喬翠平,孫緒金
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)
自20 世紀(jì)70 年代起,世界各國(guó)開(kāi)始重視城市雨水利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,并建成了不同規(guī)模的示范工程.美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展城市雨水利用較早,取得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).美國(guó)的雨水利用以提高天然入滲能力為宗旨[1],推廣建立了大量的屋頂蓄水和入滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統(tǒng).美國(guó)不僅重視工程措施,并制定相應(yīng)的法案對(duì)雨水綜合利用給予支持.美國(guó)的第二代“最佳管理方案”(Best Management Practice,BMP)強(qiáng)調(diào)了自然條件和景觀結(jié)合的生態(tài)設(shè)計(jì),普遍建設(shè)植被緩沖帶、植物淺溝、濕地等,以獲得環(huán)境、生態(tài)、景觀等多重效益.德國(guó)是歐洲開(kāi)展雨水利用工程最好的國(guó)家之一[2],已經(jīng)進(jìn)入雨水商品化、高科技開(kāi)發(fā)利用的時(shí)代.德國(guó)的城市雨水利用方式有3 種:建立屋面雨水集蓄系統(tǒng)、建立雨水及截污去污處理和公共滲透系統(tǒng)、建立生態(tài)小區(qū)雨水利用系統(tǒng).日本從20 世紀(jì)60 年代就開(kāi)始收集利用路面雨水,80 年代提出“雨水抑制型下水道”并納入國(guó)家下水道推進(jìn)計(jì)劃,90 年代初頒布了“第二代城市用水總體規(guī)劃”正式將雨水滲溝、滲塘及透水地面作為城市總體規(guī)劃的組成部分,要求新建和改建的大型公共建筑群必須設(shè)置雨水就地下滲設(shè)施和儲(chǔ)水池系統(tǒng),同時(shí)對(duì)雨水進(jìn)行深加工[3].
我國(guó)城市雨水資源利用研究起步較晚,技術(shù)也相對(duì)較落后.近年來(lái),北京、西安、深圳等城市的雨水利用取得了一定進(jìn)展,但是雨水利用技術(shù)還處于探索階段,雨水利用規(guī)模還沒(méi)有形成,各地政府出臺(tái)的雨水利用規(guī)劃零星、分散、簡(jiǎn)單,沒(méi)有形成系統(tǒng)性的雨水利用模式.如國(guó)內(nèi)學(xué)者郭鳳臺(tái)等[4]探討了適合北方城市氣候特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩種雨水利用工程模式:道路雨水收集利用和屋頂雨水收集利用模式;于曉晶等[5]對(duì)適合我國(guó)實(shí)際情況的雨水收集、貯存的模式和處理工藝等做了探討;張磊等[6]提出雨水資源的利用應(yīng)根據(jù)具體城市生態(tài)環(huán)境用水和建筑物分布特點(diǎn),因地制宜地建造雨水直接和間接利用工程,給出了雨水收集、滲透、貯留、凈化、利用的雨水利用模式流程;賈瑞燕等[7]總結(jié)出了適宜北京市工業(yè)廠房、居住區(qū)、公共設(shè)施、學(xué)校、市政交通道路、公園等項(xiàng)目的雨水利用模式;蘇東彬等[8]根據(jù)城市不同區(qū)域的用地特征和功能類(lèi)型,歸納出了社區(qū)、學(xué)校、公園、機(jī)關(guān)與企事業(yè)單位院落以及城市景觀濕地、季節(jié)性河道等區(qū)域的雨水利用模式.
筆者從宏觀和微觀的角度,提出了一套系統(tǒng)性、多樣性的城市雨水資源開(kāi)發(fā)利用的宏觀戰(zhàn)略模式和微觀技術(shù)模式,以利于雨水資源的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用.
雨水利用宏觀戰(zhàn)略模式,是從雨水資源地位的重要性以及雨水的功能和作用的認(rèn)知深度上、從國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全局以及影響久遠(yuǎn)的長(zhǎng)期性出發(fā),提出的雨水利用戰(zhàn)略措施.在總結(jié)和分析國(guó)內(nèi)外雨水開(kāi)發(fā)利用研究的基礎(chǔ)上,提出了4 種雨水開(kāi)發(fā)利用的宏觀戰(zhàn)略模式.
該模式的特點(diǎn):①有完善的雨水利用政策法規(guī);②有普及廣泛、容易推廣的成熟的雨水利用技術(shù);③在政府的大力宣傳和引導(dǎo)下,全民雨水資源意識(shí)與節(jié)水意識(shí)增強(qiáng),在國(guó)家政策的指導(dǎo)和保護(hù)下,主動(dòng)開(kāi)發(fā)利用雨水資源;④雨水利用的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益被社會(huì)認(rèn)可.
