雨水徑流智能采樣器

天然降雨自動采樣器

每到雨季，“城市看海”的內(nèi)澇景象便時不時上演，即便北京、上海、天津等大城市也不能幸免；雨季一過，不少缺水的北方城市又會因為降雨稀少而“喊渴”……寒來暑往，城市越來越大，發(fā)展也越來越快，有沒有辦法可以讓城市在面對強(qiáng)降雨時更加從容，并且能對雨水進(jìn)行動態(tài)管控善加利用？

日前，北京市水科學(xué)技術(shù)研究院（以下簡稱水科院）一項名為“城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究”的國家“十二五”水污染防治重大專項課題完成驗收并開始推廣應(yīng)用。該研究瞄準(zhǔn)了國內(nèi)大多數(shù)城市面臨的雨季內(nèi)澇積水頻發(fā)和水體徑流污染嚴(yán)重的痛點，為解決城市內(nèi)澇，實現(xiàn)雨水最大化利用帶來了新的技術(shù)和希望。

采樣“神器”讓雨水測量省時省力

“城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究”，針對這一技術(shù)稍顯拗口的名字，水科院副總工程師、課題負(fù)責(zé)人張書函介紹說：“我們的研究其實是一個綜合應(yīng)用系統(tǒng)，核心技術(shù)成果包括城市降雨過程與時空特征定量表達(dá)方法、不同地表空間類型及調(diào)控措施干預(yù)下降雨徑流水量水質(zhì)定量計算方法等8項技術(shù)?！?項技術(shù)將整個系統(tǒng)串聯(lián)起來，組成了城市雨水動態(tài)管控、調(diào)蓄的新法寶。

在水科院，記者看到了張書函最為寶貝的“神器”――天然降雨自動采樣器與雨水徑流智能采樣器。天然降雨自動采樣器如餐桌大小，由不銹鋼制成，分上下兩層，上面一層猶如一個下沉的大漏斗，通過環(huán)繞的管道連接到二層，管道下方規(guī)則地連接了多個白色的水壺，管道末端是一個圓形的儲水桶。“別看樣子普通，功能卻很強(qiáng)大?！睆垥榻B說，以往雨水采集多靠單個容器，只能采集計算最終降雨量，誤差較大。而天然降雨采集器，猶如一條人工設(shè)置的小河，雨水通過漏斗截面落下，順著管道流淌，一個一個逐一裝滿每個儲水壺，剩下的最終匯集到末端的水桶。不僅可以準(zhǔn)確地計算降雨量，通過每個儲水壺裝滿溢出時間長短，還可以清楚地記錄觀察降雨過程中不同時段的雨勢強(qiáng)弱和雨量。把這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，就可以清晰地分析觀察每一場降雨的全過程。

天然降雨自動采樣器首次實現(xiàn)了對降雨全過程的觀測記錄，而雨水徑流智能采樣器本領(lǐng)也非常強(qiáng)大。它首次精準(zhǔn)測量，并形成了降雨地表徑流自動觀測記錄：起止時間、徑流流量、流速，甚至還可以自動分析徑流水質(zhì)。記者注意到，這個像平板推車的裝置，底座鏤空，架子上整齊地排列著3個太陽能電池板，為儀器工作提供電源。底座上布置了長方形的儀器工作倉，里邊整齊地布局著天然降雨水力驅(qū)動分時自動采樣器、水質(zhì)分析記錄儀、流速測定儀等設(shè)備，儀器設(shè)備通過探頭與外界相接，一旦雨水形成地表徑流，探頭捕捉到信息，可迅速采樣分析，通過無線通訊系統(tǒng)，第一時間傳輸回來。“有了它，即使半夜三更下大雨，也不用人工跑現(xiàn)場采樣了，省時又省力?！睆垥f，他們的發(fā)明不僅可以部署到平時人員稀少的河道，還特別適合部署到城市近郊的山區(qū)河流和易積水地區(qū)。

“漏斗”式調(diào)蓄高效利用雨水

為防止內(nèi)澇影響城市秩序，雨季積水需要快速排瀝；而到了雨水稀少的季節(jié)，城市綠化和景觀等又需要消耗大量的水資源。一出一進(jìn)，降水沒有得到最大化的調(diào)蓄和利用。有沒有辦法實現(xiàn)雨水的動態(tài)調(diào)蓄，既不形成內(nèi)澇，又能增加城市的蓄水呢？

