河南省城市雨洪利用分析與探索

李尉卿　張　杰　李艷麗

摘要 調查和分析了河南省水資源及水資源缺乏的形勢,以鄭州市為例討論了雨洪水收集、儲存和處理的技術,研究表明,雨洪水經處理后就CODcr和SS兩項指標而言,能夠達到城市雜用水標準。雨洪綜合利用的經濟效益顯著、社會效益和環境效益可觀。

關鍵詞 水資源形勢;雨洪水利用;效益;河南省

中圖分類號 TU991.11+4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2009)13-0268-02

我國淡水資源總量為28 000億立方米,占全球水資源的6%,僅次于巴西、俄羅斯和加拿大,居世界第4位,但人均只有2 200m3,僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5,在世界上名列121位,是全球人均水資源最貧乏的國家之一。

據了解,全國660多個城市中,缺水城市有400多個,其中嚴重缺水城市114個。嚴重缺水城市中北方城市占71個,南方城市為43個。即便在多水的長江流域也有缺水城市59個,缺水縣城155個。在天津、大連、青島等城市,由于缺水,已經實行定量配水、停工待水或避高峰讓水、提高水價等節水措施。全國嚴重缺水的城市有北京、上海、天津、深圳、青島、大連、重慶、昆明、沈陽、鄭州、武漢、西安、西寧、太原。

河南省是一個水資源缺乏的省份,隨著城市人口的急劇增加,城市的缺水日趨嚴重,到2010年,河南全省將缺水60億立方米。因此,尋找一個解決城市缺水、緩解城市用水嚴重不足的補救措施是非常必要的。

1 河南省水資源形勢分析

目前河南省地下水天然補給資源量多年平均為164.58億立方米,約占全省水資源總量的40%,其中山區為38.87億立方米、平原為131.77億立方米,二者重復量為6.06億立方米;淺層地下水可開采量多年平均為163.00億立方米,其中山區為28.47億立方米、平原為134.53億立方米;深層承壓地下水可開采量為10.47億立方米。按地下水類型分,在全省地下水天然資源量中,松散巖類孔隙水占77%、巖溶裂隙水占12%、基巖裂隙水占11%。

在這些可開采的地下水中約7.27萬平方千米(占全省面積44%)的地下水資源可供直接飲用,約8.08 萬平方千米(占全省面積48%)的地下水資源需要經適當處理后方可飲用,約1.21萬平方千米(占全省面積7%)的地下水資源不適宜飲用,但可作為工農業供水水源,約0.13萬平方千米(占全省面積不足1%)的地下水需要經過專門處理后才能利用。在分布上,豫西南大部分地區地下水可直接飲用,但豫北、豫東南淺層地下水污染比較嚴重,水質較差;全省主要城市,如鄭州、商丘、許昌、濮陽等市(區)的淺層地下水污染嚴重,水質呈下降趨勢,其中鄭州水資源總量13.39億立方米,人均水資源占有量212m3,僅為全國人均水平的1/10,缺水形勢十分嚴峻。全省各地都不同程度地存在著與飲用水水質有關的地方病,豫北、豫西丘陵山區和豫東平原分布著與大骨節病、氟中毒、甲狀腺腫大等地方病有關的高氟水、低碘水和高鐵錳水,全省有近千萬人仍在飲用不符合生活飲用水水質標準的地下水。

另外,河南省還有18個城市存在著不同規模的地下水降落漏斗,濮陽、鄭州、開封、許昌、洛陽已發生地面沉降,對城市的基礎設施建設構成了嚴重威脅。區域地下水位的下降還使平原濕地萎縮、地表植被破壞,從而導致生態環境惡化。

近20 年來,全省用水量急劇增長,地下水開采量平均以每年3億立方米的速度增加。目前,豫北除沿黃地區外大部分地區地下水處于超采狀態,鄭州、許昌、商丘等城市地下水嚴重超采,豫西山區還有200 多萬人需要解決飲水問題。與此同時,水資源浪費問題仍相當突出,據悉,全省的萬元工業產值耗水量是發達國家的10～20倍,每1kg糧食的耗水量是發達國家的2～3倍。

