雨水工程课程设计

《城市雨水工程》课程大作业

某住宅区

雨水与水环境系统方案设计

目录

1 项目基础资料 (3)

1.1 项目 (3)

1.2 降雨量与蒸发量 (4)

1.3 地质条件与地下水位 (5)

2 总体设计思路 (5)

3 雨水收集利用与水量控制 (6)

3.2 水量平衡分析 (11)

3.3 高程控制及溢 (14)

4 水质保障 (15)

4.1 源头和输送过 (16)

4.2.1水体生态系统 (16)

4.2.2循环曝气与水质净化设施 (17)

小结 (17)

1 项目基础资料

1.1 项目概况

本项目为住宅小区（如图1所示），地处佛山市东平新城规划范围内。

图1 项目平面图

住宅区总占地面积284037平方米；建筑面积、室外硬铺装（道路、广场、停车场等）、绿化、水面等面积如表1所示。

图2 各区域水体实际汇水面积范围

根据地形和排水条件，设计水体大致有效汇水面如图2所示。

1.2 降雨量与蒸发量

广东地处华南，属典型的季风气候。每年的4～6月，冷暖空气在这里频繁交替，产生了广东的前汛期降水，其高峰期在5～6月；而7～9月,经常有台风、东风波等热带天气系统影响, 形成了广东的后汛期降水, 其高峰期位于8～9月。

项目所在地区雨量丰富，适合进行雨水的收集利用。统计佛山市1976-2008

年的降雨量与蒸发量资料如图3所示。

图 3 佛山市多年月降雨量、蒸发量年内分布

1.3 地质条件与地下水位

项目位于珠江三角洲地区，属冲积平原地貌，场地地势较为平整，场地内未发现有影响场区稳定性的构造形迹等不良地质作用，场地的区域稳定性较好。场区范围内表层从上往下依次第四系土层为填土、冲积土及残积土，基岩为白垩系地层，岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩

拟建场地的地下水类型主要为孔隙水，赋存于冲积层中的潜水，其富水性和透水性较一般，受大气降水入渗或侧向补给，以蒸发或渗流方式进行排泄；另一类为裂隙水，主要赋存于风化岩的裂隙中，场地范围内，其水量较小。经现场勘察，测得地下水初见水位标高0.85～1.34m，稳定水位标高0.86～1.57m。

周围河道常水位标高、河底和堤岸标高：北面文登河：涌底标高：-1.5米；西面与东面支流涌底-1.2米；平洲水道堤岸标高7.6米。不同重现期的洪水位标高见表2。

2 总体设计思路

(1) 重点区域(区域A、B、C、D):

利用景观水体收集、调蓄利用雨水，有利于节约自来水用量、减少排水量、增加小区防涝能力、改善小区环境，但必须对不均匀的降雨进行合理有效的调蓄，降低投资和运行费用，同时必须采取有效的水质保障措施，防止水质恶化。

整个设计方案主要围绕水量和水质保障两方面展开。水量方面包括收集调蓄项目区域内的雨水，用于景观、绿化等，根据水体水位变化情况，制定补水及排涝方案；水质方面则从截污、水生态系统、水深及堤岸形式、水循环净化处理等方面考虑。

(2) 其它区域（别墅区、规划道路）

别墅区与规划道路区域的雨水不进入景观水体。别墅区采用绿化屋顶技术，雨水经过屋顶过滤后，直接通过管道被收集到储存罐中，以用于绿化及洗车等生

活用水。

别墅区域的雨水排入雨水花园，雨水花园溢流通过植被浅沟排入多功能调蓄池；或者雨水直接通过植被浅沟排向多功能调蓄池。调蓄池溢流后直接排入市政管网。北面规划道路区域的雨水利用道路旁雨水花园或者道路绿化带就地消纳，溢流部分排入市政雨水管道。