美國(guó)的雨水利用模式是該模式的典型例子.其突出的特點(diǎn)是法制完善,管理到位,重視城市防洪和雨洪利用,重視雨水利用的多重效益,注重全民雨水利用宣傳教育和鼓勵(lì),對(duì)雨水的利用達(dá)到了全新的高度.
該模式的特點(diǎn):①雨水利用的技術(shù)含量高,如采用雨水水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),雨水的生物、物理或化學(xué)處理以及雨水自動(dòng)調(diào)控技術(shù)等;②在政策保障、市場(chǎng)管理和銷(xiāo)售方面,形成了市場(chǎng)化和商品化的運(yùn)行機(jī)制;③開(kāi)發(fā)成本較高,雨水水質(zhì)處理要求嚴(yán)格,但經(jīng)濟(jì)效益高,雨水價(jià)格能夠被用戶接受;④雨水的應(yīng)用目標(biāo)具有戰(zhàn)略意義,或者使用雨水的對(duì)象是極為重要的建筑設(shè)施、設(shè)備或?qū)S脠?chǎng)所;⑤公眾重視雨水資源開(kāi)發(fā)利用事業(yè).
德國(guó)、北京奧運(yùn)場(chǎng)館的雨水利用以及以色列的雨水生活飲用加工,都屬于該模式.
該模式的特點(diǎn):①?lài)?guó)家對(duì)雨水資源的開(kāi)發(fā)利用特別重視;②將儲(chǔ)存的雨水應(yīng)用于特定目標(biāo),尤其是面臨危機(jī)狀態(tài)下的應(yīng)急救助;③雨水資源全面開(kāi)發(fā)利用,包括環(huán)境、日常生活等方面的雨水利用;④有完善的雨水利用管理政策.
日本的雨水利用屬于該種模式.日本是一個(gè)多雨、多地震國(guó)家,從20 世紀(jì)60 年代就開(kāi)始興建滯洪和貯蓄雨水的設(shè)施,將貯蓄的雨水用作噴灑路面、灌溉綠地、應(yīng)急供水和防火減災(zāi)等,其雨水利用的重點(diǎn)是應(yīng)急供水和防火,對(duì)于災(zāi)后應(yīng)急救助,具有重要的戰(zhàn)略意義.
該模式的特點(diǎn):①?lài)?guó)家對(duì)雨水資源的開(kāi)發(fā)利用非常重視;②公眾普遍具有很強(qiáng)的水資源和環(huán)境意識(shí);③利用雨水調(diào)控地下水位的技術(shù)和雨水利用技術(shù)先進(jìn);④有完善的雨水利用管理政策和法規(guī).
荷蘭的雨水開(kāi)發(fā)利用屬于該種模式.由于荷蘭地勢(shì)低于周邊海平面,為了防止海水內(nèi)侵,利用雨水回滲調(diào)控地下水,使地下水和海水之間的界面保持穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)壓力平衡,既不造成海水內(nèi)侵,污染水源,又不能形成大面積陸地濕地.又如中國(guó)的沿海城市天津、青島等,海水內(nèi)侵嚴(yán)重,若采用該調(diào)控模式即可解決問(wèn)題.
微觀技術(shù)模式是指在雨水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中,針對(duì)某些具體區(qū)域的雨水開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃及目標(biāo)提出的具有代表性和適用性的技術(shù)措施和方法.
根據(jù)雨水需求和應(yīng)用去向,雨水利用微觀技術(shù)模式可分為以下5 種.
綠地雨水灌溉技術(shù)模式需要確定:綠地面積和需水量;雨水匯集面積和可收集雨量;雨水收集方式和儲(chǔ)水池的布置;雨水凈化處理方法;灌溉方式;配套設(shè)施的設(shè)置等.
1)綠地面積和需水量計(jì)算.按照城市規(guī)劃要求,對(duì)于建筑小區(qū)或單位,綠地(草坪)面積應(yīng)占總面積的24%以上,依此可以估算出該區(qū)的設(shè)計(jì)綠地面積,實(shí)際面積需通過(guò)測(cè)量獲得.綠地灌溉需水量按照《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400—2006)[9]的規(guī)定計(jì)算,即居民小區(qū)綠化澆灑用水定額可按1.0~3.0 L/(m2·d)計(jì)算,干旱地區(qū)可酌情增加.