2 雨洪利用工程技術可行性分析

利用屋頂積雨、庭院水泥地面和道路透水地面等攔蓄裝置收集雨季降雨,并將其經專門設計的輸送系統運輸儲于生態水池中,雨洪水經環保處理后可用于沖廁、綠化等。這樣既減少了暴雨徑流,防范了雨洪災害,回補了地下水,還實現了地表水和地下水合理調配,協調了人與自然的關系。這些在國內外都有豐富的經驗與成熟的技術,其中孫緒金教授等研究的城市“防洪及雨洪利用工程新技術”的成果最切合鄭州地區雨洪利用的實際。

2.1 城市雨水積蓄系統

雨洪水利用主要通過集雨設施對雨水進行收集、處理和儲存,可設計為單體建筑的分散式系統,也可在建筑群或居民小區中設置葫蘆串式的儲水池。系統由集流、輸水、凈化過濾、儲水(地下水池或水箱)、提升及用水6個子系統組成。

2.2 雨水集流子系統

集流系統包括屋頂、硬化路面和場地。屋頂集流包括屋頂集雨管道、初期棄流裝置及雨水過濾管。

2.3 雨水輸送子系統

該系統主要由輸水管、河流水溝構成,作用是將收集的雨水輸送到凈化過濾系統和儲水系統。

2.4 雨水凈化過濾子系統和儲水子系統

雨水凈化過濾系統包括沉淀池、凈化過濾裝置和儲水池3個主要部分。其中凈化過濾裝置由粗沙、礫石、土工布、棕櫚和粉煤灰及相關箱體或混凝土砌筑體及蓋子組成。儲水子系統為地埋式混凝土儲水池或傳統的水窖、水井、集水罐、集水箱等。經處理后的水質如表1所示。由表1可以看出,經凈化處理的雨水CODCr、SS 兩項指標達到了生活雜用水和綠化用水的標準(見表2)。

3 雨水與可利用雨水資源量的估算

3.1 雨水資源量的估算

以鄭州市新東區的華北水院為例,鄭州市年平均降雨量為637.05mm,年平均總降雨量為503 588m3,降雨匯水面積主要為建筑物屋面、道路及綠地的面積總和。新東區水院用地面積為107萬平方米,建筑物屋面年平均徑流量為245 391.66m3,道路年平均徑流量為72 098.18m3,綠地年平均徑流量為12 040.25m2。根據降雨量公式Re=ψ×A×Hn,式中ψ為徑流系數(m3),A為匯水面積(m2),Hn為年降水量(mm),計算新東區雨水資源總量為329 530.04m3。2003年鄭州市區建筑、道路、綠地占地情況及徑流系數見表3。

鄭州市城區雨水資源總量(Re)為:①建筑物面年平均徑流量:Re1=ψ×A×Hn =97.91×106×0.75×637.05×10-3=4 678.02萬立方米;②道路年平均徑流量:Re2=45.67×106×0.75×637.05×10-3=2 182.06萬立方米;③綠地年平均徑流量:Re3=68.82×106×0.15×637.05×10-3=657.63萬立方米;總和Re=Re1+Re2+Re3=7 517.71萬立方米。

3.2 可利用雨水資源量的估算

根據公式Q=Hn×A×ψ×α×β,式中α為季節折流系數(鄭州6～9月α=0.65),β為初期棄流系數(鄭州β=0.87),計算得出屋面雨水可利用量為:Q1=136 769.00m3;道路雨水可利用量為:Q2=40 771.49m3;綠地雨水可利用量為:Q3=6 966.47 m3;雨水可利用總量為:Q總=Q1 + Q2 + Q3 =186 505.47m3。

