住宅小區雨水收集利用方案及其效益分析

王 嵐，張其成，陳 星

(河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098)

目前我國城市的發展不同程度上受到干旱缺水、洪澇災害、水環境惡化的影響［1］。水資源短缺是全國大多數城市存在的問題［2］。所含污染物超標的初期雨水直接排入城市河道、湖泊，影響了城市水環境質量。雨水資源利用能緩解水資源緊張，減輕排水和防洪壓力，是保護水環境、實現宜居城市目標的重要措施之一。

目前，世界五大洲約40 多個國家和地區在雨洪資源利用方面進行了大量實踐。德國是歐洲開展雨水利用工程最好的國家之一，早在1995 年，其首都柏林市就設計安裝了許多雨水利用設施，如，貝爾斯-魯德克街區利用7 000 m2集水面積的屋頂和街道、停車場、廣場收集雨水，雨水經處理后用于花園灌溉和廁所沖洗，在源頭上保留了58%的雨水，每年節約飲用水大約2 430 m3，保護了相當數量的柏林地下水，同時也減少了暴雨造成的污染［3］。

我國雨水充沛，雨水資源是我國可利用的淡水資源之一［4］，但降雨多集中在6—9 月份，且雨水隨徑流排走，使地下水補給不足。我國雨水資源化利用尚不普及，除部分地區建立了小型雨水收集利用系統外，大部分地區的雨水利用還處于研究階段。筆者認為，在住宅小區和公園的規劃和設計中，應考慮雨水資源的控制利用，要采用規模化的雨水利用系統，建設雨水利用示范工程，以展示城市雨水排放新概念，實現雨水資源化。

1 研究區概況

1.1 水文氣象特征

研究區福州萬科大樟溪住宅小區位于大樟溪西側。大樟溪是閩江下游最大的河流，河床比降大，在福建省永泰縣境內長121 km，被譽為“永泰的母親河”。研究區屬亞熱帶季風氣候，四季分明，溫暖多雨，多年平均降水量為1 723 mm。雖然研究區水資源相對豐富，但降水量年內分布不均，主要集中于4—9 月，4—9 月的降水量約占全年降水量的83.4%。根據相關水文資料，規劃區五十年一遇最大降雨量為100 mm/h，二十年一遇最大降雨量為88 mm/h。由于降水季節不均，研究區季節性和結構性缺水的問題比較突出，一方面半年時間處于枯水、缺水季節;另一方面山區暴雨洪澇災害對居民安全造成影響。

1.2 產匯流特征

規劃在研究區建設總面積為0.45 km2的生態化居住區。研究區位于福建省福州市永泰縣赤壁村，距離福州市中心32 km，地貌以丘陵為主，最高點高程為66 m，最低點高程為16 m，地勢自西南向東北逐漸降低。研究區所在流域集水面積只有0.591 km2，且河道短，坡降陡，產匯流快。研究區地塊大部分為未經開發的天然農田與丘陵林地，區域內小河流、河溝基本為天然狀態，河流護岸大都為天然或簡易生產岸坡。水流大多依地勢匯入洼地農田或排入小區內蓄水池塘，發生稍大洪水時，低洼處農田甚至房屋等建筑物將被淹沒。研究區地形與集水區域示意見圖1。

圖1 研究區地形與集水區域示意圖

2 雨水收集利用方案

2.1 收集利用流程

本研究采用雨水收集—處理回用—調蓄排放模式，設置雨水收集管網系統、水質處理系統、雨水調蓄排放系統。整個雨水收集系統的設計與布置，結合了大樟溪小區內的建筑物、道路、綠地的規劃布局和用水點的空間分布，并綜合考慮各類雨水類型的受污染程度及不同雨水利用點對水質的要求，以充分合理利用雨水資源。在具體實施過程中，以人工湖為中心，把雨水收集系統、水質處理系統、雨水調蓄排放系統有機結合起來。研究區雨水收集利用流程見圖2。

圖2 研究區雨水收集利用流程

2.1.1 雨水收集

根據城市氣象、水文地質和不同下墊面條件，雨水集蓄利用方式有多種［5］。本研究雨水收集途徑分為4 類:屋面雨水、路面雨水、綠地雨水和場地(廣場、停車場等)雨水。針對不同雨水收集面采取相應的雨水收集技術，構成一個高效的雨水收集有機整體。

a. 屋面雨水。為避免管線太多，盡量選取雨水處理結構附近的建筑物屋面為雨水收集源［6］。建筑物屋頂采用黏土、混凝土等材質，以保證屋面雨水的水質。對小區內面積較小的屋面采用重力流的雨水收集方式，經雨水斗→雨落管→雨水管，收集雨水;對面積較大的屋面采用虹吸式雨水收集方式，加設整流器，以減少雨水斗進水時的摻氣量［7］。

