西安市城區(qū)雨水資源化利用研究

高 寧，張紫紅，楊永紅，王烘艷，盧 輝

（西安交通工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，許多城市面臨著水資源短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重、地下水過量開采等諸多水資源問題。“城市看海”和城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻繁發(fā)生，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。我國雖然雨水資源豐富，但大部分城市并未重視雨水的資源化利用，城市規(guī)劃設(shè)計中未涉及雨水貯存利用設(shè)施，降落的雨水資源白白流失，迫切需要在城市建設(shè)中構(gòu)建完善的雨水資源利用系統(tǒng)，緩解城市供需用水矛盾。

1 西安城區(qū)雨水資源化利用的迫切性

西安市位于黃河流域中部關(guān)中盆地，是我國14個水資源較為缺乏的城市之一。西安市年平均降雨量為613.7 mm，降雨時間主要集中在5～10月，降雨量占全年的78%，降雨在時空上分布不均勻。隨著城市化的發(fā)展和人們生活水平的提高，居民用水和工業(yè)用水也在逐年增加，水資源缺乏的問題日益突出。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果，西安市主要河流的水質(zhì)只有兩條合格，其中渭河、皂河、澇河、灃河、浐河因受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市污廢水的影響，污染嚴(yán)重，均屬于V類水質(zhì)，難以被再次利用。近年來，西安市地下水資源開采過量，超采區(qū)面積達(dá)到601.3 km2，年平均超采量達(dá)到2 286.7萬m3，西安市中心深層承壓水水位大幅下降，近30年每年平均下降3～4 m，形成區(qū)域性漏斗。地下水的超量開采還導(dǎo)致了地面沉降、地面及建筑物裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題。文獻(xiàn)采用多元線性逐步回歸模型對2019～2022年西安市全年的用水總量進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，到2022年西安市的全年用水總量將達(dá)到128800萬m3，水資源供需矛盾更加突出。

2 西安市雨水資源化利用途徑

2.1 加強(qiáng)雨水資源化利用制度的建立

國家政策的引導(dǎo)有利于雨水資源利用技術(shù)及設(shè)施的應(yīng)用與推廣，國家、地方、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定可以進(jìn)一步完善雨水資源收集利用系統(tǒng)的功能，提升雨水資源化利用的效率。日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過發(fā)展已相繼形成各自的雨水控制利用標(biāo)準(zhǔn)體系，美國賓夕法尼亞州、佛羅里達(dá)州和科羅拉多州分別制定了《雨水利用條例》，并做出強(qiáng)制規(guī)定：所有新開發(fā)區(qū)必須就地滯洪蓄水，開發(fā)后雨洪流量不得超過開發(fā)前的水平。德國于1989年頒布了《雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)志著德國雨水利用技術(shù)的成熟，1992年開發(fā)了“第二代”雨水利用技術(shù)，在21世紀(jì)初形成了“第三代”雨水利用技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1992年日本頒布了“第二代城市下水總體規(guī)劃”，對于新建和改建的大型公共建筑群要求其必須設(shè)置雨水就近下滲設(shè)施。

我國目前缺乏關(guān)于雨水收集回用的技術(shù)導(dǎo)則，僅有《北京市水資源管理條例（1991）》和《關(guān)于加強(qiáng)建設(shè)工程用地內(nèi)雨水資源利用的暫行規(guī)定（2003）》兩部地方性的水資源利用條例，其內(nèi)容比較簡單，無法有效指導(dǎo)實際工作。因此，為有效開展城市雨水資源化利用工作，西安市需要充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范制定的先進(jìn)經(jīng)驗，結(jié)合地區(qū)自然條件、水文環(huán)境、土壤特征及降雨類型編制相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、法律法規(guī)等指導(dǎo)性文件，做好頂層設(shè)計，為雨水資源化利用的推廣與實施奠定基礎(chǔ)。

