半干旱區生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術研究

高雅玉, 張新民, 田晉華

(甘肅省水土保持科學研究所, 甘肅 蘭州 730000)

半干旱區生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術研究

高雅玉, 張新民, 田晉華

(甘肅省水土保持科學研究所, 甘肅 蘭州 730000)

[目的] 對生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術進行研究，為實現道路雨水收集再利用、有效提高收集雨水水質，也為綠化植物的生長提供優良的水源目標。 [方法] 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統采用聚丙烯(PP)塑料雨水收集模塊充分儲存水源，為后續系統的“自由呼吸”提供基礎。PP雨水收集模塊的孔隙率為90%～95%，并采取雙層土工布和防水膜的分層布設進行防滲，種植土和綠化植物設施采用30 cm的種植土厚度，保證了雨水資源的集蓄和供給的動態平衡。 [結果] 生態水箱系統具有水資源集蓄、供給動態平衡調整功能和截污功能，可高效集蓄路面優質雨水和有效控制雨水對土壤及地下水的污染。 [結論] 該系統為雨水的高效再利用提供了條件和新方法，為區域雨洪資源高效管理利用提供了新途徑。

生態水箱; 道路雨洪資源; 集蓄利用; 高效管理; 半干旱區

文獻參數： 高雅玉, 張新民, 田晉華.半干旱區生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術研究[J].水土保持通報，2017,37(2)：188-192.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.029； Gao Yayu, Zhang Xinmin, Tian Jinhua. Technical Research of Ecological Water Tank Catchment and Utilization System of Road Rainwater Resources in Semi-arid Region [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：188-192.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.029

地處半干旱地區的甘肅省降水年際變化大且有連續豐水、枯水年的現象，年內分配極不均衡，常發生洪澇災害和旱災。暴雨天氣主要集中在夏秋兩季，尤其是7，8月洪峰量大、且陡漲陡落，對生態環境及人類生存極易造成危害。區內的雨洪資源利用長期存在以下難題，一是水資源總量極端貧乏；二是河川徑流年際年內分配不均，常水流量小，洪水流量大；三是部分地區為水質礦化度高，干流全河段水質差，難以利用。

雨洪資源利用是指通過自然過程或人類活動過程對天然降水進行收集和利用的過程，包括雨洪資源自然利用和雨洪資源集蓄利用2個方面。雨洪資源自然利用是指天然降水未受到人工干預，自然降入下墊面，通過土壤入滲直接被植物吸收利用的過程[1]。雨洪資源集蓄利用是指采取工程措施對雨洪水進行收集、蓄存和調節利用的水利工程。雨水、洪水資源集蓄利用等工程在人類發展歷史上源遠流長，其主要是使用工程措施高效集流、蓄水對雨洪資源進行調控，以便能夠更加高效地實現雨洪的資源化，并進行后續利用，實現資源的可持續、高效循環發展[2]。按照供水、用水戶的不同，雨洪資源的集蓄利用可以分為農業雨洪集蓄利用和城鎮雨洪集蓄利用2個部分[3]。城鎮道路及建筑物周圍大多是不滲水的地面結構，為美化城鎮，在道路中央、邊坡、服務區等區域設置綠化區。“水”是公路中央分隔帶、邊坡、服務區等綠化區植物生長所必需的，如果沒有水灌溉，植物將不可能成活，公路生態景觀美化等綠化工程更無法實現，而另一方面“水”又是公路諸多病害的直接和間接誘因，水是危害公路安全、產生水毀病害的主要自然因素，到了雨季，大量的雨水誘發了一系列諸如路基沉陷、沖刷、坍塌、翻漿以及路面松散、剝落、龜裂、錯臺、斷裂等公路病害。協調好水資源在綠化需水和公路水毀的矛盾，是我們必須面對且急需解決的問題，對于建立半干旱區水資源持續利用、經濟社會持續發展的區域開發治理與管理模式意義重大。

1 常用道路雨水生態收集利用措施

目前，使用較為普遍的道路雨水生態收集利用措施主要有：下凹式綠地、滲透式植被潛溝、排滲一體化系統和生態邊溝系統等措施。

1.1 下凹式綠地

下凹式綠地是指綠地低于周邊地面的綠地，使周圍地面徑流流入其中，利用綠地良好的入滲性能增加入滲量，減少排水。該系統由綠地、建筑、硬化路面、排水系統4大要素共同構成,綠地在其中占據核心地位。其豎向設計格局為：綠地在整個系統中的高程最低，建筑及路面等硬化面的高程高于綠地，排水系統設置在綠地中，設置高程低于硬化路面但高于綠地。下凹式綠地的儲滲能力的主要影響因素是土壤的入滲率。入滲速率過大容易造成雨水在到達地下水區位之前沒有足夠的停留時間得到凈化，入滲速率過小使集蓄在綠地內的雨水停留時間過長，在滲透區出現厭氧環境，而長時間的厭氧環境對綠地植物和微生物的截留轉化都是有害的[4-5]。

