株洲雨水資源化利用可行性及策略研究——以云龍示范區(qū)為例

張海燕，許競舟

（湖南工業(yè)大學 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 株洲 412007）

株洲雨水資源化利用可行性及策略研究——以云龍示范區(qū)為例

張海燕，許競舟

（湖南工業(yè)大學 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 株洲 412007）

通過分析湖南省株洲市云龍示范區(qū)的雨水資源化潛力，得出云龍示范區(qū)雨水可利用總量可滿足生活用水回用量、綠化用水量和道路灑水量等用水需求，并計算得出，與傳統(tǒng)水源利用相比，在云龍示范區(qū)使用雨水資源作為水源可創(chuàng)造699萬元的效益。提出建設雨水資源綜合利用系統(tǒng)的技術建議和具體措施，以期在云龍示范區(qū)的建設中，充分利用雨水資源化集蓄、滲透技術，提高雨水資源化的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益，為建設生態(tài)節(jié)約型、環(huán)境友好型農村社區(qū)提供理論參考。

雨水資源化；云龍示范區(qū)；利用策略；利用效益

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，柏油水泥路面和建筑鋪裝等城市硬質地面面積急劇增加，這使得降水、地表水、地下水得不到有效調節(jié)，從而造成“熱島效應”“城市看海”等現(xiàn)象。國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合發(fā)布的《節(jié)水型社會建設“十一五”規(guī)劃》中提到，收集、利用雨水是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會的重要舉措。雨水是不可忽視的淡水資源，若將其收集利用，將對城市供水起到極大的補充作用。國外雨水資源利用已有2 000多年的歷史，國外雨水資源利用理論成果較多，其中美國的《雨洪管理條例》規(guī)定新開發(fā)區(qū)的暴雨洪峰流量不能超過開發(fā)前的水平，所有新開發(fā)區(qū)必須強制實行“就地”滯洪蓄水，滯洪設施的最低容量按照控制5 a一遇的暴雨徑流設計。德國政府關于雨水利用的規(guī)定有：做排水規(guī)劃時均要設計雨水利用設施，若無雨水利用設施，政府將征收雨水排放設施費和雨水排放費等。國外雨水利用技術有屋面雨水集蓄系統(tǒng)、雨水截污與滲透系統(tǒng)、生態(tài)小區(qū)雨水利用系統(tǒng)等［1］。中國早在秦漢時期就有修建澇池、塘壩攔蓄雨水等雨水利用先例，近現(xiàn)代西北地區(qū)的水窖及民居中的雨水天井、滲池就是雨水利用的實例。但是中國雨水利用理論研究和實踐應用還處于初步發(fā)展階段，與國外相比，技術還比較落后，相關法律法規(guī)也不健全。目前國內雨水利用的成果主要有北京的雨水資源利用理論研究、山東省長島縣雨水集流工程。近年來，北京、上海、大連、哈爾濱、西安等城市都相繼開展了雨水收集利用研究［2］。湖南省株洲市云龍示范區(qū)的開發(fā)建設將按照“兩型社會”模式進行，而節(jié)約水資源、減少自來水的生產量、對雨水資源化利用，符合兩型社會的建設理念，因此，對其雨水資源利用進行了研究具有重要意義。

1　云龍示范區(qū)雨水資源利用分析

1.1云龍示范區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀

云龍示范區(qū)位于株洲市白石港流域上游屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛、光熱充足，年平均總降水量為1 476 mm，單日最大降水量為192.5 mm。周邊生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，依山傍水，場地現(xiàn)狀為山地和農田。示范區(qū)所在地高差較大，原始場地最高點為81 m，最低點為56 m。示范區(qū)內云峰湖總面積為61 hm2，占示范區(qū)總面積7%；其他水域面積為23 hm2，占總面積3%。示范區(qū)內土壤肥沃、松軟，蓄水能力強。現(xiàn)有場地有較多雨水滯留區(qū)域，如農田、云峰湖、砂石水庫、水塘等。

1.2云龍示范區(qū)水資源可利用總量計算

相關資料表明，一般而言年平均降水量大于200 mm的地區(qū)都可以建設集雨工程，年降水量在300 mm以上地區(qū)的集雨工程經(jīng)濟效益更好。株洲市常年平均降雨量為1 470 mm，屬于集雨高效區(qū)，因此對株洲市的雨水進行利用是可行的。本文采用文獻［3］中的計算公式（見式（1）），對云龍示范區(qū)雨水利用的可行性進行分析［3］。

