青島市生態(tài)居住區(qū)雨水綜合利用

初開艷,陳吉升,陳乃青

(1.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院,山東 青島 266022; 2.青島市海潤自來水集團(tuán)有限公司,山東 青島 266001)

青島市生態(tài)居住區(qū)雨水綜合利用

初開艷1,陳吉升1,陳乃青2

(1.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院,山東 青島 266022; 2.青島市海潤自來水集團(tuán)有限公司,山東 青島 266001)

通過對于青島市某居民小區(qū)兩次典型降雨后形成徑流雨水中的COD、SS、NH3-N和TP的分析,發(fā)現(xiàn)在初雨期2mm產(chǎn)生的徑流中,4項污染物指標(biāo)的污染程度最大,應(yīng)舍棄不用;初雨期后可通過清濁分流方法在居民小區(qū)內(nèi)對雨水進(jìn)行回收利用。通過對居民區(qū)的年雜用水量與可收集雨水量的比較,上游匯水量可以滿足區(qū)內(nèi)的用水需求,雨水綜合利用方案實施后可節(jié)約自來水2萬t/a以上,具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

雨水;污染物;雨水綜合利用;生態(tài)居住區(qū);青島市

1 國內(nèi)外雨水綜合利用簡介

雨水綜合利用在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較早,德國在積累了多年開展雨水利用豐富經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,于1989年制定了屋面雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn),目前德國城市雨水利用已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化階段。以色列由于嚴(yán)重干旱缺水,雨水資源利用率已達(dá)到98%。美國也大量建造滲濾田,用于補充地下水或在暴雨洪水時起匯集和調(diào)節(jié)雨水的作用[1]。日本四面環(huán)海氣候濕潤,年降雨量比較大,鹿兒島縣廳大廈按照15～20 d的用水量計算出儲水池的容積,所存雨水經(jīng)過調(diào)節(jié)pH值、過濾消毒后用做生活雜用水[2]。新加坡雨水利用劃定了三類集水區(qū),分別為受保護(hù)集水區(qū)、河道蓄水池和城市驟雨收集系統(tǒng),配套建設(shè)了大量蓄水池,新加坡每天耗水的50%都來自收集起來的雨水[3]。

我國建設(shè)部于2006年頒布了GB 50400—2006《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》,此后國內(nèi)也逐漸重視雨水綜合利用,目前雨水綜合利用示范區(qū)主要集中在北京、上海、廣州、深圳等大中城市。在上海浦東國際機場航站樓已經(jīng)建有完善的雨水收集系統(tǒng)用來收集浦東國際機場航站樓的屋面雨水,在暴雨季節(jié)收集的雨水量為500 t/h,這些雨水均被處理后加以利用[4]。廣州亞運會收集、儲存和利用屋面雨水作為雜用水水源,解決亞運村賽時和賽后的雜用水需求,不足部分采用市政自來水補水[5]。深圳市光明新區(qū)在城市開發(fā)建設(shè)之初就積極探索低影響開發(fā)模式,因地制宜采用各種雨水入滲設(shè)施滯蓄地表徑流、回補地下水,目前已探索出適合光明新區(qū)的雨洪利用目標(biāo)、技術(shù)手段、政策保障措施等[6]。

2 研究區(qū)雨水綜合利用

青島市全市水資源總量約22億t,目前人均占有水資源量為312.8 t,為全國平均值的12.3%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界公認(rèn)的人均500 t的絕對缺水標(biāo)準(zhǔn),是全國嚴(yán)重缺水城市之一。在青島這種資源性缺水的北方城市中雨水綜合利用規(guī)劃應(yīng)合理納入城市規(guī)劃的一部分。

某新建生態(tài)居住小區(qū)位于青島市濱海大道以北區(qū)域,三面環(huán)山,地勢相對較低且整體平坦,用地面積約23.6 hm2,容積率2.0,上游匯水面積70 hm2,小區(qū)規(guī)劃著重體現(xiàn)“人·城市·自然”和諧共生的主題思想,規(guī)劃綠地面積約81 250 m2,道路、廣場面積約48 750 m2,同時利用原有塘壩改建為小區(qū)內(nèi)湖,有效面積約1.1萬 m2。根據(jù)生態(tài)居住小區(qū)的綠色生態(tài)社區(qū)定位及所處環(huán)境優(yōu)勢,規(guī)劃中重點考慮利用小區(qū)匯集的部分雨水補充景觀和綠化用水,節(jié)約優(yōu)質(zhì)水資源,減少排水系統(tǒng)的費用,削減雨水徑流量和污染負(fù)荷,保護(hù)居住區(qū)的水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境。

