成都市雨水径流污染特征分析与利用研究

李 跃，梁 英，杨 毅，李成乐，邢文雅

(四川大学建筑与环境学院，成都 610000)

0 引 言

随着我国城市化进程逐步推进，水资源短缺与环境污染问题日益凸显。我国有400多座城市供水不足，严重缺水的城市有110座；同时，流经城市的河流普遍受到污染[1]。另一方面，2010年住建部对我国351个城市开展调查,发现在2008-2010年间有62%的城市发生了内涝。

由此可见，我国城市普遍存在缺水与内涝并存的问题，而雨水利用是解决这一矛盾的可行之路[2-5]。发达国家在雨水利用领域的研究及技术已较为成熟，形成了一套完整的理论体系，并开发出了系列的技术措施。美国国家污染物去除系统(National Pollutant Discharge Elimination Systems)，将暴雨径流的水质控制纳入立法；同时提出了低影响开发(Low-impact development)，强调从源头控制降雨径流[6]。加拿大推行了水源保护(source water protection (SWP))政策，要求雨洪控制设计不得改变下游地区的水质与水量平衡[7,8]。德国针对雨水利用制定了配套的法规和管理方法，形成了完善的技术体系和标准[9]。新加坡提出了“ABC”计划(The Active Beautiful Clean Waters Program)，通过联合传统雨水设施与低影响开发设施，达到雨洪管理的目的[10]。日本推行了蓄排结合的雨水综合管理理念，通过雨水储存渗透计划，加强雨水的储蓄与下渗；同时日本还将雨水利用纳入城市规划中，制定了相关的雨水利用补助金制度[11,12]。

我国的雨水利用研究起步于20世纪末，在我国雨水利用初期，主要研究一些小型化非标准的雨水利用措施，技术还比较落后。随着我国城市化的发展，各城市都开始重视雨水问题，如北京、上海等城市先后开展了雨水径流污染控制、雨水资源化利用等示范工程。在2014年我国推出了《海绵城市建设技术指南》，提出了“海绵城市与低影响开发系统”，旨在转变排水防涝思路，让城市“弹性适应”环境变化与自然灾害[13]，为我国的雨水利用迈出了实质性的一步。总的来说，我国雨水利用还是缺乏系统性，更为重要的是我国雨水利用还未正式纳入城市规划中。

降雨自身具有的随机性及复杂性使得雨水利用依然是一个难点。如何使雨水得到高效的综合利用，使城市的缺水、内涝和面源污染问题得到解决依然是一项挑战。本文以位于成都市的四川大学江安校区为研究区域，通过实测区域内的径流水质与水量平衡分析，探讨城市雨水利用的可行性。

1 成都市水资源与用地状况

成都地区多年平均降雨量为990 mm，并且降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]。根据《2015年成都市环境质量公报》所述，成都市地表水水质总体为轻度污染，主要污染指标为总磷、氨氮和石油类。

在2000-2010年间中国城市总体土地城市化率由12.54%上升到24.43%，提高近一倍，成都作为特大型城市，在2010年土地城市化率已经达到28.30%[15]，由此表明成都市区硬化地面积在十年间大幅增加。同时，我国城市化与生态环境在发展过程中存在交互耦合现象，成都所在的西部地区正处于低水平耦合到拮抗时期的转型阶段，若不加强环境保护治理，城市发展与环境的协调性将受到破坏，可诱发环境危机，威胁经济发展与居民生存条件[16]。

2 成都市雨水利用潜力及意义

统计成都地区近12年(2004-2015年)水资源总量及人均水资源量得出，成都市12年来平均水资源总量为79.04 亿m3，人均水资源占有量为706.74 m3，约为全国人均水平的1/3、世界人均水平的1/10，属于重度缺水城市。同时由于成都地区年内降雨分配不均，降雨主要集中在夏季，这也加剧了成都市的缺水状况。但是成都地区降雨丰富，多年平均降雨量达到990 mm，雨水可利用量大。若能有效地利用成都市的雨水，必将有效缓解成都市的缺水状况。

此外，由于雨水对下垫面污染物的冲刷作用，雨水中的污染物含量较高。雨水一般都未经处理直接排入河道，便会加重城市地表水的污染，如果对初期雨水进行有效的截流及处理，那么将极大地改善成都地区的地表水污染状况。

