城市雨水资源利用技术模式研究

2013-11-04乔翠平孙绪金

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年4期

乔翠平，孙绪金

(华北水利水电大学，河南郑州 450045)

自20 世纪70 年代起，世界各国开始重视城市雨水利用技术的开发和应用，并建成了不同规模的示范工程.美国、加拿大、日本、德国等发达国家开展城市雨水利用较早，取得了丰富的实践经验.美国的雨水利用以提高天然入渗能力为宗旨［1］，推广建立了大量的屋顶蓄水和入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统.美国不仅重视工程措施，并制定相应的法案对雨水综合利用给予支持.美国的第二代“最佳管理方案”(Best Management Practice，BMP)强调了自然条件和景观结合的生态设计，普遍建设植被缓冲带、植物浅沟、湿地等，以获得环境、生态、景观等多重效益.德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一［2］，已经进入雨水商品化、高科技开发利用的时代.德国的城市雨水利用方式有3 种:建立屋面雨水集蓄系统、建立雨水及截污去污处理和公共渗透系统、建立生态小区雨水利用系统.日本从20 世纪60 年代就开始收集利用路面雨水，80 年代提出“雨水抑制型下水道”并纳入国家下水道推进计划，90 年代初颁布了“第二代城市用水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施和储水池系统，同时对雨水进行深加工［3］.

我国城市雨水资源利用研究起步较晚，技术也相对较落后.近年来，北京、西安、深圳等城市的雨水利用取得了一定进展，但是雨水利用技术还处于探索阶段，雨水利用规模还没有形成，各地政府出台的雨水利用规划零星、分散、简单，没有形成系统性的雨水利用模式.如国内学者郭凤台等［4］探讨了适合北方城市气候特点、经济发展的两种雨水利用工程模式:道路雨水收集利用和屋顶雨水收集利用模式;于晓晶等［5］对适合我国实际情况的雨水收集、贮存的模式和处理工艺等做了探讨;张磊等［6］提出雨水资源的利用应根据具体城市生态环境用水和建筑物分布特点，因地制宜地建造雨水直接和间接利用工程，给出了雨水收集、渗透、贮留、净化、利用的雨水利用模式流程;贾瑞燕等［7］总结出了适宜北京市工业厂房、居住区、公共设施、学校、市政交通道路、公园等项目的雨水利用模式;苏东彬等［8］根据城市不同区域的用地特征和功能类型，归纳出了社区、学校、公园、机关与企事业单位院落以及城市景观湿地、季节性河道等区域的雨水利用模式.

笔者从宏观和微观的角度，提出了一套系统性、多样性的城市雨水资源开发利用的宏观战略模式和微观技术模式，以利于雨水资源的开发利用技术的进一步推广和应用.

1 宏观战略模式

雨水利用宏观战略模式，是从雨水资源地位的重要性以及雨水的功能和作用的认知深度上、从国民经济发展的全局以及影响久远的长期性出发，提出的雨水利用战略措施.在总结和分析国内外雨水开发利用研究的基础上，提出了4 种雨水开发利用的宏观战略模式.

1.1 全民普及科学利用雨水战略模式

该模式的特点:①有完善的雨水利用政策法规;②有普及广泛、容易推广的成熟的雨水利用技术;③在政府的大力宣传和引导下，全民雨水资源意识与节水意识增强，在国家政策的指导和保护下，主动开发利用雨水资源;④雨水利用的经济、社会和环境效益被社会认可.

美国的雨水利用模式是该模式的典型例子.其突出的特点是法制完善，管理到位，重视城市防洪和雨洪利用，重视雨水利用的多重效益，注重全民雨水利用宣传教育和鼓励，对雨水的利用达到了全新的高度.

