韓國(guó)古吉島雨水收集可持續(xù)供水系統(tǒng)研究

［韓國(guó)］ 韓慕雨等

韓國(guó)古吉島雨水收集可持續(xù)供水系統(tǒng)研究

［韓國(guó)］ 韓慕雨等

韓國(guó)的很多島嶼面臨著水源安全和供水問(wèn)題，特別是那些遠(yuǎn)離大陸的小島供水條件更差。為了向小島供水，開(kāi)發(fā)了兩套涉及運(yùn)水、地下水開(kāi)采和淡化咸水的替代方案，但這些方案耗能多且成本高，需關(guān)注其安裝和運(yùn)行過(guò)程。雨水收集(RWH)耗能少成本低，是一種可持續(xù)性的方案，但目前對(duì)這些地區(qū)內(nèi)的雨水收集系統(tǒng)缺乏實(shí)踐或綜合研究，從而阻礙了系統(tǒng)的推廣。探討了古吉(Guja)島現(xiàn)有RWH系統(tǒng)存在的問(wèn)題，從水量和水質(zhì)方面提出了技術(shù)改進(jìn)建議。系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)修改，并通過(guò)使用如碼頭建筑物這樣的真空區(qū)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容后，可從水量和水質(zhì)方面滿足該島的用水需求。據(jù)估計(jì)，RWH在韓國(guó)這樣的不利于雨水收集的氣候條件下是可行的供水方案，這就意味著對(duì)于世界上面臨缺水的其他地區(qū)，RWH技術(shù)具有更大的應(yīng)用潛力。

雨水收集;供水系統(tǒng);系統(tǒng)研究;韓國(guó)

韓國(guó)是一個(gè)三面環(huán)海的半島國(guó)家，沿該國(guó)的海岸線分布有很多島嶼，特別是西部和南部。正式登記的島嶼大約為3 200個(gè)，其中約500個(gè)有人居住，這些島上的總?cè)丝诩s80萬(wàn)人。

很多島嶼均面臨水源安全和水源供應(yīng)問(wèn)題。這些島嶼人口只有38.2%的居民由自來(lái)水廠供水，而韓國(guó)由水廠供水的居民占全國(guó)總?cè)丝诘?1.3%。較大的島嶼人口多，與大陸相通，多數(shù)配有水廠，其水源來(lái)自島內(nèi)的水庫(kù)或依靠從內(nèi)地輸送地表水。然而，對(duì)于人口不足100人的小島，其中50%以上的島嶼，供水條件較差。較小的土地面積，加上陡峭的地形及巖石地質(zhì)，導(dǎo)致降雨徑流直接匯入環(huán)繞島嶼的大海，這種特性使小島無(wú)法儲(chǔ)存地表水，從而引起水源安全問(wèn)題。

地下水是沒(méi)有水廠的小島上常見(jiàn)的水源，這種供水方式僅限于有含水層的島嶼，還有很多島嶼沒(méi)有地下水體。此外地下水超采引起地下水位下降，導(dǎo)致海水滲入含水層，引起地下水含鹽量增高，在許多島上常常觀測(cè)到這種現(xiàn)象。其他供水方案包括從內(nèi)地運(yùn)送淡水和利用屋面雨水徑流，即RWH。近來(lái)這些地區(qū)關(guān)注淡化海水，將其作為有潛力的供水替代方案。雖然目前有許多針對(duì)島嶼的供水替代方案，并正在開(kāi)發(fā)，但其建設(shè)和運(yùn)行需要較高的成本和能耗，阻礙了這些技術(shù)的應(yīng)用。島上人口少降低了供水設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益，居民無(wú)力支付生產(chǎn)的水。因此，強(qiáng)烈建議創(chuàng)建一種低成本和低能耗的供水系統(tǒng)。