2)雨水匯集面積和年均可收集雨量計(jì)算.雨水匯集面積包括綠地周?chē)ㄖ菝?、道路、廣場(chǎng)等硬化路面的面積.年均可收集雨量受氣候條件、降雨量在不同季節(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)于大多數(shù)城市而言,年均可收集雨量可由下式計(jì)算:
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.
3)灌溉水質(zhì)要求.綠地灌溉對(duì)水質(zhì)的要求可參考《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)[10].綠地灌溉一般采用噴灌或滴灌方式,雨水中不可含有較大的顆?;虺恋砦?,為避免噴頭發(fā)生堵塞,可在雨落管末端和儲(chǔ)水池入口加設(shè)機(jī)械過(guò)濾裝置.一般情況下,建筑屋面雨水較潔凈,不經(jīng)處理即可用于綠地灌溉.對(duì)于來(lái)源于廣場(chǎng)、道路等硬化地面的雨水,應(yīng)進(jìn)行凈化處理,在雨水進(jìn)入儲(chǔ)水池之前安裝雨水凈化處理裝置,或者專(zhuān)門(mén)設(shè)置中水凈化器.
4)儲(chǔ)水池的布置.綠地灌溉用儲(chǔ)水池的大小、數(shù)量和位置,除了按照城市建筑設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求確定之外,要視綠地面積、分布、形狀以及雨水匯集方式而定.儲(chǔ)水量原則上要滿足VA<VI<VP,其中VA為綠地灌溉需水量,VI為儲(chǔ)水池容量,VP為雨水可收集量.在集雨條件不充分時(shí),允許VI<VA.儲(chǔ)水池應(yīng)盡可能設(shè)置在綠地區(qū)內(nèi),盡量滿足安全、使用便利、成本合理的原則.對(duì)于大型公共綠地的儲(chǔ)水池,可采用“串葫蘆式”的儲(chǔ)水方式.所謂“串葫蘆式”儲(chǔ)水是指在城市雨水排水管網(wǎng)上,像藤上結(jié)葫蘆一樣,在合適的部位連接雨水儲(chǔ)水系統(tǒng),把排水管網(wǎng)的雨水收集起來(lái),經(jīng)過(guò)凈化處理,引入儲(chǔ)水池,用于綠地灌溉.
生活雜用水是用于沖洗便器、汽車(chē),澆灑道路,綠化,補(bǔ)充空調(diào)循環(huán)用水的非飲用水.生活雜用雨水的開(kāi)發(fā)利用,應(yīng)因地制宜,技術(shù)多樣,注重實(shí)效.該模式應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題如下.
2.2.1 可收集雨量、雜用水需水量計(jì)算
匯流介質(zhì)一般有3 種:建筑屋面、區(qū)內(nèi)道路和廣場(chǎng)等硬化地面、綠地.建筑屋面的雨水是回收利用的重要組成部分,其次是道路和廣場(chǎng)雨水.而且屋面雨水水質(zhì)較好、徑流量大、便于收集、處理,費(fèi)用相對(duì)較低,適用于沖廁、洗車(chē)、綠化、噴灑路面、水景等.這3種匯流介質(zhì)的年均可收集雨量可根據(jù)公式(1)求得.雜用水年需水量的計(jì)算目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的方法,可根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50015—2003)[11]以及文獻(xiàn)[12]的分析方法確定.
2.2.2 雨水匯集儲(chǔ)存及技術(shù)要求
在生活雜用水方面,由于供水目標(biāo)不同,雨水匯集儲(chǔ)存的方式也不同,可利用現(xiàn)有設(shè)施儲(chǔ)存雨水,也可建立各式儲(chǔ)水池.噴泉景觀用水可以直接將雨水引入已經(jīng)建成的景觀池或者人工湖、塘內(nèi).對(duì)于沖廁、洗車(chē)和噴灑路面用水,應(yīng)根據(jù)需水量建立專(zhuān)用儲(chǔ)水池,儲(chǔ)水池的建立應(yīng)按照城市建設(shè)相關(guān)規(guī)范和雨水利用相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行,尤其是儲(chǔ)水池的選址,應(yīng)避開(kāi)各種地下管道、車(chē)行道路和人群密集處,還要方便取水.
2.2.3 水質(zhì)要求
生活雜用水對(duì)雨水水質(zhì)的要求比較高,雨水利用之前應(yīng)進(jìn)行檢測(cè),如果明顯達(dá)不到文獻(xiàn)[10]的要求,應(yīng)進(jìn)行凈化處理.生活雜用雨水水質(zhì)處理的方式有下列幾種.
