一款多功能雨水资源化产品的原理与应用

高 宇

一款多功能雨水资源化产品的原理与应用

高 宇

我国有超过6成的城市缺少雨水收集设施，在极端气候频发的背景下，解决雨水的吸收、排放、循环和再利用问题不仅十分必要，而且刻不容缓。如何在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，将雨水的收集和再利用过程与农村饮水、土地灌溉和城市排水、绿化用水有机结合，成为生产建设中的新课题。

一款由HydroRock国际私人有限公司研发，集渗、蓄、滞、净、用、排功能于一体的多功能雨水资源化绿色产品（息壤雨水渗透—缓冲—排放一体化系统），为水资源配置与管理提供了有效途径。此产品以透水性强、排水效果好、纯天然的岩棉为原材料，能够吸收和储存雨水和地表水，最大储水容量高达产品体积的94%，也可将吸收的水分释放到周围土壤中，在公园和绿地、建筑及相关基础设施、道路与广场等方面获得广泛应用。

产品工作原理

息壤雨水渗透—缓冲—排放一体化系统能自然、就地和连续地对雨水进行渗透、缓冲和排放，有利于雨水的就地消纳和利用。系统核心部件主要由孔隙度高（92%～94%）、缓冲容量大（92%～94%产品体积）、排水效果优良（渗透系数2.1mm/s）、抗压强度高（2000或4000kg/m2）、使用寿命长（＞30年）、材质轻盈（73～114kg/m3）的纯天然岩棉和雨污、泥水分离效率高（悬浮颗粒物SS的去除率高达98%）的土工膜组成。

岩棉功能模块外裹土工膜，不仅可以起到雨污、泥水分离的作用，同时有助于水分缓释到周围土壤。岩棉功能模块可内置穿孔管道，允许土壤水分进入；穿孔管道相互连接，起到输送水分作用；同时方便接入排水管道系统，当岩棉水分饱和时，允许多余水分通过管道流走。岩棉功能模块之间可设置具有过滤功能的溢流井，有利于地表径流汇集、雨污和泥水预分离。

根据降水强度、雨水就地消纳和利用程度等实际要求或条件，功能不同、规格大小不同的岩棉模块可根据地形、地质、地貌自由串联成大小合适的渗透—排放、渗透—缓冲、渗透—缓冲—排放单元或系统。

抗压强度不同的岩棉功能模块可满足不同安装场地、路面的承载和地表—地下安装要求。地表安装时，可外加一层金属格栅起支撑保护作用。对于渗透性差的土壤质地如壤土或黏土，建议在上部安装由砂和松散岩棉纤维混合而成的息壤砂，提高上层土壤孔隙度，提升土壤缓冲容量和水分渗透性，有助于产品渗透、缓冲和排放功能充分发挥。此外，可根据实际需要，在岩棉功能模块内置水分探针，实时监测岩棉内部水分、水质动态，评估土壤污染物在岩棉富集和岩棉堵塞情况。

内部工作机理

单个岩棉模块的渗透、缓冲和排放功效主要取决于其内部的纤维排列方式（单向或交叉），其次与安装方式、土壤质地、土壤水分饱和程度、土壤毛细效应和地下水水位密切相关。岩棉功能模块内部纤维单向排列有利于水分的渗透和缓冲，交叉排列的岩棉有利于长久保持水分。当土壤水分渗透方向与岩棉模块内部纤维单向排列方向平行时，有利于雨水的垂直向下渗透；当土壤水分渗透方向与岩棉模块内部纤维单向排列方向垂直时，有利于水分的水平渗透，起到缓冲雨水和补充土壤水分作用。

相比砂土、壤土和黏土，岩棉材料毛细效应极低（水分上升高度＜2cm）。当土壤水分含量较高或处于饱和时，土壤难以继续吸收多余的水分，岩棉功能模块中的水分会停留在其内部。当土壤水分不断下渗、蒸发或被植物根系利用，土壤中的水分含量逐渐降低、处于非饱和状态时，土壤水吸力较高，不断吸收岩棉中的水分直至排空，有利于雨水的连续渗透和缓冲，有利于雨水、地表积水的就地消纳，或迎接下一场暴风雨。岩棉材料自身的极低毛细效应，确保其即使在土壤水分较少或者干旱时不会吸收土壤中的水分，消除了其加剧土壤干旱或者缺水的可能性。

