青島市生態居住區雨水綜合利用

初開艷,陳吉升,陳乃青

(1.青島市城市規劃設計研究院,山東 青島 266022; 2.青島市海潤自來水集團有限公司,山東 青島 266001)

青島市生態居住區雨水綜合利用

初開艷1,陳吉升1,陳乃青2

(1.青島市城市規劃設計研究院,山東 青島 266022; 2.青島市海潤自來水集團有限公司,山東 青島 266001)

通過對于青島市某居民小區兩次典型降雨后形成徑流雨水中的COD、SS、NH3-N和TP的分析,發現在初雨期2mm產生的徑流中,4項污染物指標的污染程度最大,應舍棄不用;初雨期后可通過清濁分流方法在居民小區內對雨水進行回收利用。通過對居民區的年雜用水量與可收集雨水量的比較,上游匯水量可以滿足區內的用水需求,雨水綜合利用方案實施后可節約自來水2萬t/a以上,具有良好的社會效益和經濟效益。

雨水;污染物;雨水綜合利用;生態居住區;青島市

1 國內外雨水綜合利用簡介

雨水綜合利用在發達國家應用較早,德國在積累了多年開展雨水利用豐富經驗的基礎上,于1989年制定了屋面雨水利用設施標準,目前德國城市雨水利用已進入標準化、產業化階段。以色列由于嚴重干旱缺水,雨水資源利用率已達到98%。美國也大量建造滲濾田,用于補充地下水或在暴雨洪水時起匯集和調節雨水的作用[1]。日本四面環海氣候濕潤,年降雨量比較大,鹿兒島縣廳大廈按照15～20 d的用水量計算出儲水池的容積,所存雨水經過調節pH值、過濾消毒后用做生活雜用水[2]。新加坡雨水利用劃定了三類集水區,分別為受保護集水區、河道蓄水池和城市驟雨收集系統,配套建設了大量蓄水池,新加坡每天耗水的50%都來自收集起來的雨水[3]。

我國建設部于2006年頒布了GB 50400—2006《建筑與小區雨水利用工程技術規范》,此后國內也逐漸重視雨水綜合利用,目前雨水綜合利用示范區主要集中在北京、上海、廣州、深圳等大中城市。在上海浦東國際機場航站樓已經建有完善的雨水收集系統用來收集浦東國際機場航站樓的屋面雨水,在暴雨季節收集的雨水量為500 t/h,這些雨水均被處理后加以利用[4]。廣州亞運會收集、儲存和利用屋面雨水作為雜用水水源,解決亞運村賽時和賽后的雜用水需求,不足部分采用市政自來水補水[5]。深圳市光明新區在城市開發建設之初就積極探索低影響開發模式,因地制宜采用各種雨水入滲設施滯蓄地表徑流、回補地下水,目前已探索出適合光明新區的雨洪利用目標、技術手段、政策保障措施等[6]。

2 研究區雨水綜合利用

青島市全市水資源總量約22億t,目前人均占有水資源量為312.8 t,為全國平均值的12.3%,遠遠低于世界公認的人均500 t的絕對缺水標準,是全國嚴重缺水城市之一。在青島這種資源性缺水的北方城市中雨水綜合利用規劃應合理納入城市規劃的一部分。

某新建生態居住小區位于青島市濱海大道以北區域,三面環山,地勢相對較低且整體平坦,用地面積約23.6 hm2,容積率2.0,上游匯水面積70 hm2,小區規劃著重體現“人·城市·自然”和諧共生的主題思想,規劃綠地面積約81 250 m2,道路、廣場面積約48 750 m2,同時利用原有塘壩改建為小區內湖,有效面積約1.1萬 m2。根據生態居住小區的綠色生態社區定位及所處環境優勢,規劃中重點考慮利用小區匯集的部分雨水補充景觀和綠化用水,節約優質水資源,減少排水系統的費用,削減雨水徑流量和污染負荷,保護居住區的水環境與生態環境。

2.1 雨水水質分析

研究區地勢東南略高西北低洼,外來客水均為外圍丘陵綠地區內的雨水徑流,水質較好。

根據鮑萬民[7]、孫常磊[8]以及車武等[9]的研究,屋面徑流和道路徑流污染比較嚴重,尤其是初雨期雨水污染最為嚴重,水質渾濁、色度大。

由于研究區現處規劃設計階段,現狀為農田和村莊,目前無法取得建成后雨水水質資料,為此采用類比法獲取該區域雨水水質概況,試驗取水點位于研究區東側300 m處的2009年建成的住宅區。根據2011年7月和2011年8月各1次典型降雨收集的雨水水樣水質分析結果(圖1、圖2),初雨期COD質量濃度多在200 mg/L以上,SS質量濃度達到60 mg/L,NH3-N質量濃度最高達到了12 mg/L，TP質量濃度最高達到了2.5 mg/L，電導率在200～600 μS/mm之間。隨著降雨時間的延長,COD和SS的質量濃度呈下降趨勢并穩定在一定數值左右,在降雨中后期,COD質量濃度在20 mg/L左右,SS質量濃度低于10 mg/L,TP質量濃度低于0.15 mg/L,NH3-N質量濃度低于0.3 mg/L,電導率在80 μS/mm以下。可見,外來雨水的COD、SS、NH3-N和TP的質量濃度隨降雨歷時的延長而逐漸降低,降雨中后期的COD、SS、NH3-N和TP質量濃度趨于穩定狀態,水質較好。

