郑州市某小区生活杂用雨水利用规划模式

乔翠平，孙万里，秦元生

(1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州450003;3.河南省开封市兰考黄河河务局，河南开封475300)

我国对城市雨水利用的研究已经进行了近20年，从总体上看，目前还处于初期发展阶段，只有个别城市进入工程实施和推广阶段.20世纪末，我国城市雨水利用主要在缺水地区有一些小规模的、局部的非标准性应用.大中型城市的雨水利用基本处于探索与研究阶段.涉及到局部的、细节的规划模式还未见相关文献报道.笔者以郑州市某一居民小区生活杂用水的雨水利用规划为实例，以点带面，探讨城市雨水利用的规划模式.

生活杂用水是用于冲洗便器、汽车，浇洒道路，浇灌绿化，补充空调循环用水的非饮用水.随着城市化进程加快，居民生活杂用水量不断增加，城市供水压力逐渐加重，将雨水作为杂用水水源或补充水源可缓解当前的用水供需矛盾［1］.以郑州市某居民小区为例，对该小区的杂用水雨水利用进行规划.首先进行局部的、单项的小型雨水利用规划，建立一定的规划模式;然后以点带面，将雨水利用工程及规划模式逐步推广至整个城市乃至全国.

1 规划区雨水收集范围

居民小区属于雨水开发利用区，根据当地情况以及雨水利用的条件，对郑州市某居民小区的雨水利用进行规划，收集雨水作为区内生活杂用水.该小区占地面积89 100 m2，建筑屋面面积40 986 m2，小区内道路及广场等硬化路面面积19 156.5 m2，绿地面积 28 957.5 m2.

郑州市大气质量较好，居民小区的屋面雨水径流污染轻微，初期弃流后经过简单处理就可直接回用，是水质最好的杂用水水源.一般来说，雨水中的杂质与降雨地区的环境及受污染的程度有密切关系.雨水中的杂质是由降水中的基本物质和所流经的地区所造成的外加杂质组成，主要含有氯、硫酸根、硝酸根、钠、铵、钙和镁离子(质量浓度大多在10 mg/L以下)和一些有机物质(主要是挥发性化合物)，同时还存在少量的重金属(如铜、镉、铬、镍、铅、锌)［1］.根据我国《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GB/T18920—2002)，将收集的雨水不经处理或者简单处理后可应用于城市绿化用水和汽车用水、工业循环冷却水以及景观用水.

规划区域内可收集雨水的下垫面根据其特征分为3类:建筑屋面、小区内道路和广场等硬化地面、绿地.不同类型的下垫面，雨水径流的水质和径流量存在差异.建筑屋面的雨水径流量大且水质污染轻;小区内道路和广场等硬化地面的雨水径流水质差;绿地上雨水水质好但径流量少.城市径流的可生化性差，COD，SS是雨水水质污染的主要指标.郑州市屋面雨水径流COD，SS值见表1.由于缺乏郑州市城区道路、小区路面、绿地雨水水质资料，在此将华北地区的相关资料作为参考，见表2［1］.

表1 郑州地区雨水水质指标实测值 mg/L

表2 华北地区雨水水质指标参考值 mg/L

雨水的污染程度直接影响雨水收集回用的费用.应尽量收集污染较小的雨水，以便进行简单沉淀和过滤后即可再利用.根据上述分析，确定规划区域的雨水收集范围如下:对屋面雨水收集，简单净化处理后回用于杂用水;小区活动广场地面基本不受机动车辆的污染，水质好于小区道路雨水，且面积较大、下垫面完整，因此对该处雨水进行收集、处理，回用于杂用水;小区道路雨水水质相对较差，需经一定的处理工艺后才能回用;绿地上雨水径流水质好，经简单处理即可再利用.

2 规划区雨水可收集量、杂用水需水量计算

2.1 年均可收集雨水量

郑州市年均可收集雨量受气候条件、降雨量在各季节的分配、雨水水质情况等自然因素以及特定地区建筑物的布局和结构等其他因素的制约.但对于郑州市大多数地区，可按下式计算［2］，

式中:Q为规划区年平均可收集雨量，m3;γ为平均径流系数，可通过对各汇流单元的径流系数加权平均求得;α为季节折减系数，α=汛期平均降雨量/年平均降雨量;β为初期弃流系数，β=1－初期弃流雨量×年平均降雨次数/年平均降雨量;A为集雨面积，m2;H为年平均降雨量，mm.

