鄭州市某小區(qū)生活雜用雨水利用規(guī)劃模式

喬翠平，孫萬(wàn)里，秦元生

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州450003;3.河南省開(kāi)封市蘭考黃河河務(wù)局，河南開(kāi)封475300)

我國(guó)對(duì)城市雨水利用的研究已經(jīng)進(jìn)行了近20年，從總體上看，目前還處于初期發(fā)展階段，只有個(gè)別城市進(jìn)入工程實(shí)施和推廣階段.20世紀(jì)末，我國(guó)城市雨水利用主要在缺水地區(qū)有一些小規(guī)模的、局部的非標(biāo)準(zhǔn)性應(yīng)用.大中型城市的雨水利用基本處于探索與研究階段.涉及到局部的、細(xì)節(jié)的規(guī)劃模式還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.筆者以鄭州市某一居民小區(qū)生活雜用水的雨水利用規(guī)劃為實(shí)例，以點(diǎn)帶面，探討城市雨水利用的規(guī)劃模式.

生活雜用水是用于沖洗便器、汽車(chē)，澆灑道路，澆灌綠化，補(bǔ)充空調(diào)循環(huán)用水的非飲用水.隨著城市化進(jìn)程加快，居民生活雜用水量不斷增加，城市供水壓力逐漸加重，將雨水作為雜用水水源或補(bǔ)充水源可緩解當(dāng)前的用水供需矛盾［1］.以鄭州市某居民小區(qū)為例，對(duì)該小區(qū)的雜用水雨水利用進(jìn)行規(guī)劃.首先進(jìn)行局部的、單項(xiàng)的小型雨水利用規(guī)劃，建立一定的規(guī)劃模式;然后以點(diǎn)帶面，將雨水利用工程及規(guī)劃模式逐步推廣至整個(gè)城市乃至全國(guó).

1 規(guī)劃區(qū)雨水收集范圍

居民小區(qū)屬于雨水開(kāi)發(fā)利用區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r以及雨水利用的條件，對(duì)鄭州市某居民小區(qū)的雨水利用進(jìn)行規(guī)劃，收集雨水作為區(qū)內(nèi)生活雜用水.該小區(qū)占地面積89 100 m2，建筑屋面面積40 986 m2，小區(qū)內(nèi)道路及廣場(chǎng)等硬化路面面積19 156.5 m2，綠地面積 28 957.5 m2.

鄭州市大氣質(zhì)量較好，居民小區(qū)的屋面雨水徑流污染輕微，初期棄流后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理就可直接回用，是水質(zhì)最好的雜用水水源.一般來(lái)說(shuō)，雨水中的雜質(zhì)與降雨地區(qū)的環(huán)境及受污染的程度有密切關(guān)系.雨水中的雜質(zhì)是由降水中的基本物質(zhì)和所流經(jīng)的地區(qū)所造成的外加雜質(zhì)組成，主要含有氯、硫酸根、硝酸根、鈉、銨、鈣和鎂離子(質(zhì)量濃度大多在10 mg/L以下)和一些有機(jī)物質(zhì)(主要是揮發(fā)性化合物)，同時(shí)還存在少量的重金屬(如銅、鎘、鉻、鎳、鉛、鋅)［1］.根據(jù)我國(guó)《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18920—2002)，將收集的雨水不經(jīng)處理或者簡(jiǎn)單處理后可應(yīng)用于城市綠化用水和汽車(chē)用水、工業(yè)循環(huán)冷卻水以及景觀用水.

規(guī)劃區(qū)域內(nèi)可收集雨水的下墊面根據(jù)其特征分為3類(lèi):建筑屋面、小區(qū)內(nèi)道路和廣場(chǎng)等硬化地面、綠地.不同類(lèi)型的下墊面，雨水徑流的水質(zhì)和徑流量存在差異.建筑屋面的雨水徑流量大且水質(zhì)污染輕;小區(qū)內(nèi)道路和廣場(chǎng)等硬化地面的雨水徑流水質(zhì)差;綠地上雨水水質(zhì)好但徑流量少.城市徑流的可生化性差，COD，SS是雨水水質(zhì)污染的主要指標(biāo).鄭州市屋面雨水徑流COD，SS值見(jiàn)表1.由于缺乏鄭州市城區(qū)道路、小區(qū)路面、綠地雨水水質(zhì)資料，在此將華北地區(qū)的相關(guān)資料作為參考，見(jiàn)表2［1］.

