城市雨水在地下水回灌中的利用分析

王兆吉

(河北省保定水文水資源勘測局，河北保定71000)

隨著城市化進(jìn)程的加快，用水量不斷增加，現(xiàn)代生活、生產(chǎn)方式產(chǎn)生大量污水，使得城市水資源危機(jī)日益嚴(yán)重。為滿足城市水資源需求，一方面地下水開采力度加大，超采嚴(yán)重，造成城市地下儲(chǔ)水量銳減、地下水位不斷下降、地下漏斗面積相應(yīng)擴(kuò)大，并引發(fā)地面沉降、塌陷、開裂等地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)，沿海地區(qū)的地下水超采，破壞了地下水動(dòng)力平衡，引發(fā)海水入侵地下水，土壤鹽漬化，耕地面積減小。另一方面作為重要水源的城市雨水大量外排，浪費(fèi)嚴(yán)重，未得到資源化的利用，在暴雨季節(jié)還造成城市內(nèi)澇，引發(fā)城市雨洪災(zāi)害。僅在2011年夏天先后就有武漢、北京、長沙、成都、揚(yáng)州、南京6座內(nèi)陸城市遭遇暴雨襲擊，城區(qū)大面積集水，交通基本癱瘓，通信設(shè)施出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

降雨是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，可使水資源在開采和利用后得到補(bǔ)充，具有再生性。相比中水等其它水源，雨水受到的污染較輕，處理工業(yè)較為簡單。雨水作為重要的水源，它的有效利用將緩解城市水資源危機(jī)，結(jié)合土壤的自凈能力和含水層的儲(chǔ)水能力，通過回灌補(bǔ)給地下水，是綜合調(diào)節(jié)地表水、地下水和雨水，使雨水得到資源化利用的重要途徑，能有效解決地下水超采和城市雨洪災(zāi)害。

1 城市雨水回灌利用的發(fā)展

城市雨水回灌可概括為:地面雨水通過滲透面或入滲措施，進(jìn)入土壤或直接進(jìn)入地下含水層，達(dá)到補(bǔ)充土壤水分，補(bǔ)給地下水的作用。在1982年，美國的David Pyne就提出了“含水層貯存和回用”(Aquifer storage and recovery簡稱ASR)，經(jīng)過30多年的發(fā)展，ARS技術(shù)已經(jīng)形成了“收集—預(yù)處理—回灌—抽取—再利用”的回灌模式，現(xiàn)在國際上對地下含水層的回灌和再利用通稱為ASR技術(shù)[1]。2002年在澳大利亞召開的第四屆國際地下水補(bǔ)給會(huì)議上，成立了國際水文地質(zhì)學(xué)會(huì)含水層管理專業(yè)委員會(huì)，系統(tǒng)地論證了含水層補(bǔ)給在地下水資源開發(fā)和保護(hù)中的作用，總結(jié)了人工補(bǔ)給的技術(shù)方法和各類地質(zhì)條件下回灌的經(jīng)驗(yàn)等[2]。

我國的地下水回灌始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)上海為控制因大規(guī)模開采地下水而引發(fā)的地面沉降，開始采用深井灌注的方法補(bǔ)給地下水，開創(chuàng)性地發(fā)展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲(chǔ)能技術(shù)，并向天津和北京等城市推廣。清華大學(xué)與德國、北京等單位在國內(nèi)首次開展城市污水處理后回灌地下水的基本理論和工程研究，采用了地表回灌滲濾池和快速滲濾與淺層回灌相結(jié)合的回灌方式。2000年1月中德開始實(shí)施“城區(qū)水資源可持續(xù)利用——雨洪控制和地下水回灌”的合作項(xiàng)目，相繼在北京建立了代表老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設(shè)區(qū)、公園綠地、校園特點(diǎn)的5種類型、6個(gè)雨洪利用的示范區(qū)，總面積達(dá)60 hm2，并在2001年9月明確了城市雨洪利用的目標(biāo)是“將雨水留在地面和地下，建立雨洪相關(guān)產(chǎn)業(yè)”。

2 城市雨水回灌利用的現(xiàn)狀

目前許多城市已認(rèn)識到城市雨水控制和利用的重要性，不斷加強(qiáng)雨水對地下含水層補(bǔ)給的管理，編制了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和管理?xiàng)l例。一些城市建立了包括雨水收集、處理、儲(chǔ)存、排放、澆灌取水等綜合利用的試驗(yàn)點(diǎn)，如上海的生態(tài)小區(qū)和世博園區(qū)、北京的奧運(yùn)會(huì)場館、天津的節(jié)水型水利科技大廈、成都的活水公園等，這些試驗(yàn)點(diǎn)通過有效的調(diào)蓄措施，實(shí)現(xiàn)雨水資源的有效利用，顯示出良好的發(fā)展趨勢。但試驗(yàn)點(diǎn)的規(guī)模都不大，只適用在某一個(gè)具體的范圍內(nèi)，沒有考慮到城市的整體規(guī)劃，缺乏生態(tài)化、多樣化的利用措施，未成系統(tǒng)。