圖1 7月降雨初期污染物質量濃度變化趨勢

圖2 8月降雨污染物質量濃度變化趨勢

根據相關研究[10-11]和類比試驗結果表明, 居住社區初雨期2 mm產生的徑流污染程度最大,初雨過后的雨水屬于微污染水源,為此可考慮清濁分流,舍去初期2 mm降雨量,然后再進行回收利用。

2.2 小區雨水收集量、用水量計算

2.2.1 年可收集的雨水量[12]

研究區內可利用雨水按下式計算:

Q=ΨαβAξH×10-3

(1)

式中:Q為年平均可利用雨量,m3;Ψ為徑流系數,取0.55;α為季節折減系數,0.73;β為初期棄流系數,0.87;A為匯流面積,m2;H為多年平均降雨量,mm;ξ為雨水利用系數,0.50。

根據青島市多年降水資料統計其降雨量主要集中在汛期(6—9月),汛期4個月降水量占全年降水量的72.2%,其中7、8月份的降水量占全年降水量的49.7%,其他月份不僅雨量少而且降雨強度一般也比較小,有的降雨過程甚至不能形成徑流,也就無法收集利用,故考慮了氣候和季節等影響因素后,可利用雨量季節折減系數α定為0.73;初期棄流系數β根據降雨和水質資料定為0.87;研究區位于丘陵地區,為了保證下游河流的生態需求,可供調配的雨水量為總降雨量的50%,即利用系數ξ為0.50。該地區多年平均降雨量為688.2 mm。

研究區可利用的匯水面積約為70 hm2(含上游匯水區域),則年平均可利用雨量Q為 8.40萬m3。

2.2.2 小區雜用水年用量

研究區雜用水主要包括綠化、澆灑道路及補充景觀水系用水,水量計算如下。

a. 綠化年用水量:考慮小區雨季、冬季澆灑綠地次數較少,綠化用水平均日用水量按澆灑面積以0.5 L/(m2·d)計算,則綠化年用水量為Q1=81 250 m2×0.5 L/(m2·d)×365 d=1.48萬m3。

b. 澆灑道路、廣場年用水量:小區全年澆灑道路、廣場的次數遠小于澆灑綠地的次數,其平均日用水量按澆灑面積以0.5 L/(m2·d)計算,則澆灑道路、廣場年用水量為Q2=48 750 m2×0.5 L/(m2·d)×365 d=0.89萬m3。

c. 景觀水年補充水量:小區景觀水系的補充水量主要指因水面蒸發、水體滲漏引起的水體損耗量,不考慮水體循環換水需求量。該地區多年平均水面蒸發量約1 000 mm,水系面積約11 000 m2,年水面蒸發量Q3=11 000 m2×1.0 m=1.10萬m3; 小區水系底部平均滲透系數取0.001 m/d,年滲漏需水量Q4=11 000 m2×0.001 m/d×365 d=0.40萬m3;

d. 小區雜用水年用水量:Q總=Q1+Q2+Q3+Q4=3.87萬m3。

由此可以計算出年可利用水量和雜用水年用水量之間的差額:Q差=Q-Q總=8.40×104-3.87×104=4.53萬m3,即研究區上游匯水量可以滿足區內的用水需求。

3 雨水收集與處理

3.1 雨水收集

研究區內雨水綜合利用流程如圖3所示。

圖3 雨水綜合利用流程示意圖

居住區綠地、道路及屋頂降雨根據匯水區域面積的不同設置不同規模的棄流井收集雨水,每個棄流井的容積根據其匯水區域的2 mm降雨量設置,構造簡圖如圖4所示,依靠水力作用,用浮球閥控制水閘,雨水斗收集滿后自動關閉閘門2,同時打開閘門1使雨水切換至供往儲水池(或區內景觀水體)的管道,超出儲水池容量的雨水經超越管進入市政雨水管道。降雨完畢后打開泄水閘3,使棄流井中的初期雨水排入市政污水管道,進入污水處理廠進行處理后排放。

圖4 初期雨水棄流井平面示意圖

3.2 雨水收集與處理

儲水池的雨水經過模塊式微污染水處理單元處理后,水質達到設計標準GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市雜用水水質標準》,完全可用于城市生活雜用水,主要用于小區的綠化澆灑、景觀水面補充水及道路沖洗水。

通過經濟技術比較,確定在規劃區內結合廣場、綠地及地下車庫,共設雨水儲水池4座(兼做消防儲水池),每座有效容積為500 m3,同時利用小區內的規劃水系作為調蓄水池,調蓄能力約1.5萬m3。預測方案實施后可實現年節水2萬m3以上,具有良好的社會效益和經濟效益。多余降水通過防洪通道進入城市河流,居住區內雜用水不足部分通過再生水補充。