雨水歷來(lái)是小島最重要的水源之一，很多小島仍然主要依靠它提供生活用水。這種水源價(jià)廉，其RWH系統(tǒng)利用簡(jiǎn)單，居民可親自安裝和操作。其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用規(guī)模小，水源容易獲得，能耗和成本低，是一個(gè)可持續(xù)的供水方法。然而，目前對(duì)小島RWH系統(tǒng)缺乏推廣研究，甚至現(xiàn)狀調(diào)查也少見(jiàn)?，F(xiàn)在已安裝和運(yùn)行的RWH系統(tǒng)只能維持生活用水，需要改進(jìn)技術(shù)，確保供水安全和穩(wěn)定。首要問(wèn)題是確定當(dāng)前RWH系統(tǒng)水量和水質(zhì)方面的缺陷，并提出恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)改進(jìn)措施。因此，本研究首先是通過(guò)對(duì)古吉島現(xiàn)有RWH系統(tǒng)的現(xiàn)狀調(diào)查，找出存在的問(wèn)題，然后提出技術(shù)建議，以改善現(xiàn)有的雨水供應(yīng)系統(tǒng)，最后討論在古吉島推廣RWH的戰(zhàn)略。

1 古吉島研究區(qū)域概況

古吉島位于韓國(guó)西南部，面積約0.7 hm2，住著11戶共80個(gè)居民。多數(shù)居民以捕魚(yú)和水產(chǎn)業(yè)為生活來(lái)源。該島歷來(lái)以雨水為生活用水，而且現(xiàn)在島上每戶居民仍然主要依靠雨水作為供水，當(dāng)雨水不足時(shí)便從內(nèi)陸運(yùn)水。島內(nèi)每人每天平均用水量估計(jì)為200 L/d。根據(jù)2008年日降雨資料的分析，年降雨量和日降雨方差分別為1 302.5 mm和164.11 mm2。通過(guò)采訪和直接觀察，對(duì)現(xiàn)有 RWH系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

2 RWH系統(tǒng)水量模擬計(jì)算分析

采用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)小島RWH系統(tǒng)進(jìn)行水量分析。圖1描述了用于模擬的RWH系統(tǒng)的各組成部分。RWH系統(tǒng)性能評(píng)估采用2種運(yùn)算法，即YAS(溢后產(chǎn)量)和YBS(溢前產(chǎn)量)。采納YAS算法，得出的系統(tǒng)的運(yùn)作效能比較保守。本文采用YBS算法進(jìn)行估計(jì)。借助這一算法，通過(guò)下列公式模擬RWH系統(tǒng)的運(yùn)行:

式中 Yt為在第t時(shí)段內(nèi)蓄水箱內(nèi)的產(chǎn)水量，m3;Dt為在第t時(shí)段內(nèi)雨水需求量(Dt=Yt+Mt)，m3;Vt－1為在第t－1時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)存的雨水量，m3;Vt為在第t時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)存的雨水量，m3;Qt為在第t時(shí)段內(nèi)徑流量(Qt=Rt×A)，m3;St為在第t時(shí)段內(nèi)水箱蓄水量，m3。

模擬計(jì)算每一連續(xù)時(shí)段內(nèi)流進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)的雨水產(chǎn)量(供應(yīng)量)和水池內(nèi)剩余量。本研究中時(shí)間間隔設(shè)為1 d，選擇2008年的逐日降雨量資料來(lái)模擬該島RWH系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3 問(wèn)題確認(rèn)

