[發明專利]集路面徑流收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統及方法

有效

• 申請號: 201210126041.6
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN103374972A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發明（設計）人: 陳學平;劉學欣;薛鑄;陳濟丁
• 申請（專利權）人: 交通運輸部科學研究院
• 主分類號: E03F5/10
• 分類號: E03F5/10;E03F5/14;E03F5/22;A01G9/02;A01G27/02
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧;張華輝

1.一種集路面徑流收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于：在路側設置一條低于路面的生態種植槽(1)收集處理初期路面徑流，該生態種植槽(1)由兩側壁與底板構成的槽，該生態種植槽(1)內從上至下包括植被層(8)、種植土壤層(7)、滲透凈化層(5)、過濾層(6)、支撐層(4)、蓄水層(3)、防滲層(2)疊加構成，所述的生態種植槽(1)的兩側壁中靠近路面的一側為內壁，相對于內壁一側為外壁(16)，該外壁(16)高度低于內壁的高度，該外壁(16)的側面還設置有一條溢流槽(11)，該溢流槽(11)將生態種植槽(1)后期徑流水收集匯入生態種植槽(1)的隔室(20)。

2.根據權利要求1中所述的集路面徑流收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于其中所述的生態種植槽(1)的種植土壤層(7)厚度根據擬種植的植被類型確定為10-30cm的種植土或專用配制土，所述的滲透凈化層(5)為鋸末與沙子按照1∶3-1∶5混合成的混合物，其厚度按植被類型確定，所述的過濾層(6)為透水型無紡布，所述的支撐層(4)為土工格柵或鋼格柵，在所述的蓄水層(3)填充部分塊石骨料或完全填充塊石骨料或完全不填充塊石骨料，根據初期路面徑流收集對蓄水層蓄水量的要求，確定蓄水最小深度，并根據蓄水最小深度和填石孔隙率，確定蓄水層(3)的厚度，所述的防滲層(2)采用不透水土工布或塑料布鋪于混凝土上所構成。

3.根據權利要求1-2中任意一項所述的集路面徑流收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于：在所述的生態種植槽(1)內沿路線隔離出一個水位觀測隔室(20)，該生態種植槽(1)僅有蓄水層(3)的水流與該隔室(20)相連通，該隔室(20)內設置有水位觀測裝置，該水位觀測裝置采用一個浮標(10)帶動與浮標(10)相連接并延伸到地面的指針(22)上下移動，該指針(22)與一固定于地面的豎向水位觀測刻度盤(18)相結合進行觀測。

4.根據權利要求3所述的集路面徑路收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于所述的隔室(20)中蓄水層(3)頂部高度處設置有外排管道(13)及控制閥門(9)，該外排管道(13)直接與清凈下水的排水管網相連通。

5.根據權利要求4所述的集路面徑流收集、過濾凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于在所述的蓄水層(3)中安裝有多個空心的導氣管(14)，該多個導氣管(14)的上端連通地表大氣，該多個導氣管(14)的下端連通蓄水層(3)，從而實現大氣與蓄水層(3)氣壓的貫通。?

6.根據權利要求5所述的集收集、凈化、蓄水并為植物利用的系統，其特征在于，在所述的生態種植槽(1)與公路之間設置有一個暗井(19)，該暗井(19)內安裝有一個抽水裝置(15)，該抽水裝置(15)直接將蓄水層(3)水分抽提到生態種植槽(1)的表面，生態種植槽(1)的側壁上預留灌溉管道接口(23)，從而可為植物灌溉時所利用。

7.根據權利要求1所述的集路面徑流收集、過濾凈化、蓄水并為植物利用的系統的方法，其特征在于：

步驟1：確定所述生態種植槽(1)中的植被層(8)的類型，并選擇確定種植土壤層(7)的材料、滲透凈化層(5)及蓄水層(3)的填充材料；

步驟2：試驗測定或查閱資料獲取所設計材料的基本參數，主要包括：

(1)模擬野外壓實條件下，在實驗室測試生態種植槽(1)內填充的種植土壤層材料滲透系數P₀和滲透凈化層材料滲透系數P₁；

(2)根據路面材料情況，確定擬收集路面的徑流系數；

一般路面單一覆蓋情況下其徑流系數Φ的取值可參考下表：

路面單一覆蓋徑流系數表

??覆蓋種類 ??徑流系數 ??混凝土和瀝青路面 ??0.90 ??大塊石鋪砌路面、瀝青路面處理的碎石路面 ??0.60 ??干砌磚石和碎石路面 ??0.40 ??非鋪砌土地面 ??0.30 ??綠地和草地 ??0.15

步驟3：查詢地區暴雨強度公式，并根據所獲得的暴雨強度公式計算當地設計暴雨強度q；

步驟4：根據設計暴雨強度q值和擬收集徑流的路面匯水寬度B，計算擬收集路面徑流的單位長度生態種植槽設計雨水徑流量；

其計算公式為：

Q＝0.0001·Φ·q·B

式中Q——單位長度生態種植槽設計雨水徑流量(L/s·m)；

????q——設計暴雨強度(L/s·ha)；

????B——路面匯水寬度(m)，現場實測或通過設計文件獲得；

???Φ——徑流系數，實驗測定或直接參照取值，為無量綱；

步驟5：根據步驟4中所獲得的單位長度生態種植槽設計雨水徑流量Q值，計算表層土壤需要達到的滲透能力即設計滲透系數P₀′；

P₀′＝0.1·Q/w+10^-5·q?

