城市雨水資源化利用策略——以太原市為例

劉 娜

（山西水文水資源勘測局，山西太原 030001）

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，不透水地面逐漸替代了裸露的土壤和植被，城市化帶給人類文明的同時也給自然水文循環(huán)帶來了諸多擾亂。一方面，改變了雨水的自然下滲，導(dǎo)致了土壤含水量下降，地下水自然下滲補給量降低；另一方面，增加了地表徑流，致使城市洪峰流量增加且時間提前，一再考驗著城市排水系統(tǒng)。雨水是自然界水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對調(diào)節(jié)、補充地域水資源和改善城市生態(tài)環(huán)境具有極其重要的意義[1]。因此，雨水資源化利用與管理逐漸引起了人們的重視，自20世紀70年代開始，北美和歐洲一些國家的水資源管理思路就從快速排除模式轉(zhuǎn)向了統(tǒng)籌考慮城市生態(tài)、環(huán)境保護、水資源利用的綜合管理模式。20世紀80年代初，國際雨水收集系統(tǒng)協(xié)會成立。國際研究達成一致共識：雨水利用將成為解決21世紀水資源的重要途徑[2]。20世紀90年代初，美國提出了“最佳管理措施”，其重點在于污染控制和自然滲透，采用非工程性措施如通過控制危害水體的產(chǎn)品應(yīng)用來加強污染源控制，通過工程性措施如設(shè)置洼地、植草緩沖帶、多孔路面、雨水花園等減少不透水面積，控制暴雨徑流，降低徑流污染，改善生態(tài)環(huán)境[3]。德國開發(fā)了 MR（Mulden-Rigolen，洼地－滲渠）系統(tǒng)，以“水的可持續(xù)利用”為理念，強調(diào)“排水量零增長”，采用明渠收集和下滲洼地、綠化屋面、截蓄水塘等轉(zhuǎn)輸、儲存雨水，利用下凹式綠地和砂濾床等凈化雨水，并根據(jù)水質(zhì)不同要求進行回用[4]。新加坡則通過大力修建蓄水庫和蓄水池，收集每一滴落在新加坡土地上的雨水并加以利用，徹底改變了貧水狀況。近年來，國內(nèi)對雨水資源利用和管理模式研究也逐漸展開。在北京，1998年北京城市節(jié)水辦公室和北京建筑工程學(xué)院開始對城市雨水利用項目進行系統(tǒng)研究，先后完成了包括技術(shù)、經(jīng)濟評價、管理指南、示范應(yīng)用等在內(nèi)的一系列科研項目。2000年北京市水利局和德國埃森大學(xué)啟動了“城市雨洪控制與利用”示范小區(qū)雨水利用合作項目，投資6 000萬元，完成了6個示范項目。截至2006年年底，北京已在城區(qū)范圍內(nèi)完成了60項雨水利用工程，分布在學(xué)校、公園、機關(guān)和居住小區(qū)等處。在大連，有關(guān)部門聯(lián)合日本專業(yè)設(shè)計部門編制了《大連市雨水資源利用工程規(guī)劃研究報告》，并在勝利街和太原街實施采用雨水滲透溝系統(tǒng)的示范工程。在南京，《南京市城市供水和節(jié)約用水管理條例》中明確：規(guī)劃用地面積2萬m2以上的新建建筑物應(yīng)當(dāng)建立雨水收集利用系統(tǒng)，已建成雨污分流排水系統(tǒng)的小區(qū)應(yīng)創(chuàng)造條件建立雨水收集利用系統(tǒng)。在上海，世博園設(shè)計中成功采用了透水鋪裝、屋頂綠化、下凹式綠地和人工濕地等多種雨水資源化利用和生態(tài)化處理模式。

太原市作為中部五省的省會城市之一、重要的能源化工基地，人均水資源占有量為173 m3，僅為全國人均量的8.4%，水資源短缺很大程度上制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展。筆者根據(jù)太原市自然條件，借鑒國內(nèi)外雨水資源化利用和管理模式，探討了如何在太原市實現(xiàn)雨水資源化利用和管理。