在張書函等人的研究成果里，記者看到了答案：往系統(tǒng)里輸入一個降雨過程和地理數(shù)據(jù)，按照規(guī)劃和防汛要求標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)計需要，系統(tǒng)很快就自動計算，并給出該區(qū)域一段時間內(nèi)雨水徑流變化趨勢。模擬系統(tǒng)里，雨水滴落在城市的屋頂、路邊草叢，匯成涓涓細(xì)流，最終流進(jìn)雨水井，通過管道，排進(jìn)城市景觀河道、濕地湖泊。不同的是，這里雨水徑流是有序可控地流動。雨水流動，借助透水鋪裝、下凹綠地、綠化屋頂、雨水濕地、生物滯留槽、植草溝等地表徑流減控技術(shù)，下墊面數(shù)字化識別、水影響評價和內(nèi)澇風(fēng)險分析技術(shù)，以及區(qū)域降雨徑流水質(zhì)水量綜合模擬與耦合分析技術(shù)等，每一環(huán)節(jié)都能將部分雨水滯留，多余的水按照最佳的流速和流量，通過調(diào)節(jié)管、池，綠地和濕地、河道，逐級下泄，實現(xiàn)了梯次有序排放。不僅如此，借助生物滯留槽等設(shè)施，延緩雨水排放同時，還可借助人工土壤和植物根系，實現(xiàn)雨水的吸附凈化，這樣最終排放進(jìn)管道和河道的雨水水質(zhì)會極大改善，也為城市積蓄了大量可利用的清潔水資源。

“每一場可以導(dǎo)致城市‘看?！拇笥?，什么時候是積水高峰？積水如何才能快速消退？以往沒有一套仿真模型，也缺乏足夠有效的數(shù)據(jù)可供清晰地觀察。如果把我們研發(fā)的設(shè)備聯(lián)成網(wǎng)，部署到位，那么從降雨開始，到形成地表徑流，最終到雨水排瀝，都可以清晰地追蹤，可視化再現(xiàn)。方便科學(xué)地做出決策調(diào)度?！闭f起研究成果，張書函充滿了自信，“現(xiàn)在的城市降水來去匆匆，不利于水資源的利用，未來對城市雨洪防控，要盡可能地多留下，做到‘細(xì)水長流’?！痹谶@一系統(tǒng)加持下，城市的雨水調(diào)蓄排瀝系統(tǒng)猶如一個巨大的“漏斗”，實現(xiàn)了雨水的科學(xué)滯蓄和梯次排放。不僅城市雨洪排瀝會更加科學(xué)，還可實現(xiàn)城市雨洪綜合調(diào)度存儲，水多的時候，借助地下管廊、溝槽、濕地等分散存儲，缺水的時候，又可以通過管道把存儲的水統(tǒng)一調(diào)度，集中使用。

防洪防澇實戰(zhàn)效果顯著

早在2013年，張書函等人的研究成果就在占地10平方公里的北京未來科學(xué)城內(nèi)進(jìn)行了集成試驗。跟蹤監(jiān)測驗證了課題組的研究成果，示范區(qū)內(nèi)5年一遇以下降雨外排雨水的最大徑流系數(shù)為0.175，徑流系數(shù)比不采取減控措施減少70%。

如今，這一研究成果已在實際應(yīng)用中得到了檢驗。在北京、上海、廣州和鎮(zhèn)江4個城市，該系統(tǒng)已為城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險普查、城市內(nèi)澇模型建立提供了數(shù)據(jù)和決策支撐，在城市排水防澇工程規(guī)劃中得到應(yīng)用。

江蘇鎮(zhèn)江市政部門借助這一研究技術(shù)，對主城區(qū)30平方公里范圍內(nèi)的地表空間類型進(jìn)行了識別規(guī)劃，建立起了“鎮(zhèn)江雨水綜合管控平臺”，成為當(dāng)?shù)胤篮楹陀晁{(diào)蓄的利器。這一研究不僅市政建設(shè)管理部門開始應(yīng)用，而且還吸引了廣州、上海等地房地產(chǎn)開發(fā)設(shè)計和建筑規(guī)劃設(shè)計企業(yè)的目光。不少企業(yè)負(fù)責(zé)人表示，借助這一技術(shù)，企業(yè)在做開發(fā)前預(yù)規(guī)劃時，可以節(jié)省大量的調(diào)研時間，有利于做出更好的匹配選擇，節(jié)省了資金提高了效率。