北京奥林匹克公园中心区雨洪综合利用技术体系综述

裴利计，胡浩云，张学英，李磊明

（河北工程大学，河北 邯郸 056021）

1 概况

北京奥林匹克公园位于北京市中轴线的北端，南起北四环路，北至科荟路，西临天辰东路，东靠湖边东路。中心区总面积84.7hm2。其中，屋顶绿化面积0.5hm2；屋顶雨水收集综合利用面积3.4605hm2；透水地面建设面积17.1649hm2；不透水地面雨水收集综合利用面积18.9065hm2；绿化面积28.2119hm2；水面面积16.5hm2。

针对奥运场区建成后公共区域多、硬化铺装面积大、下沉花园及地下构筑物等设施复杂的特点，研究了满足部分公共设施和景观用水需求、经济适用的雨洪控制和利用技术，通过集成各种雨洪利用技术，形成了一套完整的雨水渗滤、净化系统。

2 技术体系框架

工程针对奥运场区内硬化铺装、绿地树阵、下沉广场、市政道路和场区环境建设的特点，以现有的雨洪利用技术：城市干道透水性人行道、基于雨水净化的渗滤系统、绿地雨洪渗蓄自灌技术、透水铺装雨水利用技术、雨洪利用新组件的研发、雨洪利用效果评价与优化技术、下沉花园雨洪利用措施、雨洪利用监控技术为基础，研究了水系岸边绿地雨水利用技术、中心区非机动车道雨洪削减与径流污染控制技术、跨水系构筑物（跨水系桥）雨水综合利用技术等。将现有雨洪利用技术与雨洪利用新技术进行集成，建立以消减洪峰流量为核心，将净化回用、入渗补源、景观生态、防洪减灾等功能相结合的奥运场区雨洪综合利用技术体系，如图1所示。

图1 中心区雨水利用技术体系框架图

3 雨洪综合利用技术体系

3.1 入渗补源与净化回用技术

雨水入渗补源即利用渗坑、渗井、渗沟等设施使雨水就地下渗补充地下水；雨水净化回用即雨洪径流通过渗坑、渗井、渗沟、绿地、机动车道、人行道及路桥等设施在渗透过程净化后收集储存供景观、灌溉、冲厕等用水需求。

雨水入渗补源与净化回用是一种间接的雨水利用技术，是合理利用和管理雨水资源，改善生态环境的有效方法之一。与传统的雨水直接排放和雨水集中收集、储存、处理与利用的技术方案相比，具有技术简单、设计灵活、易于施工、运行方便、适用范围大、投资少、环境效益显著等优点。雨水入渗补源与净化回用技术的目的包括雨水下渗，补充涵养地下水资源，缓解地面沉降，雨水净化收集，节约资源，改善生态环境等。

3.1.1 中心区非机动车道雨洪削减与径流污染控制技术

奥林匹克公园中心区非机动车道铺装地面大量采用透水铺装（中轴路及庆典广场除外）。中心区非机动车道总面积36.29万m2，其中透水铺装17.16万m2，非透水铺装19.13万m2。

透水铺装非机动车道雨洪削减与径流污染控制的主要方式是通过渗透设施下渗净化后补充地下水源，不进行回收，同时达到削减雨洪与控制径流污染的目的。

非透水铺装非机动车道主要为中轴大道和庆典广场等地面。在60m宽的中轴路中间21m范围内铺设花岗岩，在花岗岩铺装的两侧各设置了1条透水性雨洪集水沟，同时设置重力流弃流井。集水沟用透水或多孔材料制作，集水沟内还设置一定高度的挡水板，收集的雨水通过初期弃流，然后收集，与树阵广场区的雨洪系统连在一起。同时在收集过程中通过渗滤管沟首先下渗补充地下水，多余的雨水再进行收集利用，实现雨洪利用最大化；庆典广场为大面积的花岗石铺装，面层及基层均不透水。为了减轻排水压力和改善排水的水质，在地面雨水口处设置弃流井，弃流井的容积可以存蓄3～4mm的初期降雨，井内设有多层过滤网，初期雨水过滤后下渗，后期雨水集中排放到下游的集水池。

3.1.2 跨水系构筑物的雨洪利用技术

跨水系构筑物是指中心区跨水系市政交通道路两侧人行道，采用特殊的透水铺装进行雨洪利用。地面雨水可以直接下渗、过滤后流入水系，以减少排水设施和就近利用雨水，起到削减雨洪与控制径流污染的作用。

