成都市雨水徑流污染特征分析與利用研究

李 躍，梁 英，楊 毅，李成樂，邢文雅

(四川大學建筑與環境學院，成都 610000)

0 引 言

隨著我國城市化進程逐步推進，水資源短缺與環境污染問題日益凸顯。我國有400多座城市供水不足，嚴重缺水的城市有110座；同時，流經城市的河流普遍受到污染[1]。另一方面，2010年住建部對我國351個城市開展調查,發現在2008-2010年間有62%的城市發生了內澇。

由此可見，我國城市普遍存在缺水與內澇并存的問題，而雨水利用是解決這一矛盾的可行之路[2-5]。發達國家在雨水利用領域的研究及技術已較為成熟，形成了一套完整的理論體系，并開發出了系列的技術措施。美國國家污染物去除系統(National Pollutant Discharge Elimination Systems)，將暴雨徑流的水質控制納入立法；同時提出了低影響開發(Low-impact development)，強調從源頭控制降雨徑流[6]。加拿大推行了水源保護(source water protection (SWP))政策，要求雨洪控制設計不得改變下游地區的水質與水量平衡[7,8]。德國針對雨水利用制定了配套的法規和管理方法，形成了完善的技術體系和標準[9]。新加坡提出了“ABC”計劃(The Active Beautiful Clean Waters Program)，通過聯合傳統雨水設施與低影響開發設施，達到雨洪管理的目的[10]。日本推行了蓄排結合的雨水綜合管理理念，通過雨水儲存滲透計劃，加強雨水的儲蓄與下滲；同時日本還將雨水利用納入城市規劃中，制定了相關的雨水利用補助金制度[11,12]。

我國的雨水利用研究起步于20世紀末，在我國雨水利用初期，主要研究一些小型化非標準的雨水利用措施，技術還比較落后。隨著我國城市化的發展，各城市都開始重視雨水問題，如北京、上海等城市先后開展了雨水徑流污染控制、雨水資源化利用等示范工程。在2014年我國推出了《海綿城市建設技術指南》，提出了“海綿城市與低影響開發系統”，旨在轉變排水防澇思路，讓城市“彈性適應”環境變化與自然災害[13]，為我國的雨水利用邁出了實質性的一步?？偟膩碚f，我國雨水利用還是缺乏系統性，更為重要的是我國雨水利用還未正式納入城市規劃中。

降雨自身具有的隨機性及復雜性使得雨水利用依然是一個難點。如何使雨水得到高效的綜合利用，使城市的缺水、內澇和面源污染問題得到解決依然是一項挑戰。本文以位于成都市的四川大學江安校區為研究區域，通過實測區域內的徑流水質與水量平衡分析，探討城市雨水利用的可行性。

1 成都市水資源與用地狀況

成都地區多年平均降雨量為990 mm，并且降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]。根據《2015年成都市環境質量公報》所述，成都市地表水水質總體為輕度污染，主要污染指標為總磷、氨氮和石油類。

在2000-2010年間中國城市總體土地城市化率由12.54%上升到24.43%，提高近一倍，成都作為特大型城市，在2010年土地城市化率已經達到28.30%[15]，由此表明成都市區硬化地面積在十年間大幅增加。同時，我國城市化與生態環境在發展過程中存在交互耦合現象，成都所在的西部地區正處于低水平耦合到拮抗時期的轉型階段，若不加強環境保護治理，城市發展與環境的協調性將受到破壞，可誘發環境危機，威脅經濟發展與居民生存條件[16]。

2 成都市雨水利用潛力及意義

統計成都地區近12年(2004-2015年)水資源總量及人均水資源量得出，成都市12年來平均水資源總量為79.04 億m3，人均水資源占有量為706.74 m3，約為全國人均水平的1/3、世界人均水平的1/10，屬于重度缺水城市。同時由于成都地區年內降雨分配不均，降雨主要集中在夏季，這也加劇了成都市的缺水狀況。但是成都地區降雨豐富，多年平均降雨量達到990 mm，雨水可利用量大。若能有效地利用成都市的雨水，必將有效緩解成都市的缺水狀況。

此外，由于雨水對下墊面污染物的沖刷作用，雨水中的污染物含量較高。雨水一般都未經處理直接排入河道，便會加重城市地表水的污染，如果對初期雨水進行有效的截流及處理，那么將極大地改善成都地區的地表水污染狀況。