1 太原市降水特征

1.1 降水量

太原市多年平均年降水量為467.1 mm，折合水體32.64億m3，降水資源較為豐富。但年內(nèi)降雨分布不均，近70%以上的降雨量主要集中在6—9月，其中7、8月集中了全年降雨量的一半左右[5]，降雨多為短歷時暴雨，一方面造成雨水不能及時入滲，雨水資源流失嚴重，另一方面降雨的這些特點為發(fā)展雨水集蓄利用提供了便利條件。

1.2 降水水質(zhì)

降水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)采用2010年3月—2011年11月太原市水西關(guān)某點降水水質(zhì)進行了檢測，結(jié)果見表1。

表1 降水水質(zhì)檢測結(jié)果

從表1可以看出，太原市降水除氨氮濃度較高外，其余監(jiān)測項目平均值均低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值，降水水質(zhì)較為良好，為本市雨水資源化利用提供了良好的水質(zhì)基礎(chǔ)。

2 雨水資源化利用的途徑

目前，雨水資源化利用途徑通常采用雨水截流入滲、雨水收集回用和屋面雨水?dāng)r蓄綠化3種方式。

2.1 雨水截流入滲

雨水截流入滲是利用城市綠地、透水性路面、洼地、滲透管等將降雨直接滲入地下，補充土壤水和地下水。有關(guān)研究表明，透水性地面可吸收水分和熱量，調(diào)節(jié)地表局部空間的溫濕度，對調(diào)節(jié)城市小氣候、緩解城市熱島效應(yīng)有較大作用[6]。城市綠地具有良好的入滲性，不同時段雨水的累計入滲量隨著植被覆蓋率的增加呈指數(shù)增加。其中，下凹式綠地是一種低沖擊、高效率的雨水資源利用模式，不僅簡便宜行、工程造價低，而且利用率高[7]?；菔坎?990—1991年在北京市做過綠地高度對入滲量的影響試驗，結(jié)果表明綠地低于周圍路面，其入滲量是高于路面時的3～4倍。張綠水等[1]以浦東世博園區(qū)表層土為基礎(chǔ)配制的土壤作為綠地滲濾層的地表徑流滲濾處理試驗表明，下凹式綠地TSS的去除率大于95%。因此，雨水截留入滲技術(shù)既可控制地表徑流總量和洪峰流量，又可補充地下水、涵養(yǎng)水資源、削減地表徑流污染、改善生態(tài)環(huán)境。城市公園、草坪、公路綠化帶等綠地宜改造成下凹式綠地，盡量利用地面排除雨水。新建和改建住宅區(qū)、廠區(qū)應(yīng)提高綠化率，通過綠地排除部分居住區(qū)和廠區(qū)雨水。道路設(shè)計中還可在道路兩側(cè)設(shè)置低綠地或有植被的自然排水淺溝，道路標(biāo)高應(yīng)高于路邊綠地50～100mm，道路路面采用滲透材料鋪裝，停車場、生活小區(qū)采用鋪設(shè)草皮磚等多種途徑增加雨水入滲量，降低暴雨徑流的流速和流量。另外，還可以利用天然的低洼地作為滲透池，池底鋪設(shè)鵝卵石等透水材料，周圍種植耐水植物，一方面營造了良好的生物棲息地，有助于生態(tài)環(huán)境改善，另一方面增加了雨水資源的自然循環(huán)。

2.2 雨水收集回用

雨水收集回用是利用雨水管道將雨水收集到集水池內(nèi)，經(jīng)過濾消毒處理回用于居民生活雜用、綠化、道路及廣場澆灑、車輛沖洗、循環(huán)冷卻水補水等。雨水收集貯存設(shè)施可分為地面式和地下式。城市路面、屋面、停車場及大型建筑等使城市非透水地面密集度高于90%，可將這些地方作為集水面，通過雨水管道、渠道等將雨水收集至貯存設(shè)施，簡單處理后用以回用。德國利用公共雨水管收集雨水，簡單處理后達到雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于街區(qū)公寓的廁所沖洗和庭院澆灑，其城市雨水資源利用技術(shù)已進入標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化階段。實踐證明，雨水收集回用可以減少城市自來水需求量，對于缺水城市可以在很大程度上緩解水資源緊缺形勢。