方案中合理组织地面排水,充分考虑利用分散式雨水控制措施(植被浅沟、雨水花园等）对径流进行削减和净化。结合项目场地条件及项目规划布局，经过综合分析，项目场地内水源包括雨水、河水，主要做绿化用水，制定整个小区雨水与水环境方案设计方案见图4。

图4.境规划设计方案框图

3 雨水收集利用与水量控制

3.1 雨水收集利用方式

（1）雨水收集排放系统设计：

项目内有景观水体，因此通过组织地面雨水系统，尽可能利用植被浅沟（grassed swale）、雨水花园(rain garden)、植被缓冲带（baffle trip）生态堤岸等式收集并净化雨水，利用景观水体调蓄雨水，尽力避免建设地下大型雨水池，降低雨水收集成本（水景调蓄能力不足且有必要时，再考虑建设适当体积的

雨水储存池）。别墅区采用绿化屋顶，并将净化后的雨水通过管道收集到小型雨水收集罐中。当多功能调蓄池达到最大蓄水量时，通过溢流口排入市政管网。当水体景观达到最大蓄水量时，通过溢流口直接排入小区周围河流。

生态堤岸汇流方向雨水花园

植被浅沟生态浮床排水管

湿地多功能调蓄池绿地

溢流口

图5 雨水收集与截污系统布置

（2）植被浅沟断面及校何

植被浅沟是指在地表沟渠中种植植被的一种施工性措施，既可作用于小汇水面的源头控制措施也可作为汇流的输送过程控制。该技术主要功能是用重力流收集雨水并通过植被截留和土壤过滤处理雨水径流。

植草沟断面方案1见图6。

图6 植草沟简化剖面示意（1）

断面校核计算：

汇入浅沟的径流量qF

Qψ

=

1

当地暴雨强度公式为 q=3360.04(1+0.639lgP)/（t+11.945）0.825（升/秒.公顷）取t=5分钟，按重现期2年1遇的暴雨强度核算。

q=388（升/秒.公顷）

qF

Qψ

=

1

=387.9661*0.39*F*0.001=0.1513*Fm3/s

利用曼宁公式计算，其中最大有效水深0.3m，植草沟断面的最大输水面积为0.18m2，断面湿周为1.342m，曼宁（粗糙）系数n根据经验取0.03，纵向坡度i为0.002,植草沟的输水能力为：

●

n i

AR

A

V

Q

2

1 3

2

2

=

?

==0.071m3/s 应＞Qψ

=

1

●则设计流速为 V=Q2/A=0.395m3/s 应< 0.8m/s (防止径流的冲

蚀作用的最小流速)

即： 0.1513·F<0.071，F<0.469 ha，即单条植被浅沟的最大汇水面积约为0.47公顷。

可适当调整设计形式和尺寸以合理满足要求。也可根据现场条件和景观要求设计植草沟断面不同方案（如图7所示）。

图7 植草沟剖面示意（2）

两种沟的断面参考尺寸：

●W=0.6m， h=0.2m（有效设计水深），超高=0.2m

●b=0.6m， h=0.2m（有效设计水深），超高=0.15m，e=0.2m

可按上述同样方法核算。

(3) 雨水花园设计

雨水花园等生物滞蓄设施是指利用浅的洼地，种植当地的湿地植物，通过吸附、渗透、过滤等原理，对降水落在不透水表面，如屋顶、车到、巷弄活街道等的雨水进行控制，消减其产生的雨水径流，改善雨水水质，尽量减少其对收纳水体的负面影响。

规模计算:

根据选取的雨水花园汇水面积和设计降雨量计算雨水花园的规模和面积。根据实际情况，设定汇水面积为1000m2，设计降水量为20mm。雨水花园深度约20cm，则雨水花园面积为100m2。雨水花园达到最大蓄水量后，通过植被浅沟排入水体景观或者直接排入市政管网。

