本發(fā)明涉及一種濕陷性黃土地區(qū)雨洪集蓄梯級(jí)人工湖系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法，是一種水利設(shè)施及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

濕陷性黃土廣泛分布于中國(guó)東北、西北、華中和華東部分地區(qū)。這些地區(qū)的全年雨量并不稀少，但其中有60%以上的降雨集中在7~9三個(gè)月，降雨徑流的時(shí)空分配極不均衡。集中的雨量對(duì)濕陷性黃土層完全是破壞性的。濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，其土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。在未受水浸濕時(shí)，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉，強(qiáng)度迅速降低。在大量雨水的沖刷下，濕陷性黃土的缺陷表露無(wú)遺，其表面被浸潤(rùn)后，強(qiáng)度下降，迅速崩塌，形成溝壑，溝壑又進(jìn)一步增加了浸潤(rùn)和崩塌，形成惡性循環(huán)。雨季來(lái)臨時(shí)，洪水泛濫，雨水根本無(wú)法積存利用，也無(wú)法形成濕地等濕潤(rùn)環(huán)境的生態(tài)環(huán)境。雨季過(guò)后，地面迅速干枯，形成了干旱。因此，盡管雨季雨量相對(duì)豐沛，但濕陷性黃土區(qū)域是水資源十分缺乏的干旱地區(qū)。

由于濕陷性黃土在水的浸潤(rùn)下強(qiáng)度很低，一旦浸潤(rùn)就會(huì)崩塌，因此，千百年來(lái)，無(wú)論是自然或是人工都難以在濕陷性黃土區(qū)域形成較大規(guī)模的水儲(chǔ)存系統(tǒng)。在一些濕陷性黃土層很厚的地區(qū)，設(shè)置大規(guī)模的儲(chǔ)水設(shè)施十分的艱難。例如：儲(chǔ)水用的人工湖，其湖底必須十分謹(jǐn)慎的做防水，一旦泄露將是災(zāi)難性的，底部土層在湖水的壓力下會(huì)更加快速的崩塌，并迅速形成洪流。與一般人工湖不同的是：一般人工湖只是在水壩的位置會(huì)出現(xiàn)安全隱患，只需監(jiān)控水壩，則基本上不會(huì)出現(xiàn)大的災(zāi)難，而濕陷性黃土上建立的人工湖卻處處都是安全隱患。由此看來(lái)，在濕陷性黃土區(qū)域建立人工湖需要進(jìn)行系統(tǒng)化研究設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代防水技術(shù)雖然在一定程度上可以解決地下滲漏和對(duì)土層的浸潤(rùn)問(wèn)題，但對(duì)于濕陷性黃土區(qū)域這種特殊的地形地貌還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須在整體結(jié)構(gòu)上予以考慮，綜合解決浸潤(rùn)崩塌的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種濕陷性黃土地區(qū)雨洪集蓄梯級(jí)人工湖系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法。所述的人工湖系統(tǒng)和方法使用階梯型設(shè)置，盡量減少湖水對(duì)土層的壓力，設(shè)置的安全措施將浸潤(rùn)崩塌的危險(xiǎn)降得最低。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種濕陷性黃土地區(qū)雨洪集蓄梯級(jí)人工湖系統(tǒng)，包括：進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池，所述進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池與至少兩個(gè)以上具有防濕陷層和防滲層的人工湖泊連接，所述各人工湖泊依次按豎向高度排列形成階梯并連接，最低水位的湖泊還設(shè)有退水子系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述的進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池上游設(shè)有分流控制子系統(tǒng)，所述的分流控制子系統(tǒng)包括：控制涵閘和涵閘自動(dòng)控制分系統(tǒng)，所述的控制涵閘上游與城市雨水集水管網(wǎng)連接，所述的控制涵閘下游分岔為與退水系統(tǒng)連接和與進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池連接。

進(jìn)一步的，所述的人工湖包括：深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)、灘地區(qū)。

進(jìn)一步的，所述防濕陷層包括：人工翻夯層和10%水泥土層或三七灰土層，壓實(shí)系數(shù)大于等于0.95，地基處理深度大于等于80cm。

進(jìn)一步的，所述的防滲層包括：復(fù)合土工膜和上墊層，所述的上墊層為30~50cm厚的壓實(shí)素土。

進(jìn)一步的，所述的復(fù)合土工膜為：大于等于700g/m²兩布一膜復(fù)合土工膜，膜材厚度大于0.3mm。

進(jìn)一步的，所述的人工湖系統(tǒng)還設(shè)有循環(huán)子系統(tǒng)，所述的循環(huán)子系統(tǒng)是：最高水位的上游湖泊與最低水位的下游湖泊之間通過(guò)管道連接循環(huán)泵站。

進(jìn)一步的，所述的退水子系統(tǒng)包括：溢流堰、泄洪閘和消力池。

一種設(shè)計(jì)上述人工湖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，所述的設(shè)計(jì)方法步驟如下：

