城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理方案設(shè)計(jì)研究

聶 昊，梁契宗，史長(zhǎng)瑩

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院， 哈爾濱 150080； 2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院， 廣州 510275)

0 引 言

道路在城市規(guī)劃與建設(shè)中占有舉足輕重的地位，快速城市化背景下，道路面積不斷增加。目前，我國(guó)城市道路占建設(shè)用地的比例一般為10%～15%，而部分西方發(fā)達(dá)國(guó)家城市甚至達(dá)到30%～40%[1]。因此，為了協(xié)調(diào)城市發(fā)展中人和環(huán)境之間的矛盾，如何把握日益增加的道路與城市環(huán)境的關(guān)系，妥善處理道路建設(shè)對(duì)環(huán)境、水資源等帶來的干擾和影響，成為一個(gè)值得認(rèn)真對(duì)待的重大問題。

國(guó)外從20世紀(jì)60年代便展開了對(duì)雨水資源的收集利用工作的相關(guān)研究，90年代LID理念的形成[2]與實(shí)踐逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨水資源的生態(tài)化利用。此外，歐、美、日等國(guó)家和地區(qū)對(duì)于雨水利用工作有嚴(yán)格的法律、政策要求。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)相關(guān)工作開展較晚，從20世紀(jì)90年代開始在甘肅等干旱地區(qū)開展試點(diǎn)，2013年12月“海綿城市”的概念首次出現(xiàn)在官方文件中[3]。基于政策激勵(lì)，生態(tài)協(xié)同處理的相關(guān)研究取得一定成果，在道路雨水徑流處理方面逐步實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)單的“排”到徑流處理與生態(tài)功能相協(xié)調(diào)的“用”的轉(zhuǎn)變，在一定程度上改善了傳統(tǒng)雨水處理裝置污染、浪費(fèi)雨水徑流的情況，但現(xiàn)有技術(shù)在客觀上仍存在諸如裝置清理難度大、技術(shù)方案不成熟、不完善、雨水徑流不夠順暢等問題。此外，在過去，我國(guó)水污染防治工作重點(diǎn)針對(duì)城市生產(chǎn)和生活污水等點(diǎn)源污染，城市雨水徑流污染治理在我國(guó)尚未全面展開，諸多概念和理論還存在爭(zhēng)議，治理經(jīng)驗(yàn)和方法也相對(duì)不足。而且相關(guān)科學(xué)及技術(shù)問題的研究工作缺乏突破，不能形成較完備的技術(shù)理論體系，相關(guān)裝置的徑流處理能力和生態(tài)功能效果仍有待提高。如王建龍等[4]設(shè)計(jì)了一種城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了雨水徑流中污染物的分級(jí)控制以及凈水節(jié)水功能。羅鵬等[5]設(shè)計(jì)了一種地表徑流初雨控制系統(tǒng)，有效控制了初期雨水對(duì)地面水體的污染。然而傳統(tǒng)裝置在長(zhǎng)時(shí)間使用之后，裝置的內(nèi)部會(huì)積累有淤泥等雜質(zhì)，在定期對(duì)其進(jìn)行清理時(shí)，難以有效提高清理的操作效率，容易因清理的不及時(shí)導(dǎo)致雨水徑流不夠順暢，不方便工作人員的維護(hù)操作。基于此，本文設(shè)計(jì)一種新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置及方法[6]，以解決上述問題。

1 城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置設(shè)計(jì)

城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置的設(shè)計(jì)主要圍繞提高裝置的濾污能力、納污能力及排污能力3個(gè)方面進(jìn)行。

1) 濾污能力：通過優(yōu)化配置，積極尋求較合理的砂、礫石等滲慮材料及其配置模式，保證雨水徑流自然下滲的同時(shí)對(duì)地表徑流進(jìn)行過濾清污。

2) 納污能力：集水裝置與滲慮裝置共用協(xié)同處理箱，框體內(nèi)側(cè)所設(shè)凹槽及滾輪便于收集網(wǎng)框的移動(dòng)及清理。

3) 排污能力：協(xié)同處理箱一側(cè)設(shè)有螺旋傳送筒及傳送電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)電力傳送，能大大提高工作人員的操作效率。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與使用方法

