住区建筑6底层；所述生物滞留设施4的入水口通过所述地埋排水管7与所述雨水桶设施系统1连接，多个所述生物滞留设施4之间通过所述地埋排水管7连接；

所述渗渠5的入水口通过所述地埋排水管7与所述雨水桶设施系统1的出水口或所述生物滞留设施4的出水口连接，多个所述渗渠5之间通过所述地埋排水管7连接，位于最下游的所述渗渠5的出水口与所述渗透塘2的入水口连接；所述渗透塘2的出水口与所述地埋排水管7连接；位于汇水区最下游的所述地埋排水管7的出水口与市政管网连接。

雨水径流8的方向为：水从位于住区系统汇水区上游的所述绿色屋顶3溢流的雨水经所述住区建筑6流向所述雨水桶设施系统1，从所述雨水桶设施系统1经所述地埋排水管7流向位于住区系统汇水区种下游的所述生物滞留设施4或所述渗透塘2，所述生物滞留设施4溢流的雨水经所述地埋排水管7流向所述渗渠5或市政管网，从位于最末端的所述渗渠5经所述地埋排水管7流向所述渗透塘2，所述渗透塘2溢流的雨水经所述地埋排水管7流向市政管网，所述渗透塘2未溢流的雨水渗透进入地下水层42以补充地下水。

所述绿色屋顶3布设总面积占住区屋面总面积的0％-10％，所述雨水桶设施系统1布设总面积占住区绿地总面积的0.1％-0.3％，所述生物滞留设施4布设总面积占住区绿地总面积的3.0％-4.0％，所述渗渠5布设面积占住区绿地总面积的0％-1.5％，所述渗透塘2占绿地总面积的3.5％-4.5％。

在本实施例中，如图2所示，所述绿色屋顶3包括种植基质层9、第一透水土工布10、排水板11、纤维细石混凝土防水层12、无纺布隔离层13、防渗隔根膜14、第一防水卷材15、防水涂料16、隔热层17、找平层18、找坡层19、原屋面结构层20、细卵石上层21、粗卵石层22、细卵石下层23、钢板隔档层24、预埋件25、聚苯泡沫塑料条26、雨箅子27、“L”型的第二防水卷材28和“L”型的女儿墙29；

所述女儿墙29的水平面自下而上依次堆叠所述原屋面结构层20、所述找坡层19、所述找平层18、所述隔热层17、所述防水涂料16、所述第一防水卷材15、所述防渗隔根膜14、所述无纺布隔离层13、所述纤维细石混凝土防水层12、所述排水板11和所述第一透水土工布10；

所述女儿墙29的竖直面从左至右依次设置了第二防水卷材28的竖直部分和所述聚苯泡沫塑料条26；第二防水卷材28的水平部分位于所述防水涂料16和所述隔热层17之间；所述雨箅子27竖直安装于所述女儿墙29竖直部分底部的出水口；

所述预埋件25设置于所述第一透水土工布10上方，且所述预埋件上方设置所述钢板隔档层24，所述预埋件25和所述钢板隔档层24与女儿墙29之间的所述第一透水土工布10上依次铺设所述细卵石下层23、所述粗卵石层22和所述细卵石上层21，其另一侧的第一透水土工布10上设置有所述种植基质层9；

所述种植基质层9厚度为50-200mm，所述第一透水土工布10厚度为2mm，所述排水板11为25mm的HDPE塑料加固排水板；所述纤维细石混凝土防水层12厚度为40mm，内掺防水剂、膨胀剂、防水硅胶及聚苯塑料密封，内配直径4mm钢筋，横向间距为200mm；所述防渗隔根膜14采用厚度1mm的隔根膜，所述第一防水卷材15和所述防水卷材18均采用厚度1.5mm的氯化聚乙烯-橡胶共混卷材；所述防水涂料16采用厚度为2mm的单组分橡胶防水涂料；所述隔热层17采用厚度为30mm的泡沫混凝土隔热板；所述找平层18采用厚度为20mm的1:3水泥砂浆；所述找坡层19采用1:8的水泥陶粒，向排水管方向找坡2％，其最薄处厚度为20mm；所述细卵石上层21、所述粗卵石层22和所述细卵石下层23厚度均为50mm，其中所述细卵石上层21和所述细卵石下层23采用直径为20-30mm的卵石，所述粗卵石层22采用直径为40-50mm的卵石；所述钢板隔档层24采用厚度为4mm钢板折叠两层。

在本实施例中，如图3所示，所述渗透塘2包括进水口30、碎石31、沉泥区32、前置塘33、边坡34、种植土层35、第一蓄水层36、格栅37、溢流竖管38、放空管39、阀门40、滤料层41、地下水层42和第二透水土工布43；

所述进水口30与所述地埋排水管7连接，水从所述进水口30流进，经所述碎石31缓冲后进入所述前置塘33，所述前置塘通过所述边坡34与所述第一蓄水层36间隔，所述前置塘33内设置有沉泥区32；

所述第一蓄水层36底部为种植土层35，且所述种植土层35内平铺有滤料层41，所述滤料层41通过所述第二透水土工布43与其上下的种植土层35间隔；所述第一蓄水层36中的水经所述种植土层35和所述滤料层41过滤后渗透进入所述地下水层42；

所述溢流竖管38竖直埋设于远离所述边坡34一侧的种植土层中，其第一入水口上设置有格栅37并穿出所述种植土层35，其第二入水口与所述放空管39的出水口连接，所述放空管39的入水口与所述第一蓄水池36的底面平齐，所述溢流竖管38的出水口与所述地埋排水管7连接，所述放空管39和所述溢流竖管38的第二入水口之间设置有阀门40；