雨水花园断面示意图如图8所示。

图8 雨水花园断面示意

（4）生物浮岛设计

生物浮岛技术是利用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。

生物浮岛如图9所示。

图9.生物浮岛

（5）多功能调蓄设施设计

城市雨洪多功能调蓄设施是充分体现可持续发展的思想，一调蓄暴雨峰流量为核心，把排洪减涝、雨洪调蓄利用与城市景观、生态环境和城市其他一些社会

功能更好的结合，高效率的利用城市宝贵土地资源的一类综合性的城市治水和雨洪控制利用设施。本设计中，在别墅区南侧设立一个多功能调蓄池，并在水体中适当布置生物浮岛，以达到净化水体、美化环境的功能。如果调蓄池达到最大蓄水量，则通过溢流口排入市政管网。

多功能调蓄池断面示意图如图9所示。

图9.多功能调蓄池断面示意图

（6）绿化屋顶设施设计

屋顶绿化一绿色植物为主要覆盖物，配以植物生存所需要的营养土层、蓄水成（植被种植层）以及屋面所需要的植物根阻拦层（保护层）、排水层、防水层（保护层）等所共同组成的整个屋面系统。将净化后的雨水收集储存，用于日常生活用水。

屋顶绿化及收集系统设计如图10所示

图10.绿色屋顶及收集系统设计图

屋顶绿化断面示意图如图11所示

图11.屋顶绿化断面示意图

3.2 水量平衡分析

水量平衡分析：

项目中收集雨水用于绿化及道路浇洒，因此水体需要具有足够蓄水能力以满足项目的用水需求，通过水量平衡分析确定水体规模是否合适，掌握外排和补充水量等情况。

水系统水量平衡如下式（忽略水面面积随水位升降的变化）：

入湖水量－出湖水量 = 水位变化×水面面积其中：

入湖水量=水面直接降水+周边地表径流

出湖水量=水面直接蒸发+湖体渗漏+回用水量水体常水位水深可按1m左右考虑,常水位到溢流水位(溢流堰顶高)差可按0.3-0.5m(即有效调蓄高度)考虑。

回用水用于绿化以及道路浇洒，用水定额取2.0L/ m2·d；渗漏损失按粘土防渗计算，取渗透系数为5.8×10-8m/s即约为5mm/d；蒸发量根据多年月平均蒸发量确定，查图3将蒸发量和降雨量列于表3。

各种汇水面的径流系数可参考表4选用。

范》。

综合径流系数依据下式计算：

ψ＝ψ1*B1+ψ2*B2+……+ψ11*B11 （2）其中：A i——不同性质用地的面积，m2；

B i——不同性质用地占总汇水面积的比例；

Ψi——不同性质用地的径流系数。

表5 项目用地情况及径流系数计算表

水量平衡按月份进行计算列入表6。选取A汇水区域为项目典型区域进行水量平衡分析计算，A汇水区域的用地情况及径流系数计算如表5所示。水体水深取1m,调蓄高度为0.5m。以3月初一次性补水至常水位为初始条件，水量平衡按月份进行计算列入表6。

计算方法如下：

【1】汇流雨水量V=H·A·Ψ·0.85(初期雨水弃流系数)

【2】蒸发量V=A

水面·H

蒸发

【3】回用水V= 2.0L/ m2·d ·A

绿地

·T 【4】渗漏损失V =5mm/d· T

【5】水量差V =【1】—【2】—【3】—【4】

蓄高度取0.5m。

水位变化情况分析-供参考

下面分析年内水体的水位变化情况，雨水回用于绿化及道路浇洒，水体设计低水位同设计高水位之间有0.3m的调蓄高度。水体水位高于设计高水位时会发

生溢流，水位认为等于设计高水位；当水体水位低于设计低水位时，可对水体进行补水到设计低水位，如果以3月份为起始月(月初为常水位)计，可以得到年内水体水位变化如下图9所示。

图12水体水位变化示意图

从图12中可以看出由于汇水面积相对较小，考虑绿化与道路浇洒的消耗后，可以看出1、2、3、4及12月需要大量补水，本设计直接有河流补水进入湿地，经过湿地净化后进入水体景观循环，达到补水效果。