2.1 雨水水質(zhì)分析

研究區(qū)地勢東南略高西北低洼,外來客水均為外圍丘陵綠地區(qū)內(nèi)的雨水徑流,水質(zhì)較好。

根據(jù)鮑萬民[7]、孫常磊[8]以及車武等[9]的研究,屋面徑流和道路徑流污染比較嚴(yán)重,尤其是初雨期雨水污染最為嚴(yán)重,水質(zhì)渾濁、色度大。

由于研究區(qū)現(xiàn)處規(guī)劃設(shè)計階段,現(xiàn)狀為農(nóng)田和村莊,目前無法取得建成后雨水水質(zhì)資料,為此采用類比法獲取該區(qū)域雨水水質(zhì)概況,試驗取水點位于研究區(qū)東側(cè)300 m處的2009年建成的住宅區(qū)。根據(jù)2011年7月和2011年8月各1次典型降雨收集的雨水水樣水質(zhì)分析結(jié)果(圖1、圖2),初雨期COD質(zhì)量濃度多在200 mg/L以上,SS質(zhì)量濃度達(dá)到60 mg/L,NH3-N質(zhì)量濃度最高達(dá)到了12 mg/L，TP質(zhì)量濃度最高達(dá)到了2.5 mg/L，電導(dǎo)率在200～600 μS/mm之間。隨著降雨時間的延長,COD和SS的質(zhì)量濃度呈下降趨勢并穩(wěn)定在一定數(shù)值左右,在降雨中后期,COD質(zhì)量濃度在20 mg/L左右,SS質(zhì)量濃度低于10 mg/L,TP質(zhì)量濃度低于0.15 mg/L,NH3-N質(zhì)量濃度低于0.3 mg/L,電導(dǎo)率在80 μS/mm以下。可見,外來雨水的COD、SS、NH3-N和TP的質(zhì)量濃度隨降雨歷時的延長而逐漸降低,降雨中后期的COD、SS、NH3-N和TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定狀態(tài),水質(zhì)較好。

圖1 7月降雨初期污染物質(zhì)量濃度變化趨勢

圖2 8月降雨污染物質(zhì)量濃度變化趨勢

根據(jù)相關(guān)研究[10-11]和類比試驗結(jié)果表明, 居住社區(qū)初雨期2 mm產(chǎn)生的徑流污染程度最大,初雨過后的雨水屬于微污染水源,為此可考慮清濁分流,舍去初期2 mm降雨量,然后再進(jìn)行回收利用。

2.2 小區(qū)雨水收集量、用水量計算

2.2.1 年可收集的雨水量[12]

研究區(qū)內(nèi)可利用雨水按下式計算:

Q=ΨαβAξH×10-3

(1)

式中:Q為年平均可利用雨量,m3;Ψ為徑流系數(shù),取0.55;α為季節(jié)折減系數(shù),0.73;β為初期棄流系數(shù),0.87;A為匯流面積,m2;H為多年平均降雨量,mm;ξ為雨水利用系數(shù),0.50。

根據(jù)青島市多年降水資料統(tǒng)計其降雨量主要集中在汛期(6—9月),汛期4個月降水量占全年降水量的72.2%,其中7、8月份的降水量占全年降水量的49.7%,其他月份不僅雨量少而且降雨強度一般也比較小,有的降雨過程甚至不能形成徑流,也就無法收集利用,故考慮了氣候和季節(jié)等影響因素后,可利用雨量季節(jié)折減系數(shù)α定為0.73;初期棄流系數(shù)β根據(jù)降雨和水質(zhì)資料定為0.87;研究區(qū)位于丘陵地區(qū),為了保證下游河流的生態(tài)需求,可供調(diào)配的雨水量為總降雨量的50%,即利用系數(shù)ξ為0.50。該地區(qū)多年平均降雨量為688.2 mm。