（1）在传统不透水材料结构（中心区跨水系市政交通道路两侧人行道）上实现透水功能（采用特殊的透水铺装进行雨洪利用）。

（2）在保证结构安全的情况下，在跨水系市政交通道路两侧的钢筋混凝土顶板结构上按适当比例开设一定数量的泄水孔，其上铺设砂垫层和混凝土透水砖，满足减少排水设施、就近利用雨水以及削减雨洪与控制径流污染的要求。

（3）在跨水系市政交通道路两侧的钢筋混凝土顶板结构上开设泄水孔，经济上无需额外投入，实现了“低投入、高产出”。

跨水系市政交通道路两侧的结构为钢筋混凝土结构，其顶板挑向水面，在钢筋混凝土顶板结构上按适当比例预留一定数量的直径50mm、纵横间距500mm的泄水孔，其上铺设砂垫层和混凝土透水砖，能更好地解决透水与保证结构安全的矛盾，如图2所示。

图2 跨水系路桥断面雨洪利用原理图

3.1.3 雨水渗滤净化系统

渗滤净化系统由透水地面、多孔垫层、透水毛管、支渗滤沟、主渗滤沟组成。雨水径流通过多重过滤净化，汇集到雨水集水池，末端的水质将满足灌溉、水景的要求，如图3,4所示。

图3 雨水渗滤工艺流程图

图4 雨水渗滤净化系统施工图

（1）透水地面结构由透水砖（或带缝隙的不透水材料）、连接找平层、垫层构成，垫层内一定间距埋设全透型排水管。雨水通过透水砖、连接找平层、垫层、全透型排水管得到多重净化。

（2）支渗滤沟为透水地面局部下降形成通长的渗滤沟槽，渗滤沟槽边缘为无纺布反滤层，槽内为单级配碎石，级配碎石内埋设全透型排水管，雨水通过雨洪收集毛管汇入支渗滤沟。

（3）主渗滤沟的结构基本同支渗滤沟，级配碎石内埋设冲孔排水管，雨水通过支渗滤沟汇入主渗滤沟，再输送到雨水集水池。

3.2 景观生态改良技术

3.2.1 透水铺装技术

透水铺装地面是指各种人工材料铺装的透水地面，如多孔的嵌草砖（俗称草皮砖）、碎石地面、透水性混凝土路面等。透水铺装由透水性面层和透水性垫层构成，透水系数大于0.1mm/s。铺装面层大多采用混凝土透水砖、风积沙透水砖、青砖、露骨料透水混凝土、木塑地面、嵌草石板路等。

（1）奥林匹克公园研发并采用专用的风积沙透水砖，大面积采用风积沙透水砖铺装，这种新材料、新工艺的创新技术，提高了路面透水砖的性能和解决了大块透水砖抗折强度的问题，主要靠破坏水的表面张力来透水，透水砖的表面可以做成光滑的质感，优于普通无砂混凝土透水砖。透水砖和结合层材料完全采用沙漠中的风积沙，是一种变废为宝的新技术，这种材料的使用在雨水下渗的过程中还能起到很好的净化过滤作用。风积沙透水砖的结合层指采用专用水洗风积沙及粘接材料拌制的粘结层。

（2）露骨料透水混凝土由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种孔隙均匀分布的蜂窝状结构的混凝土，有足够的强度和良好的透水性，能够将雨水渗透到地下，起到改善地下生态、减少地表径流、节省能源的作用。

（3）停车场植草地坪是通过钢筋将用模具制作的混凝土块连接起来，形成一个整体，再在空隙中填满种植土，播种或栽种草苗的施工工艺。由于有钢筋连接，不会出现传统植草砖的易破碎、局部沉降等现象，而且混凝土块的形状、图案及空隙距离可随意调整，施工起来更灵活。由于所有植草的孔隙是彼此连通的，所以草的出苗率、成活率高，可达到80%～100%。而且植草地坪系统可以很好地解决暴雨冲刷形成的水土流失和硬化地面渗水能力差的问题，有利于地下水储备，如图5所示。

图5 植草地坪断面图

（4）木塑地面由基床、无砂混凝土基层、木塑龙骨和木塑面板组成。木塑龙骨和木塑面板使用的木塑复合材料是目前新型生物质复合材料家族中最具活力的一个分支，也是能够具备多种功能的一类绿色环保材料。该材料是以锯末、木屑、竹屑、麦秸、谷糠、椰壳、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸杆等初级生物质材料为主原料，利用高分子界面化学原理和塑料填充改性的特点，配混一定比例的塑料基料，经特殊工艺处理后加工成型的一种可逆性循环再生利用、健康环保、形态结构多样的基础性材料，如图6所示。

