城市雨水利用綜述

潘金鋒

隨著城市化速度的不斷加快,全球工業化的不斷發展,社會需水量大幅增加,水資源供需矛盾日益突出。聯合國已經發出警告,由于世界水資源日益枯竭,人口爆炸、污染和全球氣候變暖,未來20年人均供水將會減少1/3。于是開發非傳統水資源,即雨水利用、污水回用、海水利用,被世界各國視為緩解水危機的重要途徑之一。通過研究和工程實踐,其顯示出巨大的開發潛力和經濟效益。傳統水資源和非傳統水資源的耦合互補利用,不僅能緩解城市供水的壓力,而且還能改善水環境、減少水災害,具有巨大的社會效益和生態效益[1]。

1 主要雨水利用技術

1.1 土壤入滲

1)多孔瀝青及混凝土地面。多孔瀝青地面由表面瀝青層、濾層和蓄水層組成。表面瀝青層避免使用細小骨料,空隙率為12%～16%,厚6 cm～7 cm。瀝青層下面的濾層和蓄水層由碎石構成。濾層的碎石粒徑1.3 cm,厚5 cm。蓄水層碎石粒徑2.5 cm～5 cm,空隙率為38%～40%,其厚度視所需蓄水量而定。多孔混凝土路面與多孔瀝青類似,區別在于表層為無砂混凝土,厚度約12 cm,空隙率15%～25%[3]。多孔瀝青和多孔混凝土鋪筑的地面具有滲蓄雨水、抗滑和吸收交通噪聲的功能,在美國使用廣泛。缺點是使用長時間后會因堵塞而失效,因此在我國的應用受到限制。

2)草皮磚。草皮磚是帶有各種形狀空隙的混凝土塊,開孔率達20%～30%,因在空隙中可種植草類而得名。草皮磚地面的徑流系數為0.05～0.35[4],可以有效削減地面徑流量,由于種植了草類,還具有一定的凈化作用。草皮磚是一種利用效果不錯、維護管理方便的土壤入滲技術,應用較為廣泛,多用于停車場、人行道。

3)地下滲透管、滲透渠和滲透池(見圖1)。滲透管一般采用穿孔PVC管或透水材料制成,匯集的雨水通過滲透管進入周圍碎石層,再進一步向周圍土壤滲透。碎石層具有一定儲水調蓄作用。滲透渠與滲透管的結構功能類似。地下滲透池實際上是一種地下儲水裝置,利用碎石空隙、滲透渠等儲存雨水[4]。滲透管渠和滲透池的優點是占地少,缺點是極易堵塞。為避免堵塞常將預處理設施(如綠地、初期雨水棄流裝置)與滲透設施組合使用。

4)植被淺溝(見圖2)。植被淺溝是指在地表溝渠中種有植被的一種工程性措施。它一般建于城市公園內道路兩側、不透水地面的周邊、大面積綠地內等,可以同滲透渠或雨水管網聯合運行,完成輸送排放功能的同時實現了雨水的凈化。

植被淺溝不但能夠增強滲透,補充地下水,其中的植被還具有降低徑流速度,削減洪峰流量的作用,此外當雨水流經植被淺溝時,在沉淀、過濾、生物降解的共同作用下,徑流中的污染物可部分被去除。研究表明,它對SS的去除率可以達到80%以上[5]。由于城市徑流中SS與COD,TP,TN等污染指標存在良好的相關性,SS去除的同時其他污染物也得到相應的去除[6]。

5)下凹式綠地。綠地作為滲透設施,不僅滲透能力強,而且植物根系能對雨水徑流中的污染物起到凈化作用。而下凹式綠地具有滲蓄雨水、削減洪峰流量、減輕地表徑流污染等優點。典型的下凹式綠地的結構為:路面高程高于綠地高程,雨水口設在綠地內,且高于綠地高程而低于路面高程。這樣不透水地面上的雨水徑流先流入綠地,綠地蓄滿后再匯入雨水口。中國農業大學通過分析計算在設計暴雨條件下下凹式綠地的蓄滲、減洪效果,表明在1倍匯水面積的情況下,對于10年,50年和100年一遇的暴雨,下凹式綠地的降雨攔蓄率分別為 87.15%,58.48%和50.75%,其中減峰率分別為71.04%,46.82%和 41.52%,蓄滲減洪效果顯著。