我國大部份城市的降雨時(shí)間分布不均，主要集中在6月到9月的汛期，一般汛期的徑流量占全年的70%到90%，短時(shí)間內(nèi)的降雨很難形成可持續(xù)利用的資源。加之城市建筑密度增大、路面硬化、透水面積減小、綠地設(shè)計(jì)高出地面、滯洪區(qū)縮減等，使得區(qū)域內(nèi)的地表徑流系數(shù)增大，區(qū)域匯流速度加快，洪峰成倍增長。城市雨洪產(chǎn)生速度快和滲透回灌緩慢、降雨間隙性和雨水資源利用持續(xù)性之間的矛盾成了城市雨水回灌利用的主要問題。目前的城市雨水的利用措施對整個(gè)城市區(qū)域而言，短時(shí)間內(nèi)成倍增長的洪峰仍無法進(jìn)行有效的調(diào)蓄，加之外排不暢還造成城市雨洪災(zāi)害，雨水資源未能得到有效利用。而且大多數(shù)回灌設(shè)施以靜水方式儲(chǔ)存，水體污染嚴(yán)重，且工程設(shè)施投入較大、利用效率低，很難滿足城市的景觀和生態(tài)用水。

3 城市雨水回灌利用的措施

城市雨水的利用要以調(diào)峰、收集、儲(chǔ)蓄、利用為主，外排為輔，突破傳統(tǒng)雨水快速排放的理念，建立以調(diào)蓄為主要手段，同時(shí)配以滯留和儲(chǔ)水設(shè)施的理念[3]。城市雨水利用規(guī)劃還應(yīng)結(jié)合城市河湖水系的整治規(guī)劃，恢復(fù)城市地表水系，利用河湖、濕地進(jìn)行汛期的調(diào)蓄，減輕城市防洪壓力，并與河湖濱水地區(qū)的景觀建設(shè)相結(jié)合，使雨水綜合利用設(shè)施成為園林景觀的組成部分[4]。雨水資源的儲(chǔ)蓄是實(shí)現(xiàn)持續(xù)利用的前提，滲透回灌利用以地下含水層為儲(chǔ)水空間，減少工程設(shè)施的投入，通過補(bǔ)源地下水，緩解地下水超采引發(fā)的地面沉降等災(zāi)害。

城市雨水回灌利用應(yīng)從城市整體規(guī)劃出發(fā)，以生態(tài)城市建設(shè)為導(dǎo)引，采用點(diǎn)線面結(jié)合的回灌方式。根據(jù)城市地形和地質(zhì)條件，分散布置地表滲水池和地下滲井等雨水收集點(diǎn)，加大透水面積，增強(qiáng)透水面的匯集功能，對雨水實(shí)行分散滯留、就地回灌，迅速、及時(shí)的減小地表徑流量。利用滲透管道、地下暗河和明渠等線路對雨水收集點(diǎn)進(jìn)行連接，形成環(huán)路，加強(qiáng)對雨水的儲(chǔ)蓄能力，減輕城市防洪壓力。滲透管道和地下暗河進(jìn)一步擴(kuò)展回灌流路，全面修復(fù)被破壞的城市地下水;明渠可結(jié)合城市地表水系的整治規(guī)劃，改善城市“熱島效應(yīng)”、凈化空氣;在沿岸還可建成生態(tài)河堤，改善城市環(huán)境，提高居住質(zhì)量。在由管路連接形成的環(huán)路上配以閘門和水泵等人工控制措施，使水體沿環(huán)路流動(dòng)，延長雨水的滲透作用時(shí)間，增強(qiáng)雨水的自凈能力，簡單處理后可直接用于噴灑路面、澆灌的花木等。

在由線串點(diǎn)形成的面上，可依地勢在低洼處開挖大型的水生態(tài)園、設(shè)置排洪渠道。水生態(tài)園能大大提高對雨水的蓄留能力，增強(qiáng)調(diào)節(jié)的可操作性。在水生態(tài)園中建立人工湖、濕地、假山、和配種大量水生植物，形成城市重要的水景觀點(diǎn)和生物生存的良好環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)城市的建設(shè)。超出城市蓄納的雨洪可通過在連通水生態(tài)園的排洪渠道排出，保障城市安全。渠道通過閘門控制，在雨水充沛的年份，超蓄部分可由渠道排出，在雨水不足的年份，也可引進(jìn)外部水源滿足城市蓄水要求。點(diǎn)線面結(jié)合的雨水回灌方式，在結(jié)合了地表水系的規(guī)劃后，實(shí)現(xiàn)城市雨水、地表水和地下水的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。動(dòng)水回灌延長了回灌作用時(shí)間，解決城市雨洪產(chǎn)生速度快和滲透回灌緩慢的矛盾;補(bǔ)給地下含水層，形成可持續(xù)利用的水源，解決降雨間歇性和雨水利用持續(xù)性的矛盾。