由于鄭州市城區建筑物面積占市區面積的62.22%,道路占29.03%,綠地占8.75%,由此估算鄭州市的年平均雨水可利用總量為:Q1=637.05×10-3×97.91×106×0.75×0.65×0.87=2 645.42萬立方米;Q2=637.05×10-3×45.67×106×0.75×0.65×0.87=1 233.95萬立方米;Q3=637.05×10-3×68.82×106×0.15×0.65×0.87=371.89萬立方米;Q總=2 645.42+1 233.95+371.89=4 251.26萬立方米。由此可見,鄭州市的年平均雨水可利用量是相當可觀的,為4 251.26萬立方米,經過近5年的發展和房屋開發,鄭州市的面積幾乎又增加了1/2,尤其是道路的面積增加得更多。

河南省目前有18個省轄市,除漯河、許昌、濟源、三門峽、周口市區面積大約為鄭州市市區占地面積的1/3外,其他省轄市約為鄭州市的1/2。根據上述計算公式估算河南省城市年平均雨水可利用量為:Q全省=4 251.26×104×1/3×5+4 251.26×104×1/2×12+4 251.26×104=(7 085.43+25 507.56+4 251.26)×104=36 844.25萬立方米。

4 雨洪利用的經濟效益、社會效益和環境效益

雨洪利用作為公益事業,不僅具有環境生態效益和社會效益,還有巨大的直接和間接經濟效益。

4.1 經濟效益

一是節省市政和居民用水開支。雨洪利用運行費用低廉,比較效益十分突出。目前鄭州市的綠地用水費用為3.8元/m3,而收集雨洪水的年運行費用為0.10～0.20元/m3。那么,河南省收集雨洪水的運行總費用為:Y=36 844.25×104×0.2=7 368.85萬元。雨水收集后全都用于綠地灌溉或沖廁不扣除運行成本時,全省的雨水利用總費用為:X=36 844.25×104×3.8=140 008.15萬元(綠地用水現價為3.8元/m3)。可節約用水費用:140 008.15-7 368.85=132 639.30萬元。二是減輕了市政排水管網的負擔,小區雨洪利用工程可以減少政府投入的建造大型污水處理廠、收集污水管線和擴建排洪設施的資金,并可減少排水投資以及原有設備和市政排水管網的維護費用。

4.2 社會效益

雨洪利用不僅可以大大緩解城市的用水負荷,而且還可以減輕和消除由于降雨帶來的城市洪災,能增加城市區域地下水涵養,緩解地面下沉,提高淺層地下水位,并能長期保持淺層地下水位的穩定性,保證地表水和地下水之間正常互補,保證地表植被和地下微生物系統處于良性循環狀態。

用經收集、處理后的雨水代替地下水作生活雜用水、市政用水,不僅可以大大緩解水資源供需矛盾,還可節約市政和居民用水開支。

4.3 環境效益

城市雨洪處理水可用于噴灑路面,降低和減少城市路面揚塵,提高城市大氣質量;還可用于澆灌城區內的花木植被,對改善城市的生態環境、綠化和美化城市居民居住環境有著重要的作用。

5 結語

雨洪水綜合利用是解決我國一些城市嚴重缺水的一項基本措施。經收集、儲蓄和適當處理的雨洪水CODCr、SS兩項重要指標可以達到城市污水再生雜用水水質標準(GB/T18920-2002)和農田灌溉水質標準(GB5084-1992)的要求,可用于農田灌溉和城市綠化及沖廁。雨洪水綜合利用經濟效益顯著,僅雨水收集一項就可為河南省城市節水36 844.25萬立方米,創造經濟效益132 639.30萬元;社會效益可觀,可大大緩解城市用水負荷,還可減輕和消除由于降雨帶來的城市洪災,并能增加城市區域地下水涵養,緩解地面下沉;環境效益明顯,對改善城市的生態環境、綠化和美化城市居民居住環境有著良好的作用。

6 參考文獻

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局.城市污水再生利用城市雜用水水質標準(GB/T 18920-2002)[S].北京:中國標準出版社,2003.

[2] 潘安君,張書函.北京城市雨洪利用總體構想[J].北京水務,2006(1):31-33.