式中P₀′——設計滲透系數(cm/s)；

????w——生態種植槽設計寬度(m)，根據路側場地空間制約條件確定；

步驟6：根據步驟5中的計算結果獲得的設計滲透系數P₀′、步驟2中測定的種植土壤層材料滲透系數P₀，初期路面徑流的收集時間t，計算生態種植槽種植土壤層土表距離溢流面的距離d，即

d＝60·(P₀′-P₀)·t

式中d——種植土壤層土表距離溢流面的距離(cm)；

????t——初期路面徑流的收集時間(min)；

初期路面徑流的收集時間t根據相關文獻、當地氣象資料、降雨特征、降雨量變化規律等，選擇滿足主要路面污染物的初期路面徑流收集所需的時間，在缺乏相關參考資料情況下，取30min；

如果種植土壤層土表距離溢流面的距離d＜0cm，則表示種植土壤層填充時，其表面距離溢流面的距離可以根據現場情況任意設計一個略低于溢流面的值即可；若種植土壤層土表距離溢流面的距離d＞10cm，則表明種植土低于溢流面的距離應大于10cm，鑒于道路行車安全考慮，此時需要對表層種植土進行重新配制，加入滲透性強的材料進行土壤改良，如細沙、泥炭等，再重新測定種植土壤層材料滲透系數P₀，代入上式，使種植土壤層土表距離溢流面的距離d值降低，直至滿足要求；

比較最終確定的種植土壤層材料滲透系數P₀與滲透凈化層材料滲透系數P₁，如果種植土壤層材料滲透系數P₀＜滲透凈化層材料滲透系數P₁，則表示滲透凈化層(5)可及時透水，不需再做調整；如果種植土壤層材料滲透系數P₀＞滲透凈化層材料滲透系數P₁，需要對滲透凈化填料進行重新配制，加入滲透性強的材料進行填料滲透性能改良，使得配置后滲透凈化層材料滲透系數大于種植土壤層材料滲透系數，即滲透凈化層材料滲透系數P₁＞種植土壤層材料滲透系數P₀，從而保證雨水可以及時下滲導排，不會造成路面積水影響行車安全；

步驟7：進行生態種植槽(1)的種植土壤層(7)與滲透凈化層(5)可蓄積的水量的計算，其中：

D₁＝W₁-W₁′

式中D₁——種植土壤層可蓄積水量(mm)；

????W₁——種植土壤層飽和含水量(mm)；

????W₁′——種植土壤層土壤中原含水量(mm)；

種植土壤層飽和含水量W₁可通過如下公式求得：

式中ρ₁——種植土壤層干容重(g/cm³)；

????b₁——種植土壤層飽和含水率，用重量百分數表示(％)；

????h₁——種植土壤層的厚度；

種植土壤層干容重ρ₁，種植土壤層飽和含水率b₁可通過采集土壤樣品進行實驗測定獲得；種植土壤層的厚度h₁根據植物生長對土壤厚度要求，在10-30cm范圍內給出設計厚度；

種植土壤層土壤中原含水量W₁′可通過如下公式求得：

式中b′₁——種植土壤層原含水率，用重量百分數表示(％)；

由于土壤含水率會隨其濕度狀態發生較大變化，為了統一該值的測定，采用風干土壤樣品的含水率，即一般自然狀態下的含水率代表其土壤層原含水率；

同理，采用類似方法可得滲透凈化層可蓄積水量公式為：

D₂＝W₂-W₂′

式中：D₂——滲透凈化層可蓄積水量(mm)；

??????W₂——滲透凈化層飽和含水量(mm)；

??????W₂′——滲透凈化層土壤中原含水量(mm)；

??????ρ₂——滲透凈化層干容重(g/cm³)；

??????b₂——滲透凈化層飽和含水率，用重量百分數表示(％)；

??????h₂——滲透凈化層的厚度；

以上式中各參數的測試與獲得方法與種植土壤層相同；滲透凈化層的厚度h₂根據植物根系生長范圍，在20-40cm范圍內給出設計厚度；

步驟8：進行生態種植槽蓄水層厚度與蓄水能力計算及填充材料的確定，其所需要蓄積的蓄水層凈蓄水量計算公式為：

式中D₃——蓄水層凈蓄水量(mm)；

步驟9：確定蓄水層厚度h₃，以完全不填充或塊石滿填的兩種情形下，分別作為蓄水層的最小厚度h_min與最大厚度h_max，則蓄水層厚度h₃取值范圍在h_min～h_max之間；

其中，h_min＝0.1·D₃，?

式中r——塊石滿填情形下的孔隙率；

????h_min——蓄水層厚度h₃的取值范圍最小值，cm；

????h_max——蓄水層厚度h₃的取值范圍最大值，cm；

步驟10：根據當地降雨情況和現場環境條件，在對前期雨水收集處理基礎上，擴展后期雨水的溢出流量的設計空間需求，確定增容蓄水厚度h₄的儲水空間；

步驟11：根據種植土壤層土表距離溢流面的距離d，種植土壤層厚度h₁，滲透凈化層厚度h₂，蓄水層厚度h₃，增容蓄水厚度h₄，確定生態種植槽可收集包含降雨歷時為t以及考慮適當增容時，所需要的生態種植槽空間的總厚度H計算公式為：

H＝d+h₁+h₂+h₃+h₄。