2.2 加強(qiáng)雨水資源化利用的宣傳

我國在秦漢時期就有關(guān)于修建池塘對雨水進(jìn)行集蓄利用的相關(guān)記錄，西北地區(qū)修筑水窖用于雨水貯存也有幾百年的歷史，但在城市中對雨水進(jìn)行資源化利用起步較晚，直到21世紀(jì)初，各主要城市才開始重視雨水資源化利用。在西安市水資源日益緊張，城市內(nèi)澇頻發(fā)，地下水位嚴(yán)重下降的背景下，加強(qiáng)城市雨水資源化利用對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要性的宣傳，將其放在戰(zhàn)略的高度來重視，改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的“雨水排放在前，利用在后”的用水觀念，把雨水作為城市新水源加以集蓄利用具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 有效利用雨水資源化技術(shù)

“海綿城市”的技術(shù)核心為“滲、滯、蓄、凈、用、排”。建設(shè)海綿城市為雨水的資源化利用提供了一種新思路，2016年西安市政府出臺了《西安市海綿城市建設(shè)實施方案》，方案確定西安市海綿城市建設(shè)的近期、中期和遠(yuǎn)期目標(biāo)，在“十三五”期間，西安市20%以上的建成區(qū)實現(xiàn)對70%的降雨就地消納和利用，到2030年城市建成區(qū)的80%以上面積要達(dá)到對降雨的就地消納利用。結(jié)合西安市海綿城市建設(shè)的相關(guān)要求，因地制宜，有效利用雨水資源化技術(shù)改善西安市供需用水矛盾。

2.3.1 道路雨水利用

城市道路主要包括機(jī)動車道和非機(jī)動車道兩種，目前，西安市機(jī)動車道多采用混凝土或瀝青等不透水路面，雨水降落至路面很快以徑流的形式先排至市政管網(wǎng)，再排至附近的自然水體。一方面，短時間內(nèi)雨水徑流量大大增加，當(dāng)超過市政雨水管網(wǎng)排放能力時，造成城市區(qū)域內(nèi)澇，另一方面，降雨初期雨水中包含大量的懸浮固體、重金屬、COD等污染物，不進(jìn)行處理直接排放，會引起自然水體的污染。另外，不加利用直接排放會造成雨水資源的白白浪費。從滿足城市雨洪控制和雨水資源利用出發(fā)，可將雨水通過雨水口引入設(shè)置在機(jī)動車道之間及機(jī)動車道和非機(jī)動車道之間的下凹式綠地，如圖1所示。綠地可對雨水就地消納、下滲，同時可在綠地中鋪設(shè)碎石，分路段在綠化帶下修建蓄水池進(jìn)行雨水收集。

圖1 下凹式綠地

非機(jī)動車道可采用含有很大比例連通孔隙的混凝土制品進(jìn)行透水鋪裝。為滿足雨水資源化利用要求，透水路面的強(qiáng)度應(yīng)大于30MP，保證降雨在1 mm/s的情況下隨降隨滲，地面不會產(chǎn)生積水，過濾層采用粗沙，主要對雨水進(jìn)行初步凈化。粗砂下面鋪設(shè)碎石層，可對雨水進(jìn)行短時貯存，防止雨水在土壤中下滲不及時產(chǎn)生積水現(xiàn)象。當(dāng)降雨較大時，透水路面中碎石層產(chǎn)生雨水積蓄不能迅速下滲土壤，可在其中設(shè)置排水管道，將排水管道末端與蓄水池或雨水管相連，盡快排除碎石層中積水，確保路面不積水。通過透水鋪裝可有效減少雨水徑流，補(bǔ)充地下水，同時通過墊層收集系統(tǒng)下滲雨水，減輕城市雨水排水系統(tǒng)的壓力。