一、人工湖體系統(tǒng)規(guī)模確定：

（1）集雨效率和集雨徑流量：

根據(jù)上游集雨場(chǎng)區(qū)地勢(shì)分布以及雨水管網(wǎng)分區(qū)布置條件、不同材料集流面在不同年降雨量地區(qū)的年集流效率，采用各集雨分區(qū)集雨面積加權(quán)平均法確定整個(gè)集雨場(chǎng)的集流效率；

設(shè)計(jì)年頻率條件下的各集雨分區(qū)可集蓄徑流量計(jì)算如下：

W= F×φ×P_p

式中：W——集雨面年可集蓄徑流量，單位m³；F——集雨面積，單位m²；j——集流效率；P_p——降雨頻率為p的年降雨量，單位m；

（2）設(shè)計(jì)洪峰流量及洪量：

在濕陷性黃土地區(qū)用于雨洪集蓄的梯級(jí)人工湖體系統(tǒng)各集雨分區(qū)均屬小流域，分別采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法和地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，再通過(guò)綜合比較分析論證，確定設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法和計(jì)算成果；

（3）集蓄雨水資源利用方案：

集蓄水資源配置原則：在滿(mǎn)足生活用水、生態(tài)需水的前提下安排生產(chǎn)用水；生產(chǎn)用水中，優(yōu)先考慮農(nóng)業(yè)用水，保證糧食安全；多余水量可進(jìn)行工業(yè)用水與商業(yè)用水配置；

人工湖體系統(tǒng)興利計(jì)算原則：

雨水集蓄利用、水土保持是人工湖系統(tǒng)建設(shè)的兩大主要目標(biāo)；

人工湖體系統(tǒng)防洪調(diào)蓄原則：

人工湖系統(tǒng)雨洪水集蓄為年調(diào)節(jié)，興利調(diào)節(jié)計(jì)算選取中等枯水年；

集蓄雨水資源利用方案每年提供一定數(shù)量的灌溉水資源；

興利調(diào)節(jié)計(jì)算：根據(jù)工程區(qū)域水文氣象條件，以及水資源利用條件，興利調(diào)節(jié)計(jì)算選取中等枯水年工況進(jìn)行年內(nèi)調(diào)節(jié)計(jì)算；人工湖面蒸發(fā)損失按當(dāng)月水面積乘以水面蒸發(fā)水深計(jì)算；滲漏損失按月末湖體水量的0.5%~10%計(jì)算；

二、梯級(jí)數(shù)量的選擇：

梯級(jí)數(shù)量的確定取決于進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)洪峰流量、梯級(jí)人工湖水系調(diào)洪庫(kù)容和退水系統(tǒng)設(shè)計(jì)下泄流量，計(jì)算方法如下：

…….

式中，Q_p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的入庫(kù)洪峰流量；

W_p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的入庫(kù)洪量；

V_n為第n梯級(jí)人工湖調(diào)洪庫(kù)容；

q_n,p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的第n梯級(jí)人工湖下泄流量。

通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程，結(jié)合各級(jí)人工湖庫(kù)容曲線和最高洪水位的設(shè)計(jì)，以進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)洪峰流量Q_p通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算推求滿(mǎn)足退水系統(tǒng)設(shè)計(jì)下泄流量的最優(yōu)梯級(jí)數(shù)量及各梯級(jí)庫(kù)容，下泄流量的設(shè)定需滿(mǎn)足下游河道及建筑物的設(shè)計(jì)要求；

三、人工湖體結(jié)構(gòu)布置：

按照濕陷性黃土地區(qū)人工湖水深和功能的不同，分為深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)和灘地區(qū)四大類(lèi)型，各區(qū)均需進(jìn)行防濕陷性處理和防滲處理，所述各區(qū)具體分布如下：

深水區(qū)：主要功能是形成蓄水庫(kù)容，構(gòu)造人工湖區(qū)主要湖體，除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，還應(yīng)考慮湖體防滲層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定布置，布置在人工湖底深水平底區(qū)域；

淺水區(qū)：淺水區(qū)除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，更多地應(yīng)考慮充分利用淺水植物、濕生植物、淺水型大緩坡構(gòu)造生態(tài)型水景觀空間，布置在人工湖區(qū)正常蓄水位以下的淺水區(qū)域，設(shè)計(jì)正常水深0.1~0.7m；

緩坡區(qū)：設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡盡量緩，但需要考慮占地面積問(wèn)題，布置在淺水區(qū)以上的緩坡區(qū)，坡度取為1:3.0~1:5.0；

灘地區(qū)：底坡皆設(shè)計(jì)砂礫石濾層，設(shè)計(jì)坡度為1:5.0~1:10.0。

進(jìn)一步的，所述防濕陷性處理和防滲處理為：

防濕陷性處理：

在巖土工程勘察的地基濕陷等級(jí)基礎(chǔ)上對(duì)人工湖各區(qū)基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行消除地基土濕陷性處理；地基處理深度不小于80cm，采用整片深挖碾壓夯填的地基處理方案，先行對(duì)湖底基礎(chǔ)向下進(jìn)行翻夯處理，再鋪設(shè)不小于30cm厚的10%水泥土或三七灰土，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95；