本節(jié)從水量和水質(zhì)2個(gè)方面確認(rèn)古吉島上現(xiàn)有RWH系統(tǒng)運(yùn)行退化的技術(shù)因素。

3.1 水 量

圖1 RWH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

古吉島上每戶人家都有自己的RWH系統(tǒng)。但不管是個(gè)人的還是整個(gè)系統(tǒng)，都沒(méi)有測(cè)量用水量的計(jì)量裝置。因此，通過(guò)計(jì)算模擬來(lái)分析每戶家庭現(xiàn)有系統(tǒng)的雨水供應(yīng)量。眾所周知，影響RWH運(yùn)行的有幾個(gè)變量，包括降雨強(qiáng)度、降雨形式、集水面積、徑流效率、臨界雨量、需水量、蓄水池容量。表1選擇并列出了這一地區(qū)2004～2008年5 a年降雨量及各年日降雨量方差，根據(jù)0.2 m3/(人·d)計(jì)算需水量。假設(shè)徑流效率和臨界雨量分別為70%和1 mm，相比專家于2004年提供的實(shí)測(cè)徑流效率和幾個(gè)不透水地面的臨界雨量資料，這是比較保守的值，因?yàn)榇蟛糠旨畢^(qū)(主要是屋頂)為不透水鋼材或塑料。對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的集水面積和蓄水容量進(jìn)行了調(diào)查，平均分別達(dá)到200 m2和50 m3。模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)前系統(tǒng)僅能提供大約40%住戶的需水量。這意味著當(dāng)前RWH系統(tǒng)不能滿足生活用水需求量。

表1 古吉島2004～2008年降雨資料特征值

3.2 水 質(zhì)

RWH系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵機(jī)制是雨水收集和蓄存，在這些過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題。

首先發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有RWH系統(tǒng)有與清水收集有關(guān)聯(lián)的缺陷。古吉島多數(shù)RWH系統(tǒng)利用屋頂徑流收集雨水，雨水先由屋頂邊緣的檐槽匯集，然后通過(guò)雨水管流到蓄水池。然而多數(shù)收集系統(tǒng)的屋頂檐槽沒(méi)有得到很好維護(hù)，在檐槽內(nèi)發(fā)現(xiàn)有灰塵、生長(zhǎng)的植物及動(dòng)物糞便，導(dǎo)致檐溝上的物質(zhì)包括污染物有較大的機(jī)會(huì)利用徑流沖洗掉。此外，在雨水收集過(guò)程中缺乏專用設(shè)備過(guò)濾這些物質(zhì)，從而增加了污水流入蓄水池的風(fēng)險(xiǎn)。

即使雨水收集部件得到很好的維護(hù)，流進(jìn)蓄水池的是干凈的雨水，但在存水期間也可能出現(xiàn)水質(zhì)惡化問(wèn)題。首先，蓄水受到外來(lái)污染物入侵的污染。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，古吉島多數(shù)蓄水池沒(méi)有密封蓋子，蓄水容易受到外來(lái)污染物的入侵，發(fā)現(xiàn)蓄水池水面上有微小物質(zhì)，包括昆蟲(chóng)、蟲(chóng)卵和樹(shù)葉等。太陽(yáng)光的照射也是水質(zhì)惡化的主要因素。島上大部分蓄水池位于地面，白天直接暴露在陽(yáng)光下。通過(guò)蓄水池開(kāi)口進(jìn)入的太陽(yáng)光促進(jìn)藻類和微生物生長(zhǎng)。其次陽(yáng)光通過(guò)淺色墻(白色或黃色)的蓄水池，引起存水水質(zhì)惡化。最后，需要控制蓄水池的沉淀物。流入蓄水池的水?dāng)_動(dòng)蓄存的水，從而引起池內(nèi)沉淀物再懸浮。而出水口位于水池底部，供水時(shí)沉積物隨水流一起流出。

4 改善古吉島上RWH系統(tǒng)的技術(shù)建議

本節(jié)中，從水量和水質(zhì)兩個(gè)方面，進(jìn)行了技術(shù)分析，討論了RWH運(yùn)行系統(tǒng)改進(jìn)的辦法。

4.1 水 量

如前所述，目前古吉島上RWH系統(tǒng)不能滿足整個(gè)島的用水需求。因此，需要討論滿足雨水供應(yīng)需求的方法。

首先，采用3個(gè)變量(集水面積、需水量和蓄水池容量)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算RWH系統(tǒng)的存水效率(WSE)。通過(guò)以下過(guò)程可將變量減少到2個(gè):將需水量(D，m3)除以集水面積 (A，m2)并加以參數(shù)化，成為D/A(m3/m2);將蓄水池容量(S，m3)除以集水面積(A，m2)并加以參數(shù)化，成為 S/A(m3/m2)。WSE概念于1999年首次被提出，并用下列方程進(jìn)行了修正，本研究將WSE作為一個(gè)參數(shù)因素測(cè)定RWH設(shè)施的供水能力。如果參數(shù)值大于1，則表明雨水能滿足整體用水需求。