4 城市雨水回灌利用的效益

雨水做為一種重要的資源，在城市水戰(zhàn)略發(fā)展中越來越受到重視。通過人工措施的有效調(diào)蓄，利用滲透回灌補(bǔ)源地下水，可以增加城市區(qū)域地下水含量，緩解地面下沉，提高淺層地下水位，常年的回灌調(diào)節(jié)能使地下水維持在一個(gè)穩(wěn)定安全的水平，為城市發(fā)展提供基本保障。通過對城市雨水、地表水和地下水統(tǒng)一調(diào)節(jié)，不僅可以高效利用雨水資源，緩解城市用水危機(jī)，還能減輕城市的防洪壓力，防止城市內(nèi)澇等災(zāi)害的發(fā)生，增加城市的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

我國缺水嚴(yán)重的110個(gè)城市主要集中在北方的干旱和半干旱地區(qū)，這些城市的多年均降雨大多在400 mm以上。以石家莊市為例，石家莊市我國極度缺水的35個(gè)城市之一，人均水資源的占有量為280m3，僅為全國人均水平的1/8。石家莊市每年的用水缺口約為3億～5億m3，多年來主要靠開采地下水和犧牲環(huán)境用水來滿足基本用水需求，常年的地下水超采而又得不到有效的補(bǔ)給，使得地下漏斗面積由1980年的189 km2發(fā)展到目前的近400 km2，地下水位也由21.03m下降到了42.79m，地下水遭到破壞的區(qū)域面積占整個(gè)城市面積的82.5%，已威脅到城市的健康發(fā)展。但另一方面石家莊市的降雨較為豐富，多年平均降雨量為552 mm，降雨主要集中在6～9月，占全年降雨量的75%以上，但因不能對其的進(jìn)行有效調(diào)控，大量雨水外排，暴雨季節(jié)還造成城市不同程度的積水，形成洪澇災(zāi)害。按年可用降雨量=年平均降雨量×城市面積×徑流系數(shù)，主城區(qū)面積按190 km2計(jì)算、徑流系數(shù)取0.9，初步估計(jì)石家莊市的年可用降雨量為0.944億m3。如果這些降雨得到有效利用，將很大程度上緩解石家莊市的水資源危機(jī)，并減小地下漏斗面積、提升地下水位，保障城市發(fā)展。

5 結(jié)語

城市雨水的回灌利用以雨水蘊(yùn)養(yǎng)地下水，形成可持續(xù)利用的水源為目的，是雨水資源化利用的重要途徑。通過點(diǎn)線面相結(jié)合，分散布置，統(tǒng)一調(diào)節(jié)的回灌方式，能較好解決城市雨洪產(chǎn)生速度快和滲透回灌緩慢、降雨間隙性和雨水資源利用持續(xù)性之間矛盾。在我國地下水超采嚴(yán)重的干旱和半干旱城市，實(shí)施雨水的資源化利用對解決城市水資源危機(jī)和雨洪災(zāi)害是十分必要的，并對城市發(fā)展具有重要意義。在新的發(fā)展形勢下，城市雨水的利用向著目標(biāo)和用途多元化、雨水資源產(chǎn)業(yè)化、工程規(guī)范化的趨勢發(fā)展。通過城市雨水利用的規(guī)劃，形成雨水、地表水和地下水統(tǒng)一調(diào)節(jié)的城市“水工程”，維持城市水循環(huán)的平衡，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)生態(tài)、環(huán)保、宜居、資源節(jié)約的城市建設(shè)目標(biāo)，將是城市雨水回灌利用的新方向。

[1]冒建華，王培京，潘艷艷.城市雨水回灌技術(shù)研究與應(yīng)用[A].中國水利學(xué)會(huì):2004北京城市水利建設(shè)與發(fā)展國際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].北京:2004，165－167.

[2]張璇，王健.城市雨洪控制與利用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù).2010，(2):26－32.

[3]魏新慶，王立彤，王秀朵，等.城市雨洪調(diào)蓄減排綜合利用模式探索[A].2010年中國城市雨洪控制利用高級研討會(huì)論文集[C].31－35.

[4]車伍，程文靜.雨水利用與水量平衡分析在城市園區(qū)水景設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國園林.2006，22(132):62— 65.