式中：Q為雨水資源可實現(xiàn)潛力，m2；

A為匯水面積，m2；

P為降雨量，mm；

表1為云龍示范區(qū)各類用地面積及其相關系數(shù)。

表1　云龍示范區(qū)用地性質和相關系數(shù)Table 1　Land use function with its correlation coefficients in Yunlong demonstration zone

圖1為2014年株洲市降水量數(shù)據(jù)。

圖1　2014年株洲市降水量Fig.1　Amount of precipitation in Zhuzhou in 2014

從圖1可以看出2014年2—8月株洲市降雨量較集中，按照株洲市氣候情況，選取2—8月進行雨水利用情況計算。

表2是根據(jù)式（1）和表1計算求得的2014年2—8月云龍示范區(qū)道路、建筑、綠地雨水徑流量。

表2　云龍示范區(qū)各類用地雨水徑流量Table 2　Total runoff of various types of land inYunlong Demonstration zone m3

從表2可以看出，云龍示范區(qū)在2014年2—8月建筑雨水徑流量為82 965～279 698 m3，綠地徑流量為39 078～131 742 m3，道路徑流量為9 018～30 402 m3。其中，建筑徑流量占總徑流量的63.4%，綠地徑流量占總徑流量的29.8%，道路徑流量占總徑流量的6.8%。建筑和綠化徑流量占總徑流量的93.2%，可利用建筑、綠化用地集蓄雨水并補給地下水。

1.3云龍示范區(qū)水量消耗估算

表3為根據(jù)云龍示范區(qū)2014年2—8月各用地面積和DB43/T388—2008《湖南省地方標準：用水定額》中的用水標準，估算得到的云龍示范區(qū)雨水資源可利用量與供水需求量。

表3　云龍示范區(qū)2014年2-8月雨水資源可利用量與供水需求量Table 3　Analysis of available rainwater resources and demand of water supply in Yunlong Demonstration zone from February to August in 2014

表3中，根據(jù)綠化用水定額為60 L/（m2·月）、道路灑水定額36 L/（m2·月），可求得每月綠化用水量為60×260×104×10-3=156 000 m3和道路灑水量為3 600 m3。生活用水回用主要指用水量大、水質要求低的沖廁用水。根據(jù)GB50336—2002《建筑中水設計規(guī)范》中建筑給水標準，取每日40 L/人，云龍示范區(qū)2014年使用水資源人口為28 022人，則每月生活用水量約為33 626 m3。繼而可求得總用水量，即生活用水回用量+綠化用水量+道路灑水量。可利用雨水量按照可收集雨水量的90%計算。從表3可知，3， 5， 6， 7月的雨水量可完全保證綠化用水、道路灑水用水、居民生活用水回用需求，而節(jié)余的雨水資源可以補給2， 4， 8月雨水資源不夠的用水。

2　云龍示范區(qū)雨水資源利用策略

2.1云龍示范區(qū)開發(fā)可能產生的資源問題

在云龍示范區(qū)開發(fā)過程中，可能產生的問題有：由于生產和生活的需要，不透水地面增加，雨水滯留區(qū)域減少，雨水下滲量減少，地下水得不到補償，嚴重的地下水位下降會引起地面下沉；在大暴雨時，不透水地面導致匯流時間縮短和峰流量加大，可能引起洪澇災害；人類活動和工業(yè)發(fā)展，導致水質污染，使可利用水量減少；在開發(fā)過程會破壞原有水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，水體自凈能力衰退。基于以上問題，開發(fā)過程中需要合理地配置雨水資源。