3 研究區域概況

3.1 研究區域土地參數

本文研究區域是位于成都市的四川大學江安校區，總面積2 km2，因為研究區域位于成都市內，所以可以作為成都市雨水利用研究的一個實驗區域。具體土地參數如表1所示。

表1 用地類型、面積及徑流系數Tab.1 Type, area and runoff coefficient of the land

3.2 研究區域的徑流水質

為了準確測量研究區域的徑流水質，選用了兩種用地類型的徑流，一種是屋面徑流，另一種是路面徑流。采樣地點均分別有兩處，一處位于教學區，另一處位于生活區。

各采樣點每間隔10 min收集一次，每種用地類型的徑流收集兩組，每組收集了6瓶水樣。水質分析項目有SS、pH值、總氮、總磷、BOD、COD。各項目取兩組平均值，如表2、3所示。

通過對降雨徑流過程水質的分析測定，發現主要污染物為COD和SS，總氮和總磷等污染物濃度則較低。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。圖1、2分別為初期徑流的COD濃度和SS濃度隨時間的變化曲線。從圖中可看出COD與SS的濃度在初期徑流中含量最高，隨降雨歷時的增加逐漸減小，總氮和總磷的變化規律也基本一致，這表明研究區域存在“降雨初期沖刷效應”[17,18]。故考慮可以將初期徑流截留處理后排放，而利用余下徑流作為再生水。

圖1 COD變化曲線Fig.1 Variation curve of COD

圖2 SS變化曲線Fig.2 Variation curve of SS

4 雨水利用方案

4.1 雨水利用技術

隨著城市的發展，大量的可透水和蓄水的自然地表被改造成為不透水的建筑、道路、廣場等，打破了原有的水文循環，影響了地表水和地下水資源的質和量[19]。因而雨水利用已成為城市未來發展的重點。雨水利用主要分為直接利用和間接利用。雨水的直接利用主要通過收集、儲留、凈化等達到雨水利用的目的；雨水的間接利用主要加強雨水的下滲，補充地下水，修復城市的自然水循環。

4.2 雨水利用系統的選擇

雨水利用系統一般由土壤入滲系統、收集回用系統、蓄存排放系統3種基本系統組成。綜合考慮研究區域的實際情況，將污染較輕的綠地上的徑流就地下滲，而截留污染較重的屋面、道路和廣場上的初期徑流后再收集利用余下徑流，故選用土壤入滲+收集回用的雨水利用系統。

4.3 雨水利用水量平衡分析

水量平衡分析的目的是根據水量盈虧平衡情況對雨水收集利用、滲透、排放等進行合理分配，從而確定各部分的設計規模。根據水量平衡分析，得出如下結果。

4.3.1 研究區域年降雨總量

年降雨總量計算公式為：

Qj=A×H×10-3

(1)

式中：Qj為年降雨總量，計算得198 萬m3；A為研究區域占地面積，為200 萬m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

4.3.2 研究區域收集雨水量

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(2)

式中：Qh為年均可收集雨水量，計算得456 392 m3；ψi為徑流系數，水域取1，屋面、道路和廣場取0.9；α為季節折減系數，成都為0.89[20]；β為初期棄流系數，人工湖為1，屋面、道路和廣場為0.67[21]；Ai為集水面積，其中人工湖面積120 000 m2，屋面面積170 000 m2，道路與廣場面積490 000 m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

4.3.3 用水量分析：

(1)雜用水。根據定額，綠化用水取2.0 L/(m2·次)，澆灑道路用水取1.0 L/(m2·次)。其中道路面積400 000 m2，需澆灑的綠化用地面積416 000 m2。

表4 用水量計算Tab.4 Water consumption calculation

(2)景觀用水。研究區域內的景觀用水按300 m3/d計算，則年景觀用水量為109 500 m3。

4.3.4 水量平衡分析

由表5可以看出，研究區域雜用水及景觀用水總量小于總收集雨水量，收集雨水量滿足需求。

表5 水量平衡分析 m3

4.4 “夏雨冬用”的雨水利用方案

4.4.1 雨水利用方案設計

前文已述成都市降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]?？梢姵啥际薪涤暝谀陜确植疾痪?，在夏天時屬于豐雨期，冬季屬于枯雨期。這樣集中的降雨模式對雨水利用特別不利，會造成豐雨期雨水收集過多而浪費，在枯雨期雨水收集不足而讓雨水回用設施閑置。因此可以將海綿城市“蓄、用”的觀念從一場降雨的蓄積再利用，進一步宏觀化到年內的蓄積再利用；利用現有的集水容積將豐雨期多余的雨水儲蓄起來，等到枯雨期再利用儲蓄的雨水，形成“夏雨冬用”的雨水利用方案。

在討論轉基因產品標識制度時，各個學者提到不同的關于轉基因的概念，有農業轉基因生物、轉基因農產品、轉基因食品等多種概念，我們首先來明確一下轉基因產品中涉及的幾個重要概念。