研究區(qū)可利用的匯水面積約為70 hm2(含上游匯水區(qū)域),則年平均可利用雨量Q為 8.40萬m3。

2.2.2 小區(qū)雜用水年用量

研究區(qū)雜用水主要包括綠化、澆灑道路及補充景觀水系用水,水量計算如下。

a. 綠化年用水量:考慮小區(qū)雨季、冬季澆灑綠地次數(shù)較少,綠化用水平均日用水量按澆灑面積以0.5 L/(m2·d)計算,則綠化年用水量為Q1=81 250 m2×0.5 L/(m2·d)×365 d=1.48萬m3。

b. 澆灑道路、廣場年用水量:小區(qū)全年澆灑道路、廣場的次數(shù)遠(yuǎn)小于澆灑綠地的次數(shù),其平均日用水量按澆灑面積以0.5 L/(m2·d)計算,則澆灑道路、廣場年用水量為Q2=48 750 m2×0.5 L/(m2·d)×365 d=0.89萬m3。

c. 景觀水年補充水量:小區(qū)景觀水系的補充水量主要指因水面蒸發(fā)、水體滲漏引起的水體損耗量,不考慮水體循環(huán)換水需求量。該地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量約1 000 mm,水系面積約11 000 m2,年水面蒸發(fā)量Q3=11 000 m2×1.0 m=1.10萬m3; 小區(qū)水系底部平均滲透系數(shù)取0.001 m/d,年滲漏需水量Q4=11 000 m2×0.001 m/d×365 d=0.40萬m3;

d. 小區(qū)雜用水年用水量:Q總=Q1+Q2+Q3+Q4=3.87萬m3。

由此可以計算出年可利用水量和雜用水年用水量之間的差額:Q差=Q-Q總=8.40×104-3.87×104=4.53萬m3,即研究區(qū)上游匯水量可以滿足區(qū)內(nèi)的用水需求。

3 雨水收集與處理

3.1 雨水收集

研究區(qū)內(nèi)雨水綜合利用流程如圖3所示。

圖3 雨水綜合利用流程示意圖

居住區(qū)綠地、道路及屋頂降雨根據(jù)匯水區(qū)域面積的不同設(shè)置不同規(guī)模的棄流井收集雨水,每個棄流井的容積根據(jù)其匯水區(qū)域的2 mm降雨量設(shè)置,構(gòu)造簡圖如圖4所示,依靠水力作用,用浮球閥控制水閘,雨水斗收集滿后自動關(guān)閉閘門2,同時打開閘門1使雨水切換至供往儲水池(或區(qū)內(nèi)景觀水體)的管道,超出儲水池容量的雨水經(jīng)超越管進(jìn)入市政雨水管道。降雨完畢后打開泄水閘3,使棄流井中的初期雨水排入市政污水管道,進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理后排放。

圖4 初期雨水棄流井平面示意圖

3.2 雨水收集與處理

儲水池的雨水經(jīng)過模塊式微污染水處理單元處理后,水質(zhì)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》,完全可用于城市生活雜用水,主要用于小區(qū)的綠化澆灑、景觀水面補充水及道路沖洗水。

通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較,確定在規(guī)劃區(qū)內(nèi)結(jié)合廣場、綠地及地下車庫,共設(shè)雨水儲水池4座(兼做消防儲水池),每座有效容積為500 m3,同時利用小區(qū)內(nèi)的規(guī)劃水系作為調(diào)蓄水池,調(diào)蓄能力約1.5萬m3。預(yù)測方案實施后可實現(xiàn)年節(jié)水2萬m3以上,具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。多余降水通過防洪通道進(jìn)入城市河流,居住區(qū)內(nèi)雜用水不足部分通過再生水補充。

4 可行性與環(huán)境效益分析

4.1 建設(shè)與運行成本可行性分析

由于研究區(qū)結(jié)合現(xiàn)狀塘壩建設(shè),主要利用小區(qū)內(nèi)景觀水體的調(diào)蓄作用,工程設(shè)計簡單,省卻了建造大型調(diào)蓄水池費用,建設(shè)成本大大降低。主要的雨水收集回用設(shè)施包括:雨水棄流設(shè)施、4座小型調(diào)蓄水池、水處理設(shè)施、清水池、提升泵及雨水回用管道等。其中,雨水棄流設(shè)施主要用于屋面、路面和廣場初期雨水的棄流,可結(jié)合雨落管和雨水口設(shè)置,由于綠地的表層植被和土壤對雨水具有較強的截污和凈化作用,綠地雨水可考慮不進(jìn)行棄流;小型調(diào)蓄水池盡量結(jié)合地下車庫建設(shè),兼做消防儲水池,降低建設(shè)成本;初期雨水棄流后的雨水較為清潔,采用模塊式微污染水處理設(shè)施簡單處理后即可加以利用,處理工藝簡單、費用較低。