b. 路面雨水。采用透水型路面，以削減地表徑流，補給地下水。在街道雨洪管道口設置截污掛籃，以攔截雨洪徑流攜帶的樹葉等較大污染物。

c. 綠地雨水。采用下凹式綠地面，使綠地低于路面5 ～10cm，同時沿著排水道路修建滲透淺溝，在淺溝表面植草皮，以便雨水下滲。雨水口設于路邊綠地內，雨水排水口高于綠地面。采用雨水管渠方式收集綠地徑流，并用濾網掛籃方式攔截溢流雨水中的雜草和大顆粒等污染物，使綠地成為天然的雨洪匯水面和截污工具。

d. 場地雨水。停車場與廣場等場地盡量避免鋪硬化地面，要鋪設透氣透水的生態地面，增大地面透水性和透氣性，使雨水及時滲入土壤，以涵養地下水源，削弱城市熱島效應，改善城區環境。

2.1.2 水質處理

一般城市降雨的pH 值偏弱酸性(大約為5.6)，水中含有大量懸浮物、污染物和泥沙，需要經過凈化處理達到水質要求才能回收利用［8］。研究區收集的雨水主要用于綠化、水景、生活雜用等，對水質的要求不高，因此可以不需過濾消毒處理。將雨水沉淀池和濕地沉降池串聯融合布置，收集的雨水首先經小型雨水沉淀池(具體大小形狀根據場地因地制宜確定)初步篩選過濾去除懸浮物等雜質，再流入配套濕地，經植物沉降，達到凈化雨水的目的，最終匯入小區中心人工湖調蓄回用。研究區排水分區、中心人工調蓄湖、濕地工程布局圖見圖3。

圖3 研究區排水分區、中心人工調蓄湖、濕地工程布局圖示意圖

在規劃的濕地沉降池內種植蘆葦、香蒲、風車草、香根草、美人蕉等兼具景觀和污染物去除功能的植物，使人工濕地具有獨特的綠化環境功能。人工濕地作為一種生態處理技術，管理維護簡單。成規模的人工濕地能迅速增加綠地面積，消除城市熱島效應，提供優美的城市生態景觀。

為保證人工濕地內植物的正常生長，濕地有效水深一般為0.6 ～1.1 m。考慮到用地限制，規劃區人工濕地的有效水深取0.8 m［9］。人工濕地多數采用潛流式，根據暴雨強度計算公式和濕地水力負荷來計算濕地面積。

暴雨強度計算公式為

考慮到研究區濕地水力負荷條件和設計暴雨強度，總結出各排水分區徑流面積與所需濕地面積的關系公式:

式中:q 為設計暴雨強度，L/(s·hm2);ψm為徑流系數;TE為設計重現期，取1 a;t 為降雨歷時，min;F 為匯水面積，hm2;A 為濕地面積，m2;Q 為濕地流量，m3/s;HL為濕地的水力負荷，可取0.8 ～1.2 m/d，為提高去污效果取0.8 m/d。

計算結果見表1。

2.1.3 調蓄回用

小區中心開挖的人工調蓄湖作為雨水利用系統的雨水調蓄池，兼具雨水儲存、沉淀、循環等作用。考慮到小區整體規劃布局、景觀環境需求和區域集水區分布，人工湖形態規劃為狹長形，河長約400 m，河寬最大約90 m，面積約2.7 萬m2，橫河方向左側高右側低，左側最高點高程19.0 m，右側最高點高程16.0 m。考慮到人工湖還具有作為小區中心景觀點的功能，最終確定人工湖的庫容最大值為5.7 萬m3。

儲存處理后的雨水為社區提供綠地澆灌、道路沖洗、跌水水景、廁所沖洗、車輛沖洗等用水，而雨水調蓄池與社區外圍河道連通，可向外排水和泄洪。汛期4—9 月，人工湖的溢流可以通過市政雨水管直接排入大樟溪，補充大樟溪水體，為福州市存儲優質水源，改善水生態環境;枯水期10 月至次年3 月，用自來水向人工湖輸送水源，保障人工湖基本的景觀水位。