防滲處理：

防濕陷性地基處理后鋪設(shè)復(fù)合土工膜，以上鋪設(shè)30~50cm厚的壓實(shí)素土作為上墊層，用以保護(hù)復(fù)合土工膜；濕陷性黃土地區(qū)人工湖湖底防滲材料設(shè)計(jì)選用不小于700g/m²兩布一膜復(fù)合土工膜，膜材厚度大于0.3mm。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：針對(duì)濕陷性黃土這一十分特殊的地質(zhì)條件，本發(fā)明在使用現(xiàn)代防滲、防漏措施的同時(shí)，在儲(chǔ)存系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)上采用的階梯人工湖的方式，控制單個(gè)人工湖的體積，使?jié)裣菪渣S土有限的承載能力，承載更大的儲(chǔ)水量。在蓄水防洪的同時(shí)，利用人工湖培育水生植物和陸生植物，形成人工灘地和濕地，并利用水流落差建造人工水景觀，在改善環(huán)境的同時(shí)為人們提供觀賞游覽的場(chǎng)所。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一、七所述人工湖系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二所述帶有分流控制子系統(tǒng)的人工湖系統(tǒng)原理示意圖；

圖3是本發(fā)明的實(shí)施例四、五所述防濕陷性層和防滲層的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種濕陷性黃土地區(qū)雨洪集蓄梯級(jí)人工湖系統(tǒng)，如圖1所示。本實(shí)施例包括：進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池，所述進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池與至少兩個(gè)以上具有防濕陷層和防滲層的人工湖泊（圖1中人工湖A、人工湖B、人工湖C。限于制圖的限制，圖1中只畫(huà)出了3個(gè)人工湖，實(shí)際還可以有4個(gè)、5個(gè)，或者更多）連接，所述各人工湖泊依次按豎向高度排列形成階梯并連接，最低水位的湖泊還設(shè)有退水子系統(tǒng)。

本實(shí)施例所述的人工湖體系統(tǒng)根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)土質(zhì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)為梯級(jí)人工湖水系結(jié)構(gòu)。由于濕陷性黃土地土質(zhì)在水流流動(dòng)的作用下，特別容易被切割，迅速形成溝壑，一旦形成溝壑，加速了水流的流動(dòng)，形成惡性循環(huán)，因此，在濕陷性黃土大量存在的黃土高原形成大量的溝壑，這也是在濕陷性黃土地建立儲(chǔ)水設(shè)施的難題之一。濕陷性黃土地的另一個(gè)問(wèn)題是承載能力較差，大量的湖水可能導(dǎo)致湖底的崩塌。雖然現(xiàn)代防水和湖底工程可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題，但限于成本和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，大型的儲(chǔ)水工程不能完全用鋼筋混凝土建造。根據(jù)這一特點(diǎn)，本實(shí)施例提出了階梯型人工湖的方案。將儲(chǔ)水區(qū)域分割為多個(gè)，避免大量?jī)?chǔ)水對(duì)湖底的過(guò)大壓力，同時(shí)設(shè)置了退水子系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)過(guò)量水，盡快排出。

為解決水流沖擊溝壑的問(wèn)題，在人工湖中設(shè)置深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)、灘地區(qū)，利用湖邊側(cè)深淺的變化，隔斷水流，使水流難于形成對(duì)已經(jīng)形成溝壑的不斷沖擊，避免溝壑進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)淺水區(qū)和灘地區(qū)還可以形成濕地，種植大量水生植物，并形成親水地帶，供游人觀賞。

所述的人工湖系統(tǒng)主要由進(jìn)水子系統(tǒng)、梯級(jí)人工湖子系統(tǒng)、水體循環(huán)子系統(tǒng)、退水子系統(tǒng)組成。

1）進(jìn)水子系統(tǒng)：

進(jìn)水子系統(tǒng)取水口位置通常選定位于規(guī)劃區(qū)雨水管網(wǎng)局部末端，同時(shí)也是雨洪水地面徑流流向的低洼區(qū)域；下游側(cè)布置雨水匯集集雨口，使上游規(guī)劃區(qū)內(nèi)集雨面積集雨場(chǎng)的雨洪水皆可自流匯集進(jìn)入位于人工水系首部的分流控制系統(tǒng)；下游設(shè)進(jìn)口調(diào)節(jié)沉砂池，將收集后的雨洪水進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)、沉砂，然后直接引入梯級(jí)人工湖系統(tǒng)；調(diào)節(jié)沉砂池還可連接處理后達(dá)標(biāo)中水、灌溉過(guò)境水源或其他水源進(jìn)水口，作為必要時(shí)的補(bǔ)水水源進(jìn)水系統(tǒng)。

2）梯級(jí)人工湖子系統(tǒng)：梯級(jí)人工湖系統(tǒng)構(gòu)建主要人工水體，主湖區(qū)根據(jù)工程區(qū)地形條件自高向低梯級(jí)布置，各梯級(jí)人工湖體之間水體直接或間接連通，共同構(gòu)成一體湖的水域景觀。人工湖區(qū)可設(shè)置中心島、人工濕地等景觀型公共設(shè)施，增加人工湖系統(tǒng)的親水性、游覽性。