式中T為最后時(shí)段。

圖2描述了通過(guò)在D/A和S/A值范圍內(nèi)的模擬計(jì)算得到的修正的WSE值。垂直軸用對(duì)數(shù)尺度是為了得到更加清楚的表達(dá)。為了使雨水供應(yīng)完全滿足用水需求，WSE修正值應(yīng)該大于1，圖中橫過(guò)坐標(biāo)平面并有記號(hào)1的曲線確定RWH系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該曲線下方的D/A和S/A值設(shè)計(jì)的RWH系統(tǒng)可滿足供水需求。

圖2 D/A和S/A值范圍內(nèi)相應(yīng)存水效率(降雨資料為金島2004～2008年的日降雨量;徑流效率為70%;臨界降雨量為1 mm)

當(dāng)前RWH系統(tǒng)按200 m2集水面積、50 m3蓄水容量、1.4 m3的每戶日需水量進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2(坐標(biāo)點(diǎn):D/A 值為0.007，S/A 值為0.25，圖中用實(shí)線圓圈表示)，顯然該系統(tǒng)不能滿足整體用水需求。要讓W(xué)SE大于1，首先考慮降低日需水量(從標(biāo)記坐標(biāo)點(diǎn)向下移動(dòng))，此方法具有無(wú)需系統(tǒng)擴(kuò)容的優(yōu)點(diǎn)，但此類情況幾乎是不可能的，因?yàn)镈/A需要大幅降低到0.002(而當(dāng)前值為0.007)。另一個(gè)考慮是擴(kuò)容(從標(biāo)記的坐標(biāo)點(diǎn)向右移動(dòng))?？梢钥闯?，這種考慮實(shí)際上也是不可接受的。擴(kuò)大集水面積也有助于WSE達(dá)到1。因而，將上述2種方法聯(lián)合應(yīng)用，可以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 水 質(zhì)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小規(guī)模的改動(dòng)有助于改善供水水質(zhì)。首先可以在輸水管道中安裝一個(gè)過(guò)濾器，通過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾器可以去除屋頂徑流中主要由顆粒物質(zhì)組成的污染物，保證潔凈的水流入蓄水池;還可用篩網(wǎng)蓋住蓄水池的開(kāi)口，防止外來(lái)污染物的進(jìn)入;進(jìn)口設(shè)計(jì)改動(dòng)能有效控制沉淀物，U型進(jìn)口改變了入流方向，以防止對(duì)蓄水池內(nèi)存水的擾動(dòng)，即所謂的“平靜進(jìn)水口”，能有效防止沉積物再懸浮;將出水口提升到距池底有一定的高度的位置，可有效防止泥沙排出;為了隔絕陽(yáng)光，地面蓄水池需要設(shè)密封蓋，建議采用地下蓄水池(見(jiàn)圖3)。

圖3 RWH系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后對(duì)比

5 促進(jìn)古吉島雨水供水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的策略

在古吉島，必須建立一套R(shí)WH系統(tǒng)，以提供數(shù)量充足、水質(zhì)清潔的雨水。從水量方面考慮這種策略，需要另外建立RWH系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有供水系統(tǒng)不能覆蓋的其他60%的供水需求(目前系統(tǒng)只滿足40%的生活用水)。表2列出了需要額外建立的最小RWH系統(tǒng)的4個(gè)可能方案，這些方案是根據(jù)圖2中標(biāo)有虛線圓圈的4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算得出的。可以看出，當(dāng)全年雨水供水量相同時(shí)，較大的集水面積需要較小的存儲(chǔ)容量，而較小的集水面積需要更大的存儲(chǔ)容量。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以考慮系統(tǒng)安裝所在地的具體條件，做出合理的設(shè)計(jì)。