1.2 商品化高科技雨水利用战略模式

该模式的特点:①雨水利用的技术含量高，如采用雨水水质自动检测技术，雨水的生物、物理或化学处理以及雨水自动调控技术等;②在政策保障、市场管理和销售方面，形成了市场化和商品化的运行机制;③开发成本较高，雨水水质处理要求严格，但经济效益高，雨水价格能够被用户接受;④雨水的应用目标具有战略意义，或者使用雨水的对象是极为重要的建筑设施、设备或专用场所;⑤公众重视雨水资源开发利用事业.

德国、北京奥运场馆的雨水利用以及以色列的雨水生活饮用加工，都属于该模式.

1.3 全方位雨水开发利用应急储备战略模式

该模式的特点:①国家对雨水资源的开发利用特别重视;②将储存的雨水应用于特定目标，尤其是面临危机状态下的应急救助;③雨水资源全面开发利用，包括环境、日常生活等方面的雨水利用;④有完善的雨水利用管理政策.

日本的雨水利用属于该种模式.日本是一个多雨、多地震国家，从20 世纪60 年代就开始兴建滞洪和贮蓄雨水的设施，将贮蓄的雨水用作喷洒路面、灌溉绿地、应急供水和防火减灾等，其雨水利用的重点是应急供水和防火，对于灾后应急救助，具有重要的战略意义.

1.4 雨水利用战略调控模式

该模式的特点:①国家对雨水资源的开发利用非常重视;②公众普遍具有很强的水资源和环境意识;③利用雨水调控地下水位的技术和雨水利用技术先进;④有完善的雨水利用管理政策和法规.

荷兰的雨水开发利用属于该种模式.由于荷兰地势低于周边海平面，为了防止海水内侵，利用雨水回渗调控地下水，使地下水和海水之间的界面保持稳定的动态压力平衡，既不造成海水内侵，污染水源，又不能形成大面积陆地湿地.又如中国的沿海城市天津、青岛等，海水内侵严重，若采用该调控模式即可解决问题.

2 微观技术模式

微观技术模式是指在雨水资源开发利用过程中，针对某些具体区域的雨水开发利用规划及目标提出的具有代表性和适用性的技术措施和方法.

根据雨水需求和应用去向，雨水利用微观技术模式可分为以下5 种.

2.1 绿地雨水灌溉技术模式

绿地雨水灌溉技术模式需要确定:绿地面积和需水量;雨水汇集面积和可收集雨量;雨水收集方式和储水池的布置;雨水净化处理方法;灌溉方式;配套设施的设置等.

1)绿地面积和需水量计算.按照城市规划要求，对于建筑小区或单位，绿地(草坪)面积应占总面积的24%以上，依此可以估算出该区的设计绿地面积，实际面积需通过测量获得.绿地灌溉需水量按照《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB 50400—2006)［9］的规定计算，即居民小区绿化浇洒用水定额可按1.0～3.0 L/(m2·d)计算，干旱地区可酌情增加.

2)雨水汇集面积和年均可收集雨量计算.雨水汇集面积包括绿地周围建筑屋面、道路、广场等硬化路面的面积.年均可收集雨量受气候条件、降雨量在不同季节的分配、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.但对于大多数城市而言，年均可收集雨量可由下式计算:

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.

3)灌溉水质要求.绿地灌溉对水质的要求可参考《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)［10］.绿地灌溉一般采用喷灌或滴灌方式，雨水中不可含有较大的颗粒或沉淀物，为避免喷头发生堵塞，可在雨落管末端和储水池入口加设机械过滤装置.一般情况下，建筑屋面雨水较洁净，不经处理即可用于绿地灌溉.对于来源于广场、道路等硬化地面的雨水，应进行净化处理，在雨水进入储水池之前安装雨水净化处理装置，或者专门设置中水净化器.