由郑州市区降水统计资料可以看出，郑州市降雨量丰富，年平均降雨量H为640.9 mm，但其年内分布不均匀，主要集中在6—9月，约占全年降雨总量的64.65%，所以雨水可收集利用量应考虑季节折减系数，取值0.65.另外，因在一次降雨过程中，初期径流污染严重，而后期的径流水质会逐渐稳定下来，所以雨水可收集利用量还应考虑初期弃流量.根据经验，屋面初期弃流量取2.0 mm，小区内道路及广场等硬化地面初期弃流量取4.0 mm，绿地初期弃流量取1.5 mm，年平均降雨次数取40次，则初期弃流系数 β 分别为0.87，0.75，0.91.平均径流系数γ可根据表3［3］所列参数确定.

表3 不同下垫面条件下的降雨径流系数

根据公式(1)可得规划小区不同雨水收集区域年平均可集雨量:建筑屋面13 369.1 m3;区内道路及广场等硬化路面9 604.2 m3;绿地1 646.7 m3;总计 24 620.0 m3.

2.2 生活杂用水需水量计算

居民小区的杂用水年需水量的计算目前尚无统一的方法，规划区域的杂用水年需水量可通过以下分析确定.

1)绿地浇灌年需水量［4］.根据文献［5］，居民小区绿化浇洒用水定额按1.0～3.0 L/(m2·d)计算，干旱地区可酌情增加.这里取为2.0 L/(m2·d).绿地不是每天都浇灌，根据经验，在降雨天不必浇灌.另外在雨季，降雨的第2日一般也不必浇灌.郑州市全年降雨天数大约为65 d，其中雨季(6—9月)降雨约42 d，据此估算绿地不浇灌的天数近似为107 d.经计算，绿地浇灌全年的需水量W1为14 942.07 m3.

2)道路、广场浇洒年需水量［4］.根据文献［5］，居民小区道路、广场的浇洒用水定额可按2.0～3.0 L/(m2·d)计算.根据经验，道路、广场浇洒的次数应该比绿地少.按降雨日不浇洒，非降雨日3 d浇洒1次计，则全年浇洒天数为100 d，计算得道路浇洒年需水量W2为3 831.3 m3.

3)洗车年需水量［4］.根据文献［5］，汽车冲洗用水定额应根据车辆用途、道路路面等级和沾污程度以及采用的冲洗方式来确定.在此汽车冲洗用水量取50 L/(辆·次)，居民小区拥有车辆数按300辆计算，平均洗车次数按1次/(辆·周)计算，则年需水量 W3为780 m3.

4)杂用水的年需水量.规划小区年杂用水需水量为以上3项用水之和，并考虑10%的未预见水量，则该小区杂用水年需水量为

2.3 雨水储水池容积的确定

雨水储水池是雨水利用工程中最重要的设施.确定储水池的容积，主要考虑一次暴雨可集雨量、年平均可集雨量和需水量3个因素，并结合实际情况，对这3个因素进行比较后确定最经济、合理的方案.储水池有效容积的确定一般应遵循以下原则.

1)当需水量大于可收集雨量时，兼顾城市防洪需要，建议依据一次暴雨可集雨量确定储水池的有效容积.

2)当需水量小于可收集雨量时，从经济角度出发，可直接依据需水量确定储水池的有效容积.

根据以上计算可知:该规划小区杂用水年需水量约2.15万m3，可集雨量约2.46万m3，这只是理论上的雨水收集量，考虑到雨水收集利用的复杂性，实际雨水收集量按80%计算，规划区雨水收集量约1.97万m3，少于杂用水量.因此，用一次暴雨可集雨量来确定规划区储水池的有效容积.首先根据当地的暴雨强度公式计算出一定重现期内、一定暴雨历时所对应的暴雨强度，再算出相应的雨水设计流量Q，最后计算出储水池有效容积V.

设计暴雨强度的计算公式为［3］

式中:q为设计暴雨强度，L/(s·hm2);A，b，n，c分别为当地降雨的参数;t为降雨时间，min;P为设计重现期，a.

设计重现期根据城市性质、重要性以及汇水地区类型(广场、干道、居住区)、地形特点和气候条件等因素确定，重要干道、地区或短期积水能引起严重后果的地区重现期宜采用3～5 a，其他地区采用1～3 a［1］.根据郑州多年降雨统计资料，其降雨参数为:A=45.8，b=37.3，n=0.99，c=1.15［1］，则郑州市的设计暴雨强度计算式为

该小区采用郑州市降雨资料:暴雨时间 t=7.5 min，设计重现期 P=2 a.

