基于海綿城市的雨水利用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

羅芮婕，齊學(xué)軍，張彥南, 張俸旗

(1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610039;2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

基于海綿城市的雨水利用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

羅芮婕1，齊學(xué)軍1*，張彥南2, 張俸旗1

(1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610039;2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

綜述了世界上一些主要國(guó)家和地區(qū)在雨水回收利用技術(shù)方面的現(xiàn)狀。主要總結(jié)和介紹了屋頂雨水處理技術(shù)、滲透型雨水處理技術(shù)、雨水含水層儲(chǔ)存及回收技術(shù)、雨水綜合利用技術(shù)和地下綜合管廊技術(shù)。中國(guó)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵是對(duì)城市已有的草地、樹(shù)林、濕地、湖泊等進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)，而不是大搞城市水利工程建設(shè)。

海綿城市;雨水利用;水資源

隨著城市的快速發(fā)展，地面硬化面積不斷擴(kuò)大，填湖造城，部分城區(qū)存在排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低等問(wèn)題，導(dǎo)致城市內(nèi)澇現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，夏季雨水快速排放成為許多城市急需解決的問(wèn)題。同時(shí)，城市人口不斷增加引起城市的用水量增加，缺水是不少北方城市面臨的問(wèn)題。造成城市內(nèi)澇的雨水可以通過(guò)城市地下管廊被回收利用，這樣既提高了城市排水防澇、防洪減災(zāi)能力，又將雨水收集處理供人們使用。雨水回收利用是改善城市用水條件的途徑之一，它具有投資少的優(yōu)勢(shì)，可降低政府對(duì)大型污水處理廠、污水管線的資金投入。基于海綿城市建設(shè)的城市雨水回收利用技術(shù)一舉解決城市用水和排澇兩個(gè)問(wèn)題，因此受到越來(lái)越多城市的重視。海綿城市的主要作用是保護(hù)區(qū)域水循環(huán)、雨水處理和管理，它遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，將雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環(huán)使用和排水密切結(jié)合，統(tǒng)籌考慮內(nèi)澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態(tài)修復(fù)等多個(gè)目的[1]。近兩年海綿城市建設(shè)被政府部門提上日程，受到各地主管部門的重視。但是，在海綿城市建設(shè)過(guò)程中不斷出現(xiàn)新的技術(shù)和建設(shè)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)方面還比較欠缺。了解和掌握國(guó)內(nèi)外海綿城市建設(shè)的最新技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)對(duì)于中國(guó)海綿城市的建設(shè)具有非常重要的借鑒意義。

1 海綿城市建設(shè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

新加坡國(guó)土面積小，人口密度大，因少有大型河流湖泊，淡水資源緊缺。但新加坡平均年降水量高達(dá)2 400 mm,新加坡政府十分重視雨水回收利用[2]。早在2006年就啟動(dòng)了ABC水源計(jì)劃，此計(jì)劃包含了水優(yōu)城市設(shè)計(jì)、濕地技術(shù)、雨水管理、修建蓄水池等理念。濱海灣花園則是ABC水源計(jì)劃的成果之一，花園內(nèi)有18座樹(shù)形結(jié)構(gòu)的塔狀垂直花園，其巨型樹(shù)冠能起到收集雨水和遮陰的作用，部分樹(shù)冠連接植物冷室系統(tǒng)，發(fā)揮通風(fēng)和水循環(huán)降溫的功能。大型蓄水池作為解決城市內(nèi)澇及雨水疏導(dǎo)問(wèn)題的關(guān)鍵所在備受重視。濱海蓄水池是新加坡最大的蓄水池由長(zhǎng)350 m的濱海堤壩與海水相隔而成。蓄水池內(nèi)雨水達(dá)到較高水位時(shí)，過(guò)量的雨水會(huì)被排入海洋。海濱堤壩設(shè)有9個(gè)冠形閘門，當(dāng)海水處于低潮狀態(tài)時(shí)，閘門下降，過(guò)量的雨水排入海洋。當(dāng)海水處于漲潮狀態(tài)時(shí)，過(guò)量的雨水通過(guò)巨型排水泵排入海洋。據(jù)介紹，當(dāng)濱海堤壩的7個(gè)巨型排水泵同時(shí)啟動(dòng)，整個(gè)排水過(guò)程只需要9 s。濱海蓄水池有效地解決了新加坡多個(gè)低洼地區(qū)的城市內(nèi)澇問(wèn)題。