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)見圖1。城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置主體由濾污系統(tǒng)、納污系統(tǒng)、排污系統(tǒng)三部分組成。

圖1 城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

濾污系統(tǒng)設(shè)有砂濾層和植物，砂濾層的下部分別設(shè)有過濾支撐網(wǎng)和礫石層，并在礫石層內(nèi)部中間位置設(shè)置有前后兩側(cè)均開設(shè)穿孔的引導(dǎo)管，見圖2。

圖2 過濾支撐網(wǎng)與礫石層的結(jié)合視圖

納污系統(tǒng)的主體為設(shè)在砂濾層一側(cè)的協(xié)同處理箱。箱體內(nèi)部下端位置開設(shè)收集槽，箱體下端設(shè)置排放管，該排放管用于連通收集槽及下述排污系統(tǒng)中的螺旋傳送筒。協(xié)同處理箱的內(nèi)部設(shè)置有收集機(jī)構(gòu)，包括框體、過濾板、固定板、連接框、電機(jī)、絲桿和收集網(wǎng)框。其中，收集網(wǎng)框(圖3)位于框體的內(nèi)部，且過濾板固定連接在收集網(wǎng)框的上端面，固定板固定連接在過濾板兩側(cè)面(圖4)，連接框固定連接在固定板的下端面，絲桿貫穿在連接框的內(nèi)部。框體內(nèi)部?jī)蓚?cè)位置均開設(shè)有滑槽，絲桿與連接框均位于滑槽的內(nèi)部，絲桿的上端部分插接在框體的內(nèi)部，且絲桿與框體之間設(shè)置有軸承，電機(jī)輸出軸與絲桿的一端固定連接(圖5)。

圖3 電機(jī)與收集網(wǎng)框的結(jié)合視圖

圖4 過濾板與固定板的結(jié)合視圖

圖5 絲桿與電機(jī)的結(jié)合視圖

框體的內(nèi)部中間位置固定連接有集水框，集水框靠近砂濾層的一側(cè)面設(shè)置有滲透板，在集水框的前后端位置各設(shè)一個(gè)收集網(wǎng)框，且收集網(wǎng)框始終不與框體脫離。集水框的內(nèi)部前后端位置均開設(shè)有穿孔，穿孔的內(nèi)部固定連接有過濾盤。連接框始終不與框體脫離，并呈U形設(shè)置，且連接框與框體之間為滑動(dòng)連接。框體的內(nèi)部靠近收集網(wǎng)框的位置開設(shè)有凹槽，凹槽的內(nèi)部設(shè)置有滾輪，滾輪的一側(cè)面突出于框體的內(nèi)部與收集網(wǎng)框接觸。收集網(wǎng)框的前端面設(shè)置有蓋體，蓋體的下端與收集網(wǎng)框之間設(shè)置有鉸鏈(圖6)，蓋體與滾輪之間接觸。過濾板的下端面靠近蓋體的位置固定連接有擋板(圖7)，擋板與蓋體的上端一側(cè)位置接觸。蓋體的上端面呈弧形設(shè)置，整體呈鏤空設(shè)置。

圖6 鉸鏈與蓋體的結(jié)合視圖

圖7 擋板與滾輪的結(jié)合視圖

排污系統(tǒng)主要由蓋板、螺旋傳送筒及傳送電機(jī)三部分組成。螺旋傳送筒設(shè)于協(xié)同處理箱一側(cè)，通過排放管與收集槽直接相通。螺旋傳送筒的下端設(shè)置有傳送電機(jī)，上端設(shè)置有蓋板，且蓋板與螺旋傳送筒的上端面之間為密封連接，二者通過螺絲連接。

2.2 使用方法

城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置在使用時(shí)，將裝置與電源連接，道路雨水通過過濾板匯集到協(xié)同處理箱的內(nèi)部。雨水收集在框體內(nèi)部的收集網(wǎng)框中，雨水通過收集網(wǎng)框和過濾盤能夠進(jìn)入集水框的內(nèi)部，之后再通過滲透板進(jìn)入砂濾層中。水流進(jìn)入砂濾層部分用于植物吸收，另一部分通過過濾支撐網(wǎng)滲透到礫石層，之后被引導(dǎo)管收集并排出。