3.3 高程控制及溢流排涝

（1）防涝验算：

小区内水体在雨季是排涝、蓄积雨水的主要设施，为了保证小区的防涝安全需要具有一定容蓄暴雨的能力。例如，根据景观设计要求，初步确定水体设计水位以上有0.3m的调蓄空间，为安全考虑，水体边岸与溢流水位之间应有0.2m 的安全超高，水体的防涝能力则可以根据0.5m调蓄高和水体面积确定，演算在不考虑溢流的极端情况下，一次可达到调蓄109mm的降雨，以此可判断满足防涝标准。按我国排水规范，小区排水设计重现期一般在0.5~1.0年。

水体实际设计有溢流口来排除大暴雨，水体蓄满水后多余的雨水通过溢流排入河道或市政排水管道如图10。具体排涝能力将由溢流口和溢流管的尺寸决定。

图13 溢流堰排水示意

如水体溢流堰宽设为8m，可以计算出不同重现期下溢流堰的堰上水头(见表7)。

因此，只要湖岸保护高大于0.3m就可以确保在50年一遇的降雨下小区汇水

区内无内涝发生。

（2）高程控制：

文登河50年一遇水位为5.78m，小区内溢流堰高程应不低于该水位。因此，初步设计溢流堰标高为6.78m，高于洪水水位1m，则水体底部标高为5.28m，常水位标高为6.28m，高水位标高为6.78m，水体堤岸标高为7.08m，建筑室外标高大于7.08m。水体高程如图11所示。

图11 水体高程示意图

4 水质保障

4.1 源头和输送过程水质控制

根据小区条件选择适当的源头和输送途中的雨水径流水质控制措施，并结合到图5中表示。

4.2 末端控制

4.2.1水体生态系统

（1）堤岸设计

水体尽量采用生态设计方式，多采用自然坡堤岸形式，增加水体内的植物量，形成类似湿地的水体环境。对水面窄不便采用自然坡堤岸的地方，可以采用石笼、磊石台阶等较生态化的堤岸形式，创造良好的水生物栖息环境，提高水体自然净化能力。选择设计的主要堤岸形式见图12。

图12 堤岸设计示意图

（2）水生动植物

水体中可根据不同的水深种植不同种类的水生植物，构成植物群落，根据景观及净化要求确定的植物分布。芦竹、菖蒲、鸢尾等高植株水生植物，净化能力强，适合在水体死角处、边缘地带大面积种植，但应注意不阻挡景观视野；荷花塘适合在水面开阔处营造景观，可靠水边也可靠近水面中心；睡莲等浮叶植物，浮于水面上，且景观效果好，适合种植、布置在各种水面；沉水植物如菹草、金鱼藻等，对水质维护效果好，适合于水体中心、水深较大处。水体各植物带应将几种植物搭配种植，避免单一。

进行植物选择时也可根据当地情况选择一些具有地域特点的当地水生植物，

进行合理搭配，一般使植物覆盖率（包括湿地中植物）达到30%左右为宜，也可根据具体水质进行适当调整。

择放养具有本地特色的水生动物种类。

4.2.2循环曝气与水质净化设施

在水体循环过程中，可以利用项目内设置的湿地以及土壤过滤设施净化水体（图13）。处理设施的规模通常不仅要考虑用于补水时净化水质的要求（略），同时需要满足水体循环净化的要求，计算结果列入表9。

湿地循环管水体

溢流管溢流口水泵

图13 水循环示意图

小结：

通过本次课程设计，我重新系统的了解学习了一次城市雨水工程这门课程。更重要的是，在这次课程设计过程中，老师要求我们不必追求细节，完全开放自己的思维想法，通过自己的所学知识与思考结果相结合，做出有自己想法的作品。课程设计是短暂的，教给我的不仅仅是知识，是一种思想，一种毅力，一种精神。在以后的工作和学习中受益匪浅。