4)储水池的布置.绿地灌溉用储水池的大小、数量和位置，除了按照城市建筑设计和施工规范要求确定之外，要视绿地面积、分布、形状以及雨水汇集方式而定.储水量原则上要满足VA＜VI＜VP，其中VA为绿地灌溉需水量，VI为储水池容量，VP为雨水可收集量.在集雨条件不充分时，允许VI＜VA.储水池应尽可能设置在绿地区内，尽量满足安全、使用便利、成本合理的原则.对于大型公共绿地的储水池，可采用“串葫芦式”的储水方式.所谓“串葫芦式”储水是指在城市雨水排水管网上，像藤上结葫芦一样，在合适的部位连接雨水储水系统，把排水管网的雨水收集起来，经过净化处理，引入储水池，用于绿地灌溉.

2.2 生活杂用雨水利用技术模式

生活杂用水是用于冲洗便器、汽车，浇洒道路，绿化，补充空调循环用水的非饮用水.生活杂用雨水的开发利用，应因地制宜，技术多样，注重实效.该模式应注意的关键问题如下.

2.2.1 可收集雨量、杂用水需水量计算

汇流介质一般有3 种:建筑屋面、区内道路和广场等硬化地面、绿地.建筑屋面的雨水是回收利用的重要组成部分，其次是道路和广场雨水.而且屋面雨水水质较好、径流量大、便于收集、处理，费用相对较低，适用于冲厕、洗车、绿化、喷洒路面、水景等.这3种汇流介质的年均可收集雨量可根据公式(1)求得.杂用水年需水量的计算目前尚没有统一的方法，可根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003)［11］以及文献［12］的分析方法确定.

2.2.2 雨水汇集储存及技术要求

在生活杂用水方面，由于供水目标不同，雨水汇集储存的方式也不同，可利用现有设施储存雨水，也可建立各式储水池.喷泉景观用水可以直接将雨水引入已经建成的景观池或者人工湖、塘内.对于冲厕、洗车和喷洒路面用水，应根据需水量建立专用储水池，储水池的建立应按照城市建设相关规范和雨水利用相关规范的要求进行，尤其是储水池的选址，应避开各种地下管道、车行道路和人群密集处，还要方便取水.

2.2.3 水质要求

生活杂用水对雨水水质的要求比较高，雨水利用之前应进行检测，如果明显达不到文献［10］的要求，应进行净化处理.生活杂用雨水水质处理的方式有下列几种.

1)景观池水曝气法.将雨水引入景观池或坑塘之后，利用喷泉的水循环作用(或利用小型水泵施压)，使雨水在池中产生循环，自动氧化曝气，消除某些化学物质或菌类，达到自净的目的.

2)机械和物理净化处理方法.在储水池进水口处安装雨水净化过滤装置，过滤装置是由粗砂、砾石、骨料、棕榈网或土工布等材料构成，机械和物理过滤效果很好，但不能满足化学净化处理要求.

3)特殊化学物质处理.常规的生物处理方法有氧化沉淀法、电极分离法、碳吸附法等.

2.2.4 雨水利用终端设备的构成及实施要求

1)绿化设施.在储水池内安装水泵，将雨水泵入原有的自来水管道灌溉系统，代替自来水进行绿地灌溉，喷头的喷水半径应达到5～15 m.如果储水池内的雨水量不足，下降到阈值水位(用户自行设定)时，应自动启用自来水灌溉系统.储水池需设溢流管，并开设进人孔，以定期清除池底沉泥.

2)雨水的生活杂用.利用雨水冲洗公共厕所、运动场馆等场地时，在储水池中安装核准压力的水泵和供水管，借助转换装置将管道和自来水供水管连接.若储水池的水位下降到阈值水位时，启动管道转换装置，自动打开自来水管道系统，继续用自来水冲洗.

3)清洗高层建筑物和洗车.在水质达标的情况下，清洗高层建筑物对水泵的扬程有一定要求，安装的水泵扬程应大于建筑物的高度;洗车时，喷枪的喷水速度须达到3 m/s 以上.

2.3 湿地保养和景观雨水利用技术模式

城市湿地是建设生态城市的基本保证，是保持城市居民身心健康的基本措施.在此提出建设城市自然景观和湿地养护的雨水利用工程技术模式.