1.2 滲透式植被淺溝

滲透式植被淺溝主要設置在建筑物及圍墻間面積狹小地帶，集水區面積相對下凹式綠地較小。在服務區圍墻和建筑物、道路之間較小回水流域，可與場地排水系統構成一個整體，還可以部分或全部替代小范圍的雨水管系。滲透式植被淺溝可以起到的滲濾雨水的作用，通過重力流收集處理徑流雨水。當雨水流經植草排水溝時，在沉淀、過濾、滲透、吸收及生物降解等共同作用下，徑流中的部分污染物得到去除，達到削減徑流水量和徑流污染控制的目的。它是一種生態型的雨水收集、輸送和凈化措施。滲透式植草排水溝適合地下水位相對較低的地區選用。由于滲透式排水溝輸送徑流的能力受到土壤滲透力的影響，因此集水區面積不宜太大[6]。

1.3 滲排一體化系統

滲排一體化系統是采用滲透管、滲透檢查井等設施，兼具雨水滲透、儲存、收集、排放多重功效，是一種綜合性雨水利用設施。滲排一體化系統與傳統的雨水排放系統相比其設計的原則是完全不同的，傳統的雨水排放系統是收集雨水后盡快的排入市政管網，而滲排一體化系統是利用其中的滲透、截留調蓄能力，盡量消減雨水量、補充地下水，實現雨水的資源化及綜合利用、節約用水，同時可以消減雨水洪峰能力，減緩市政排水壓力，優化區域的生態環境。系統中的雨水分為3個部分： (1) 通過滲透管及滲透檢查井入滲； (2) 儲存在周圍砂石層、滲透管及滲透檢查內； (3) 雨水量較大超出儲存容積及滲透能力后從系統中排出至雨水處理、貯水裝置及回用系統[5]。

1.4 生態邊溝

生態邊溝是將原來的漿砌邊溝及邊坡碎落臺、部分土路肩合并，設置成一種淺碟型的明溝，在溝底平鋪石料、石渣，設置滲水盲管，上覆土工布、回填土、種植草皮、噴播植草防護，從而起到了排水與環保綠化的作公路通過設置淺碟形植草生態邊溝，一方面可以讓高速公路排水與雨水處理相結合，使地下水和徑流及時排走，在輸水排水的過程中，通過植被的作用對徑流進行處理，既做到了排水增加路基的穩定性和路面的耐久性，又滿足了路面徑流水質處理的需求，另一方面淺碟形生態邊溝在滿足排水功能的前提下，增加了生態和環保功能，提高了行車的安全性和舒適性[6]。

上述雨洪資源收集利用生態系統雖然解決了雨水收集的部分問題，但存在的主要問題有： (1) 雨水由綠化帶滲入路基而造成部分路基損毀； (2) 污染物隨雨水入滲，污染地下水； (3) 雨水污染物無法去除，雨水水質不能達到植物正常生長的要求； (4) 在降水量較大時，雨水無法迅速排除； (5) 投入較大，對于半干旱地區的適應性較差； (6) 整個收集系統投入運行之后不能達到動態的平衡，運行后期需要較多的管理手段，后續需要的調試措施較多。

2 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術

針對傳統公路雨水收集系統，“生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統”克服了傳統雨洪資源收集利用系統地缺點，系統模擬了原生的“地下水地表水相互補給、轉化供給植物生長”、自由調節的收集利用公路原本浪費流失的水資源，用于植物的綠化灌溉，有效的解決了損毀路基、污染地下水的問題，投入和風險較低，為區域經濟發展水資源保障提供技術支撐，為區域雨洪資源高效管理利用提供了新途徑[7-8]。