2.2 效益分析

雨水收集利用工程需投資1 260 萬元(不包括人工湖的景觀功能投資)，較直接排放系統多投資1 020萬元，但雨水收集利用工程建成后，每年可直接集蓄利用雨水16 萬～24 萬m3，按照福州永泰縣1.5 元/m3的水價計算，每年可節約水費24 萬～36 萬元。若考慮節水增加的國家財政收入，以及消除污染而減少的社會損失和節省城市排水設施的運行費用等間接效益，每年可收益91.2 萬～136.8 萬元［10］，故雨水收集利用工程的靜態差額投資回收期為7.5 ～11.2 a。且水景社區是一類以景觀湖為核心的生態住宅小區，能滿足城市居民回歸自然的需求［11］。人工調蓄景觀湖岸設置的5 片結合沉淀池布置的人工濕地，有效保證了雨水水質達到小區回用標準，保護了水環境。由此可見，雨水收集利用工程已是一種極有價值的水資源利用工程，具有良好的經濟效益和產業前景。

表1 濕地面積計算結果

3 結 語

在住宅小區建立雨水收集利用工程，技術上是可行的，社會效益、經濟效益和環境效益也很可觀。在地形條件和空間范圍允許的條件下，將雨水的收集傳輸和儲存利用與城市的景觀建設、環境改善相結合，不僅可有效利用雨水資源，補給涵養地下水，緩解用水矛盾，還可減輕污水處理廠的壓力，增添城市景觀。雨水收集利用工程值得推廣。

［1］方紹東，黃英，柏紹光.昆明城市發展進程中的水資源演變分析［J］.水資源保護，2010，26(6):32-36.(FANG Shaodong，HUANG Ying，BAI Shaoguang. Analysis of water resources evolution with urban development in Kunming［J］. Water Resources Protection，2010，26(6):32-36.(in Chinese))

［2］魏杰.循環經濟理論與深圳市城區雨水利用規劃［J］.水資源保護，2010，26(4):80-83. (WEI Jie. Circular economy and urban rainwater utilization planning of Shenzhen［J］.Water Resources Protection，2010，26(4):80-83.(in Chinese))

［3］李紅梅. 多國雨水收集利用探索實踐［N］. 中國水利報，2011-09-22(07).

［4］曾子洋，曾玉彬.對武漢市城市雨水收集利用的現狀和趨勢的探討［J］.科技創新導報，2010(34):121. ZENG Ziyang，ZENG Yubin. Probe to status and trends of collecting and utilizing to urban rainwater in Wuhan City［J］. Science and Technology Innovation Herald，2010(34):121.(in Chinese))

［5］鹿新高，龐清江，鄧愛麗，等.城市雨水資源化潛力及效益分析與利用模式探討［J］.水利經濟，2010，28(1):1-5. (LU Xingao，PANG Qingjiang，DENG Aili，et al.Potential benefit analysis and utilization mode of urban rainwater resources［J］. Journal of Economics of Water Resources，2010，28(1):1-5.(in Chinese))

［6］林濤.某住宅小區雨水回用系統設計簡介［J］.給水排水，2008(S1):289-291. (LIN Tao. Brief introduction to system design of rainwater reuse to one of residential areas［J］. Water ＆ Wastewater Engineering，2008(S1):289-291.(in Chinese))

［7］曹秀芹，車武.城市屋面雨水收集利用系統方案設計分析［J］. 給水排水，2002，28(1):13-15. (CAO Xiuqin，CHE Wu. Analysis of program design to system of collecting and utilizing of urban roof rainwater［J］.Water＆ Wastewater Engineering，2002，28 (1):13-15. (in Chinese))

［8］張迪瀚，陳永平.珠海十字門中央商務區雨水回用設計［J］. 給水排水，2011(S1):386-387. (ZHANG Dihan，CHEN Yongping. Design to rainwater reuse of central business area in Zhuhai City［J］. Water ＆ Wastewater Engineering，2011(S1):386-387.(in Chinese))

［9］張靜，張旭，李廣賀，等.潛流濕地中填料的理化作用及對植物生長的影響［J］. 環境科學，2006(5):874-879.(ZHANG Jing，ZHANG Xu，LI Guanghe. Physical and chemical effects and plant growth suitability of substrates in subsurface flow wetland［J］. Environmental Science，2006(5):874-879.(in Chinese))

［10］李俊奇，車武，孟光輝.城市雨水利用方案設計與技術經濟分析. 給水排水［J］2001，27(12):25-28. (LI Junqi，CHE Wu，MENG Guanghui. Program design and technical and economic analysis to urban rain water utilization［J］.Water ＆ Wastewater Engineering，2001，27(12):25-28.(in Chinese))

［11］陳小華.水景社區的雨水收集與綜合利用設計［J］.水資源保護，2010，26(5):78-82. (CHEN Xiaohua. Case study on collection and reuse of rainwater in waterscape community of Shanghai［J］. Water Resources Protection，2010，26(5):78-82.(in Chinese))