4.4.2 雨水利用方案的實施

為了實現年內的雨水蓄積再利用，將研究區域內的人工湖作為蓄水設施。人工湖的設計水深為1～3 m，將豐雨期的湖水水深保持為3 m，定期引流江安河河水進行換水，以保證湖水的水質；到枯雨期時再收集利用這部分湖水，直至1 m的水深。

將降雨豐沛的6-9月作為人工湖的蓄水期，4月、5月、10月和11月作為水量供需平衡期，降雨量少的1月、2月、3月和12月作為人工湖的取水期。通過計算可知人工湖可蓄水240 000 m3，在取水期的4個月需取水量為總需水量的1/3，為111 652 m3，因此人工湖的蓄水量完全可以滿足取水期的用水需求(見圖3)。通過這種“夏雨冬用”的雨水管理模式，即解決了枯雨期的水源不足的困境，也蓄留了豐雨期的地表徑流，降低了內澇風險。

圖3 蓄水量與需水量對比Fig.3 Comparison between water storage volume and water withdrawal

5 雨水利用效益分析

依據上文的數據可以計算得出年均截留初期徑流量、年均雨水利用量和年均污染物減排量。最后結果如表6所示。

表6 雨水利用效益Tab.6 Rainwater utilization benefit

截留的初期徑流來自污染較重的屋面、道路和廣場，利用上文中的公式：

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(3)

將其中的初期棄流系數β改為(1-β)，其他參數與上文相同，計算得年均截留初期徑流量為172 713 m3。

年均雨水利用量與上文中4.3.2節計算的研究區域收集雨水量相同，為456 392 m3。

減排的污染物來自截留的初期徑流中的污染物，計算公式為：

Li=0.001×EMC×Qhi

(4)

式中:Li為年均污染物減排量，t；0.001為單位轉換系數；EMC為前30 min初期徑流中某污染物的平均濃度，屋面徑流COD為559.3 mg/L，SS為936.1 mg/L，道路及廣場徑流COD為647.8 mg/L，SS為1 048.9 mg/L；Qhi為各類土地的徑流初期截留量，屋面為44 487 m3，道路與廣場為128 226 m3。

6 成都市雨水利用總體分析

根據上文對研究區域雨水徑流的計算與分析，可知成都市的雨水徑流在水量上存在滿足雜用水和景觀用水需求的潛力，水質上可以通過截留和處理初期徑流達到減少年污染負荷的目的。以下將從總體上分析成都中心城區的雨水利用。

成都中心城區面積約為630 km2，依據《成都市城市總體規劃2011-2020》，以2020年作為時間節點，建筑、道路和廣場等不透水建設用地率為69%，即435 km2?？紤]只收集不透水用地上的徑流，按照年均可收集雨量公式：

Qh=ψ×α×β×A×H×10-3

(5)

式中：Qh為年均可收集雨水量，計算得2.31 億m3；ψi為徑流系數，取0.9；α為季節折減系數，成都為0.89[20]；β為初期棄流系數，取0.67[21]；A為集水面積，4.35 億m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

依據4.4節中的“夏雨冬用”的雨水管理模式，計算得知成都市如要達到使用降雨徑流來滿足雜用水與景觀用水的目標，需要的雨水儲水量為0.77 億m3。而成都市規劃的環城生態湖泊和濕地蓄水總庫容約為0.427 億m3[22]，占總需儲水量的55.45%。因此，成都中心城區目前還不具備使用降雨徑流來完全滿足雜用水與景觀用水的儲水庫容條件。

7 結 論

雨水利用要以“雨水是資源，先利用后排放，利用與城市蓄洪減澇相結合，利用與控制徑流污染相結合，利用與改善生態環境相結合”為指導思想。將位處成都市的四川大學江安校區作為研究區域，使用“夏雨冬用”的雨水利用方案，利用現有蓄水設施蓄積豐雨期的雨水，然后在枯雨期使用蓄積的雨水，這樣不僅節省了水資源，更有利于改善生態環境，與城市蓄洪減澇相結合?？偨Y本文，有以下5點結論：

(1)成都市存在“降雨初期沖刷效應”，因此在利用雨水徑流之前，應該截留初期徑流并進行凈化處理。

(2)通過收集、處理研究區域內人工湖、屋面、路面與廣場上的雨水徑流就可以滿足研究區域內的雜用水以及景觀用水的需求。

(3)通過收集、處理研究區域內屋面、路面與廣場的雨水徑流，可以減少年污染負荷，減輕區域內的地表水污染狀況。

(4)通過蓄水設施在年內合理調配雨水資源，使雨水資源得到優化利用的同時也能降低城市內澇發生的風險。

(5)成都市中心城區目前尚不具有足夠的儲水庫容，以達到完全使用雨水徑流來滿足雜用水與景觀用水的目標。

此外，進一步的研究應該著眼于適用于雨水徑流的處理技術，以及雨水徑流利用的經濟效益分析。

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