城市雨水利用综述

2010-08-21潘金锋

山西建筑 2010年7期

潘金锋

随着城市化速度的不断加快,全球工业化的不断发展,社会需水量大幅增加,水资源供需矛盾日益突出。联合国已经发出警告,由于世界水资源日益枯竭,人口爆炸、污染和全球气候变暖,未来20年人均供水将会减少1/3。于是开发非传统水资源,即雨水利用、污水回用、海水利用,被世界各国视为缓解水危机的重要途径之一。通过研究和工程实践,其显示出巨大的开发潜力和经济效益。传统水资源和非传统水资源的耦合互补利用,不仅能缓解城市供水的压力,而且还能改善水环境、减少水灾害,具有巨大的社会效益和生态效益[1]。

1 主要雨水利用技术

1.1 土壤入渗

1)多孔沥青及混凝土地面。多孔沥青地面由表面沥青层、滤层和蓄水层组成。表面沥青层避免使用细小骨料,空隙率为12%～16%,厚6 cm～7 cm。沥青层下面的滤层和蓄水层由碎石构成。滤层的碎石粒径1.3 cm,厚5 cm。蓄水层碎石粒径2.5 cm～5 cm,空隙率为38%～40%,其厚度视所需蓄水量而定。多孔混凝土路面与多孔沥青类似,区别在于表层为无砂混凝土,厚度约12 cm,空隙率15%～25%[3]。多孔沥青和多孔混凝土铺筑的地面具有渗蓄雨水、抗滑和吸收交通噪声的功能,在美国使用广泛。缺点是使用长时间后会因堵塞而失效,因此在我国的应用受到限制。

2)草皮砖。草皮砖是带有各种形状空隙的混凝土块,开孔率达20%～30%,因在空隙中可种植草类而得名。草皮砖地面的径流系数为0.05～0.35[4],可以有效削减地面径流量,由于种植了草类,还具有一定的净化作用。草皮砖是一种利用效果不错、维护管理方便的土壤入渗技术,应用较为广泛,多用于停车场、人行道。

3)地下渗透管、渗透渠和渗透池(见图1)。渗透管一般采用穿孔PVC管或透水材料制成,汇集的雨水通过渗透管进入周围碎石层,再进一步向周围土壤渗透。碎石层具有一定储水调蓄作用。渗透渠与渗透管的结构功能类似。地下渗透池实际上是一种地下储水装置,利用碎石空隙、渗透渠等储存雨水[4]。渗透管渠和渗透池的优点是占地少,缺点是极易堵塞。为避免堵塞常将预处理设施(如绿地、初期雨水弃流装置)与渗透设施组合使用。

4)植被浅沟(见图2)。植被浅沟是指在地表沟渠中种有植被的一种工程性措施。它一般建于城市公园内道路两侧、不透水地面的周边、大面积绿地内等,可以同渗透渠或雨水管网联合运行,完成输送排放功能的同时实现了雨水的净化。

植被浅沟不但能够增强渗透,补充地下水,其中的植被还具有降低径流速度,削减洪峰流量的作用,此外当雨水流经植被浅沟时,在沉淀、过滤、生物降解的共同作用下,径流中的污染物可部分被去除。研究表明,它对SS的去除率可以达到80%以上[5]。由于城市径流中SS与COD,TP,TN等污染指标存在良好的相关性,SS去除的同时其他污染物也得到相应的去除[6]。

5)下凹式绿地。绿地作为渗透设施,不仅渗透能力强,而且植物根系能对雨水径流中的污染物起到净化作用。而下凹式绿地具有渗蓄雨水、削减洪峰流量、减轻地表径流污染等优点。典型的下凹式绿地的结构为:路面高程高于绿地高程,雨水口设在绿地内,且高于绿地高程而低于路面高程。这样不透水地面上的雨水径流先流入绿地,绿地蓄满后再汇入雨水口。中国农业大学通过分析计算在设计暴雨条件下下凹式绿地的蓄渗、减洪效果,表明在1倍汇水面积的情况下,对于10年,50年和100年一遇的暴雨,下凹式绿地的降雨拦蓄率分别为 87.15%,58.48%和50.75%,其中减峰率分别为71.04%,46.82%和 41.52%,蓄渗减洪效果显著。

1.2 集蓄回用

由于城市屋面雨水水质较路面雨水水质要好得多,所以我们所说的雨水集蓄回用系统具体指屋面雨水集蓄回用系统,它可以是在建筑群或小区中设置的集中式利用系统,也可以是设置在单体建筑物的分散式利用系统。系统由集雨区、输水系统、截污净化系统(如过滤)、储存系统(水箱、地上或地下水池)以及配水系统等几部分组成[7]。

屋顶花园利用系统是雨水集蓄技术与生态技术的结合,由于它在改善环境、节约能源等方面的众多优越性,国外许多城市的地方政府相继出台了相关政策鼓励屋顶绿化。

屋顶花园由植被层、基质、过滤膜、蓄排水盘、保湿毯、隔根膜组成。植物应根据当地气候和自然条件,遴选本地生的耐旱植物,如北京地区选用佛甲草、黄花万年草[8]等。种植基质应选择空隙率高、密度小、耐冲刷且适宜植物生长的天然或人工材料,德国常用火山石、沸石、浮石等,我国常用烧结土。基质厚度一般为7 mm～9 mm。屋顶花园需要着重考虑蓄水和排水的统一。雨季,尤其是短历时的降雨若不能及时排走可能造成屋面积水重量超过屋面荷载,危及建筑安全;旱季,又需要屋顶绿化蓄水功能保证植物正常生长。现在多采用蓄排水盘结合其上的烧结土基质层和其下的保湿层满足蓄排水的要求[9]。

2 我国雨水回用研究

德国、英国、日本等国对雨水回用进行了大量的研究和工程实践,技术已相当成熟。但是我国对雨水处理回用的研究很少。

屋面雨水的水质受屋面材料、气温、降雨量、降雨强度、降雨历时及空气污染等因素影响[2]。初期径流污染浓度很高(特别是沥青油毡屋面),浑浊色度大,主要污染物为COD,SS,可生化性也不高;总氮、总磷、重金属、无机盐等污染物浓度较低。研究表明[2,10],随着降雨时间的延长,污染物浓度逐渐下降,色度也随之降低,因此为了减小对后续设施的影响,常舍弃2 mm的初期径流。雨水处理工艺一般采用沉淀过滤。北京建筑工程学院研究表明,经初期弃流的屋面径流雨水,CODCr浓度约为100 mg/L,在最佳投药条件下,经沉淀加接触过滤,对CODCr可去除65%,SS可去除90%,色度可去除55%[2],基本满足 GB/T 18920-2002城市污水再生利用城市杂用水水质要求,与同济大学研究结果[10]基本一致。

3 我国雨水利用的现状和问题

土壤入渗是我国应用最为广泛的雨水利用方式。由于城市面源污染控制越来越受到重视以及雨期路面积水为人民生活带来诸多不便,许多城市将室外停车场、公园、学校、小区的人行道尽量做成多孔铺砌、透水路面。绿地的建设一直都是城市绿化的重要部分,考虑到下凹式绿地在蓄渗减峰方面的高效性,施工管理的简易性,许多新建地区如北京奥林匹克公园[11]、郑州郑东新区[12]、上海世博园区都规划采用下凹式绿地。