2.3 屋面雨水?dāng)r蓄綠化

屋面雨水?dāng)r蓄綠化是一種較為成熟的技術(shù)，它采用生態(tài)學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)原理，通過人工設(shè)計，依賴植物系統(tǒng)和土壤自凈化作用，實現(xiàn)雨水利用與景觀效益的和諧統(tǒng)一。屋頂綠化是屋面雨水利用的重要組成部分，它可以有效降低屋面雨水徑流量，并可以通過植物莖葉截留雨水，通過種植土將部分雨水儲存起來。在歐洲和北美的許多國家，隨著減少城市雨水排放潮流的興起，減少雨水排放被認為是屋頂綠化的主要益處，因此屋頂綠化在各類建筑上得到廣泛應(yīng)用，特別在德國不論是首都柏林還是綠色之都弗萊堡都有許多屋頂花園，既美化了環(huán)境，也調(diào)節(jié)了氣候。在上海世博園區(qū)，屋頂綠化也被廣泛采用。世博中心屋頂綠化占屋頂面積的52%，中國館屋頂花園“新九州清晏”是上海市規(guī)模最大的一處屋頂景觀場所[1]。

3 太原市雨水資源化利用策略

針對目前城市排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、合流排水初期雨水污染問題突出、城市及生活雜用水需求量增加等現(xiàn)狀，太原市雨水資源化工作可以借鑒美國低影響雨水源頭削減理念，從提高徑流污染控制、加強資源利用的總體思路出發(fā)，結(jié)合城市排水系統(tǒng)的特征和管理體系，按照市政雨水綜合管理、雨水綜合利用兩個部分綜合考慮。

3.1 雨水綜合管理

雨水源頭削減理念可以盡量將雨水消納于源頭，當(dāng)降雨量超過源頭控制設(shè)施的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時溢流雨水仍將排至市政管網(wǎng)，并最終排入受納水體。針對太原市目前雨水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不高的現(xiàn)狀，可以借鑒國內(nèi)外發(fā)達城市的雨水管理經(jīng)驗，采取積極開展源頭控制、鼓勵收集回用的綜合管理模式，對雨水資源進行科學(xué)管理和規(guī)劃。為實現(xiàn)雨水資源化綜合管理，筆者認為需從制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、開展合理規(guī)劃、確立獎勵與補償機制3個方面進行。

（1）制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。任何管理模式的良好運行需要技術(shù)規(guī)范、導(dǎo)則等的科學(xué)指導(dǎo)，1989年德國就發(fā)布了雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)（DIN1989），對商業(yè)、住宅等領(lǐng)域在雨水收集利用的各個環(huán)節(jié)制定了標(biāo)準(zhǔn)[8]。2002年德國景觀建設(shè)研究協(xié)會（FIZ）修訂了該項技術(shù)的規(guī)劃、建設(shè)和養(yǎng)護范圍，雨水利用專業(yè)協(xié)會同年也出版了《屋面綠化與雨水利用合成技術(shù)》手冊[4]。1983年美國制定了第一代BMP管理方案，2003年又制定了更為嚴格的第二代BMP管理方案。正是有了規(guī)范的指導(dǎo)，這些國家的雨水收集工作才得以迅速有效的開展。因此，要開展雨水資源化利用的綜合管理，制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)是必要的。

（2）開展合理規(guī)劃。雨水資源化利用是一個需要多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的工作。城市雨水專項規(guī)劃不僅要從市政雨水管理的角度出發(fā)，而且要綜合考慮技術(shù)、生態(tài)和景觀等多方面因素，力爭做到經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。