1.2 集蓄回用

由于城市屋面雨水水質較路面雨水水質要好得多,所以我們所說的雨水集蓄回用系統具體指屋面雨水集蓄回用系統,它可以是在建筑群或小區中設置的集中式利用系統,也可以是設置在單體建筑物的分散式利用系統。系統由集雨區、輸水系統、截污凈化系統(如過濾)、儲存系統(水箱、地上或地下水池)以及配水系統等幾部分組成[7]。

屋頂花園利用系統是雨水集蓄技術與生態技術的結合,由于它在改善環境、節約能源等方面的眾多優越性,國外許多城市的地方政府相繼出臺了相關政策鼓勵屋頂綠化。

屋頂花園由植被層、基質、過濾膜、蓄排水盤、保濕毯、隔根膜組成。植物應根據當地氣候和自然條件,遴選本地生的耐旱植物,如北京地區選用佛甲草、黃花萬年草[8]等。種植基質應選擇空隙率高、密度小、耐沖刷且適宜植物生長的天然或人工材料,德國常用火山石、沸石、浮石等,我國常用燒結土。基質厚度一般為7 mm～9 mm。屋頂花園需要著重考慮蓄水和排水的統一。雨季,尤其是短歷時的降雨若不能及時排走可能造成屋面積水重量超過屋面荷載,危及建筑安全;旱季,又需要屋頂綠化蓄水功能保證植物正常生長。現在多采用蓄排水盤結合其上的燒結土基質層和其下的保濕層滿足蓄排水的要求[9]。

2 我國雨水回用研究

德國、英國、日本等國對雨水回用進行了大量的研究和工程實踐,技術已相當成熟。但是我國對雨水處理回用的研究很少。

屋面雨水的水質受屋面材料、氣溫、降雨量、降雨強度、降雨歷時及空氣污染等因素影響[2]。初期徑流污染濃度很高(特別是瀝青油氈屋面),渾濁色度大,主要污染物為COD,SS,可生化性也不高;總氮、總磷、重金屬、無機鹽等污染物濃度較低。研究表明[2,10],隨著降雨時間的延長,污染物濃度逐漸下降,色度也隨之降低,因此為了減小對后續設施的影響,常舍棄2 mm的初期徑流。雨水處理工藝一般采用沉淀過濾。北京建筑工程學院研究表明,經初期棄流的屋面徑流雨水,CODCr濃度約為100 mg/L,在最佳投藥條件下,經沉淀加接觸過濾,對CODCr可去除65%,SS可去除90%,色度可去除55%[2],基本滿足 GB/T 18920-2002城市污水再生利用 城市雜用水水質要求,與同濟大學研究結果[10]基本一致。

3 我國雨水利用的現狀和問題

土壤入滲是我國應用最為廣泛的雨水利用方式。由于城市面源污染控制越來越受到重視以及雨期路面積水為人民生活帶來諸多不便,許多城市將室外停車場、公園、學校、小區的人行道盡量做成多孔鋪砌、透水路面。綠地的建設一直都是城市綠化的重要部分,考慮到下凹式綠地在蓄滲減峰方面的高效性,施工管理的簡易性,許多新建地區如北京奧林匹克公園[11]、鄭州鄭東新區[12]、上海世博園區都規劃采用下凹式綠地。

4 結語

我國的水資源環境現狀面臨著嚴峻的考驗,一方面是水資源的短缺,一方面是雨洪徑流白白排放,導致水環境惡化。圍繞雨水資源的利用,我國開展了大量的理論探索和科學研究,但是存在著集蓄與利用脫節、資源利用率低等問題。如何高效利用雨水資源、實現雨水回用仍然是擺在我們面前的重大難題。

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[4] 汪慧貞,車 武,胡家駿.淺議城市雨水滲透[J].給水排水,2001,27(2):4-7.

[5] 張 煒,車 伍,李俊奇,等.植被淺溝在城市雨水利用系統中的應用[J].給水排水,2006,32(8):33-37.

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[8] 譚天鷹.關于北京屋頂綠化的探討[J].建筑科學,2007,23(8):14-19.

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[11] 王 崇.漫游奧運中心區 享受綠色 體驗科技 品味人文[N].人民日報海外版,2007-12-7.

[12] 李炳鋒,田富強,胡和平.鄭東新區雨水利用方案設計與優選[J].人民黃河,2007,29(3):42-43.