梯級(jí)人工湖系統(tǒng)各人工湖體設(shè)計(jì)庫(kù)容和設(shè)計(jì)水位應(yīng)根據(jù)工程區(qū)集蓄雨水資源利用方案進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算和興利調(diào)節(jié)計(jì)算后確定，以保證人工湖系統(tǒng)滿(mǎn)足消減下泄洪峰、保塬防汛的同時(shí)，還充分考慮到利用人工湖水系改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的重要作用。

3）水體循環(huán)子系統(tǒng)：為保證整個(gè)人工水系運(yùn)行期間的水體循環(huán)，維系良好的水體水質(zhì)，同時(shí)構(gòu)建人工水系各人工水體之間的不同設(shè)計(jì)水位與設(shè)計(jì)水頭，控制水系運(yùn)行流量，在梯級(jí)人工湖系統(tǒng)下游低位人工湖體與上游高位人工湖體之間布設(shè)小型水體循環(huán)泵站，從而構(gòu)建完整的人工水系水體循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)，人工水系循環(huán)棄水可二次循環(huán)利用于周邊農(nóng)業(yè)及綠化灌溉用水。

水體循環(huán)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算：

在非汛期的水系正常運(yùn)行期，為保證整個(gè)人工湖水系運(yùn)行期間的水體循環(huán)，維系良好的湖體水質(zhì)，在下游低位人工湖體與上游高位人工湖體之間設(shè)水體循環(huán)泵站，將水體從低水位抽回高水位，實(shí)現(xiàn)整個(gè)人工水系運(yùn)行期間的水體循環(huán)；水體循環(huán)泵站主要在非汛期使用，以20~30天內(nèi)經(jīng)將人工湖水體整體交換完畢、每年交換水體8~10次作為運(yùn)行方案；在水體交換的同時(shí)，形成流水景觀和跌水景觀，促進(jìn)水體曝氣增氧，利于水質(zhì)改善。

按照水系正常運(yùn)行期（非汛期）滿(mǎn)足各溢流壩及跌水形成必要的瀑布水流景觀設(shè)計(jì)，溢流壩上水頭應(yīng)≥0.10m。按寬頂堰流公式計(jì)算流量為：

式中：σ ——淹沒(méi)系數(shù)；

ε ——側(cè)收縮系數(shù)；

m ——流量系數(shù)；

b ——溢流壩頂寬；

H?！呱纤^（計(jì)入行近流速水頭）。

設(shè)計(jì)時(shí)，取最寬的過(guò)水建筑物頂寬計(jì)算；同時(shí)，按照水系正常運(yùn)行期（非汛期）常水位條件下每20~30天水體完整循環(huán)一次設(shè)計(jì)，水體循環(huán)泵站以每天平均工作12小時(shí)考慮，通過(guò)迭代計(jì)算，可得出泵站滿(mǎn)足水體循環(huán)的設(shè)計(jì)流量。水體循環(huán)的設(shè)計(jì)流量取上述兩個(gè)計(jì)算流量的較大值。

4）退水子系統(tǒng)：梯級(jí)人工湖系統(tǒng)下游末端設(shè)置退水系統(tǒng)，以保證人工水系的超標(biāo)準(zhǔn)洪水正常下泄，經(jīng)由泄洪明渠或排洪管道組成的泄洪系統(tǒng)排放，必要時(shí)退水系統(tǒng)還可作為整個(gè)人工湖系統(tǒng)的運(yùn)行放空通道。退水系統(tǒng)主要由溢流堰、泄洪閘、消力池等設(shè)施構(gòu)成，設(shè)計(jì)退水下泄流量應(yīng)滿(mǎn)足人工水系超標(biāo)準(zhǔn)洪水正常下泄的設(shè)計(jì)要求。

各個(gè)人工湖之間可以直接通過(guò)明渠或暗涵直接連接，也可以通過(guò)濕地、水跌、灘地、溢流堰等水景觀間接連接。

人工湖底部進(jìn)行防滲層和防濕陷層處理，以避免滲漏。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于人工湖的細(xì)化。本實(shí)施例的進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池上游設(shè)有分流控制子系統(tǒng)，所述的分流控制子系統(tǒng)包括：控制涵閘和涵閘自動(dòng)控制分系統(tǒng)，所述的控制涵閘上游與城市雨水集水管網(wǎng)連接，所述的控制涵閘下游分岔為與退水系統(tǒng)連接和與進(jìn)口調(diào)節(jié)沉沙池連接，如圖2所示。