2.3.2 雨水花園

雨水花園由土壤、砂石、植物等自然要素和相關(guān)景觀建造技術(shù)構(gòu)建，能夠用于暴雨管理，是一種具有良好景觀效果的生物滯留系統(tǒng)，在減輕城市化進(jìn)程對水文和水質(zhì)的負(fù)面影響上具有積極意義。在海綿城市中，雨水花園常用于收集屋面與道路的雨水，雨水在其中經(jīng)過植物根系的攔截作用，沙土的過濾作用而被凈化，隨后可充當(dāng)中水用于洗車、沖廁或灑掃道路，或直接補(bǔ)充地下水。道路中的雨水流入雨水花園后，能夠被花園中的自然景觀吸收、減速、滯留、凈化并下滲，從而水量被削弱。其設(shè)計形式根據(jù)規(guī)模大小有種植池、雨水種植溝、路牙擴(kuò)展池和雨水滲透園等。文獻(xiàn)對西安市雨水花園的蓄滲能力進(jìn)行實際觀測并通過理論分析，發(fā)現(xiàn)雨水花園結(jié)合城市景觀設(shè)計建造可顯著增加雨水的下滲，削減雨洪徑流量，補(bǔ)充地下水資源，有效緩解城市雨洪造成的排泄壓力，同時可凈化雨水水質(zhì)，改善城市生態(tài)環(huán)境。雨水花園可有效去除懸浮物、化學(xué)需氧量、氮和磷。

2.3.3 屋面雨水的利用

降落到屋面的雨水可通過集蓄系統(tǒng)和綠色屋頂兩種方式加以利用。城市中每幢建筑屋面都可對雨水進(jìn)行收集利用，根據(jù)《西安市城市總體規(guī)劃》（2004～2020）西安市主城區(qū)居住建設(shè)屋面可達(dá)到189萬m2，按照60%的屋面可以收集雨水，結(jié)合西安市的年平均降雨量，由此可見西安城區(qū)建筑屋面可收集利用的雨水量相當(dāng)可觀。屋面雨水集蓄系統(tǒng)，是將降落到屋面的雨水匯集，經(jīng)過雨落管流入沙礫層，進(jìn)行簡單過濾后，沿輸水管進(jìn)入地下蓄水池。在蓄水池中可添加混凝劑，去除水中的懸浮固體、膠體等物質(zhì)，蓄水池一方面可起到蓄水作用，另一方面具有沉淀的作用。再通過壓力泵提升到壓力濾池中，經(jīng)簡單過濾后添加消毒劑進(jìn)行消毒。最后利用中水管網(wǎng)將處理過的雨水沖洗衛(wèi)生器具、洗車、消防、綠化，灑掃路面，補(bǔ)充景觀用水。

在屋頂種植綠色植物不僅能削減雨水徑流量、改善生態(tài)環(huán)境、拓展城市綠色空間，凈化水質(zhì)，同時弱化熱島效應(yīng)、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、提高屋頂?shù)母魺嵝Ч€可作為雨水集蓄利用和滲透的預(yù)處理技術(shù)。西安市位于暖溫帶半濕潤的季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量適中，但降雨季節(jié)性變化較大，一般集中在5-10月，占全年降雨量的78%。根據(jù)西安市的降雨特點，綠色屋頂應(yīng)當(dāng)綜合考慮雨季和旱季的雨水資源利用。旱季時短時降雨可通過草坪型綠化屋面進(jìn)行截留下滲，暴雨時可同時結(jié)合雨水集蓄系統(tǒng)收集回用。

3 結(jié)論

文章通過對西安市水資源利用現(xiàn)狀及雨水利用的必要性進(jìn)行分析，認(rèn)為雨水是解決城市供需用水矛盾、水污染嚴(yán)重的有效措施之一。從雨水利用相關(guān)制度建立及完善、宣傳力度、利用技術(shù)三個方面對雨水資源化進(jìn)行了分析。

從目前城市發(fā)展面臨的水資源短缺問題出發(fā)，雨水利用具有廣闊的應(yīng)用前景，將吸引大量資本投入，形成新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》已將城市雨水利用納入可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，未來加強(qiáng)雨水資源化利用，應(yīng)加強(qiáng)雨水利用與其他學(xué)科的聯(lián)合交叉，從城市規(guī)劃開始，從雨水利用相關(guān)技術(shù)規(guī)范的制定開始，將雨水的回用考慮在內(nèi)，在設(shè)計過程中綜合園林、城市管網(wǎng)、景觀生態(tài)等，真正實現(xiàn)雨水的可持續(xù)發(fā)展。