2.1 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統工作流程

“生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統”是一種設置在道路中央和邊緣的能將雨水儲存和生態利用的蓄集利用系統。根據半干旱區的氣候特征、土壤特點、地形地貌特征，在原有城鎮道路的基礎之上，克服了現有技術中存在的不足，提供了一種自動調整水資源集蓄與供給的動態平衡方式，省去后續的調試麻煩、最大限度地低成本、高效率地收集公路路面雨水，而且能夠保證所收集的雨水具有較高的水質，與此同時，有效地防止了雨水由綠化帶滲入而造成的路基損毀問題，為實現公路雨洪資源高效、優質、低價再利用提供了可能。生態水箱技術為我單位知識產權所有專利技術，在選擇適宜的上部植物情況下，可現在我所科技示范園區擴大規模試點示范，待調試至穩定之后(使用年限為30 a)可進行大規模推廣應用，推廣應用前景廣闊。

如圖1所示，生態水箱式城鎮道路雨水蓄集利用系統設置于城鎮道路的中間和邊緣，底部土層夯實。雨水通過攔污柵進行初步凈化，凈化后的雨水進入儲水裝置，儲水裝置將雨水儲存，由于種植土的毛管作用吸收利用儲水裝置中的水，完成了雨水的高效蓄集和利用。系統模擬了天然地下水儲水環境以及地表水與地下水相互轉化的動態平衡機制，最終達到雨水自動集蓄、供給綠化植物生長的動態平衡模式。路面上的雨水通過路面1%～1.5%的自然坡度到達攔污設施處，通過攔污柵，隔離了雨水中的污染物，優質的雨水通過蓄水通道進入聚丙烯(PP)塑料雨水收集模塊將雨水儲存，雨水在收集模塊中相當于是地下潛水層，再通過上層種植土的毛管作用供給植物生長，達到自動供給植物需水的目的。根據道路雨水資源的水質特點，生態水箱系統中的攔污柵可隔離雨水中的樹葉、垃圾、油類和懸浮固體等初期污染物，經過攔污柵、進水通道之后進入儲水設施的雨水得到第1次凈化，儲水設施中的雨水資源再通過上部種植土的毛管作用再次到達植物根系的雨水又得到第2次凈化，經檢測，道路雨水水質污染指標的最大值可達到COD=412 mg/l，BOD5=72 mg/l，SS=813 mmol/l，通過2次物理凈化后的雨水水質經估算污染物指標可減少45%以上，說明兩次物理凈化后的雨水資源可完全滿足上部植物生長的水質需求。

圖1 生態水箱系統工作流程圖

2.2 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術內容

生態水箱式道路雨水蓄集利用系統設置在道路中央和邊緣，并優選道路遠高近低呈1%～1.5%的自然坡度。生態水箱式道路雨水蓄集利用系統(圖2)底部土層夯實，并在其上設置儲水裝置，儲水裝置的底面和側面由內到外依次鋪設一層土工布、防水膜和土工布(或直接購買“兩布一膜”整體性工程材料進行鋪設)，儲水裝置上方設置有種植土，種植土和儲水裝置之間鋪設有一層土工布，儲水裝置采用PP塑料雨水收集模塊儲水，它的孔洞可儲存雨水，攔污柵采用鋼制結構與路面平齊，方便清潔并利用路面的坡度將雨水導入攔污柵處。攔污柵與儲水裝置之間通過蓄水通道連接，蓄水通道入口為矩形或者正方形，結合路面實際徑流量，間隔一定距離布設，采用混凝土或磚砌結構均可。種植土的側面砌筑有路緣石。路面上的雨水可通過其他途徑被消耗，大部分雨水通過攔污柵，隔離了雨水中的污染物，優質的雨水通過蓄水通道進入PP塑料雨水收集模塊將雨水儲存，雨水在收集模塊中相當于是地下潛水層，再通過上層種植土的毛管作用供給植物生長，達到自動供給植物需水的目的，降雨量大，PP塑料雨水收集模塊蓄滿水后，由于生態水箱式道路雨水蓄集利用系統比路面高出10 cm，雨水可通過路面排水設施排出，不會對生態水箱式道路雨水蓄集利用系統造成破壞，保證了其抗沖擊能力和運行的穩定性。