表1 鄭州地區(qū)雨水水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值 mg/L

表2 華北地區(qū)雨水水質(zhì)指標(biāo)參考值 mg/L

雨水的污染程度直接影響雨水收集回用的費(fèi)用.應(yīng)盡量收集污染較小的雨水，以便進(jìn)行簡(jiǎn)單沉淀和過(guò)濾后即可再利用.根據(jù)上述分析，確定規(guī)劃區(qū)域的雨水收集范圍如下:對(duì)屋面雨水收集，簡(jiǎn)單凈化處理后回用于雜用水;小區(qū)活動(dòng)廣場(chǎng)地面基本不受機(jī)動(dòng)車(chē)輛的污染，水質(zhì)好于小區(qū)道路雨水，且面積較大、下墊面完整，因此對(duì)該處雨水進(jìn)行收集、處理，回用于雜用水;小區(qū)道路雨水水質(zhì)相對(duì)較差，需經(jīng)一定的處理工藝后才能回用;綠地上雨水徑流水質(zhì)好，經(jīng)簡(jiǎn)單處理即可再利用.

2 規(guī)劃區(qū)雨水可收集量、雜用水需水量計(jì)算

2.1 年均可收集雨水量

鄭州市年均可收集雨量受氣候條件、降雨量在各季節(jié)的分配、雨水水質(zhì)情況等自然因素以及特定地區(qū)建筑物的布局和結(jié)構(gòu)等其他因素的制約.但對(duì)于鄭州市大多數(shù)地區(qū)，可按下式計(jì)算［2］，

式中:Q為規(guī)劃區(qū)年平均可收集雨量，m3;γ為平均徑流系數(shù)，可通過(guò)對(duì)各匯流單元的徑流系數(shù)加權(quán)平均求得;α為季節(jié)折減系數(shù)，α=汛期平均降雨量/年平均降雨量;β為初期棄流系數(shù)，β=1－初期棄流雨量×年平均降雨次數(shù)/年平均降雨量;A為集雨面積，m2;H為年平均降雨量，mm.

由鄭州市區(qū)降水統(tǒng)計(jì)資料可以看出，鄭州市降雨量豐富，年平均降雨量H為640.9 mm，但其年內(nèi)分布不均勻，主要集中在6—9月，約占全年降雨總量的64.65%，所以雨水可收集利用量應(yīng)考慮季節(jié)折減系數(shù)，取值0.65.另外，因在一次降雨過(guò)程中，初期徑流污染嚴(yán)重，而后期的徑流水質(zhì)會(huì)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，所以雨水可收集利用量還應(yīng)考慮初期棄流量.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，屋面初期棄流量取2.0 mm，小區(qū)內(nèi)道路及廣場(chǎng)等硬化地面初期棄流量取4.0 mm，綠地初期棄流量取1.5 mm，年平均降雨次數(shù)取40次，則初期棄流系數(shù) β 分別為0.87，0.75，0.91.平均徑流系數(shù)γ可根據(jù)表3［3］所列參數(shù)確定.

表3 不同下墊面條件下的降雨徑流系數(shù)

根據(jù)公式(1)可得規(guī)劃小區(qū)不同雨水收集區(qū)域年平均可集雨量:建筑屋面13 369.1 m3;區(qū)內(nèi)道路及廣場(chǎng)等硬化路面9 604.2 m3;綠地1 646.7 m3;總計(jì) 24 620.0 m3.

2.2 生活雜用水需水量計(jì)算

居民小區(qū)的雜用水年需水量的計(jì)算目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法，規(guī)劃區(qū)域的雜用水年需水量可通過(guò)以下分析確定.

1)綠地澆灌年需水量［4］.根據(jù)文獻(xiàn)［5］，居民小區(qū)綠化澆灑用水定額按1.0～3.0 L/(m2·d)計(jì)算，干旱地區(qū)可酌情增加.這里取為2.0 L/(m2·d).綠地不是每天都澆灌，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在降雨天不必澆灌.另外在雨季，降雨的第2日一般也不必澆灌.鄭州市全年降雨天數(shù)大約為65 d，其中雨季(6—9月)降雨約42 d，據(jù)此估算綠地不澆灌的天數(shù)近似為107 d.經(jīng)計(jì)算，綠地澆灌全年的需水量W1為14 942.07 m3.