研究區(qū)雨水設(shè)施的建設(shè)費用約130萬元(因4座小型調(diào)蓄水池兼做消防水池,其土建費用不納入建設(shè)費用),考慮人工、藥劑、動力、維修等因素運行費用約 0.3元/m3。設(shè)施的使用年限按照30年考慮,折舊殘值取零,貼現(xiàn)率按年貸款利率6.55%計算,小區(qū)年雨水利用量按2.0萬m3計算,每年運行費用支出為0.6萬元。根據(jù)建設(shè)總投資和年運行費用得出年等額總成本10.6萬元,則雨水回收成本為5.3元/m3。青島市目前居民生活用水到戶綜合水價為2.5元/m3。由于水資源的不可替代性和稀缺性,我國水資源的價格未來將呈上漲的趨勢,而隨著科技的進(jìn)步,雨水利用的成本將逐步降低,勢必促進(jìn)雨水綜合利用的發(fā)展。

4.2 環(huán)境效益分析

通過成本分析可知,雨水回收利用成本高于自來水價格,但是城市雨水綜合利用不能僅考慮雨水利用直接經(jīng)濟(jì)效益,還應(yīng)該考慮雨水利用帶來的社會與環(huán)境效益,主要表現(xiàn)在節(jié)約水資源、提高排水系統(tǒng)安全性及削減污染物排放量等方面。

a. 雨水利用項目實施后,每年至少可節(jié)約2萬m3優(yōu)質(zhì)水資源,間接補充了城市供水資源,具有一定的社會效益。

b. 通過收集初期雨水并將其排入污水管網(wǎng),經(jīng)污水處理廠集中處理后,可有效削減排入環(huán)境中的COD、NH3-N和TP等污染物總量,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。經(jīng)測算,初雨期有機物的平均削減率可達(dá)40%,氮磷等污染物的平均削減率可達(dá)70%。

c. 根據(jù)可行性研究報告,研究區(qū)內(nèi)通過雨水的收集利用可削減30%左右的洪峰流量,可有效減輕城市防洪排澇系統(tǒng)的壓力。

5 結(jié) 語

青島地區(qū)初雨期污染比較嚴(yán)重,降雨量在2mm后雨水水質(zhì)較好,可以滿足回用的要求。在規(guī)劃區(qū)通過棄流井將初期雨水暫時儲存后排入污水處理廠處理,其余雨水就地收集利用,不僅可以大大減少城市地面徑流量,減輕城市暴雨時排水管網(wǎng)的排水壓力,減少初期雨水的污染,還可以節(jié)約城市水資源,提高水資源利用效率,減少因缺水而造成的社會經(jīng)濟(jì)損失。目前制約雨水收集推廣的主要因素是土建成本問題。通過可行性研究報告的相關(guān)調(diào)查,筆者認(rèn)為在季節(jié)性降水不均的北方城市不宜建設(shè)大型人工蓄水池,蓄水設(shè)施可結(jié)合現(xiàn)狀塘壩或水景建設(shè)。

推廣應(yīng)用雨水作為城市供水的補充具有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,對于滿足國家節(jié)能減排的政策,推動城市可持續(xù)發(fā)展具有很高的意義。

[1] 周沁沁. 淺談國內(nèi)外雨水利用與景觀設(shè)計[J]. 化工設(shè)計,2012,22(4):46-50.(ZHOU Qinqin. Brief discussion on domestic and international rainwater utilization and landscape design[J]. Chemical Engineering Design,2012,22(4):46-50. (in Chinese))

[2] 晏中華. 國外雨水利用的方法[J]. 節(jié)能,2000(6):46-48.(YAN Zhonghua. Methods of foreign rainwater utilization[J]. Energy Conservation,2000(6):46-48. (in Chinese))

[3] 潘麗娟. 淺談新加坡的雨水綜合利用系統(tǒng)[J].城市道橋與防洪,2013,7(7):160-161. (PAN Lijuan. Elementary discussion of comprehensive utilization system of rainwater in Singapore [J]. Urban Roads Bridges & Flood Control,2013,7(7):160-161. (in Chinese))