圖2 生態水箱系統結構圖

儲水裝置為PP塑料雨水收集模塊，它具有良好的抗壓性能，可有效增長生態水箱系統的使用壽命。PP塑料雨水收集模塊空隙率為90%～95%，儲水空間較大，可以充分的儲存水源，通過上層種植土的毛管作用將儲水裝置中儲存的水資源根據植物需水情況進行供給，為后續生態水箱系統的“自由呼吸”提供基礎；且不受微生物、細菌和瀝青等物的影響，是一種良好的儲水設施。PP雨水收集模塊(材質為再生環保聚丙烯)具有良好的耐寒、耐熱性能，耐溫范圍為-30～120 ℃，承重為22～55 t/m2，可充分適應半干旱區的極端氣候條件。在儲水裝置和上層種植土之間鋪設一層土工布，防止上層種植土散落入儲水裝置，且不影響種植土的毛管作用，同時，克服了儲水裝置內部的泥沙淤積問題，有效防止了儲水裝置中的泥沙淤積。儲存了優質雨水的儲水裝置，在無降水的干旱時候可通過種植土的毛管作用向上面種植的綠化植物供水，自己調節供水量，達到雨水蓄集和利用的動態平衡和自動調整，省去了綠化植物的灌溉耗水，尤其在半干旱地區，降雨量分配不均，且常以暴雨的形式出現的氣候，生態水箱式道路雨水蓄集利用系統的優勢和實用性就顯得尤為明顯。生態水箱系統建成經過調試正常運行后，可根據植物的需水情況自動補給，免去了后續灌溉維護的工作，在后期僅需少量人工對水箱系統的攔污柵表面污染物進行清除即可。

2.3 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術效益分析

生態水箱系統具有良好的生態和經濟效益。系統的主要材料為：PP雨水收集模塊、土工膜、“兩布一膜”工程材料、鋼制攔污柵、種植土和混凝土，材料除PP雨水收集模塊之外，都為常見普通、費用較低的材料，造價較低。為了進一步降低水箱的造價，系統的實際施工尺寸可根據安裝地點的降水量和公路路面的集水面積具體確定，主要為調整內部儲水設施的體積大小，使儲水設施的體積達到剛好蓄滿的情況，有效減少PP雨水收集模塊地使用量，最大限度地發揮其經濟效益。生態水箱系統的安裝施工工藝較為簡單和容易實現，只需在路面兩側(或單側)開挖矩形槽即可；水箱上部的種植植物可根據實際安裝地點的氣候和地形條件靈活選用成活率高、公路景觀性優的植物進行栽植。水箱系統利用收集到的優質雨水按照作物實際需水量、通過自身的毛細管作用供水，可省去灌溉用水和后期的復雜管護費用，一經建成調試使用之后，便可自運行，造價和維護費用明顯低于同類型產品，且利用了本難以利用的雨洪資源。與此同時，項目組還在積極研發更為優質的儲水材料，將大幅度降低生態水箱的造價和提高其適用性。

2.4 生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統技術的優越性

生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統通過浮渣隔離裝置、儲水設施、防滲設施以及種植土和綠化植物等設施完成了道路雨洪資源的高效管理、收集和利用。與傳統的雨洪資源收集設施相比較，其優勢在于： (1) “生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統”模擬地下水與地表水相互補給的原理，利用種植土的毛管作用將收集到的雨水資源進行集蓄和利用，系統具有自由調節的功能，可實現蓄和用的自由呼吸，可免去后續人工調試的麻煩。 (2) 整個生態水箱系統的外側采取雙層土工布和防水膜的分層布設，可有效解決雨水由綠化帶滲入而造成的路基損毀的問題。 (3) 生態水箱系統采用的攔污措施和防滲措施可充分保證集蓄的雨水的水質，并防止污染物隨雨水入滲污染地下水的情況。 (4) 系統采用的儲水填充物為PP塑料雨水收集模塊，具有良好的抗壓性能，可有效增長生態水箱系統的使用壽命。 (5) 生態水箱系統在設計過程中高出路基大約10 cm，即使是在較大降水量的情況下，依然排水順暢，可有效解決排水不暢的問題。 (6) 生態水箱系統可根據半干旱區的氣候和土壤情況，選擇合適的樹、草種，投入較小、適應性較強。