所述边坡34的垂直角度与水平角度之比小于等于1比3；所述种植土层35厚度为200-300mm，所述第一蓄水层36厚度为300-600mm；所述滤料层41厚度为300-500mm。

在本实施例中，如图4所示，所述生物滞留设施4包括溢流设施44、接雨水管渠45、第二蓄水层46、树皮覆盖层47、换土层48、砂层/透水土工布层49、穿孔排水层50、砾石层51、防渗膜52；

所述防渗膜52位于底层，从下至上依次铺设了所述砾石层51、所述砂层/透水土工布层49、所述换土层48、所述树皮覆盖层47和所述第二蓄水层46；所述穿孔排水层50埋设于所述砾石层51中，且末端位于所述砾石层51之外；所述溢流设施44贯穿所述砾石层51、所述砂层/透水土工布层49、所述换土层48、所述树皮覆盖层47和所述第二蓄水层46；所述接雨水管渠45位于所述溢流设施44之中，且与所述穿孔排水层50连接。

在本实施例中，如图5所示，所述渗渠5包括第三透水土工布53、结构层54和滤料55；

所述滤料55厚度为300-500mm，呈“凹”字形，其中的粒子直径为10-20mm；所述第三透水土工布53铺设于所述滤料55上表面；所述结构层54位于所述滤料55凹面中，且所述结构层54宽400-600mm。

在本实施例中，如图6所示，所述雨水桶设施系统1包括雨水桶56、建筑落水管57和建筑屋面58；

所述雨水桶56位于地面，其出水管与所述地埋排水管7连接；所述建筑落水管57的出水管与所述雨水桶56的入水管连接，所述建筑落水管57的入水管与所述建筑屋面58连接，所述雨水桶56有效容积为3m

上述雨水处理系统的工作过程为：在所述住区建筑6降下的雨水经所述绿色屋顶过滤后通过所述建筑落水管57进入所述雨水桶56；所述雨水桶56中的雨水经所述地埋排水管7流向所述生物滞留设施4或所述渗渠5；

所述生物滞留设施4对雨水进行过滤、净化后直接通过最下游的地埋排水管7流向市政管网或流向所述渗渠5；

所述渗渠5收集路面上雨水、由所述雨水桶56和所述生物滞留设施4流来的雨水，并流向所述渗透塘2；经过所述渗透塘2的最终过滤后，最终通过最下游的地埋排水管7流向市政管网或流向所述渗渠5。

本实施例的研究包含了三种雨水处理系统方案S0、S1和S2；其中，对照方案S0为该示范住区实际建造的雨水处理系统，方案S1、S2代表了本发明所述方法；本发明的雨水处理系统的水文管控效益采用年径流总量控制率指标进行评价，年径流总量控制率，即住区内全年的径流控制总量与降雨总量的比值。

三种雨水处理系统方案的技术设施选择与配比如表1所示：

表1雨水系统比选方案技术设施选择与配比

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采用雨洪管理模型构建住区地块的水文模型。水文模型参数依据实际住区下垫面特征设定，雨水系统技术设施参数依据表1和设施结构参数设定。对照方案S0的水文模型通过实际监测数据进行参数率定和模型结果验证。采用设置于住区周边连续6个月的雨量计数据以及与相应降雨事件对应的住区出水口的流量监测数据，对S0水文模型进行参数率定和结果验证，使Nash-sutcliffe效率系数达到0.75以上，说明模拟结果与监测结果匹配度高，水文模型可靠；

以校验后的模型为基础，设置S1和S2的水文模型。随后采用当地气象局提供的2016-2020年主城区日降雨数据作为长历时降雨情景，分别对S0、S1、S2水文模型进行降雨情景模型，如表2所示，输出结果后分别计算三个比选方案设定下住区地块的年径流总量控制率。

表2比选方案年径流总量削减率效果

由表2数据可见，现状对照方案S0平均年径流总量控制率为75.3％，小于该地块年径流总量控制率大于或等于80.4％的控制目标，比选方案S1的平均年径流总量控制率达到87.2％，相比于S0提升了12％，S2的平均年径流总量控制率达到89.7％，相比于S0提升了14％。本发明所述S1和S2方案的年径流总量控制效益均明显优于对照方案S0。

在本实施例中，雨水处理系统运行总成本(单位：万元)，包括系统所含技术设施的建设成本和运营阶段的维护估算成本，设施建造成本依据住建部颁布的海绵工程投资估算指标测算，设施维护成本依据国内外研究文献中的公式与维护经验值测算，其中维护成本核算周期与水文效益评估年限相对应，即5年。

雨水处理系统的水文-成本综合效益(单位：％/万元)，即系统的平均年径流总量控制率与系统运行总成本的比值。

根据表1对S0、S1、S2三个方案雨水系统的运行总成本进行测算，在结合表3各方案的年径流总量控制率结果，测算S0、S1、S2的各自的水文-成本综合效益：S0的运行总成本为431.62万元，本发明所述S1和S2方案的运行总成本均显著低对照S0，分别为53.52万元和146.53万元。结果显示，对照方案S0的水文-成本综合效益值为0.19％/万元，比选方案S1的水文-成本综合效益值为1.65％/万元，达到S0效益的8倍。S2的水文-成本综合效益值为0.66％/万元，达到S0效益的3倍。表明本发明所述S1与S2方案，相对S0方案，雨水处理系统的成本显著降低，同时系统呈现的水文-成本综合效益得到了显著提升。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明提供的一种低成本高水文效益的住区雨水处理系统解决了现有雨水处理系统成本高、占地面积大、水文成本综合效益低的问题。