（3）確立獎勵與補償機制。雨水資源化是一項社會性工作，要推動雨水回收利用仍需通過各種市場管理手段鼓勵用戶采用雨水利用技術(shù)。在發(fā)達國家經(jīng)濟手段也被廣泛使用，在德國，若用戶實施了雨水利用技術(shù)，國家將不再對用戶征收雨水排放費，而雨水排放費與污水排放費用一樣高，通常為自來水費的幾倍左右。

3.2 雨水綜合利用

雨水綜合利用應(yīng)與市政排水、生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，使暴雨徑流從源頭控制-雨水貯水設(shè)施-雨水集中處理，經(jīng)過各個層次的雨水保持、滯留、滲透和再利用，再排泄到城市受納水體中，以達到最佳利用效率。按照通常的雨水排放路徑，可分為以下3個要素：

（1）第一要素：源頭控制。利用源頭控制措施是盡可能將雨水消納于源頭，從建筑層面可通過種植屋面、屋頂花園、集水桶等設(shè)施收集一部分雨水。在道路兩側(cè)設(shè)置下凹式綠地、滲渠等收集場地雨水，再通過雨水管道，把排水由支路引向主路。充分利用天然河道，采用鋪設(shè)鵝卵石等透水材料的方式代替河道硬化，提高雨水自然下滲能力，減少洪峰流量。在建筑和道路間可設(shè)置綠色緩沖帶，用以吸收過濾從建筑上直接落下的雨水，盡可能減少不透水地面的設(shè)計，并通過利用原有地形坡度、植草洼地、滲透溝渠等設(shè)施加強雨水滯留，減少由于徑流量過大導(dǎo)致的污染擴大。

（2）第二要素：貯水設(shè)施。雨水集中回收利用時，可采用地上或地下封閉式蓄水池、集雨箱等，也可利用水景和人工湖等。蓄水池是雨水綜合利用系統(tǒng)中最常見的貯水構(gòu)筑物，通常與現(xiàn)有排水系統(tǒng)相結(jié)合，集蓄地面徑流，用以沖廁、道路澆灑、綠化或營造水景觀。

（3）第三要素：集中處理設(shè)施。雨水集中處理是雨水回用與排入受納水體之前，進一步通過截留、生物凈化等多重作用，實現(xiàn)徑流過程控制與污染物去除的環(huán)節(jié)。由于雨水的可生化性較差，通常采用沉淀、過濾、消毒等1級處理措施。人工濕地通過沉淀、過濾、生物降解和轉(zhuǎn)化等作用去除污染物，被認定是一種有效的雨水處理設(shè)施。

4 結(jié)語

雨水資源化理念不僅不局限于城市防洪減災(zāi)，還強調(diào)徑流污染控制、水資源的涵養(yǎng)與保護、雨水的收集與利用，是一項維護自然水循環(huán)、保護城市生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)工程。近些年，隨著水資源供需矛盾的一再凸顯，雨水資源化受到重視，國內(nèi)外發(fā)達城市的經(jīng)驗給太原市開展雨水資源化工作提供了許多借鑒。

（1）制定相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。在開展雨水資源化的過程中，需要制定和健全相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，使推行雨水資源化有法可依、有章可循。

（2）重視雨水資源化規(guī)劃。雨水資源化不僅關(guān)系到水資源和水環(huán)境，還涉及市政、城市景觀、環(huán)境保護等多部門、多領(lǐng)域，需要協(xié)調(diào)各個方面，進行綜合評價，制定合理、可行的雨水資源化規(guī)劃是保持自然水循環(huán)系統(tǒng)及生態(tài)平衡、改善城市環(huán)境、緩解水資源短缺的有效途徑之一，具有良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

（3）因地制宜，合理利用。制定雨水資源化利用方案時，要注意區(qū)域及現(xiàn)場各種條件的差異，因地制宜，選擇不同雨水資源化途徑，切勿生搬硬套。

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