2)道路、廣場(chǎng)澆灑年需水量［4］.根據(jù)文獻(xiàn)［5］，居民小區(qū)道路、廣場(chǎng)的澆灑用水定額可按2.0～3.0 L/(m2·d)計(jì)算.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，道路、廣場(chǎng)澆灑的次數(shù)應(yīng)該比綠地少.按降雨日不澆灑，非降雨日3 d澆灑1次計(jì)，則全年澆灑天數(shù)為100 d，計(jì)算得道路澆灑年需水量W2為3 831.3 m3.

3)洗車(chē)年需水量［4］.根據(jù)文獻(xiàn)［5］，汽車(chē)沖洗用水定額應(yīng)根據(jù)車(chē)輛用途、道路路面等級(jí)和沾污程度以及采用的沖洗方式來(lái)確定.在此汽車(chē)沖洗用水量取50 L/(輛·次)，居民小區(qū)擁有車(chē)輛數(shù)按300輛計(jì)算，平均洗車(chē)次數(shù)按1次/(輛·周)計(jì)算，則年需水量 W3為780 m3.

4)雜用水的年需水量.規(guī)劃小區(qū)年雜用水需水量為以上3項(xiàng)用水之和，并考慮10%的未預(yù)見(jiàn)水量，則該小區(qū)雜用水年需水量為

2.3 雨水儲(chǔ)水池容積的確定

雨水儲(chǔ)水池是雨水利用工程中最重要的設(shè)施.確定儲(chǔ)水池的容積，主要考慮一次暴雨可集雨量、年平均可集雨量和需水量3個(gè)因素，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行比較后確定最經(jīng)濟(jì)、合理的方案.儲(chǔ)水池有效容積的確定一般應(yīng)遵循以下原則.

1)當(dāng)需水量大于可收集雨量時(shí)，兼顧城市防洪需要，建議依據(jù)一次暴雨可集雨量確定儲(chǔ)水池的有效容積.

2)當(dāng)需水量小于可收集雨量時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可直接依據(jù)需水量確定儲(chǔ)水池的有效容積.

根據(jù)以上計(jì)算可知:該規(guī)劃小區(qū)雜用水年需水量約2.15萬(wàn)m3，可集雨量約2.46萬(wàn)m3，這只是理論上的雨水收集量，考慮到雨水收集利用的復(fù)雜性，實(shí)際雨水收集量按80%計(jì)算，規(guī)劃區(qū)雨水收集量約1.97萬(wàn)m3，少于雜用水量.因此，用一次暴雨可集雨量來(lái)確定規(guī)劃區(qū)儲(chǔ)水池的有效容積.首先根據(jù)當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式計(jì)算出一定重現(xiàn)期內(nèi)、一定暴雨歷時(shí)所對(duì)應(yīng)的暴雨強(qiáng)度，再算出相應(yīng)的雨水設(shè)計(jì)流量Q，最后計(jì)算出儲(chǔ)水池有效容積V.

設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度的計(jì)算公式為［3］

式中:q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);A，b，n，c分別為當(dāng)?shù)亟涤甑膮?shù);t為降雨時(shí)間，min;P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a.

設(shè)計(jì)重現(xiàn)期根據(jù)城市性質(zhì)、重要性以及匯水地區(qū)類(lèi)型(廣場(chǎng)、干道、居住區(qū))、地形特點(diǎn)和氣候條件等因素確定，重要干道、地區(qū)或短期積水能引起嚴(yán)重后果的地區(qū)重現(xiàn)期宜采用3～5 a，其他地區(qū)采用1～3 a［1］.根據(jù)鄭州多年降雨統(tǒng)計(jì)資料，其降雨參數(shù)為:A=45.8，b=37.3，n=0.99，c=1.15［1］，則鄭州市的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度計(jì)算式為

該小區(qū)采用鄭州市降雨資料:暴雨時(shí)間 t=7.5 min，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期 P=2 a.

計(jì)算出當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度之后，可用下面公式計(jì)算一次暴雨可集雨量(即雨水設(shè)計(jì)流量Q)以及儲(chǔ)水池的有效容積 V［6］.

式中:Q為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s;Ψ為集雨面的平均徑流系數(shù);q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);F為集雨區(qū)域面積，hm2;V為儲(chǔ)水池的有效容積，m3;t為集雨時(shí)間，min，與計(jì)算暴雨強(qiáng)度的時(shí)間相同;h為初期棄流量，初期棄流量取2.0 ～5.0 mm.