人工湖系統(tǒng)所匯集的雨水可以來(lái)自于城市或其他自然環(huán)境中，本實(shí)施例主要來(lái)自于城市集雨區(qū)，雨洪水通過(guò)城市雨水管網(wǎng)和硬化地面匯集進(jìn)入人工湖集蓄。降雨初期通常有大量污染物通過(guò)地表雨水徑流沖刷和大氣沉降進(jìn)入水體，城市人工湖蓄水后，將嚴(yán)重影響水體水質(zhì)狀況，已成為許多雨洪集蓄型人工湖工程不可避免的問(wèn)題。因此，本實(shí)施例在人工湖水系首部的雨水匯集集雨口下游設(shè)分流控制系統(tǒng)，使水質(zhì)較差的雨水分流調(diào)控排出至退水子系統(tǒng)，而水質(zhì)較好的水體全部進(jìn)入人工湖水系。分流控制系統(tǒng)主要由控制涵閘、自控設(shè)備、分流泄洪管道等組成。

2）分流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方法：

根據(jù)國(guó)內(nèi)外城市集雨區(qū)雨洪水水質(zhì)分析研究成果，由于城市高密度的建筑物及大量被硬化不透水或透水性很差的地面，使得城市降雨徑流形成過(guò)程與農(nóng)村的降雨徑流形成過(guò)程顯著不同。首先表現(xiàn)為洪峰值增加，暴雨徑流入河時(shí)間縮短。其次，污染物成分復(fù)雜、濃度高。因此用普通的流域水質(zhì)模型難以準(zhǔn)確計(jì)算城市的暴雨徑流的水量和水質(zhì)。

城市集雨區(qū)雨洪水集蓄主要來(lái)源于屋面雨水徑流和路面雨水徑流，下墊面材質(zhì)和其上的沉積物是城市雨水徑流污染物的主要來(lái)源，主要有屋面和路面材料溶出物、城市垃圾、化學(xué)藥品、空氣沉降物和汽車(chē)散落物。徑流污染物受城市地表使用功能的影響，城市工業(yè)區(qū)徑流污染與工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)；路面徑流污染物與交通流量有關(guān)；居住區(qū)徑流污染物與生活垃圾和生活習(xí)慣有關(guān)；商業(yè)區(qū)徑流污染物與商業(yè)活動(dòng)類(lèi)型有關(guān)。屋面徑流的BOD₅/COD值一般為0.1-0.2，可生化性差，不宜采用生物方法凈化處理，應(yīng)采用物化處理。

屋面雨水徑流受屋頂材料和沉積物的污染，有調(diào)查顯示因屋頂材料、結(jié)構(gòu)的不同引起屋面徑流細(xì)菌的不同，屋頂材料污染程度由低到高依次為：鐵質(zhì)、塑料、石棉、紅瓦。波浪形屋頂易沉積灰塵鳥(niǎo)類(lèi)糞便等，因此屋面初期徑流COD值可高達(dá)3000mg/l，SS可達(dá)1000mg/l左右，石油類(lèi)、酚、合成洗滌劑等都超過(guò)地下水人工回灌標(biāo)準(zhǔn)。后期的水質(zhì)較好，通常降雨來(lái)水10~20分鐘左右后COD和SS降低至20-100mg/l和0-50mg/l的水平。

路面是城市的主要組成部分，路面徑流對(duì)城市雨水徑流污染起著重要作用。路面徑流污染物包括重金屬、固態(tài)顆粒物、有毒有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等。其主要來(lái)自汽油不完全燃燒、車(chē)輛泄漏物、部件磨損、化學(xué)品泄露、除雪劑和路面磨損等。如北京市繁華路面初期徑流中的COD和SS值為1000-2000 mg/l,居民區(qū)道路初期徑流的COD和SS值僅為300-500 mg/l和300-700 mg/l。若持續(xù)降，通常降雨來(lái)水10分鐘左右后的COD和SS值均穩(wěn)定在300mg/l以下。下表以北京市為例的降雨期間屋面徑流和路面徑流COD和SS值的變化值。

北京市各種雨水徑流中的COD和SS濃度值 （mg/l）

綜上所述，只要解決降雨初期大量污染物通過(guò)地表雨水徑流沖刷和大氣沉降進(jìn)入水體的問(wèn)題，就能基本保證城市人工湖集蓄的雨水水體水質(zhì)，本實(shí)施例在人工湖系統(tǒng)首部設(shè)分流控制子系統(tǒng)，使水質(zhì)較差的雨水分流調(diào)控排出至退水子系統(tǒng)，而降雨來(lái)水后期水質(zhì)較好的水體全部進(jìn)入人工湖水系。

分流控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方法：首先根據(jù)進(jìn)入人工湖水系首部的雨水匯集集雨口設(shè)計(jì)頻率洪水過(guò)程，將從開(kāi)始降雨來(lái)水至到達(dá)洪峰的整個(gè)前期洪水歷時(shí)過(guò)程按照Dt不大于5分鐘進(jìn)行細(xì)分計(jì)算；然后，根據(jù)分流控制系統(tǒng)的分流設(shè)計(jì)流量，分別選取不同設(shè)計(jì)頻率洪水工況計(jì)算滿(mǎn)足分流設(shè)計(jì)流量條件的分流調(diào)控時(shí)間進(jìn)行綜合比選。通常，分流調(diào)控時(shí)間不大于30分鐘；調(diào)控來(lái)水時(shí)間最短，投資最節(jié)省，但同時(shí)由于控制時(shí)間短，對(duì)分流運(yùn)行自控系統(tǒng)響應(yīng)要求高。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于人工湖的細(xì)化。本實(shí)施例所述的人工湖包括：深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)、灘地區(qū)。

