北京城市雨洪控制与利用技术研究与示范

张书函1 丁跃元1 陈建刚1 王美荣2

（1北京市水利科学研究所 北京 100044；2北京市水文总站 北京 100039）

【摘要】 雨洪利用是减轻北京城市汛期防洪压力、缓解缺水局面的重要措施。北京从2000年开始系统开展了相关研究，建设了5种类型总面积60ha的6个雨洪利用示范区，建立了雨洪收集、利用的技术体系和推广应用保障体系。本文对其相关的主要研究成果进行简介，旨在推动雨洪利用技术的进一步深化和广泛应用。

【关键词】 雨洪利用 城区 示范

随着北京城市化进程的加快，建成区面积不断扩大，从而导致不透水面积大幅度增加，致使相同降雨条件下，径流系数增大，洪峰提前，洪量增大，对城市排水和河道行洪构成巨大的压力，也威胁着首都的城市安全。因此，在国家科技部和德国联邦教研部（BMBF）的支持下，在北京市发改委、北京市科委和北京市水务局的资助下，从2000年开始开展了“北京城区雨洪控制与利用技术研究与示范”项的研究。项目的目标是建立实用的雨洪控制与利用技术体系和推广应用体系，以充分利用雨水，缓解水资源危机、削减洪峰流量，确保首都防洪安全。因此，本项目系统研究了北京城区降雨径流的水质与水量规律、雨洪收集、滞蓄、传输、处理、回用和入渗回补地下水技术、透水砖及地面铺装技术，提出了雨洪利用基本模式和拟定了相关政策和技术规范，建设了5种类型总面积60 hm2的6个雨洪利用试验示范区。项目于2005年2月通过了专家鉴定，结论认为本项目首次对我国城市雨洪利用进行了系统的技术集成示范研究，具有较高的实际应用价值，总体技术达到国际先进水平，对中国城市的雨洪利用具有开创性意义。

1主要科学技术成果

项目分基础性研究、应用性研究和示范推广研究3个层次开展，通过基础研究为应用和示范推广研究提供依据；通过应用性研究形成雨洪控制与利用的技术体系，通过示范推广研究建立推广应用体系。

1.1 基础性研究成果

通过历史资料收集、现场勘探和试验，查清了北京城近郊区的第四系水文地质的地层岩性、分布规律和入渗性能，对表层岩性进行了分区，在此基础上对地下水环境的脆弱性进行了评价和分区，指出了适宜地下水回灌的地区。

以1999年1/5000航空影像资料为底图，利用遥感图像处理技术和GIS软件对规划市区范围内的下垫面类型进行了全面的统计分析，得到了24种不同类型下垫面所占面积及其分布。并通过对不同年代城区下垫面的调查和统计分析，总结了不同年代下垫面的变化规律，为进行城区降雨径流规律分析和雨洪利用总体规划提供了基础资料。 105 一、水资源 水环境

利用28个雨量站的系列资料，对北京规划市区不同重现期的10min～7d短历时和月、汛期、年长历时雨量进行了分析，得出了相应的统计参数，摸清了城区降雨的时空分布和时程分配规律，绘制了100张不同频率和时段的降雨等值线图，提出了北京城区特短历时暴雨的拟合公式。根据长系列城区汛期出境水量的实测资料，结合上述降雨和下垫面分析结果，研究得出了以不透水面积比率为参数的城区降雨与径流关系综合图，由此分析得出了不同水平年的城区雨洪可利用潜力。

对北京城区西部、东南部、东北部的不同类型屋顶、普装地面、绿地、机动车道的降雨径流水质特征进行了试验研究，摸清了其径流水质与下垫面类型之间的关系和随降雨历时、降雨量的变化规律，为处理和利用雨水提供了依据。

1.2 雨洪控制与利用技术体系

（1）确定了不同下垫面和不同用途的雨水处理方法。针对上述不同下垫面径流的水质特征和不同回用途径的水质要求，确定了相应的处理工艺。特别是提出了以初期径流量的两种界定标准，即前1～3mm径流或前10~15min径流，以及相应的弃除技术。研究设计了优先流式、截留自渗式和自动翻板式期径流池，和具有调蓄功能的砂过滤。提出了弃除水中漂浮物和油污的去除技术。