计算出当地暴雨强度之后，可用下面公式计算一次暴雨可集雨量(即雨水设计流量Q)以及储水池的有效容积 V［6］.

式中:Q为雨水设计流量，L/s;Ψ为集雨面的平均径流系数;q为暴雨强度，L/(s·hm2);F为集雨区域面积，hm2;V为储水池的有效容积，m3;t为集雨时间，min，与计算暴雨强度的时间相同;h为初期弃流量，初期弃流量取2.0 ～5.0 mm.

2.4 雨水净化处理方法选择

根据雨水径流的水质、雨水回用的用途或水质要求选择净化处理方法.回用雨水的水质除了要符合国家相关再生水的水质标准——《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GB/T18920—2002)，还要符合文献［3］的要求，见表4.

表4 雨水处理后CODCr和SS指标 mg/L

该规划小区内雨水的主要用途是绿化、洗车和道路广场浇洒，其水质应按洗车的水质标准确定.规划区雨水经过初期雨水径流弃流之后，雨水径流水质比较稳定，CODCr与 SS基本上可控制在70～80 mg/L和30～40 mg/L.选择的处理过程为:初期径流弃流→雨水沉砂池→过滤净化→储水池→消毒→杂用(绿化、洗车、道路广场浇洒).储水池需设溢流管，并开设进人孔，以定期清除池底沉泥.雨水过滤净化拟采用活化粉煤灰处理工艺，经试验证明，处理后的雨水水质达到了杂用水水质标准，符合文献［3］的相应要求.该过滤净化装置如图1所示.

图1 雨水过滤净化装置平面示意图

2.5 集雨设施布置

雨水收集应尽可能利用建筑物屋顶、广场、运动场、道路等既有的设施，就近收集储存，就近处理利用.一般情况下，需建立各式储水池储存收集的雨水.储水池的布设应注意以下几点:①喷洒路面和洗车用水，根据需求量的多少，一般应建造专门的储水池;②储水池的建设应按照城市建设规范和雨水利用规范要求进行，尤其是储水池的布置点，应避开各种地下管道、车行道路和人群密集处，且应方便取水;③每个储水池的大小应根据屋面面积、收集管渠的距离并结合单体建筑物的特点，进行合理的规划设计.

2.6 生活杂用雨水利用工程经济效益分析

规划区生活杂用雨水利用工程预期的经济效益主要体现在3个方面.

1)节省投入污水处理厂和扩建排洪设施的资金，减轻城市排水管网的负荷，减少市政管网的维护费用［7］.

2)节省小区居民用水和物业用水开支.郑州市目前行政事业单位供水水价为3.2元/m3，使用1 m3的自来水费用(含污水处理费)即为3.2元，每年将可收集的雨水(约1.97万m3)全部用于小区杂用水，每年可节省的费用约6.3万元，而从运行管理和小区用水费用支出分析，投入收集1 m3雨水的年运行费用不足0.10元.

3)节省河道整治和拓宽的费用.生活杂用雨水利用工程的实施可减少居民小区的外排流量，减轻河道行洪压力，节省城市河湖改扩建费用［7］.

3 结语

建立的居民小区生活杂用雨水利用的规划模式为:确定雨水收集的范围，计算规划区域雨水可收集量、杂用水需水量、一次暴雨可集雨量，根据计算结果分析确定雨水储水池的有效容积，根据当地雨水径流水质、用途及回用的水质要求选择雨水净化处理方法，合理布置集雨设施.在此，笔者仅讨论了绿化、洗车、道路广场浇洒的杂用水雨水利用规划和技术模式，没有涉及雨水回用于冲洗便器的问题，有待今后继续讨论和研究.

［1］郑州大学环境与水利学院.郑州市雨水综合利用研究报告［R］.郑州:郑州大学环境与水利学院，2006.

［2］陈南祥，贺新春，邱林，等.城市雨水资源化径流模型研究［J］.华北水利水电学院学报，2004，25(4):5 －8.

［3］中国建筑设计研究院.GB 50400—2006建筑与小区雨水利用工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［4］罗慧英，丘玉蓉，王耀堂，等.广州亚运村杂用水专项研究——雨水综合利用［J］.给水排水，2008，34(5):70 －78.

［5］上海现代建筑设计(集团)有限公司.GB 50015—2003建筑给水排水设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［6］杨明庆，周振民.城市雨水利用若干问题研究［J］.华北水利水电学院学报，2005，26(2):12 －14.

［7］张书函，陈建刚，丁跃元.城市雨水利用的基本形式与效益分析方法［J］.水利学报，2007(S1):399－403.