[4] 徐揚,瞿迅. 浦東國際機場航站樓屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計比較[J]. 給水排水,2000,26(4):43-47. (XUE Yang,QU Xun. Roof rain water drainage system of Pudong International Airport[J].Water & Wastewater Engineering,2000,26(4):43-47. (in Chinese))

[5] 羅慧英,丘玉蓉,王耀堂,等. 廣州亞運村雜用水專項研究:雨水綜合利用[J]. 給水排水,2008,34(5):70-78. (LUO Huiying,QIU Yurong,WANG Yaotang,et al. Special study on urban reclaimed water in Guangzhou Asian Sport Village [J].Water & Wastewater Engineering,2008,34(5):70-78. (in Chinese))

[6] 胡愛兵,任心欣, 俞紹武,等. 深圳市創(chuàng)建低影響開發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)[J]. 中國給水排水,2010,26(20):69-72. (HU Aibing,REN Xinxin,YU Shaowu,et al. Exploration for creating low-impact development stormwater management demonstration area in Shenzhen [J].China Water & Wastewater,2010,26(20):69-72. (in Chinese))[7] 鮑萬民. 徑流雨水對青島奧運競技水域污染負(fù)荷研究[D].青島: 青島理工大學(xué),2005.

[8] 孫常磊. 西安城市雨水利用分區(qū)及不同下墊面雨水徑流水質(zhì)研究[D]. 西安:西安理工大學(xué),2005.

[9] 車武,汪慧珍,任超,等. 北京城區(qū)屋面雨水污染及利用研究[J]. 中國給水排水,2001,17(6):57-61. (CHE Wu,WANG Huizhen,REN Chao,et al. Research on Beijing urban roof runoff pollution and utilaization[J].China Water & Wastewater,2001,17(6):57-61. (in Chinese))[10] 馮平,劉偉,羅莎.雨水資源的利用及其實驗[J]. 天津大學(xué)學(xué)報,2006,39(3):269-272. (FENG Ping,LIU Wei,LUO Sha. Utilization of rainwater resources and its experiment [J].Journal of Tianjin University,2006,39(3):269-272. (in Chinese))

[11] 李賀,李田,于學(xué)珍. 上海市屋面雨水回用處理技術(shù)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(3):97-98. (LI He,LI Tian,YU Xuezhen. Reuse and treatment of roof runoff in Shanghai [J]. Environmental Science and Technology,2006,29(3):97-98. (in Chinese))

[12] 曹秀芹,車武. 城市屋面雨水收集利用系統(tǒng)方案設(shè)計分析[J]. 給水排水,2002,28(1):13-15. (CAO Xiuqin,CHE Wu. Analysis of roof rainwater collection and utilization system of city design[J].Water & Wastewater Engineering,2002,28(1):13-15. (in Chinese))

Comprehensive utilization of rainwater in ecological residential district of Qingdao

CHU Kaiyan1, CHEN Jisheng1, CHEN Naiqing2

(1.QingdaoUrbanPlanning&DesignResearchInstitute,Qingdao266022,China;2.QingdaoHairunWaterCo.Ltd,Qingdao266001,China)

By analyzing the COD, SS, NH3-N and TP in the rainwater after two processes of rainfall in a certain residential district in Qingdao, we found that the pollution degree of these 4 pollutant indicators in the initial 2mm deep rainwater is the biggest during the whole raining process and such rainwater should not be utilized. We can recycle and utilize the rainwater by decontamination triage method in the residential district after the initial rainfall period. By comparing the amount of all kinds of water consumption in the residential district and the amount of collectable rainwater, we conclude that the recycled rainwater can meet the water demand of residential district in the upstream. Once the project of urban rainwater utilization is carried on, no less than 2 million tons of tap-water will be saved annually and more economic benefits and positive social effects will be brought.

rainwater; pollutants; comprehensive utilization of rainwater; ecological residential district; Qingdao City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.021

初開艷(1982—),女,工程師,主要從事市政工程規(guī)劃設(shè)計和科研工作。E-mail:ckytry@163.com

TU991.2

B

1004-6933(2015)02-0103-04

2014-04-10 編輯：高渭文)