2.4 雨水凈化處理方法選擇

根據(jù)雨水徑流的水質(zhì)、雨水回用的用途或水質(zhì)要求選擇凈化處理方法.回用雨水的水質(zhì)除了要符合國(guó)家相關(guān)再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)——《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18920—2002)，還要符合文獻(xiàn)［3］的要求，見(jiàn)表4.

表4 雨水處理后CODCr和SS指標(biāo) mg/L

該規(guī)劃小區(qū)內(nèi)雨水的主要用途是綠化、洗車(chē)和道路廣場(chǎng)澆灑，其水質(zhì)應(yīng)按洗車(chē)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)確定.規(guī)劃區(qū)雨水經(jīng)過(guò)初期雨水徑流棄流之后，雨水徑流水質(zhì)比較穩(wěn)定，CODCr與 SS基本上可控制在70～80 mg/L和30～40 mg/L.選擇的處理過(guò)程為:初期徑流棄流→雨水沉砂池→過(guò)濾凈化→儲(chǔ)水池→消毒→雜用(綠化、洗車(chē)、道路廣場(chǎng)澆灑).儲(chǔ)水池需設(shè)溢流管，并開(kāi)設(shè)進(jìn)人孔，以定期清除池底沉泥.雨水過(guò)濾凈化擬采用活化粉煤灰處理工藝，經(jīng)試驗(yàn)證明，處理后的雨水水質(zhì)達(dá)到了雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合文獻(xiàn)［3］的相應(yīng)要求.該過(guò)濾凈化裝置如圖1所示.

圖1 雨水過(guò)濾凈化裝置平面示意圖

2.5 集雨設(shè)施布置

雨水收集應(yīng)盡可能利用建筑物屋頂、廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、道路等既有的設(shè)施，就近收集儲(chǔ)存，就近處理利用.一般情況下，需建立各式儲(chǔ)水池儲(chǔ)存收集的雨水.儲(chǔ)水池的布設(shè)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①?lài)姙⒙访婧拖窜?chē)用水，根據(jù)需求量的多少，一般應(yīng)建造專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)水池;②儲(chǔ)水池的建設(shè)應(yīng)按照城市建設(shè)規(guī)范和雨水利用規(guī)范要求進(jìn)行，尤其是儲(chǔ)水池的布置點(diǎn)，應(yīng)避開(kāi)各種地下管道、車(chē)行道路和人群密集處，且應(yīng)方便取水;③每個(gè)儲(chǔ)水池的大小應(yīng)根據(jù)屋面面積、收集管渠的距離并結(jié)合單體建筑物的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì).

2.6 生活雜用雨水利用工程經(jīng)濟(jì)效益分析

規(guī)劃區(qū)生活雜用雨水利用工程預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在3個(gè)方面.

1)節(jié)省投入污水處理廠和擴(kuò)建排洪設(shè)施的資金，減輕城市排水管網(wǎng)的負(fù)荷，減少市政管網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用［7］.

2)節(jié)省小區(qū)居民用水和物業(yè)用水開(kāi)支.鄭州市目前行政事業(yè)單位供水水價(jià)為3.2元/m3，使用1 m3的自來(lái)水費(fèi)用(含污水處理費(fèi))即為3.2元，每年將可收集的雨水(約1.97萬(wàn)m3)全部用于小區(qū)雜用水，每年可節(jié)省的費(fèi)用約6.3萬(wàn)元，而從運(yùn)行管理和小區(qū)用水費(fèi)用支出分析，投入收集1 m3雨水的年運(yùn)行費(fèi)用不足0.10元.

3)節(jié)省河道整治和拓寬的費(fèi)用.生活雜用雨水利用工程的實(shí)施可減少居民小區(qū)的外排流量，減輕河道行洪壓力，節(jié)省城市河湖改擴(kuò)建費(fèi)用［7］.

3 結(jié)語(yǔ)

建立的居民小區(qū)生活雜用雨水利用的規(guī)劃模式為:確定雨水收集的范圍，計(jì)算規(guī)劃區(qū)域雨水可收集量、雜用水需水量、一次暴雨可集雨量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析確定雨水儲(chǔ)水池的有效容積，根據(jù)當(dāng)?shù)赜晁畯搅魉|(zhì)、用途及回用的水質(zhì)要求選擇雨水凈化處理方法，合理布置集雨設(shè)施.在此，筆者僅討論了綠化、洗車(chē)、道路廣場(chǎng)澆灑的雜用水雨水利用規(guī)劃和技術(shù)模式，沒(méi)有涉及雨水回用于沖洗便器的問(wèn)題，有待今后繼續(xù)討論和研究.

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