（2）建立了雨洪收集、滞蓄、调控的技术体系。探讨了利用降雨量－历时－频率曲线推求设计降雨的方法，建立了基于产流、汇流理论的雨洪收集系统的计算方法和数学模型。提出了雨洪调控排放技术和2种确定雨洪利用调蓄池容积的方法：日调节计算法和数值模拟法。研究设计了新的具有拦截初期径流、大颗粒污物和油污的环保型道路雨水口。

（3）形成了将雨洪回用于灌溉绿地、洗车冲厕和入渗回补地下水的技术。提出利用砂石坑、大口井、深井等回灌雨水的方法，探索了利用辐射井进行雨水回灌和利用技术；提出了回灌井回灌水量的计算方法，实践了雨水与中水联合运用技术。

（4）研究了利用绿地消纳和利用雨洪的技术，得出了不同频率降雨情况下，不同形式绿地的径流系数，提出了绿地消纳硬化地面雨水的比例、标准和竖向关系。通过试验和模拟研究了绿地土壤对雨洪污染物净化能力，探明了其净化效果。

（5）解决了透水砖的透水性与强度和抗冻性的矛盾，建立了利用透水地面下渗雨洪、削减径流的技术体系。研发了透水快、强度高、抗冻融的透水砖及其生产和工艺，提出了透水砖及其普装地面的质量检测方法。所研制的透水砖的透水系数可大于1.0 mm/s，抗压强度达到35Mpa，25次冻融试验强度损失为5.85%。所铺装的透水地面能够使50～100mm的日降雨不积水不产流。

（6）研究开发了用于检测雨洪利用系统所收集雨水量和管道流量，并能控制相关设备启闭的自动化监控软件和硬件系统，实现了雨洪利用的效果的实时监控。

（7）提出了雨洪蓄用、下渗、调排的3种基本利用类型，和屋顶、铺装地面、绿地与城市道路等不同类型下垫面的雨洪利用基本形式，和老城区、新建城区、将建设区等不同类型区域的雨洪利用模式。

（8）提出了雨洪利用工程经济效益的计算方法和社会与环境效益的分析方法。

（9）建立了雨洪利用技术推广应用的政策保障体系。通过政府发布了《关于将强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》，将雨洪利用写入了新修编的《北京城市总体规划（2004～2020）》，起草了雨洪利用技术导则，提出了城区雨洪利用总体规划建议。 106 一、水资源 水环境