本實(shí)施例按照濕陷性黃土地區(qū)人工湖水深和功能的不同，分為深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)和灘地區(qū)四大類(lèi)型，各區(qū)具體分布如下：

1）深水區(qū)：主要功能是形成蓄水庫(kù)容，構(gòu)造人工湖區(qū)主要湖體，除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，還應(yīng)考慮湖體防滲層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定布置，布置在人工湖底深水平底區(qū)域；

2）淺水區(qū)：考慮規(guī)劃成為可供游人活動(dòng)的生態(tài)型淺水區(qū)域，是營(yíng)造人工湖水景觀的主要部位，因此，淺水區(qū)除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，更多地應(yīng)考慮充分利用淺水植物、濕生植物、淺水型大緩坡構(gòu)造生態(tài)型水景觀空間，布置在人工湖區(qū)正常蓄水位以下的淺水區(qū)域，設(shè)計(jì)正常水深0.1~0.7m。

3）緩坡區(qū)：湖岸緩坡區(qū)屬于重要的游人親水活動(dòng)區(qū)域；除滿(mǎn)足一定的護(hù)坡要求以及湖體防滲層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定布置條件外，為構(gòu)造方便人們舒適活動(dòng)的濱水空間，設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡應(yīng)盡量緩，但需要考慮占地面積問(wèn)題，布置在淺水區(qū)以上的緩坡區(qū)，坡度取為1:3.0~1:5.0為宜。

4）灘地區(qū)：屬于人工湖區(qū)設(shè)計(jì)高水位影響范圍以上區(qū)域，可不考慮護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求，但要便于周邊雨水較平穩(wěn)地匯集、下滲流入主湖區(qū)，主要布置于人工湖岸外側(cè)地形較高處的集流灘地區(qū)，為便于周邊雨水匯集流入，底坡皆設(shè)計(jì)砂礫石濾層，設(shè)計(jì)坡度取為1:5.0~1:10.0為宜。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)是實(shí)施例三關(guān)于防濕陷層的細(xì)化。本實(shí)施例所述防濕陷層包括：人工翻夯層1和10%水泥土層或三七灰土層2，壓實(shí)系數(shù)大于等于0.95，地基處理深度大于等于80cm，如圖3所示。

人工湖底部需要夯實(shí)，特別是濕陷性黃土層較厚的地帶，地基處理不小于50厘米，必要是還有可以使用鋼筋混凝土加固。

實(shí)施例五：

本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)是實(shí)施例三關(guān)于防滲層的細(xì)化。本實(shí)施例所述的防滲層包括：復(fù)合土工膜3和上墊層4，所述的上墊層為30~50cm厚的壓實(shí)素土，如圖3所示。

上墊層組成了湖底5，淤積一定的泥土后，可以種植水生植物。壓實(shí)素土的作用是保護(hù)復(fù)合土工膜免受破壞。

實(shí)施例六：

本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)是實(shí)施例三關(guān)于防滲層的細(xì)化。本實(shí)施例所述的復(fù)合土工膜為：大于等于700g/m²兩布一膜復(fù)合土工膜，膜材厚度大于0.3mm。

復(fù)合土工膜是一種土工合成材料，是用聚乙烯或聚氯乙烯和土工布熱合而成的材料，具有抗拉、抗頂破、抗撕、強(qiáng)度高、延伸性能好、變形模量大、耐老化、使用期長(zhǎng)等特點(diǎn)，它具有較好的防滲效果。

實(shí)施例七：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于人工湖的細(xì)化。本實(shí)施例所述的人工湖系統(tǒng)還設(shè)有循環(huán)子系統(tǒng)，所述的循環(huán)子系統(tǒng)是：最高水位的上游湖泊與最低水位的下游湖泊之間通過(guò)管道連接循環(huán)泵站，如圖1所示。

為防止儲(chǔ)水過(guò)程水質(zhì)腐化，本實(shí)施例設(shè)置了水循環(huán)子系統(tǒng)。水循環(huán)子系統(tǒng)可以是最高水位的人工湖與最低水位的人工湖之間通過(guò)泵站連接的循環(huán)系統(tǒng)，也可以是各個(gè)人工湖之間的循環(huán)系統(tǒng)。

實(shí)施例八：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于退水子系統(tǒng)的細(xì)化。本實(shí)施例所述的退水子系統(tǒng)包括：溢流堰、泄洪閘和消力池。

退水子系統(tǒng)關(guān)系到整個(gè)人工湖系統(tǒng)的安全，必要是還可以設(shè)立泵站，加快排水，以保證安全。

實(shí)施例九：

本實(shí)施例是一種設(shè)計(jì)上述實(shí)施例所述人工湖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