1)自然景观和湿地养护用水雨水汇集区的确定.自然景观和湿地养护雨水供水区比较复杂，河道两侧和湖塘周边是最便捷的雨水补给区，也可将其他区域如广场、小区、街道的雨水引入湿地，必要时甚至可将其他流域的雨水引进湿地.

2)湿地引水方法.在河道两岸加筑引水浅沟和净化过滤带，将雨水引入河道和湖塘中，改造的具体位置应根据实际情况现场计算和测量，原则上是沿河道岸边每隔1 000 m 建立一条100 m 的过滤进水带，并逐步拆除硬化的边岸.

3)市区小型河道梯级拦水坝的建立.在过市的河流上建立若干梯级小型拦水坝，坝型、坝高可按5～10 年一遇洪水计算确定，通过水坝留住一部分雨水或河水，湿地养护效果明显.

4)制定相关政策.通过完善的政策法规保护水资源，严禁向城市天然水体排放任何污水或其他污染物质.

2.4 城市消防雨水利用技术模式

消防用水对雨水水质要求比较特殊，必须解决好以下几个问题.

1)雨水的水质标准.不同行业对消防用水的要求不同.如化学制品制剂企业、高科技产品制作和组装企业、放射性物质生产企业、精密仪器生产企业、深加工企业、医院、特殊研究单位等，一般采用专门的消防材料.消防用雨水的场所是学校、宾馆、酒店、餐厅、大型商场、公共娱乐场所以及居民小区等，雨水的水质必须满足文献［10］规定的水质标准.

2)储水池的位置选择.储水池应建在可能发生火灾的单位附近，储水池的位置应方便消防车的停靠、运行、转弯，以及消防车取水.

3)增设消防池标示牌.建造雨水消防池时，附近必须增设消防池标示牌，标示牌应详细说明储水池的水量、水质、检测和取水方法以及消防对象.

2.5 补源回灌雨水利用技术模式

2.5.1 收集雨水补源回灌地下水

收集利用雨水进行补源回灌，在技术上应该解决几个关键问题.

1)确定补源回灌参数.补源回灌的目的是消除地下水降落漏斗和地面沉降，抬高地下水位，使之保持在合理的水平上.应通过调查分析和评价，确定地下水是否需要补充、补充水量、补充历时以及额定补源强度等.

2)核算与检验补源回灌的雨水水量和水质.为了合理补源回灌，应检查和计算补源回灌区的可集雨量，必须有足够的雨水可收集利用，水质应达到生活杂用水的标准，能满足地下水回灌的要求.

3)确定补源方式.补源回灌地下水的方式很多，可利用市区的坑塘、河道、废井以及专用渗井等.

4)检查补源效果.检查补源效果的主要方法是测量地下水水位.一般要求地下水水位通过补源能够达到一定的高度，既不能产生盐渍化，又能够消除不利于植被生长的地下干化层.

2.5.2 道路雨水补源渗透

利用人行道透水路面回灌地下水是一种有效的补源回灌方法，应积极推广应用.透水路面的建设可采用笔者所在的雨水利用研究小组开发研制的一种新型三维透水砖［13］.这种透水砖具有良好的透水性，各种强度指标和规格均满足建筑规范和工程质量要求.它的4 个侧面是侧斜或部分侧斜的，砖的外形如图1 所示.

图1 三维透水砖外形

当道路铺设透水砖后，相邻砖之间可形成相互连通的通水网络.用透水砖铺设的轻型车透水路面断面如图2 所示.该透水路面由三维透水砖和透水混凝土垫层两部分构成，底部有2 cm 的水泥沙料混合垫层，混凝土路面总厚度15 cm，其中上部厚8 cm.施工方法和普通路面基本相同.它的最大特点是能够透水，在降雨强度为大到暴雨(40 mm/h)时，地面不会产生径流.