1)景觀池水曝氣法.將雨水引入景觀池或坑塘之后,利用噴泉的水循環(huán)作用(或利用小型水泵施壓),使雨水在池中產(chǎn)生循環(huán),自動(dòng)氧化曝氣,消除某些化學(xué)物質(zhì)或菌類(lèi),達(dá)到自?xún)舻哪康?
2)機(jī)械和物理凈化處理方法.在儲(chǔ)水池進(jìn)水口處安裝雨水凈化過(guò)濾裝置,過(guò)濾裝置是由粗砂、礫石、骨料、棕櫚網(wǎng)或土工布等材料構(gòu)成,機(jī)械和物理過(guò)濾效果很好,但不能滿足化學(xué)凈化處理要求.
3)特殊化學(xué)物質(zhì)處理.常規(guī)的生物處理方法有氧化沉淀法、電極分離法、碳吸附法等.
2.2.4 雨水利用終端設(shè)備的構(gòu)成及實(shí)施要求
1)綠化設(shè)施.在儲(chǔ)水池內(nèi)安裝水泵,將雨水泵入原有的自來(lái)水管道灌溉系統(tǒng),代替自來(lái)水進(jìn)行綠地灌溉,噴頭的噴水半徑應(yīng)達(dá)到5~15 m.如果儲(chǔ)水池內(nèi)的雨水量不足,下降到閾值水位(用戶自行設(shè)定)時(shí),應(yīng)自動(dòng)啟用自來(lái)水灌溉系統(tǒng).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.
2)雨水的生活雜用.利用雨水沖洗公共廁所、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等場(chǎng)地時(shí),在儲(chǔ)水池中安裝核準(zhǔn)壓力的水泵和供水管,借助轉(zhuǎn)換裝置將管道和自來(lái)水供水管連接.若儲(chǔ)水池的水位下降到閾值水位時(shí),啟動(dòng)管道轉(zhuǎn)換裝置,自動(dòng)打開(kāi)自來(lái)水管道系統(tǒng),繼續(xù)用自來(lái)水沖洗.
3)清洗高層建筑物和洗車(chē).在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下,清洗高層建筑物對(duì)水泵的揚(yáng)程有一定要求,安裝的水泵揚(yáng)程應(yīng)大于建筑物的高度;洗車(chē)時(shí),噴槍的噴水速度須達(dá)到3 m/s 以上.
城市濕地是建設(shè)生態(tài)城市的基本保證,是保持城市居民身心健康的基本措施.在此提出建設(shè)城市自然景觀和濕地養(yǎng)護(hù)的雨水利用工程技術(shù)模式.
1)自然景觀和濕地養(yǎng)護(hù)用水雨水匯集區(qū)的確定.自然景觀和濕地養(yǎng)護(hù)雨水供水區(qū)比較復(fù)雜,河道兩側(cè)和湖塘周邊是最便捷的雨水補(bǔ)給區(qū),也可將其他區(qū)域如廣場(chǎng)、小區(qū)、街道的雨水引入濕地,必要時(shí)甚至可將其他流域的雨水引進(jìn)濕地.
2)濕地引水方法.在河道兩岸加筑引水淺溝和凈化過(guò)濾帶,將雨水引入河道和湖塘中,改造的具體位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算和測(cè)量,原則上是沿河道岸邊每隔1 000 m 建立一條100 m 的過(guò)濾進(jìn)水帶,并逐步拆除硬化的邊岸.
3)市區(qū)小型河道梯級(jí)攔水壩的建立.在過(guò)市的河流上建立若干梯級(jí)小型攔水壩,壩型、壩高可按5~10 年一遇洪水計(jì)算確定,通過(guò)水壩留住一部分雨水或河水,濕地養(yǎng)護(hù)效果明顯.
4)制定相關(guān)政策.通過(guò)完善的政策法規(guī)保護(hù)水資源,嚴(yán)禁向城市天然水體排放任何污水或其他污染物質(zhì).
消防用水對(duì)雨水水質(zhì)要求比較特殊,必須解決好以下幾個(gè)問(wèn)題.
1)雨水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).不同行業(yè)對(duì)消防用水的要求不同.如化學(xué)制品制劑企業(yè)、高科技產(chǎn)品制作和組裝企業(yè)、放射性物質(zhì)生產(chǎn)企業(yè)、精密儀器生產(chǎn)企業(yè)、深加工企業(yè)、醫(yī)院、特殊研究單位等,一般采用專(zhuān)門(mén)的消防材料.消防用雨水的場(chǎng)所是學(xué)校、賓館、酒店、餐廳、大型商場(chǎng)、公共娛樂(lè)場(chǎng)所以及居民小區(qū)等,雨水的水質(zhì)必須滿足文獻(xiàn)[10]規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).