2.2云龍示范區(qū)建設中雨水資源化利用

由于株洲市降雨量分布不均，雨水主要集中在2—8月，9月雨水開始驟降，為了合理分配水資源，要充分地儲存雨水資源。雨水利用技術主要有雨水集蓄技術和雨水滲透技術。

2.2.1雨水集蓄技術

雨水集蓄技術包括現(xiàn)有滯留區(qū)域保留作為天然集蓄池、屋頂集蓄技術和地面儲水技術。

1）將現(xiàn)有滯留區(qū)域保留作為天然集蓄池

云龍示范區(qū)現(xiàn)有的滯留區(qū)域（如圖2），如現(xiàn)有農田（如圖3）、云峰湖、砂石水庫、水塘都是很好的集蓄雨水區(qū)域。

圖2　云龍示范區(qū)天然的雨水滯留區(qū)域Fig.2　Retention area in Yunlong demonstration zone

這些滯留區(qū)域是天然的集蓄池，規(guī)劃設計雨水集蓄利用系統(tǒng)時應在盡量保留天然滯留區(qū)域的基礎上實行低強度開發(fā)。雨水的收集處理過程與污水處理類似，而且雨水水質比污水好，雨水中帶有的地面污染物和泥沙可以經(jīng)過篩網(wǎng)等設施進行處理［5-6］，雨水收集后可通過雨水窯、集水池等設施儲存，用于家庭、公共和工業(yè)等方面的非飲用水，如澆灌、沖廁、冷卻循環(huán)等。

圖3　云龍示范區(qū)現(xiàn)有農田Fig.3　Current farmland in Yunlong demonstration zone

2）屋頂雨水集蓄技術

圖4為屋頂雨水收集系統(tǒng)。

圖4　屋面雨水集蓄利用系統(tǒng)Fig.4　Recycling system of roof rainwater reservation and utilization

由圖4可以看出，屋頂集蓄系統(tǒng)主要結構包括集水區(qū)、輸水系統(tǒng)（溝槽、落水管、管道）、過濾系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)（水箱、水池）以及配水系統(tǒng)，部分配有滲透設施，并與儲水池溢流管相連［7］。

在云龍示范區(qū)建設過程中，可以在屋頂設置集蓄雨水設施，由于屋頂雨水水質較好，可收集作為澆灌草木、洗車洗衣、工業(yè)用水、景觀用水等非飲用水。

3）地面儲水技術

地面儲水技術（mulden-rigolen-system）稱為MR系統(tǒng)，又稱“水洼滲透渠組合系統(tǒng)”，是德國近10 a發(fā)展起來的雨水處理技術［8］，其在公園綠地中有相關的應用。圖5為水洼滲透組合系統(tǒng)示意圖。

圖5　水洼滲透組合系統(tǒng)Fig.5　Mulden-Rigolen-System

圖5中，水洼滲透組合分為上下兩層：上層為綠色植物如草皮、蘆葦?shù)葍缮参锱c土壤，厚度約為0.3 m，用來凈化雨水；下層為滲透渠，一般填充高滲透能力的礫石和巖石，用以儲存雨水。雨水通過礫石顆粒滲透到地下，可補充地下水。高于高水位的雨水通過測流排水渠排走。

在云龍示范區(qū)建設中，可將綠地分為幾個匯水區(qū)域，在匯水區(qū)域地勢低的地方建設蓄水池，在地勢高的地方設置排水渠，將雨水排往云龍湖、砂石水庫，或用于高爾夫球場的灌溉。水洼滲透渠組合系統(tǒng)既有利于雨水的資源化利用，又能與環(huán)境景觀相融合，還能補給地下水，有較好的環(huán)境生態(tài)效益。

2.2.2雨水滲透技術

雨水滲透技術是通過雨水滲透設施的過濾和滲透，將雨水滲透至地下并儲存于地下的一種技術。雨水滲透設施包括滲透雨水口、滲透雨水井、滲透雨水溝、滲透雨水洼池等。

1）滲透雨水口。滲透雨水口設置在公園綠地或地面低洼處，有集水、滲透、去污功能。滲透雨水口側壁和底部打孔，滲水孔呈梅花形布置，以防止?jié)B水口四周的壓力損壞滲水口。在不同位置設置的滲水口結構形式不同，這要考慮不同位置的土壤條件和壓力強度。在綠地中的滲透雨水口為普通滲透雨水口，壁厚為1.5 cm；設置在道路邊的雨水口為重型雨水口，雨水口中設置型鋼，壁厚2.0 cm。在雨水口內設置過濾框，框內設置過濾碎石和吸附性材料，框內覆土工布，可過濾雨水中的大部分顆粒物，保證滲透雨水口的滲透能力不受雨水中的雜物影響。