功能与特点

●集渗透、缓冲和排放功能于一体

取决于土壤对水分吸持特性、土壤渗透性等条件及模块安装方式（水平或垂直安装），息壤雨水渗透—缓冲—排放一体化系统要么会充分发挥其排放功效，要么会充分发挥其渗透功能。当周围土壤缺水或水分较低时，系统模块储存的洁净水分会释放回土壤，供动植物利用。因而，息壤雨水渗透—缓冲—排放一体化系统可不必与雨水排水或者干旱补水设施相连。

●单个单元功能完备、独立

取决于地面积水程度、所要就地消纳的雨水量和土壤质地，可以选择单个单元分散安装、两个或更多单元串联安装等方式，灵活设计安装数量。若想更快地排放水分（解决低程度的地面积水、实现雨水就地消纳），可进行水平安装；若想最大程度实现水分渗透（解决暴雨等形成的地面积水或径流，实现雨水就地快速排放或缓冲），则建议垂直安装。单个单元或者局部产生损坏，不影响系统整体功能。

●安装使用简单高效

单个功能模块的体积为34～340L，缓冲容量高达产品体积的92%～94%。通过较小的土方开挖、就地安装和土方回填，就可即时实现雨水或地面积水的就地消纳和利用。在排水管网设施落后或缺乏排水设施的地方或区域，可实现雨水快速渗透。若在岩棉模块安装部位的上层土壤安装一层20～30cm的息壤砂，能显著提高上部土层的孔隙度和导水能力，更好地发挥其渗透、排放功效。当降水量过大时，内置的穿孔管可方便地连接到雨水排放系统。

●低影响开发

系统尽可能地模拟原有自然生态水循环模式，维持开发场地开发前后的水文特征，同时又可在多雨时节将雨水就地消纳或就近“吸收、存蓄、渗透和净化”，自然补充地下水和调节水循环；干旱缺水时缓释水分，防止土壤脱水和植被萎蔫；涝季连通城市调蓄水设施和给排水通道，以生态的方式解决城市内涝。

●生态友好型渗透、缓冲和排放

系统模块材质天然环保（100%纯天然矿物岩棉、100%可循环利用），难以分解和腐蚀，不会造成土壤和地下水污染。研究表明，岩棉孔状结构允许植物根系穿透生长，安装岩棉的土壤动植物会生长得更为良好。

●不依赖斜坡排水

不同于排水软管，系统模块渗透系数高、内部各向渗透速度相同，使其具备不依赖重力或斜坡排水的特性。独特的材质和内部纤维排列结构，使得无论水平还是垂直安装，都能有效发挥其功能。可将规格不同的模块单元按需串联成大小合适的渗排系统，实现最优化排放。

●耐用性强，功能稳定和后期维护简单

系统模块以优质玄武岩、白云石等为主要原材料，经1450℃以上高温熔化、拉丝、固化成型而成。内部独特的纤维结构，使得材料强度大、不易撕裂，不仅抗植物和树木侵蚀，且抗冻防膨胀。土工膜不易腐烂，断裂强度高，抗氧化，还可有效避免土壤颗粒渗入岩棉模块内部。因而，系统模块能长达数年甚至数十年维持缓冲、渗透和排放功能完整，且短期内不需检查、清洗和维护。

（作者单位：天津沃佰艾斯科技有限公司）

应用案例

山东青岛

中德生态园富源2号路600米非机动车道、绿化带和人行道项目时间：2016年4月25日

福建厦门

海沧区新顺路慢行道示范工程

时间：2016年3月

新顺路慢行道示范工程致力于低影响开发的理念，放弃了以往“下透水铺装—沉式绿地—雨水花园—蓄水池”的解决方案，运用“生态雨水口+纤维蓄排水”的方法。此解决方案与传统方案相比优势明显：施工方便，不需要封路造成交通部门压力；同时可以满足厦门市27.8mm雨水消纳的海绵城市设计标准；费用降低50%；将城市水循环回归自然途径，充分利用土壤的水调节能力。