雨水径流智能采样器

　　天然降雨自动采样器

　　每到雨季，“城市看海”的内涝景象便时不时上演，即便北京、上海、天津等大城市也不能幸免；雨季一过，不少缺水的北方城市又会因为降雨稀少而“喊渴”……寒来暑往，城市越来越大，发展也越来越快，有没有办法可以让城市在面对强降雨时更加从容，并且能对雨水进行动态管控善加利用？

　　日前，北京市水科学技术研究院（以下简称水科院）一项名为“城市地表径流减控与面源污染削减技术研究”的国家“十二五”水污染防治重大专项课题完成验收并开始推广应用。该研究瞄准了国内大多数城市面临的雨季内涝积水频发和水体径流污染严重的痛点，为解决城市内涝，实现雨水最大化利用带来了新的技术和希望。

　　采样“神器”让雨水测量省时省力

　　“城市地表径流减控与面源污染削减技术研究”，针对这一技术稍显拗口的名字，水科院副总工程师、课题负责人张书函介绍说：“我们的研究其实是一个综合应用系统，核心技术成果包括城市降雨过程与时空特征定量表达方法、不同地表空间类型及调控措施干预下降雨径流水量水质定量计算方法等8项技术。”8项技术将整个系统串联起来，组成了城市雨水动态管控、调蓄的新法宝。

　　在水科院，记者看到了张书函最为宝贝的“神器”——天然降雨自动采样器与雨水径流智能采样器。天然降雨自动采样器如餐桌大小，由不锈钢制成，分上下两层，上面一层犹如一个下沉的大漏斗，通过环绕的管道连接到二层，管道下方规则地连接了多个白色的水壶，管道末端是一个圆形的储水桶。“别看样子普通，功能却很强大。”张书函介绍说，以往雨水采集多靠单个容器，只能采集计算最终降雨量，误差较大。而天然降雨采集器，犹如一条人工设置的小河，雨水通过漏斗截面落下，顺着管道流淌，一个一个逐一装满每个储水壶，剩下的最终汇集到末端的水桶。不仅可以准确地计算降雨量，通过每个储水壶装满溢出时间长短，还可以清楚地记录观察降雨过程中不同时段的雨势强弱和雨量。把这些数据导入模型，就可以清晰地分析观察每一场降雨的全过程。

　　天然降雨自动采样器首次实现了对降雨全过程的观测记录，而雨水径流智能采样器本领也非常强大。它首次精准测量，并形成了降雨地表径流自动观测记录：起止时间、径流流量、流速，甚至还可以自动分析径流水质。记者注意到，这个像平板推车的装置，底座镂空，架子上整齐地排列着3个太阳能电池板，为仪器工作提供电源。底座上布置了长方形的仪器工作仓，里边整齐地布局着天然降雨水力驱动分时自动采样器、水质分析记录仪、流速测定仪等设备，仪器设备通过探头与外界相接，一旦雨水形成地表径流，探头捕捉到信息，可迅速采样分析，通过无线通讯系统，第一时间传输回来。“有了它，即使半夜三更下大雨，也不用人工跑现场采样了，省时又省力。”张书函说，他们的发明不仅可以部署到平时人员稀少的河道，还特别适合部署到城市近郊的山区河流和易积水地区。

　　“漏斗”式调蓄高效利用雨水

　　为防止内涝影响城市秩序，雨季积水需要快速排沥；而到了雨水稀少的季节，城市绿化和景观等又需要消耗大量的水资源。一出一进，降水没有得到最大化的调蓄和利用。有没有办法实现雨水的动态调蓄，既不形成内涝，又能增加城市的蓄水呢？

　　在张书函等人的研究成果里，记者看到了答案：往系统里输入一个降雨过程和地理数据，按照规划和防汛要求标准，根据设计需要，系统很快就自动计算，并给出该区域一段时间内雨水径流变化趋势。模拟系统里，雨水滴落在城市的屋顶、路边草丛，汇成涓涓细流，最终流进雨水井，通过管道，排进城市景观河道、湿地湖泊。不同的是，这里雨水径流是有序可控地流动。雨水流动，借助透水铺装、下凹绿地、绿化屋顶、雨水湿地、生物滞留槽、植草沟等地表径流减控技术，下垫面数字化识别、水影响评价和内涝风险分析技术，以及区域降雨径流水质水量综合模拟与耦合分析技术等，每一环节都能将部分雨水滞留，多余的水按照最佳的流速和流量，通过调节管、池，绿地和湿地、河道，逐级下泄，实现了梯次有序排放。不仅如此，借助生物滞留槽等设施，延缓雨水排放同时，还可借助人工土壤和植物根系，实现雨水的吸附净化，这样最终排放进管道和河道的雨水水质会极大改善，也为城市积蓄了大量可利用的清洁水资源。

　　“每一场可以导致城市‘看海’的大雨，什么时候是积水高峰？积水如何才能快速消退？以往没有一套仿真模型，也缺乏足够有效的数据可供清晰地观察。如果把我们研发的设备联成网，部署到位，那么从降雨开始，到形成地表径流，最终到雨水排沥，都可以清晰地追踪，可视化再现。方便科学地做出决策调度。”说起研究成果，张书函充满了自信，“现在的城市降水来去匆匆，不利于水资源的利用，未来对城市雨洪防控，要尽可能地多留下，做到‘细水长流’。”在这一系统加持下，城市的雨水调蓄排沥系统犹如一个巨大的“漏斗”，实现了雨水的科学滞蓄和梯次排放。不仅城市雨洪排沥会更加科学，还可实现城市雨洪综合调度存储，水多的时候，借助地下管廊、沟槽、湿地等分散存储，缺水的时候，又可以通过管道把存储的水统一调度，集中使用。

　　防洪防涝实战效果显著

　　早在2013年，张书函等人的研究成果就在占地10平方公里的北京未来科学城内进行了集成试验。跟踪监测验证了课题组的研究成果，示范区内5年一遇以下降雨外排雨水的最大径流系数为0.175，径流系数比不采取减控措施减少70%。

　　如今，这一研究成果已在实际应用中得到了检验。在北京、上海、广州和镇江4个城市，该系统已为城市内涝气象风险普查、城市内涝模型建立提供了数据和决策支撑，在城市排水防涝工程规划中得到应用。

　　江苏镇江市政部门借助这一研究技术，对主城区30平方公里范围内的地表空间类型进行了识别规划，建立起了“镇江雨水综合管控平台”，成为当地防洪和雨水调蓄的利器。这一研究不仅市政建设管理部门开始应用，而且还吸引了广州、上海等地房地产开发设计和建筑规划设计企业的目光。不少企业负责人表示，借助这一技术，企业在做开发前预规划时，可以节省大量的调研时间，有利于做出更好的匹配选择，节省了资金提高了效率。（孙玉松)

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责任编辑： 徐宙超