表2 各方案需要的集水面積與蓄水容量

包括古吉島在內(nèi)的每個(gè)小島，都有一個(gè)供船舶?？康拇a頭建筑物，這種建筑物通常體積巨大，相應(yīng)表面也大，而內(nèi)部是空的，這意味著建筑物可用于RWH系統(tǒng)，其表面可用作集水區(qū)，收集的雨水存進(jìn)建筑物內(nèi)。古吉島的碼頭建筑物，表面積約4 200 m2，高度約3 m。在表2列出的4個(gè)設(shè)計(jì)容量當(dāng)中，在該島的碼頭建筑物上安裝RWH系統(tǒng)，考慮到可用的集水面積(表面積)，顯然，方案D是唯一可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為了收集干凈的雨水，將集水區(qū)域設(shè)置在位置相對(duì)較高的區(qū)域。雨水輸送部件上的過(guò)濾設(shè)備和初級(jí)沉淀池有助于改善供水水質(zhì)。為了防止陽(yáng)光直射和外來(lái)污染物入侵，必須確保蓄水池四周有妥善密封。1 500 m3大小的蓄水容量增加了水力停留時(shí)間，通過(guò)沉淀可去除更小粒徑的顆粒物，這有助于改善存水水質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

韓國(guó)的很多島嶼面臨著缺水問(wèn)題，尤其是那些遠(yuǎn)離內(nèi)陸的小島，其水源安全和供水條件問(wèn)題更嚴(yán)重。這些地區(qū)可將運(yùn)送淡水或海水淡化作為供水替代方案，但需要耗費(fèi)大量的電能且成本高。RWH在小規(guī)模應(yīng)用中，所需電能和成本較少，適用性強(qiáng)，可將其作為基本供水方案，且必需加以推廣。

RWH原來(lái)就是很多島嶼傳統(tǒng)供水方案之一。然而，對(duì)RWH系統(tǒng)的水量方面缺少詳細(xì)的研究，使得現(xiàn)有系統(tǒng)保持在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的戶級(jí)水平上，這種系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)上考慮不充分，而且供水量不足。本文分析了RWH系統(tǒng)當(dāng)前的現(xiàn)狀，通過(guò)調(diào)查確認(rèn)島嶼現(xiàn)有雨水收集系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)提出了技術(shù)改進(jìn)建議，使其在水量與水質(zhì)方面滿足RWH系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。依照區(qū)域條件建立WRH系統(tǒng)的可行策略表明，在容許范圍內(nèi)，增建RWH系統(tǒng)能滿足該島嶼用水量和更優(yōu)水質(zhì)需求。利用該島的碼頭建筑物，可提供相當(dāng)大的系統(tǒng)容量。

韓國(guó)的降雨類型不利于RWH系統(tǒng)的有效運(yùn)行。降雨年內(nèi)分布不均，降雨集中在夏季，要求RWH系統(tǒng)有很大的容量，以滿足干旱的冬春季的供水需求，并有更長(zhǎng)的蓄水期。在韓國(guó)這樣的氣候條件下，RWH系統(tǒng)是可行的，可以用作一個(gè)供水替代方案，這意味著在那些年內(nèi)降雨分布更加均勻的地區(qū)，由于其貯水容量可更小，系統(tǒng)性會(huì)更加有效。因此RWH能成為世界上面臨缺水的很多島嶼的一種可行的供水選擇。這項(xiàng)研究中建議的方法還可望為需要雨水供水的區(qū)域提供一個(gè)RWH系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。

邱訓(xùn)平 譯

趙樹(shù)湘 校

(選譯文獻(xiàn):2010年國(guó)際水協(xié)會(huì)出版物《水科學(xué)和技術(shù)》)

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1006-0081(2011)09-0033-04

2011-04-20