德國(guó)處于大西洋東部大陸性氣候之間的涼爽季風(fēng)帶，雨水充沛，降雨分布在一年四季，年降雨量在500～800 mm之間，且地理上分布均勻。從技術(shù)方面而言，德國(guó)擁有雨水徑流收集技術(shù)、雨水徑流傳輸與貯存技術(shù)、雨水徑流過(guò)濾控制與處理技術(shù)都自成一套技術(shù)體系[2]。其中典型的是多級(jí)雨水利用系統(tǒng)，屋面雨水收集系統(tǒng)先將雨水進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，可以作為衛(wèi)生間沖洗用水、灑水車用水和植物澆灌等非飲用水。其次是雨水截污和滲透系統(tǒng)，大雨天雨水通過(guò)管道排泄至蓄水池。最后是生態(tài)小區(qū)的雨水利用系統(tǒng)，小區(qū)沿排水管路修建種植有草皮的可滲透淺溝，供雨水快速下滲。同時(shí)，地面上的快速滲透地磚可以有效減少地面徑流量，讓雨水快速深入地下。隨著降雨量的不斷增大，超過(guò)滲透能力的雨水就直接流入濕地儲(chǔ)存起來(lái)。德國(guó)城市地下管網(wǎng)的建設(shè)也是相當(dāng)發(fā)達(dá)，有混合管道系統(tǒng)和分離管道系統(tǒng)之分。城市中心一般采用混合管道系統(tǒng)，使得污水、雨水同時(shí)被處理；郊區(qū)一般采用分離管道系統(tǒng)，污水、雨水分開(kāi)處理以提高效率。德國(guó)利用其成熟的雨水收集和處理技術(shù)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也為一些商業(yè)廣場(chǎng)，市政建筑以及居民社區(qū)解決了一些日常生活中的用水問(wèn)題，既環(huán)保，又低成本。實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，將處理雨洪的思路從單純的排放轉(zhuǎn)化為利用是“海綿城市”的另一大理念。

歐洲的荷蘭13世紀(jì)以來(lái)共圍墾約7 100多 km2的土地，相當(dāng)于荷蘭陸地面積的五分之一，現(xiàn)在約有18%的荷蘭國(guó)土是人工填海造出來(lái)的，國(guó)土中約有四分之一低于海平面。鹿特丹是荷蘭重要的港口城市，它面臨海水、河水、雨水與地下水四種水的威脅。由于既有的溝渠和河道無(wú)法有效快速排泄突然增加的地表雨水，鹿特丹市創(chuàng)造了水廣場(chǎng)的方式進(jìn)行城市排澇。水廣場(chǎng)主要由數(shù)個(gè)形狀、大小和高度各不相同的水池構(gòu)成，水池間通過(guò)水渠相連。平時(shí)作為居民的娛樂(lè)休閑廣場(chǎng)；暴雨季節(jié)城市雨水都往低處流，最后都匯入水廣場(chǎng)，就變?yōu)橐粋€(gè)大型的蓄水系統(tǒng)。這樣，所有的道路上就不會(huì)有積水出現(xiàn)，巧妙解決了城市內(nèi)澇的難題。

2 雨水回收利用技術(shù)

2.1 屋頂雨水處理技術(shù)

屋頂雨水收集利用系統(tǒng)主要用于家庭、公共場(chǎng)所和企事業(yè)單位的非飲用水，如草地澆灌、道路清洗、洗車等[3]。這里主要有屋頂雨水徑流自然沉淀和混凝沉淀兩種沉淀方式，自然沉淀簡(jiǎn)單有效，但需要足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間；混凝沉淀處理更高效干凈，但成本高[4]。一般，屋面雨水采用投加混凝劑后直接過(guò)濾、消毒的方式。雨水首先通過(guò)系統(tǒng)中的濾網(wǎng)進(jìn)入初期棄流裝置，不達(dá)標(biāo)的雨水排入棄流管道，達(dá)標(biāo)的雨水輸送到蓄水池，同時(shí)多余的雨水經(jīng)溢流管道流出，對(duì)蓄水池中的雨水混凝加藥，排入濾池后消毒加藥，經(jīng)處理后的雨水輸送至供水調(diào)節(jié)池，最終被利用。

2.2 滲透型雨水處理技術(shù)