1.3

主要创新

该项目在理论、技术和应用等方面有如下创新点：

创新之一：建立了北京城区不同类型下垫面降雨与径流的定量关系，提出了以城市不透水面积比率作为参数的降雨径流模型，是城市水文研究领域的重要创新。

创新之二：集成了不同条件下城市雨洪的处理技术，首次系统提出了初期径流的界定标准与弃除技术，和不同下垫面雨水的综合处理技术，为雨洪回用的水质安全提供了保障。

创新之三：建立了雨洪收集、滞蓄、调控的技术体系，提出了基于水动力学的城市雨水管系计算模型和城市雨洪调控排放的理论，建立计算方法。

创新之四：集成了雨洪回用和回补地下的技术体系，首次提出了利用辐射井回灌和利用雨洪的方法。

创新之五：建立了利用透水地面消纳雨洪的技术体系，提出了环保型透水砖普装地面的设计和施工方法。

创新之六：建立了利用绿地消纳雨洪的技术体系，提出了绿地消纳硬化地面降雨的比例、标准和竖向关系。

创新之七：首次建立6个雨洪示范工程,出台了国内第一个建设用地雨洪利用暂行规定,编制了雨洪利用技术导则。

2 雨洪利用示范工程

从2000年到2004年在北京城区共建设了代表老城区、新建城区、将建设区、公园绿地、校园特点的5种类型、6个雨洪利用试验示范区，总面积达60hm2。

2.1 老城区示范工程

老城区雨洪利用示范工程在水文地质公司小区内，总面积3hm2，其中房屋占地1hm2，庭院占地1.8 hm2，绿地占地0.2

hm2。代表80年代以前建设的老城区。雨洪利用工程包括南部屋顶雨水收集利用系统和北部庭院雨水收集利用系统。在南部屋顶雨水收集利用系统中，利用UPVC管连接原有屋顶雨落管，再经钢筋混凝土管传输汇集后先流入初期径流弃除池后，再进入滞蓄池，通过流量控制器，流入回灌井回补地下。在北部庭院雨水收集利用系统中，屋顶雨水由雨落管流向地面，与庭院及道路雨水混合后通过雨水口进入管道，汇集后先进入初期径流池，然后依次进入沉淀池和过滤后池。过滤后的雨水通过设置在分水井中的流量控制器流入回灌井 绿地雨水

屋顶雨水

不透水铺

装地面雨水

透水地

面雨水 入渗地下

沉淀池

沉淀池

入渗地下 蓄水池 浇灌绿地

冲洗汽车

消防用水

喷泉水景

图2 双紫园小区雨洪利用工艺流程图

图1 水文地质公司小区雨洪利用工艺流程图 107 一、水资源 水环境

回补地下。工艺流程见图1。工程设计暴雨重现期为5年。

2.2 新建设区示范工程

新建设区示范工程位于双紫园小区内，总面积2 hm2，绿地面积大于30%，代表90年代以来的新建成区。雨洪利用工艺流程见见图2。对于屋顶雨水，一部分直接通过管道收集、传输，经沉淀后，进入蓄水池备用；而另外一部分屋顶雨水，先排入周边绿地，通过下凹式绿地，入渗地下。示范区区铺装地面可以分为两种，一种是透水性铺装；另一种为不透水铺装。透水性铺装地面主要表现形式为铺砌透水砖，它的雨水收集利用为恢复自然雨水渗透通道，雨水入渗地下，超渗产流通过弧形边沟，进入不透水性铺装地面收集系统；而不透水性铺装地面雨水通过地面布设的雨水口，经管道收集传输、拦污栅拦截后，进入沉淀池沉淀处理后，进入蓄水池备用。该工程设计暴雨重现期为5年。

2.3 将建设区示范工程

将建设区雨洪利用示范工程包括天秀花园小区示范工程和水利基础总队小区示范工程两部分。天秀花园小区示范工程总面积11 hm2，代表将要开发建设区域，能在规划设计阶段实施雨水利用的理念，并与小区建设同步进行雨洪利用工程建设。工程内容包括：将屋顶和部分道路的雨水收集、处理后用于景观补水和回灌地下水；将部分车行道和人行道铺装为透水地面；建设有入渗设施的下凹或平绿地。

屋顶与道路雨水利用系统在人工湖的的北部和东部，基本流程如图3所示。工程收集14栋楼屋顶和楼前透水地面与部分不透水道路的雨水，经去除初雨、沉淀过滤后进入回灌井回补地下，同时在沉淀池内安装水泵，抽取沉淀后的雨水补充人工湖的耗水。系统的设计标准为5年一遇降雨。超过设计标准的降雨径流，通过设在系统中游和下游的2个溢流堰溢流到外部的市政雨水管道。

水利基础总队雨洪利用示范工程总面积1hm2，其特点为雨水与中水联合利用。工程主要收集6号楼和7号楼的屋顶雨水，经新型高流内联过滤器（IRM®

High-Flow-Inlinefilter）过滤处理后，储存于蓄水池，回用于7号楼冲洗厕所。同时，将6号楼的淋浴与洗涤用水经单独的管路收集后进入GRAYWATER处理系

6

号

楼 GRAYWATER处理系统 中水池 6号楼回用 淋浴水

7号楼 化粪池 WQX处理系统 排放

雨水处理系雨水池 7号楼回用 雨水

雨水 其他污水

所有污水

图4 水利基础总队雨水与中水利用工艺流程图

图3 天秀花园雨洪利用工艺流程图