2）滲透雨水井。滲水淺井類似于普通的檢查井，但井壁做成透水的，不僅有檢查功能，還能滲透、集蓄更多的雨水。在井底和四周鋪設10～30 mm的碎石，雨水通過井壁、井底向四周滲透。當滲水量超過滲水能力時，雨水通過滲透雨水井的深水管道排到地下土壤中，滲水管道用透水有孔材料制作，管道周圍以砂石、防護材料作為滲透層。滲透雨水井設于道路邊要設置型鋼，防止周圍土壤對其擠壓而導致其變形。

3）滲透雨水溝。滲透雨水溝適用于道路和廣場等不透水地面周邊，將雨水集中排放于滲透雨水溝中，雨水通過滲透雨水溝滲透到地下或者匯流到江河湖塘等區(qū)域。滲透雨水溝溝面設置孔狀材料，底部鋪置碎石和其他吸附性材料，并鋪裹土工布。具體做法與滲透雨水口類似。滲透雨水溝設于地面，易于清掃，減少了挖深和土方量［9］。

4）滲透雨水地面。滲透雨水地面一般分為兩種：一種為天然透水地面，一般將綠地設計成具有高差的下凹式地面（見圖6），既有觀賞性，又有滲透雨水、集蓄雨水的作用，天然透水地面分為兩層，上層為綠植，下層為碎石等材料鋪設的透水層，可用于道路周邊的排水，也可作為景觀造水池塘；而另一種是人工透水地面，指用透水材料鋪設的硬質地面，如多空瀝青地面、碎石地面、草坪磚地面等（見圖7），草坪磚一般用陶瓷型透水磚、非陶瓷型透水磚鋪設，可用于綠化池、停車場、廣場、步行道等地面，在草坪磚中可種草皮，不僅能滲透雨水，還能吸收雨水中的有害物質，具有極好的生態(tài)效應。

5）不透水地面。在該地面上，適合于把雨水收集起來，并結合實際設置相應容積的地下儲水池以及相應的初期雨水棄流、過濾、沉淀池等裝置；或者無須設置處理裝置，直接用于噴灑路面、澆灌綠地、噴泉、洗車、消防等。

圖6　下凹式滲水地面Fig.6　Sunken seepage ground

圖7　草坪磚鋪設的停車場Fig.7　Lawn-brick-paved parking lot

2.2.3雨水綜合利用系統(tǒng)

云龍示范區(qū)有著良好的地理條件、自然條件與水文條件。開發(fā)過程中宜在維護現(xiàn)有水系統(tǒng)的基礎上，保證洪澇安全和水質質量，并將雨水資源利用滲透到整個云龍示范區(qū)水系統(tǒng)規(guī)劃設計中。圖8為雨水資源綜合利用系統(tǒng)。

圖8　云龍示范區(qū)雨水資源綜合利用系統(tǒng)Fig.8　Comprehensive rainwater utilization system in Yunlong demonstration zone

圖8中，雨水綜合利用系統(tǒng)包括雨水資源的收集、雨水資源的凈化、雨水資源的利用、雨水資源的管理4部分。雨水資源的收集系統(tǒng)有滲透雨水口、滲透雨水井、滲透雨水溝、滲透雨水洼池、屋頂集蓄系統(tǒng)。這些雨水收集技術的應用一方面可以將雨水滲透到地下，另一方面可以讓雨水通過滲透雨水口、滲透雨水溝流入雨水集蓄池。雨水的凈化系統(tǒng)包括生態(tài)凈化群落、人工污水凈化站，生態(tài)凈化群落主要是起地面生態(tài)草坪的過濾和吸附功能，人工污水凈化站是指通過生物化學技術將初步凈化的雨水進行進一步優(yōu)化處理，使水質達到可利用標準。用于澆灌的雨水、生態(tài)景觀用水的水質應達到地表水III水質標準（參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》）。景觀水域的總磷單項指標應達到0.02 mg/L，即總磷量不超過0.02 mg/L，防止藻類滋生。按照GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》，設定雨水凈化標準為地表III類水質，單項指標總磷達到 0.02 mg/L。凈化后的雨水可供給水景觀、工業(yè)、日常生活回用。

2.2.4污水、雨水資源化利用管理的相關法規(guī)條例

雨水資源化利用系統(tǒng)的維護和可持續(xù)發(fā)展不僅靠技術支撐，還要制定相關法規(guī)條例管理維護。制定相關條例制約開發(fā)區(qū)污染和開采地下水行為，可對生態(tài)破壞進行補償收費，對保護水資源的行為實施相關獎勵制度，對開發(fā)區(qū)的開發(fā)建設者進行雨水資源利用技術培訓，對云龍示范區(qū)居民宣傳雨水資源化知識等，以加強雨水利用管理。