“海綿城市”建設(shè)的核心是建設(shè)水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，由于水是流動(dòng)且循環(huán)的，所以建設(shè)海綿城市就要解決自然積存、自然滲透、自然凈化的水問(wèn)題。滲透型雨水處理技術(shù)有水質(zhì)凈化、補(bǔ)充地下水等作用，是建設(shè)海綿城市必不可少的技術(shù)。雨水滲透設(shè)施有滲透管溝、滲透地面等，滲透設(shè)施的構(gòu)造、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工管理應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、地下水位等具體條件試驗(yàn)確定，還應(yīng)考慮大氣、地面污染對(duì)雨水水質(zhì)的影響[5]。

滲水地面主要分為人工滲水地面和天然滲水地面兩種，而天然深水地面又以綠地為主。綠地不僅滲透能力強(qiáng)，而且植物根系能對(duì)雨水徑流中的懸浮物、雜質(zhì)等起到一定的凈化作用[6]。在城市綠化時(shí)建立下凹式綠地，地面略高于綠地，在綠地內(nèi)設(shè)雨水滯留設(shè)施[7]。雨水進(jìn)入凹式綠地后流入淺草溝，淺草溝由兩層組成，上層是種植有草類植物的淺水洼，下層是鋪有礫石的滲透渠，雨水被儲(chǔ)存以后可以釋放以補(bǔ)充地下水，多余的還可以排入市政管網(wǎng)。

滲水管的占地面積小，適用于舊排水管網(wǎng)改造利用和水質(zhì)較好的地區(qū)，建設(shè)海綿城市是個(gè)大工程，使用滲水管不僅盡可能地減少占地面積，還可以減小經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。管材周圍一般填充粒徑20～30mm的礫石，雨水通過(guò)埋于地下的滲水管向四周土壤層滲透。起到減小城市排水管網(wǎng)負(fù)擔(dān)和涵養(yǎng)地下水的作用。但當(dāng)滲水管被堵塞時(shí)，滲透能力會(huì)下降且很難清洗恢復(fù)。

2.3 雨水含水層儲(chǔ)存及回收技術(shù)

雨水含水層儲(chǔ)存及回收技術(shù)的水源主要是城市暴雨徑流及經(jīng)處理的廢水，雨水含水層儲(chǔ)存及回收技術(shù)有直接回灌和入滲回灌兩種方式。直接回灌即把雨水直接打到含水層而不通過(guò)土壤，這種方法補(bǔ)給地下水的能力高，但污染地下水的可能較大。入滲回灌是雨水先通過(guò)下層土壤再到達(dá)含水層，污染地下水的可能較小[8]。基于海綿城市的建設(shè)，先通過(guò)濕地截流處理后的雨水，經(jīng)此技術(shù)收集至含水層，可以改善因雨水含水層儲(chǔ)存及回收技術(shù)在入滲過(guò)程中改善雨水水質(zhì)能力低的缺點(diǎn)帶來(lái)的問(wèn)題。這個(gè)技術(shù)更適用于地下水開(kāi)采過(guò)度的地區(qū)。

2.4 雨水綜合利用技術(shù)

由于地面雨水、屋面雨水、市政雨水的水質(zhì)各不相同，初期的收集工作需要分開(kāi)進(jìn)行。地面雨水受污染嚴(yán)重，先通過(guò)綠地滲透改善水質(zhì)再進(jìn)入蓄水池。屋面雨水的水質(zhì)較好，通過(guò)簡(jiǎn)單的截污處理后進(jìn)入蓄水池[9]。市政雨水直接進(jìn)入市政管網(wǎng)的檢查井，經(jīng)城市排水管網(wǎng)排至污水廠。蓄水池中的雨水資源統(tǒng)一進(jìn)行混凝、過(guò)濾、消毒的處理后達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，供市民使用。雨水綜合利用技術(shù)能極大提高城市回用雨水的質(zhì)量，雨水綜合利用工藝流程如圖1所示。

圖1 雨水綜合利用工藝流程

2.5 地下管廊雨水收集利用技術(shù)

傳統(tǒng)的市政管線多采用直接埋設(shè)或架空的方式，但直埋市政管線會(huì)有城市道路反復(fù)開(kāi)挖、交通阻滯等帶來(lái)的較大經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)居民生活產(chǎn)生的不便，而綜合管廊充分利用地下空間，不僅將各管線集合，還美化了城市空間環(huán)境。綜合管廊使用壽命至少為50年，并且具有可維護(hù)性和抗震防災(zāi)性[10]。建設(shè)海綿城市與綜合管廊相結(jié)合，可以打造出現(xiàn)代化的綠色城市，有效解決城市內(nèi)澇的問(wèn)題并防止“看海”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