3.2.2 水系岸边绿地雨水利用技术

奥林匹克公园中心区屋顶绿化面积0.5hm2，绿化面积28.2119hm2，水系为南北向布置。南起北四环路，北至科荟路，总长约2.7km，水面宽度18～123m，总水面面积16.5hm2。奥林匹克水系岸边绿地与常规绿地相比由于靠近水系，一方面保证良好的景观效果，另一方面又要满足游客亲水的要求，又是奥运场区径流补给水系的必经途径，有利于过滤面源污染，净化水体；另外还要起到固坡、护堤等作用。

图6 木塑地面结构图

（1）奥林匹克公园水系采取了兼备提高水质净化效率的生态护岸形式。以生态防护为目的，采取自然形态的水岸处理方式，只在少部分为人群游憩活动提供服务的区域内采取硬质材料砌筑护岸。这种护岸既能稳定河床，又能改善生态和美化环境，尽量采用植物固坡的形式，以减少堤防硬化，使岸坡趋于自然形态。

采用生态护岸的方式，可促进地表水和地下水的交换，滞洪补枯、调节水位，恢复河中动植物的生长，利用动植物自身的功能净化水体，如图7所示。

图7 水系生态护岸原理图

（2）奥林匹克公园中心区水系采用了膨润土防水毯的防渗技术，膨润土防水毯是一种新型生态环保防渗材料，由两层土工织物（1层有纺土工布、1层无纺土工布）包裹优质钠基膨润土粉集速针刺复合而成，具有高防渗、强自愈、耐根刺、优环保、易施工等优点。

采用膨润土防水毯防渗，可以通过选用不同渗透系数的防水毯，也可通过控制防水毯的连接锚固来控制渗漏量，达到在保证水系垂直连通性的同时，有利于更多地滞蓄雨水，减少补水量。

（3）中心区地下商业出口为陡坡的种植屋面，其雨水利用采用蓄—排水盘系统，其工艺如图8所示。①专用营养土。其重量是自然土重量的50%，具有较强的蓄、排水能力。种植花草灌木土层厚度150～300mm。②采用高度为20mm蓄—排水盘，具有蓄、排水的双重能力。蓄—排水盘具有极强的快速排水能力和蓄水能力，蓄水能力可达50%以上。在天气干旱时盘里面蓄存的水分可以通过挥发孔进入底土层，向盘上方的植被供水。③覆盖蓄—排水盘上方过滤膜（无纺布）可以确保不使泥土微细颗粒进入蓄—排水盘，以保证其蓄—排能力。④保湿毯对于下方的防水层和隔根层具有双重的保护功能。同时每m2保湿毯可存4～5L的水。待天气干旱时，保湿毯内的水就可以通过蓄—排水盘的挥发孔进入土层。⑤隔根防水层采用厚度不小于0.5mm的HPDE膜，保证其建筑物防水的要求。

图8 种植屋面雨水利用工艺图

3.2.3 雨洪利用新组件

为了便于具体落实雨水利用理念，研发并采用了大量的雨洪利用新组件。包括PP透水网材料、防嵌排水网、渗滤型排水沟、雨水渗滤井、无动力弃流井等雨水过滤、净化和收集装置，其工艺简单、无能耗，使用简便，便于推广。

（1）防嵌排水网在结构上分为3层：上、下2层和中间1层。上、下2层为网状结构，功能有：①支撑功能，支撑配套的土工织物；②透水功能，入渗水可通过网状结构的网孔进入排水网；③防嵌功能，网状结构对配套土工织物提供了支撑面和透水孔，是“面式支撑”，而不是“点式支撑”或“线式支撑”，只有网眼处存在悬空点，最大程度防止了配套土工织物下嵌的可能。中间1层为支撑肋结构，由若干直线支撑肋条平行间隔排列（沿排水网纵向），类似于斑马线的形式。排水网的抗压强度由支撑肋条的径向抗压缩性能决定，而不是长度方向的抗弯折性能决定，在肋条径向支撑下，可保证在长期高压作用时上下2层网状结构保持一定距离，肋条之间的空腔即为排水空腔，可长期保持畅通。

（2）奥林匹克公园中心区中轴景观大道有绿化带的两侧排水沟及景观路、湖边西路、树阵内广场及人行道的透水铺装区，采用渗透型U型排水沟，渗透型排水沟下为雨水收集系统的渗透沟，使径流雨水在沟内不断经过沟壁孔洞进入雨水收集系统，当雨量超过雨洪利用标准，沟内水位升至溢流水位时，溢流至各雨水排放口至排水系统排除。