4 可行性與環境效益分析

4.1 建設與運行成本可行性分析

由于研究區結合現狀塘壩建設,主要利用小區內景觀水體的調蓄作用,工程設計簡單,省卻了建造大型調蓄水池費用,建設成本大大降低。主要的雨水收集回用設施包括:雨水棄流設施、4座小型調蓄水池、水處理設施、清水池、提升泵及雨水回用管道等。其中,雨水棄流設施主要用于屋面、路面和廣場初期雨水的棄流,可結合雨落管和雨水口設置,由于綠地的表層植被和土壤對雨水具有較強的截污和凈化作用,綠地雨水可考慮不進行棄流;小型調蓄水池盡量結合地下車庫建設,兼做消防儲水池,降低建設成本;初期雨水棄流后的雨水較為清潔,采用模塊式微污染水處理設施簡單處理后即可加以利用,處理工藝簡單、費用較低。

研究區雨水設施的建設費用約130萬元(因4座小型調蓄水池兼做消防水池,其土建費用不納入建設費用),考慮人工、藥劑、動力、維修等因素運行費用約 0.3元/m3。設施的使用年限按照30年考慮,折舊殘值取零,貼現率按年貸款利率6.55%計算,小區年雨水利用量按2.0萬m3計算,每年運行費用支出為0.6萬元。根據建設總投資和年運行費用得出年等額總成本10.6萬元,則雨水回收成本為5.3元/m3。青島市目前居民生活用水到戶綜合水價為2.5元/m3。由于水資源的不可替代性和稀缺性,我國水資源的價格未來將呈上漲的趨勢,而隨著科技的進步,雨水利用的成本將逐步降低,勢必促進雨水綜合利用的發展。

4.2 環境效益分析

通過成本分析可知,雨水回收利用成本高于自來水價格,但是城市雨水綜合利用不能僅考慮雨水利用直接經濟效益,還應該考慮雨水利用帶來的社會與環境效益,主要表現在節約水資源、提高排水系統安全性及削減污染物排放量等方面。

a. 雨水利用項目實施后,每年至少可節約2萬m3優質水資源,間接補充了城市供水資源,具有一定的社會效益。

b. 通過收集初期雨水并將其排入污水管網,經污水處理廠集中處理后,可有效削減排入環境中的COD、NH3-N和TP等污染物總量,改善區域生態環境。經測算,初雨期有機物的平均削減率可達40%,氮磷等污染物的平均削減率可達70%。

c. 根據可行性研究報告,研究區內通過雨水的收集利用可削減30%左右的洪峰流量,可有效減輕城市防洪排澇系統的壓力。

5 結 語

青島地區初雨期污染比較嚴重,降雨量在2mm后雨水水質較好,可以滿足回用的要求。在規劃區通過棄流井將初期雨水暫時儲存后排入污水處理廠處理,其余雨水就地收集利用,不僅可以大大減少城市地面徑流量,減輕城市暴雨時排水管網的排水壓力,減少初期雨水的污染,還可以節約城市水資源,提高水資源利用效率,減少因缺水而造成的社會經濟損失。目前制約雨水收集推廣的主要因素是土建成本問題。通過可行性研究報告的相關調查,筆者認為在季節性降水不均的北方城市不宜建設大型人工蓄水池,蓄水設施可結合現狀塘壩或水景建設。

推廣應用雨水作為城市供水的補充具有很好的社會效益和經濟效益,對于滿足國家節能減排的政策,推動城市可持續發展具有很高的意義。

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Comprehensive utilization of rainwater in ecological residential district of Qingdao

CHU Kaiyan1, CHEN Jisheng1, CHEN Naiqing2

(1.QingdaoUrbanPlanning&DesignResearchInstitute,Qingdao266022,China;2.QingdaoHairunWaterCo.Ltd,Qingdao266001,China)

By analyzing the COD, SS, NH3-N and TP in the rainwater after two processes of rainfall in a certain residential district in Qingdao, we found that the pollution degree of these 4 pollutant indicators in the initial 2mm deep rainwater is the biggest during the whole raining process and such rainwater should not be utilized. We can recycle and utilize the rainwater by decontamination triage method in the residential district after the initial rainfall period. By comparing the amount of all kinds of water consumption in the residential district and the amount of collectable rainwater, we conclude that the recycled rainwater can meet the water demand of residential district in the upstream. Once the project of urban rainwater utilization is carried on, no less than 2 million tons of tap-water will be saved annually and more economic benefits and positive social effects will be brought.

rainwater; pollutants; comprehensive utilization of rainwater; ecological residential district; Qingdao City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.021

初開艷(1982—),女,工程師,主要從事市政工程規劃設計和科研工作。E-mail:ckytry@163.com

TU991.2

B

1004-6933(2015)02-0103-04

2014-04-10 編輯：高渭文)