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，發展也越來越快，有沒有辦法可以讓城市在面對強降雨時更加從容，并且能對雨水進行動態管控善加利用？

　　日前，北京市水科學技術研究院（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用。該研究瞄準了國內大多數城市面臨的雨季內澇積水頻發和水體徑流污染嚴重的痛點，為解決城市內澇，實現雨水最大化利用帶來了新的技術和希望。

　　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研究”，針對這一技術稍顯拗口的名字，水科院副總工程師、課題負責人張書函介紹說：“我們的研究其實是一個綜合應用系統，核心技術成果包括城市降雨過程與時空特征定量表達方法、不同地表空間類型及調控措施干預下降雨徑流水量水質定量計算方法等8項技術。”8項技術將整個系統串聯起來，組成了城市雨水動態管控、調蓄的新法寶。

　　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，通過環繞的管道連接到二層，管道下方規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，功能卻很強大。”張書函介紹說，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弱和雨量。把這些數據導入模型，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了對降雨全過程的觀測記錄，而雨水徑流智能采樣器本領也非常強大。它首次精準測量，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。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動分時自動采樣器、水質分析記錄儀、流速測定儀等設備，儀器設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，第一時間傳輸回來。“有了它，即使半夜三更下大雨，也不用人工跑現場采樣了，省時又省力。”張書函說，他們的發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河流和易積水地區。

　　“漏斗”式調蓄高效利用雨水

　　為防止內澇影響城市秩序，雨季積水需要快速排瀝；而到了雨水稀少的季節，城市綠化和景觀等又需要消耗大量的水資源。一出一進，降水沒有得到最大化的調蓄和利用。有沒有辦法實現雨水的動態調蓄，既不形成內澇，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：往系統里輸入一個降雨過程和地理數據，按照規劃和防汛要求標準，根據設計需要，系統很快就自動計算，并給出該區域一段時間內雨水徑流變化趨勢。模擬系統里，雨水滴落在城市的屋頂、路邊草叢，匯成涓涓細流，最終流進雨水井，通過管道，排進城市景觀河道、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，下墊面數字化識別、水影響評價和內澇風險分析技術，以及區域降雨徑流水質水量綜合模擬與耦合分析技術等，每一環節都能將部分雨水滯留，多余的水按照最佳的流速和流量，通過調節管、池，綠地和濕地、河道，逐級下泄，實現了梯次有序排放。不僅如此，借助生物滯留槽等設施，延緩雨水排放同時，還可借助人工土壤和植物根系，實現雨水的吸附凈化，這樣最終排放進管道和河道的雨水水質會極大改善，也為城市積蓄了大量可利用的清潔水資源。

　　“每一場可以導致城市‘看海’的大雨，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據可供清晰地觀察。如果把我們研發的設備聯成網，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。方便科學地做出決策調度。”說起研究成果，張書函充滿了自信，“現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‘細水長流’。”在這一系統加持下，城市的雨水調蓄排瀝系統猶如一個巨大的“漏斗”，實現了雨水的科學滯蓄和梯次排放。不僅城市雨洪排瀝會更加科學，還可實現城市雨洪綜合調度存儲，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一調度，集中使用。

　　防洪防澇實戰效果顯著

　　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城內進行了集成試驗。跟蹤監測驗證了課題組的研究成果，示范區內5年一遇以下降雨外排雨水的最大徑流系數為0.175，徑流系數比不采取減控措施減少70%。

　　如今，這一研究成果已在實際應用中得到了檢驗。在北京、上海、廣州和鎮江4個城市，該系統已為城市內澇氣象風險普查、城市內澇模型建立提供了數據和決策支撐，在城市排水防澇工程規劃中得到應用。

　　江蘇鎮江市政部門借助這一研究技術，對主城區30平方公里范圍內的地表空間類型進行了識別規劃，建立起了“鎮江雨水綜合管控平臺”，成為當地防洪和雨水調蓄的利器。這一研究不僅市政建設管理部門開始應用，而且還吸引了廣州、上海等地房地產開發設計和建筑規劃設計企業的目光。不少企業負責人表示，借助這一技術，企業在做開發前預規劃時，可以節省大量的調研時間，有利于做出更好的匹配選擇，節省了資金提高了效率。（孫玉松)

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責任編輯： 徐宙超