3 結 論

生態水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統根據半干旱區的氣候特征、土壤特點、地形地貌特征，在原有城鎮道路的基礎之上，實現了公路雨水收集再利用和種植植物需水、供水的動態平衡，主要包括浮渣隔離裝置、儲水設施、防滲設施以及種植土和綠化植物等設施。在儲水設施上設計浮渣隔離裝置，能控制路面帶來的樹葉、垃圾、油類和懸浮固體等污染物，能有效提高收集雨水的水質，為綠化植物的生長提供優良的水源。儲水設施采用PP塑料雨水收集模塊為填充物，具有良好的抗壓性能，可有效增長生態水箱系統的使用壽命，空隙率為90%～95%，儲水空間較大，可以充分的儲存水源，為綠化植物的生長提供充足的水源，為后續生態水箱系統的“自由呼吸”提供基礎。防滲設施采取雙層土工布和防水膜的分層布設，可有效解決雨水由綠化帶滲入而造成的路基損毀以及污染地下水的問題。種植土和綠化植物設施，采用30 cm的種植土厚度，有效保證了綠化植物和儲水設施間的“自由呼吸”，保證了雨水資源的集蓄和供給的動態平衡，與此同時，選擇適宜當地氣候的綠化植物提高植物的存活率和適應性。生態水箱系統具有“自由呼吸”的水資源集蓄、供給動態調整平衡功能、截污功能和高效集蓄路面優質雨水的功能，為控制雨水對土壤及地下水的污染、實現雨水的高效再利用提供了條件和新的方法，在低投入、低風險情況下，提高了半干旱區的水、土資源利用效益和對經濟社會發展的支撐能力，為全面建設生態文明區域奠定了基礎，為區域雨洪資源高效管理利用提供了新途徑。

[1] 張新燕,蔡煥杰.雨水集蓄利用研究進展[J].干旱區資源與環境,2001，15(S1):87-90.

[2] 王希,康璇,王秀茹,等.雨水集蓄利用工程研究:以黃土崗雨水集蓄利用工程為例[J].湖南農業科學,2011(9):70-74.

[3] 李勇,王超,朱亮,等.雨水集蓄利用的環境效應及研究展望[J].水土保持研究,2002,9(4):18-20.

[4] 厲晶晶.雨水收集利用系統關鍵技術及工程示范研究[D].江蘇鎮江：江蘇大學,2010:12-16.

[5] 李鵬飛.高速公路服務區雨水利用技術研究:以信陽高速公路服務區為研究實例[D].陜西西安：長安大學,2011:20-28.

[6] 黃煥存.高速公路循環水利用系統關鍵技術研究[D].重慶：重慶交通大學,2012:21-24.

[7] 侯俊麗.高速公路中央綠化帶智能微灌綠化技術研究:以保騰高速為例[D].重慶：重慶交通大學,2013:36-42.

[8] 張和平,鄭福焱,陳葵.共青生態小區雨水資源化系統規劃設計[J].環境科學與技術，2012,12(35):282-283.

Technical Research of Ecological Water Tank Catchment and Utilization System of Road Rainwater Resources in Semi-arid Region

GAO Yayu, ZHANG Xinmin, TIAN Jinhua

(GansuInstituteofSoil&WaterConservationSciences，Lanzhou,Gansu730000,China)

[Objective] Ecological water tank catchment and utilization system of road rainwater resources was demonstrated to give some guidances of the collection and recycling of road rainwater and of effectively improving the collection rainwater quality. This was also helpful for providing excellent water sources for greening plant growth. [Methods] The system’s was used as water storage facilities, which can provide the basis for follow-up system of “free breathing”. The porosity of polypropylene plastic rainwater collection module was 90%～95%. And the impervious facilities laid stratified double geotextile and waterproof membrane. In which, 30 cm thickness filled-in soil can sufficiently ensure the dynamic equilibrium between catchment and supply of the rainwater resources. [Results] Ecological water tank system has the functions of dynamic equilibrium adjustment of water resourses catchment and supply, and sewage interception as well. It can efficiently collect high-quality rainwater on the road, and effectively control the pollution of soil and groundwater caused by rainwater. [Conclusion] This system can also provided the conditions and new approaches for efficient recycling of rainwater resources and provides a new way for efficient management and use of regional rainwater resources.

ecological water tank; roads rainwater resources; catchment use; efficient management; semi-arid region

2015-07-22

2015-09-24

隴原青年創新人才扶持計劃項目“隴東地區雨洪管理及水保工程雨洪利用技術研究”(甘組通字[2014]93號)； 甘肅省科技廳重大專項 (1203FKDA035)； 甘肅省水利科研技術推廣項目(甘水科外發[2013]293號；[2014]223號；[2015]55號)； 甘肅省科技支撐計劃項目(1204NKCA087)； 甘肅省水利廳水資源費項目(甘財農[2010]162號)

高雅玉(1985—)，女(漢族)，天津市人，高級工程師，碩士研究生，主要從事水資源與水土保持方面的研究。E-mail:gaoyayu19851231@163.com。

B

1000-288X(2017)02-0188-05

S273.1， S157