所述的設(shè)計(jì)方法步驟如下：

一、人工湖體系統(tǒng)規(guī)模確定：

（1）集雨效率和集雨徑流量：

在濕陷性黃土地區(qū)用于雨洪集蓄的梯級(jí)人工湖體系統(tǒng)的水源主要來(lái)自于上游集雨場(chǎng)，包括按照設(shè)計(jì)條件可以通過(guò)地面徑流匯入人工湖水系的集雨面積以及湖體本身的水面面積兩部分。根據(jù)上游集雨場(chǎng)區(qū)地勢(shì)分布以及雨水管網(wǎng)分區(qū)布置條件對(duì)整體集雨區(qū)進(jìn)行劃分，具體劃分時(shí)應(yīng)確保各集雨分區(qū)全部集雨面積內(nèi)地面雨洪水皆可自流匯入進(jìn)水系統(tǒng)。

各集雨面上可產(chǎn)徑流量主要取決于降雨量和集雨面集流效率，根據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》（GBT50596-2010）確定不同材料集流面在不同年降雨量地區(qū)的年集流效率。綠化面積占比大的集雨分區(qū)集流效率小、硬化地面占比大的集雨分區(qū)集流效率大，人工湖水面集流效率為100%，最后采用各集雨分區(qū)集雨面積加權(quán)平均法確定整個(gè)集雨場(chǎng)的集流效率。

根據(jù)上游集雨場(chǎng)區(qū)地勢(shì)分布以及雨水管網(wǎng)分區(qū)布置條件、不同材料集流面在不同年降雨量地區(qū)的年集流效率，采用各集雨分區(qū)集雨面積加權(quán)平均法確定整個(gè)集雨場(chǎng)的集流效率。

設(shè)計(jì)年頻率條件下的各集雨分區(qū)可集蓄徑流量計(jì)算如下：

W = F×j ×P_p

式中：W——集雨面年可集蓄徑流量，單位m³；F——集雨面積，單位m²；j——集流效率；P_p——降雨頻率為p的年降雨量，單位m。

（2）設(shè)計(jì)洪峰流量及洪量：

在濕陷性黃土地區(qū)用于雨洪集蓄的梯級(jí)人工湖體系統(tǒng)各集雨分區(qū)均屬小流域，分別采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法和地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，再通過(guò)綜合比較分析論證，確定設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法和計(jì)算成果。

（3）集蓄雨水資源利用方案：

集蓄雨水資源主要用于生活、生產(chǎn)輔助用水，生態(tài)園林用水和農(nóng)灌用水。集蓄水資源配置原則：在滿(mǎn)足生活用水、生態(tài)需水的前提下安排生產(chǎn)用水；生產(chǎn)用水中，優(yōu)先考慮農(nóng)業(yè)用水，保證糧食安全；多余水量可進(jìn)行工業(yè)用水與商業(yè)用水配置。

人工湖體系統(tǒng)興利計(jì)算原則：

雨水集蓄利用、水土保持是人工湖系統(tǒng)建設(shè)的兩大主要目標(biāo)。因此，通過(guò)降低梯級(jí)人工湖汛前水位，設(shè)置調(diào)蓄庫(kù)容，以消減下泄洪峰流量，從而減少暴雨徑流對(duì)濕陷性黃土面的切割。人工湖體系統(tǒng)防洪調(diào)蓄原則如下：

人工湖系統(tǒng)雨洪水集蓄為年調(diào)節(jié)，興利調(diào)節(jié)計(jì)算選取中等枯水年（p=75%）工況。

集蓄雨水資源利用方案每年提供一定數(shù)量的灌溉水資源；

梯級(jí)人工湖之間水體通過(guò)連通暗涵、臺(tái)階跌水、溢流堰等連接，超標(biāo)準(zhǔn)洪水通過(guò)退水系統(tǒng)排泄，整個(gè)人工水系的調(diào)洪作用由梯級(jí)人工湖聯(lián)合調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

消減下泄洪峰、保塬防汛的同時(shí)，應(yīng)預(yù)留人工湖水面面積用于水系水生態(tài)環(huán)境的重要作用，各人工湖死庫(kù)容同時(shí)滿(mǎn)足泥沙淤積庫(kù)容和0.5~1.0m水深的景觀庫(kù)容。

調(diào)洪演算起始點(diǎn)：新建慶陽(yáng)湖充分考慮預(yù)留足夠的人工湖水面面積，慶陽(yáng)湖從正常蓄水位開(kāi)始起調(diào)；已建天湖重點(diǎn)考慮人工湖水系的度汛安全，天湖從星湖溢流堰堰頂開(kāi)始起調(diào)。

退水系統(tǒng)設(shè)置泄洪閘門(mén)，汛前根據(jù)防洪調(diào)度需要選擇1/4開(kāi)度、半開(kāi)度或全開(kāi)度開(kāi)閘迎汛。