3　云龍示范區(qū)雨水利用效益分析

3.1經(jīng)濟效益分析

云龍示范區(qū)占地884×104m2，其中建筑面積為115×104m2，綠地面積260×104m2，道路面積10× 104m2。2014年年降雨量為1 696 mm，1 a內可收集的雨水量可按式（1）計算。Q0=260×104×0.15×1× 1.696+115×104×0.9×0.8×1.696+10×104×0.9× 1×1.696=2 218 368，得到云龍示范區(qū)區(qū)域1 a可收集的雨水量Q為2 218 368 m3。根據(jù)株洲自來水價格2.2元/m3，可算出每年可節(jié)省近488萬元人民幣［10］。將雨水利用分為3類：生活用水Q1，綠化景觀用水Q2，道路灑水Q3。根據(jù)株洲用水市價，生活用水均價為2.2元/m3，市政用水（包括綠化景觀用水和道路灑水）用水均價為2.7元/m3，雨水利用費用為0.3元/m3， 可得出雨水利用與其他水源利用可節(jié)約費用為：生活用水1.9元/m3，綠化景觀用水2.4元/m3，道路灑水2.4元/m3。

雨水利用效益模型為

約束條件為

由于綠化景觀用水在降雨量大的月份無需求，所以設每年60%的時間用綠化用水，道路灑水同理。

從式（8）可以看出，云龍示范區(qū)雨水資源量完全能滿足云龍示范區(qū)生活用水回用、綠化景觀用水、道路灑水的需求，與現(xiàn)有水源相比，雨水資源作為水源可創(chuàng)造約699萬元人民幣的效益，節(jié)省財政支出。雨水資源化創(chuàng)造的經(jīng)濟效益也可以帶動云龍示范區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。雨水作為生活用水回用、景觀用水等水質要求低、用水需求量大的水源，可減少污水處理費用。在株洲市推廣使用雨水資源，將有利于推動株洲市經(jīng)濟發(fā)展。

3.2生態(tài)效益分析

雨水資源化利用符合云龍示范區(qū)兩型社會發(fā)展目標，將雨水從棄水變?yōu)榭衫觅Y源，節(jié)約了水資源，補給地下水，保護自然水循環(huán)，有利于水資源的可持續(xù)利用。市民使用雨水資源的同時也提高了水資源保護意識，有助于全民環(huán)保意識的提升［11］。

4　結語

雨水資源化利用將雨水變?yōu)榭衫觅Y源，在兩型社會建設背景下，具有很好的發(fā)展前景。從云龍示范區(qū)雨水資源可利用量及需求量分析結果中得出，雨水資源可補充傳統(tǒng)水源，成為經(jīng)濟、節(jié)約、生態(tài)的新資源。將當前雨水利用技術應用于云龍示范區(qū)水系統(tǒng)規(guī)劃，有利于推進雨水資源可持續(xù)利用。

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（責任編輯：申劍）

On the Strategy and Feasibility of Rainwater Resources Utilization in Zhuzhou：A Case Study of Yunlong Demonstration Zone

ZHANG Haiyan，XU Jingzhou
（School of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A detailed analysis of the rainwater utilization potential in Yunlong demonstration zone shows that the total quantity of its rainwater resources is capable of meeting the demand of domestic use， landscaping use， and road sprinkling use.The calculation result shows that， compared with traditional water sources， the usage of the rainwater resources in this area as a new water source generates a substantial economic benefits of 6.99 million yuan.Thus specific measures have been put forward concerning the construction of rainwater resources utilization system so as to make full use of the rainwater resource storage in Zhuzhou Yunlong demonstration zone with the aid of infiltration technology，improve its ecological benefits and economic benefits of rainwater resources， and provide a scientific basis for the construction of a resource-saving， environmentally-friendly rural community.

rainwater resources；Yunlong demonstration zone；utilization strategy；utilization efficiency

TV213.9

A

1673-9833（2016）04-0067-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.013

2016-06-13

長株潭兩型社會農村社區(qū)建設技術集成與示范基金資助項目（2013BAJ10B14）

張海燕（1992-），女，安徽安慶人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為兩型農村社區(qū)及人居環(huán)境，E-mail：1145185052@qq.com