3 研究区域概况

3.1 研究区域土地参数

本文研究区域是位于成都市的四川大学江安校区，总面积2 km2，因为研究区域位于成都市内，所以可以作为成都市雨水利用研究的一个实验区域。具体土地参数如表1所示。

表1 用地类型、面积及径流系数Tab.1 Type, area and runoff coefficient of the land

3.2 研究区域的径流水质

为了准确测量研究区域的径流水质，选用了两种用地类型的径流，一种是屋面径流，另一种是路面径流。采样地点均分别有两处，一处位于教学区，另一处位于生活区。

各采样点每间隔10 min收集一次，每种用地类型的径流收集两组，每组收集了6瓶水样。水质分析项目有SS、pH值、总氮、总磷、BOD、COD。各项目取两组平均值，如表2、3所示。

通过对降雨径流过程水质的分析测定，发现主要污染物为COD和SS，总氮和总磷等污染物浓度则较低。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。图1、2分别为初期径流的COD浓度和SS浓度随时间的变化曲线。从图中可看出COD与SS的浓度在初期径流中含量最高，随降雨历时的增加逐渐减小，总氮和总磷的变化规律也基本一致，这表明研究区域存在“降雨初期冲刷效应”[17,18]。故考虑可以将初期径流截留处理后排放，而利用余下径流作为再生水。

图1 COD变化曲线Fig.1 Variation curve of COD

图2 SS变化曲线Fig.2 Variation curve of SS

4 雨水利用方案

4.1 雨水利用技术

随着城市的发展，大量的可透水和蓄水的自然地表被改造成为不透水的建筑、道路、广场等，打破了原有的水文循环，影响了地表水和地下水资源的质和量[19]。因而雨水利用已成为城市未来发展的重点。雨水利用主要分为直接利用和间接利用。雨水的直接利用主要通过收集、储留、净化等达到雨水利用的目的；雨水的间接利用主要加强雨水的下渗，补充地下水，修复城市的自然水循环。

4.2 雨水利用系统的选择

雨水利用系统一般由土壤入渗系统、收集回用系统、蓄存排放系统3种基本系统组成。综合考虑研究区域的实际情况，将污染较轻的绿地上的径流就地下渗，而截留污染较重的屋面、道路和广场上的初期径流后再收集利用余下径流，故选用土壤入渗+收集回用的雨水利用系统。

4.3 雨水利用水量平衡分析

水量平衡分析的目的是根据水量盈亏平衡情况对雨水收集利用、渗透、排放等进行合理分配，从而确定各部分的设计规模。根据水量平衡分析，得出如下结果。

4.3.1 研究区域年降雨总量

年降雨总量计算公式为：

Qj=A×H×10-3

(1)

式中：Qj为年降雨总量，计算得198 万m3；A为研究区域占地面积，为200 万m2；H为年平均降雨量，成都为990 mm。

4.3.2 研究区域收集雨水量

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(2)

式中：Qh为年均可收集雨水量，计算得456 392 m3；ψi为径流系数，水域取1，屋面、道路和广场取0.9；α为季节折减系数，成都为0.89[20]；β为初期弃流系数，人工湖为1，屋面、道路和广场为0.67[21]；Ai为集水面积，其中人工湖面积120 000 m2，屋面面积170 000 m2，道路与广场面积490 000 m2；H为年平均降雨量，成都为990 mm。

4.3.3 用水量分析：

(1)杂用水。根据定额，绿化用水取2.0 L/(m2·次)，浇洒道路用水取1.0 L/(m2·次)。其中道路面积400 000 m2，需浇洒的绿化用地面积416 000 m2。

表4 用水量计算Tab.4 Water consumption calculation

(2)景观用水。研究区域内的景观用水按300 m3/d计算，则年景观用水量为109 500 m3。

4.3.4 水量平衡分析

由表5可以看出，研究区域杂用水及景观用水总量小于总收集雨水量，收集雨水量满足需求。

表5 水量平衡分析 m3

4.4 “夏雨冬用”的雨水利用方案

4.4.1 雨水利用方案设计

前文已述成都市降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]。可见成都市降雨在年内分布不均，在夏天时属于丰雨期，冬季属于枯雨期。这样集中的降雨模式对雨水利用特别不利，会造成丰雨期雨水收集过多而浪费，在枯雨期雨水收集不足而让雨水回用设施闲置。因此可以将海绵城市“蓄、用”的观念从一场降雨的蓄积再利用，进一步宏观化到年内的蓄积再利用；利用现有的集水容积将丰雨期多余的雨水储蓄起来，等到枯雨期再利用储蓄的雨水，形成“夏雨冬用”的雨水利用方案。

在讨论转基因产品标识制度时，各个学者提到不同的关于转基因的概念，有农业转基因生物、转基因农产品、转基因食品等多种概念，我们首先来明确一下转基因产品中涉及的几个重要概念。

