技术交流 | 蒋玖璐总工：他山之石——美国城市雨水控制设施介绍和启示-北极星水处理网

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雨水对受纳水体的影响

城市受纳水体：溪流、湖泊、河流和海洋

受纳水体有多种规划用途：

● 雨水输送（降低洪水风险）；

● 完善生态系统（动植物的栖息地和生态多样性）；

● 非接触式娱乐（公园、景观和游船）；

● 接触式娱乐（游泳）；

● 供水水源。

1、城市化对径流量的影响

● 达到峰值流量的时间提前

● 径流量增大

雨水控制设施以调蓄池为例：将相应重现期的峰值流量控制在开发前水平或低于开发前水平。

2、城市化对径流水质的影响

径流携带污染物：氮、磷、重金属、碳氢化合物泥砂、病菌、有机物、氯化物、颗粒物、残渣。

污染物来源：化肥农药、机油、刹车片残渣、宠物和家畜粪便、人工除雪的盐分、施工现场的泥砂、街道上的垃圾、流经热铺砌地面的雨水。

雨水控制设施主要工艺：沉淀、吸附、沉析、过滤、光合作用、硝化和反硝化、降温、消毒、拦截、光降解、氧化还原。

雨水调蓄池对水文过程线的影响，由牧场开发成独栋住宅。

3、城市化对河道形态的影响

● 径流量的增大和水流暂时性的分布改变会加速对河道的冲蚀，导致了河道断面和平面改变。

● 城市化流域中泥砂负荷的增加主要源于对河道的冲蚀，河岸冲蚀带来的泥砂量约占泥砂负荷量的2/3。

雨水控制设施：如调蓄池削减降雨峰值，排放加大了冲蚀性水流在河道中的历时和频率，对于砂质河床，河道可能被刷深，设计时应考虑过量剪切应力的大小和持续时间。

4、城市化对水生生物的影响

● 大多数生态系统和生物体并不适应城市雨水系统带来的物理、化学和温度的变化，热效应有助于藻类的繁殖，加剧氧气消耗和缺氧。

● 河床和河岸的冲蚀、沉积和水力条件的改变重塑了生物栖息地环境，导致具有耐受性动植物群的替换，如湿地失去了典型的植物物种，而被杂草和外来植物所代替。

● 雨水排放可能会影响下游生物体的避难所，透明度、温度或pH的变化可能中断溯河产卵的鱼类洄游的路线，河边植被的破坏会消灭河流源头的主要初级食物源。

● 水力泥砂的变化会影响泥砂和砾石砂丘的稳定性和产卵地质量、躲避洪水的安全地带。

● 受工业或市政排污影响的城市河段拥有缺乏多样性和以耐污染有机物为主的水生族，如食蚊鱼和水丝蚓。

采用雨洪控制措施时需要掌握受纳水体的特性：受纳水体是湖泊，需加强磷和氮的控制；受纳水体是鳟鱼溪流，重点是温度和重金属的控制。

雨水控制目标和控制设施

1、雨水控制标准和目标体系

1）补给蒸发R/EV

地下水补给：指雨水对浅层和深层含水层的入渗。雨水浅层入渗成为土内水流的一部分，部分入渗水从植物中蒸腾或从土壤中直接蒸发。过量的入渗水到达更深的土壤，存储在含水层中，成为区域地下水系统的一部分。

2）水质保护WQV

目的：雨水排放前去除雨水中污染物。水质标准确定雨水控制设施规模，决定需要截留和处理一定比例的年均降雨量或径流量，可通过连续的水文模型模拟，或给出一个明确的总量，如年均径流量的80％～90％，或规定一个频率的降雨径流截留量，如85％的降雨产生径流被截留。

3）河道保护CPV

目的：减小对河道的冲蚀。为了保护河流周边财产、地貌或穿越河道的基础设施，如水生动物栖息地。CPV是通过降雨和径流统计得到的，通过入渗、蒸发蒸腾、雨水截留来减少CPV，并将剩余径流量以不造成冲蚀的流速排放。

4）漫滩洪水保护OFV

目的：保护河道沿岸财产不会被淹没河滩的暴雨损坏，也用于确定排水系统以及跨河桥梁的设计标准。保障在特定情况下的峰值流量维持在一定范围内或在雨水输送系统中使水位保持在某一个高程内。

5）极端洪水保护EFV

保障在特定情况下的峰值流量维持在一定范围内或在雨水输送系统中使水位保持在某一个高程内。

低流量和高流量雨水排水系统示意图：

2、以水质保护为目标确定最佳WQV

径流量截留率：截留的径流量占年总径流量的百分比。

相对截留量：每场降雨的径流截留量除以99.9%概率降雨径流量。

最佳WQV：截留效率最大时的径流截留量，最佳点在径流量累积分布曲线切线值1:1处。

本例：在99.9%降雨概率（对应径流量77.2mm）的暴雨中18%的相对截留量对应径流量13.9mm的流域雨量处理容量，可以截留约83%的年总径流量。

3、WQV的计算方法

1）降雨强度-历时-频率曲线（IDF曲线）

确定特定降雨重现期及历时下的总雨量。

2）累积概率分布曲线

截留“较小”降雨的地表径流，可以使大部分降雨产生的地表径流得到处理。

对佛罗里达州奥兰多市以及俄亥俄州辛辛那提市40年的日降雨累积概率分布数据进行分析，在辛辛那提能产生径流的雨量为2.5mm，奥兰多为1.5mm。奥兰多年均降雨量1270mm，其中90%的降雨小于36mm。辛辛那提年均降雨量1020mm，其中90%的降雨小于20mm。累积概率90%基本代表了确定WQV的效果递减点，这是因为即使再明显提高处理设施的容量，取得的效果也极为有限。