濕陷性黃土地區(qū)人工湖每年有一定的泥沙淤積，需要定期清淤。

運(yùn)行年初根據(jù)未來(lái)一年的來(lái)水預(yù)測(cè)情況制定全年景觀用水和水資源利用供水計(jì)劃，在運(yùn)行調(diào)度中根據(jù)實(shí)際來(lái)水量，滾動(dòng)修正。

興利調(diào)節(jié)計(jì)算：根據(jù)工程區(qū)域水文氣象條件，以及水資源利用條件，興利調(diào)節(jié)計(jì)算選取中等枯水年（P=75%）工況進(jìn)行年內(nèi)調(diào)節(jié)計(jì)算。人工湖面蒸發(fā)損失按當(dāng)月水面積乘以水面蒸發(fā)水深計(jì)算。滲漏損失按月末湖體水量的0.5%~10%計(jì)算。興利調(diào)節(jié)計(jì)算人工湖合并來(lái)水量來(lái)自于上游集雨場(chǎng)和人工水系項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)丶陥?chǎng)雨洪水匯集，根據(jù)各月的來(lái)水、用水、蒸發(fā)和滲漏水量的計(jì)算，推求興利庫(kù)容和正常蓄水位。

二、梯級(jí)數(shù)量的選擇：

梯級(jí)人工湖構(gòu)建系統(tǒng)的主要人工水體，各人工湖主湖區(qū)根據(jù)工程區(qū)地形條件自高向低梯級(jí)布置。梯級(jí)數(shù)量的確定取決于進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)洪峰流量、梯級(jí)人工湖水系調(diào)洪庫(kù)容和退水系統(tǒng)設(shè)計(jì)下泄流量，計(jì)算方法如下：

…….

式中，Q_p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的入庫(kù)洪峰流量；

設(shè)計(jì)頻率：與設(shè)計(jì)水工建筑物等工程時(shí)所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的頻率；

W_p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的入庫(kù)洪量；

V_n為第n梯級(jí)人工湖調(diào)洪庫(kù)容；

q_n,p為設(shè)計(jì)頻率p所對(duì)應(yīng)的第n梯級(jí)人工湖下泄流量。

通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程，結(jié)合各級(jí)人工湖庫(kù)容曲線和最高洪水位的設(shè)計(jì)，以進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)洪峰流量Q_p通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算推求滿(mǎn)足退水系統(tǒng)設(shè)計(jì)下泄流量的最優(yōu)梯級(jí)數(shù)量及各梯級(jí)庫(kù)容，下泄流量的設(shè)定需滿(mǎn)足下游河道及建筑物的設(shè)計(jì)要求。

三、人工湖體結(jié)構(gòu)布置：

按照濕陷性黃土地區(qū)人工湖水深和功能的不同，分為深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)和灘地區(qū)四大類(lèi)型，各區(qū)均需進(jìn)行防濕陷性處理和防滲處理，所述各區(qū)具體分布如下：

深水區(qū)：主要功能是形成蓄水庫(kù)容，構(gòu)造人工湖區(qū)主要湖體，除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，還應(yīng)考慮湖體防滲層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定布置，布置在人工湖底深水平底區(qū)域；

淺水區(qū)：淺水區(qū)除滿(mǎn)足護(hù)坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)要求條件外，更多地應(yīng)考慮充分利用淺水植物、濕生植物、淺水型大緩坡構(gòu)造生態(tài)型水景觀空間，布置在人工湖區(qū)正常蓄水位以下的淺水區(qū)域，設(shè)計(jì)正常水深0.1~0.7m；

緩坡區(qū)：設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡盡量緩，但需要考慮占地面積問(wèn)題，布置在淺水區(qū)以上的緩坡區(qū)，坡度取為1:3.0~1:5.0；

灘地區(qū)：底坡皆設(shè)計(jì)砂礫石濾層，設(shè)計(jì)坡度為1:5.0~1:10.0。

實(shí)施例十：

本實(shí)施例是實(shí)施例九的改進(jìn)，是實(shí)施例九關(guān)于湖底的處理方法。本實(shí)施例所述的湖底處理方法為防濕陷性處理和防滲處理。所述防濕陷性處理和防滲處理為：

防濕陷性處理：

在巖土工程勘察的地基濕陷等級(jí)基礎(chǔ)上對(duì)人工湖各區(qū)基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行消除地基土濕陷性處理。地基處理深度不小于80cm，采用整片深挖碾壓夯填的地基處理方案，先行對(duì)湖底基礎(chǔ)向下進(jìn)行翻夯處理，再鋪設(shè)不小于30cm厚的10%水泥土或三七灰土，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。

防滲處理：

防濕陷性地基處理后鋪設(shè)復(fù)合土工膜，以上鋪設(shè)30~50cm厚的壓實(shí)素土作為上墊層，用以保護(hù)復(fù)合土工膜。濕陷性黃土地區(qū)人工湖湖底防滲材料設(shè)計(jì)選用不小于700g/m²兩布一膜復(fù)合土工膜，膜材厚度大于0.3mm。

最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案（比如各人工湖階梯的排列方式、湖底的處理方法、步驟的先后順序等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。