雨水管與綜合管廊有機(jī)結(jié)合，沿雨水管線設(shè)多個(gè)收集站，地面雨水先匯入收集站，由水泵打入雨水管，輸送至雨污處理廠，若有多余的雨水，則繼續(xù)沿雨水管線流入大型河流湖泊中，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)的雨水再通過(guò)綜合管廊內(nèi)回用水管道輸送到城市各處，用作景觀、綠化、噴灑道路及沖廁用水。由于雨水管在地勢(shì)較平坦的地段易出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，在綜合管廊加設(shè)雨水管線時(shí)應(yīng)沿途設(shè)置加壓泵房或盡量避開(kāi)這類地段以減少淤堵現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

3 結(jié)論

我國(guó)是人口大國(guó)，城市雨水回收利用有很好的前景，若是使雨水回收利用變得普及，可以有效解決城市內(nèi)澇和缺水兩大難題，這樣可節(jié)約相當(dāng)大部分的能源，取得可觀的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。需要特別注意的是，建設(shè)“海綿城市”不等于大搞水利基建工程。對(duì)城市現(xiàn)有的草地、樹(shù)林、濕地、湖泊等進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)，充分調(diào)動(dòng)大自然的雨水消化和儲(chǔ)存是海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵。我國(guó)在城市化建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了道路地面硬化過(guò)度、城市樹(shù)木砍伐和湖泊濕地破壞的問(wèn)題，這些嚴(yán)重破壞了土壤、樹(shù)木和湖泊的滲水和蓄水功能。總之，建設(shè)海綿城市要充分發(fā)揮自然與城市的綠色和諧統(tǒng)一。

[1] 仇保興.海綿城市(LID)的內(nèi)涵、途徑與展望[J].建設(shè)科技, 2015(2):11-18.

[2] 李俊奇,車武.德國(guó)城市雨水利用技術(shù)考察分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2002(1):47-49.

[3] 胡倩.城市雨水利用系統(tǒng)研究[D].北京林業(yè)大學(xué),2008:10-11.

[4] 胡曉亮,王啟山,王效琴,等.城市雨水利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境影響分析[J].海河水利,2007(4):37-40.

[5] 程群.城市區(qū)域雨水和中水的聯(lián)合利用研究[D].浙江:浙江大學(xué),2007:14-36.

[6] 呂玲,吳普特,趙西寧,等.城市雨水利用研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(1):118-123.

[7] 李梅,李佩成,于曉晶.城市雨水收集模式和處理技術(shù)[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(6):517-520.

[8] 金龍,王志標(biāo).我國(guó)城市雨水利用適用技術(shù)[J].市政技術(shù),2007,25(1):51-53.

[9] 王鵬.建筑與社區(qū)雨水收集利用系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011:6-9.

[10] 施衛(wèi)紅.城市地下綜合管廊發(fā)展及應(yīng)用探討[J].中外建筑,2015(12):103-106.

Existing Circumstances and Development of Rainwater Utilization Technology based on Sponge City

LUORuijie1,QIXuejun1*,ZHANGYangnan2,ZHANGFengqi1

(1. School of Architectural and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The existing circumstances of utilization technology for rainwater recycling in major countries and regions in the world are summarized. In this paper, the roof rainwater treatment technology, infiltration treatment technology for rainwater, rainwater aquifer storage and recovery technology, rainwater utilization technology and underground pipeline are introduced. The key point to sponge city in China is the protection and restoration of existing grassland, forests, wetlands, lakes, and to prohibit large scale water conservancy project construction.

sponge city;rainwater utilization; water resource

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.006

2016-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金“氣候變化下長(zhǎng)江江源區(qū)水文環(huán)境和徑流時(shí)空演變與預(yù)測(cè)研究”(41271045)；西華杯“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)登峰計(jì)劃項(xiàng)目”(201506)；西華大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目“Fe對(duì)低階煤氣化催化作用機(jī)理的研究”(Z1510612)

羅芮婕(1996— )，女(漢族)，四川成都人，在讀本科生，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。 齊學(xué)軍(1983— )，男(滿族)，河南南陽(yáng)人，講師，博士，研究方向：建筑節(jié)能技術(shù)，通信作者郵箱：xuejunqi@foxmail.com。

TU991

A

2095-5383(2016)04-0019-03