U型排水沟宽度125mm，深度475mm，挡板高度200mm，由树脂混凝土制作，可通行20t机动车，沟壁开孔率4%。经测试其综合渗透系数不小于1.0mm/s。

（3）按材料分有LDPE雨水渗滤井、风积沙雨水渗滤井、混凝土透水砖雨水渗滤井，其中LDPE雨水渗滤井及风积沙雨水渗滤井为成品，机械式结构；混凝土透水砖雨水渗滤井的底板为无砂混凝土，井壁为现场砌筑混凝土透水砖。一旦安装，不易损坏，只需定期清掏即可。

雨水渗滤井具有占地面积和所需地下空间小、便于集中控制管理的优点，井壁和底部均做成透水的，在井底和四周铺设碎石，雨水通过井壁、井底向四周渗透。

（4）为了弃除收集系统所收集的污染物浓度较高的初期径流，研发了无动力弃流井。奥林匹克公园中心区内，在U型线性排水沟每隔30m设置1座无动力弃流井，一共28座，每座能存水2.4m3，是集渗透、过滤、检查、储存于一体的多功能弃流井。该井截留初期雨水（2～4mm降雨），初期雨水被截留后先进入雨水收集系统，当雨量超过雨洪利用设计标准时，收水系统被充满，排放口内水面升至溢流排放水位后由雨水管道排放。实现雨时暂存，雨后下渗；雨多收水，过剩排走。

弃流井的底板为碎石垫层上浇筑无砂混凝土，井壁为现场砌筑混凝土透水砖。经测试，弃流井的综合渗透系数达到1.0mm/s以上。

3.3 防洪减灾技术

防洪减灾技术包括下沉花园雨洪利用措施、雨洪利用监控技术两方面。防洪减灾主要表现在利用中心区雨水利用系统及监控系统对奥运中心场区及奥运水系的降雨量、径流量、外排流量等的监测及调控，尽可能降低场区雨洪风险。确保国家体育场（鸟巢）、国家体育馆、国家游泳中心（水立方）等主要场馆及各种设施的安全运行。

3.3.1 下沉花园雨洪利用

下沉花园总地势为南低北高，南区控制标高为35.55m，比周边自然地面约低9m；北区控制标高为36.55m，比周边自然地面约低8m。在下沉花园的雨水设计中，将蓄洪系统作为首要问题考虑，并将蓄洪与雨水收集系统有机结合起来形成体系，较好地解决了雨水利用收水与蓄洪排水的矛盾。

下沉花园地下最底部分是整体的混凝土结构底板，底板上方有平均厚3m的覆土层。雨水利用系统设计重现期定为5a；下沉花园内部广场及人行道不小于80%的面积采用透水砖铺装，其他部分为不透水路面。按入渗要求，不透水路面坡向透水路面；绿地全部采用下凹式绿地或带增渗设施的下凹式绿地形式。绿地比周围路面或广场下凹50～100mm，路面和广场多余的雨水可经过绿地入渗。

3.3.2 雨水利用系统

设计标准内的雨水经过透水铺装（或绿地）、水平疏水层、竖向疏水层、收水沟汇集到回用蓄水池。由于下沉花园为南北两区，收水系统也相应设为2个，由收水沟分别汇至设在下沉花园南、北区主入口大坡道下的雨水收集池内，水池总容积2795m3，用于绿化浇灌及水景补充用水。超过雨洪利用设计标准的雨水，通过排水系统排向蓄洪沟暂蓄，减小外排水量及市政排水压力。

4 结语

在北京奥运场区雨水利用系统设计过程中，对雨水回收利用各项技术进行了大量研究，解决了绿地、透水铺装水体自然净化的雨水利用，跨水系路桥的雨水利用及水系岸边防洪、亲水等难题，体现了雨水自然净化的设计理念，使奥林匹克公园中心区的雨水综合利用率超过80%，提高了水资源利用率，在一定程度上缓解了北京市水资源的供需矛盾，有效改善了区域内的生态环境，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益。

［1］邓卓智，赵生成，吴东敏.北京奥林匹克公园雨水利用示范工程［J］.给水排水动态,2009（8）.

［2］邓卓智,赵生成,宗复芃,等.基于水体自然净化的北京奥林匹克公园中心区雨水利用技术［J］.给水排水,2008（9）.

［3］赵生成.奥林匹克公园中区雨洪利用设计[J].北京水务,2006（5）.

［4］吴东敏，高巍.奥林匹克公园中心区雨洪利用成套技术集成［J］.水利水电技术,2009（9）.

［5］邓卓智,李树峰,胡云晖,等.奥运龙形水系膨润土防水毯防渗技术［J］.水利规划与设计,2009（5）.