2)儲(chǔ)水池的位置選擇.儲(chǔ)水池應(yīng)建在可能發(fā)生火災(zāi)的單位附近,儲(chǔ)水池的位置應(yīng)方便消防車(chē)的停靠、運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎,以及消防車(chē)取水.
3)增設(shè)消防池標(biāo)示牌.建造雨水消防池時(shí),附近必須增設(shè)消防池標(biāo)示牌,標(biāo)示牌應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明儲(chǔ)水池的水量、水質(zhì)、檢測(cè)和取水方法以及消防對(duì)象.
2.5.1 收集雨水補(bǔ)源回灌地下水
收集利用雨水進(jìn)行補(bǔ)源回灌,在技術(shù)上應(yīng)該解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.
1)確定補(bǔ)源回灌參數(shù).補(bǔ)源回灌的目的是消除地下水降落漏斗和地面沉降,抬高地下水位,使之保持在合理的水平上.應(yīng)通過(guò)調(diào)查分析和評(píng)價(jià),確定地下水是否需要補(bǔ)充、補(bǔ)充水量、補(bǔ)充歷時(shí)以及額定補(bǔ)源強(qiáng)度等.
2)核算與檢驗(yàn)補(bǔ)源回灌的雨水水量和水質(zhì).為了合理補(bǔ)源回灌,應(yīng)檢查和計(jì)算補(bǔ)源回灌區(qū)的可集雨量,必須有足夠的雨水可收集利用,水質(zhì)應(yīng)達(dá)到生活雜用水的標(biāo)準(zhǔn),能滿足地下水回灌的要求.
3)確定補(bǔ)源方式.補(bǔ)源回灌地下水的方式很多,可利用市區(qū)的坑塘、河道、廢井以及專(zhuān)用滲井等.
4)檢查補(bǔ)源效果.檢查補(bǔ)源效果的主要方法是測(cè)量地下水水位.一般要求地下水水位通過(guò)補(bǔ)源能夠達(dá)到一定的高度,既不能產(chǎn)生鹽漬化,又能夠消除不利于植被生長(zhǎng)的地下干化層.
2.5.2 道路雨水補(bǔ)源滲透
利用人行道透水路面回灌地下水是一種有效的補(bǔ)源回灌方法,應(yīng)積極推廣應(yīng)用.透水路面的建設(shè)可采用筆者所在的雨水利用研究小組開(kāi)發(fā)研制的一種新型三維透水磚[13].這種透水磚具有良好的透水性,各種強(qiáng)度指標(biāo)和規(guī)格均滿足建筑規(guī)范和工程質(zhì)量要求.它的4 個(gè)側(cè)面是側(cè)斜或部分側(cè)斜的,磚的外形如圖1 所示.
圖1 三維透水磚外形
當(dāng)?shù)缆蜂佋O(shè)透水磚后,相鄰磚之間可形成相互連通的通水網(wǎng)絡(luò).用透水磚鋪設(shè)的輕型車(chē)透水路面斷面如圖2 所示.該透水路面由三維透水磚和透水混凝土墊層兩部分構(gòu)成,底部有2 cm 的水泥沙料混合墊層,混凝土路面總厚度15 cm,其中上部厚8 cm.施工方法和普通路面基本相同.它的最大特點(diǎn)是能夠透水,在降雨強(qiáng)度為大到暴雨(40 mm/h)時(shí),地面不會(huì)產(chǎn)生徑流.
圖2 透水路面斷面示意圖
1)城市雨水資源的開(kāi)發(fā)利用,是緩解水資源緊缺的重要措施,是水資源開(kāi)發(fā)的新途徑.
2)雨水的開(kāi)發(fā)利用可降低城市排水和污水處理負(fù)荷,減少城市河流污染,消除洪災(zāi),改善地下水環(huán)境條件,為建立節(jié)水、生態(tài)、環(huán)保型城市提供支持.
3)從管理和技術(shù)的角度提出的雨水綜合利用宏觀戰(zhàn)略模式和微觀技術(shù)模式,可操作性強(qiáng),適合在全國(guó)缺水城市推廣應(yīng)用.
4)建議相關(guān)部門(mén)盡早制訂雨水利用方面的規(guī)范、條例和法規(guī),如《雨水利用工作條例》、《透水磚材透水指標(biāo)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《透水路面施工規(guī)范》、《新建小區(qū)雨水利用同步實(shí)施細(xì)則》、《雨水利用獎(jiǎng)罰制度》等,以保證城市雨水利用技術(shù)模式的推廣實(shí)施.
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