需要對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行清理時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，之后能夠帶動(dòng)連接框在滑槽的內(nèi)部移動(dòng)，進(jìn)而能夠帶動(dòng)過濾板和收集網(wǎng)框上下移動(dòng)，收集網(wǎng)框向上移動(dòng)時(shí)滾輪能夠與蓋體和收集網(wǎng)框接觸，能夠避免框體與蓋體產(chǎn)生較大摩擦，進(jìn)而保證收集網(wǎng)框順利地上下移動(dòng)，在收集網(wǎng)框向上移動(dòng)到鉸鏈漏出時(shí)，蓋體打開，之后便可將收集網(wǎng)框的內(nèi)部雜質(zhì)進(jìn)行清理，能夠避免收集網(wǎng)框內(nèi)部的堵塞，可較好保證水流的排放順暢性；在收集網(wǎng)框的內(nèi)部向下移動(dòng)收回時(shí)，打開的蓋體能夠在框體內(nèi)部空間的擠壓下關(guān)閉，滾輪在框體的上端出口處與蓋體接觸，既能夠?qū)⑸w體擠壓關(guān)閉，也能夠避免蓋體與框體之間產(chǎn)生過大摩擦，能夠方便工作人員的操作，在收集網(wǎng)框完全回到放置槽的內(nèi)部之后，蓋體的上端一側(cè)與擋板接觸，能夠保證蓋體不會(huì)向收集網(wǎng)框的內(nèi)部移動(dòng)。

打開蓋板，啟動(dòng)傳送電機(jī)帶動(dòng)螺旋傳送筒內(nèi)部的螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋傳送筒通過排放管與收集槽連通，進(jìn)而通過螺旋傳送筒將收集槽內(nèi)部的淤泥傳動(dòng)至螺旋傳送筒的上端出口處排出，能夠較好實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置內(nèi)部淤泥的清理工作，大大提高了工作人員的操作效率，保證裝置內(nèi)雨水流通的順暢性。

3 本方案設(shè)計(jì)新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置的特色與創(chuàng)新之處

傳統(tǒng)道路雨水徑流處理裝置結(jié)構(gòu)與新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)的詳細(xì)對(duì)比見表1。新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)的主要特色與創(chuàng)新之處如下：

表1 傳統(tǒng)道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)與新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置結(jié)構(gòu)對(duì)比

1) 本文設(shè)計(jì)的新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置具有傳送電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)收納箱的電力傳送，極大地減輕了維護(hù)人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。

2) 本文設(shè)計(jì)的新型城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置對(duì)砂濾層與礫石層進(jìn)行優(yōu)化配置，并利用過濾板和滲透板對(duì)雨水進(jìn)行多重滲濾，極大地提高了裝置對(duì)雨水的過濾能力。

4 結(jié) 論

本文以城市道路雨水徑流生態(tài)協(xié)同處理裝置為研究對(duì)象，對(duì)其收納箱傳送結(jié)構(gòu)及濾污結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過對(duì)砂濾層與礫石層進(jìn)行優(yōu)化配置，利用過濾板和滲透板對(duì)雨水進(jìn)行多重滲濾，極大地提高了裝置對(duì)雨水的過濾能力，搭配砂濾層上部植物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道路徑流的生態(tài)利用；協(xié)同處理箱的一側(cè)設(shè)置有螺旋傳送筒和傳送電機(jī)，能夠保證收集網(wǎng)框順利地上下移動(dòng)，在收集網(wǎng)框向上移動(dòng)到鉸鏈露出時(shí)，蓋體打開，便于對(duì)收集網(wǎng)框內(nèi)部雜質(zhì)進(jìn)行清理，有效避免了收集網(wǎng)框內(nèi)部發(fā)生堵塞，保證了裝置內(nèi)積水的順暢排放，大大提高了工作人員的操作效率。本文所做研究為生態(tài)城市建設(shè)中道路雨水徑流處理提供了新方案，具有較高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著智慧水利、萬物互聯(lián)等新技術(shù)、新理念的發(fā)展，該裝置將具有更加廣闊的市場(chǎng)前景。