4.4.2 雨水利用方案的实施

为了实现年内的雨水蓄积再利用，将研究区域内的人工湖作为蓄水设施。人工湖的设计水深为1～3 m，将丰雨期的湖水水深保持为3 m，定期引流江安河河水进行换水，以保证湖水的水质；到枯雨期时再收集利用这部分湖水，直至1 m的水深。

将降雨丰沛的6-9月作为人工湖的蓄水期，4月、5月、10月和11月作为水量供需平衡期，降雨量少的1月、2月、3月和12月作为人工湖的取水期。通过计算可知人工湖可蓄水240 000 m3，在取水期的4个月需取水量为总需水量的1/3，为111 652 m3，因此人工湖的蓄水量完全可以满足取水期的用水需求(见图3)。通过这种“夏雨冬用”的雨水管理模式，即解决了枯雨期的水源不足的困境，也蓄留了丰雨期的地表径流，降低了内涝风险。

图3 蓄水量与需水量对比Fig.3 Comparison between water storage volume and water withdrawal

5 雨水利用效益分析

依据上文的数据可以计算得出年均截留初期径流量、年均雨水利用量和年均污染物减排量。最后结果如表6所示。

表6 雨水利用效益Tab.6 Rainwater utilization benefit

截留的初期径流来自污染较重的屋面、道路和广场，利用上文中的公式：

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(3)

将其中的初期弃流系数β改为(1-β)，其他参数与上文相同，计算得年均截留初期径流量为172 713 m3。

年均雨水利用量与上文中4.3.2节计算的研究区域收集雨水量相同，为456 392 m3。

减排的污染物来自截留的初期径流中的污染物，计算公式为：

Li=0.001×EMC×Qhi

(4)

式中:Li为年均污染物减排量，t；0.001为单位转换系数；EMC为前30 min初期径流中某污染物的平均浓度，屋面径流COD为559.3 mg/L，SS为936.1 mg/L，道路及广场径流COD为647.8 mg/L，SS为1 048.9 mg/L；Qhi为各类土地的径流初期截留量，屋面为44 487 m3，道路与广场为128 226 m3。

6 成都市雨水利用总体分析

根据上文对研究区域雨水径流的计算与分析，可知成都市的雨水径流在水量上存在满足杂用水和景观用水需求的潜力，水质上可以通过截留和处理初期径流达到减少年污染负荷的目的。以下将从总体上分析成都中心城区的雨水利用。

成都中心城区面积约为630 km2，依据《成都市城市总体规划2011-2020》，以2020年作为时间节点，建筑、道路和广场等不透水建设用地率为69%，即435 km2。考虑只收集不透水用地上的径流，按照年均可收集雨量公式：

Qh=ψ×α×β×A×H×10-3

(5)

式中：Qh为年均可收集雨水量，计算得2.31 亿m3；ψi为径流系数，取0.9；α为季节折减系数，成都为0.89[20]；β为初期弃流系数，取0.67[21]；A为集水面积，4.35 亿m2；H为年平均降雨量，成都为990 mm。

依据4.4节中的“夏雨冬用”的雨水管理模式，计算得知成都市如要达到使用降雨径流来满足杂用水与景观用水的目标，需要的雨水储水量为0.77 亿m3。而成都市规划的环城生态湖泊和湿地蓄水总库容约为0.427 亿m3[22]，占总需储水量的55.45%。因此，成都中心城区目前还不具备使用降雨径流来完全满足杂用水与景观用水的储水库容条件。

7 结 论

雨水利用要以“雨水是资源，先利用后排放，利用与城市蓄洪减涝相结合，利用与控制径流污染相结合，利用与改善生态环境相结合”为指导思想。将位处成都市的四川大学江安校区作为研究区域，使用“夏雨冬用”的雨水利用方案，利用现有蓄水设施蓄积丰雨期的雨水，然后在枯雨期使用蓄积的雨水，这样不仅节省了水资源，更有利于改善生态环境，与城市蓄洪减涝相结合。总结本文，有以下5点结论：

(1)成都市存在“降雨初期冲刷效应”，因此在利用雨水径流之前，应该截留初期径流并进行净化处理。

(2)通过收集、处理研究区域内人工湖、屋面、路面与广场上的雨水径流就可以满足研究区域内的杂用水以及景观用水的需求。

(3)通过收集、处理研究区域内屋面、路面与广场的雨水径流，可以减少年污染负荷，减轻区域内的地表水污染状况。

(4)通过蓄水设施在年内合理调配雨水资源，使雨水资源得到优化利用的同时也能降低城市内涝发生的风险。

(5)成都市中心城区目前尚不具有足够的储水库容，以达到完全使用雨水径流来满足杂用水与景观用水的目标。

此外，进一步的研究应该着眼于适用于雨水径流的处理技术，以及雨水径流利用的经济效益分析。

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