城市雨水利用模型研究

何婷婷　史志鵬　劉美艷

摘要隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市水資源的供需矛盾日益突出，雨水作為一種潔凈、新型、儲量豐富的資源越來越得到人們的重視和使用。詳盡而系統(tǒng)地闡述了雨水資源的多元化應(yīng)用，結(jié)果表明：屋面雨水經(jīng)過初期棄流收集以后可以作為城市的雜水使用；綠地雨水主要通過設(shè)置下凹式綠地和設(shè)置徑流小溝、滲水管和集水井等使雨水就地入滲補(bǔ)給地下水；非機(jī)動(dòng)車道和人行道的雨水主要通過透水面進(jìn)行充分下滲回歸地下水；城市多余雨水也可以用于農(nóng)業(yè)灌溉。通過研究可以使雨水利用更加系統(tǒng)化和多樣化，為不同區(qū)域的城市雨水利用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞雨水；屋面；綠地；地面；灌溉

中圖分類號S161.6；TU213文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）07-269-03

The Utilization Model Research of Urban Rainwater

HE Ting-ting1， SHI Zhi-peng1， LIU Mei-yan2 （1. College of Construction Equipment and Municipal Engineering， Jiangsu Institute of Architectural Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116； 2. Jiangsu Province Water Conservancy Survey Design and Research Institute Co. Ltd. Xuzhou Branch， Xuzhou， Jiangsu 221116）

AbstractWith the rapid development of economy， the contradiction between supply and demand of urban water resources is increasingly prominent. Rainwater as a kind of clean， new and abundant resource was more and more get people's attention and application. This paper expounds the diversity of rainwater resources detailedly. The results showed that roof runoff after early abandon flow can be used as the miscellaneous water； green space water can be used to local infiltration recharge and supply the groundwater by setting the recessed groove， the runoff water penetration tube and the collecting well； water in non-motor vehicle lanes and sidewalks mainly collected through the surface to fully back infiltration of groundwater； city rainwater surplus can also be used for agricultural irrigation. This study can be used to study the rainwater more systematic and diversified and provide the basis for rainwater utilization of different parts of urban.

Key wordsRainwater； Roof runoff； Green space； The ground； Irrigation

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，水資源的供需矛盾越來越突出，城市生活用水、工業(yè)用水和生態(tài)用水不斷增加，使得農(nóng)業(yè)用水不斷被侵奪，地下水的壓力也越來越大。如何開源節(jié)流，使得原本緊缺的水資源能夠得到更加合理的應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注。而雨水作為一種資源豐富、收集容易和處理簡單的水資源越來越受到人們的關(guān)注，目前，很多學(xué)者在這方面也做了大量的研究?，F(xiàn)在國際上關(guān)于雨水利用的研究主要有這么幾個(gè)方面，即屋面雨水收集利用[1]、綠地雨水蓄滲利用和地面雨水收集利用[2-3]。其中屋面雨水因?yàn)樗|(zhì)好、容易收集越來越得到人們的青睞。也有部分學(xué)者在研究住宅小區(qū)和高校這些特殊區(qū)域的雨水利用[4-5]以及雨水的其他利用[6-8]。有調(diào)查顯示，雨水的可收集量非常豐富，而其利用也非常多樣化，如何使雨水收集利用產(chǎn)業(yè)化和系統(tǒng)化就成為當(dāng)前亟待解決的問題。該研究重點(diǎn)從以上幾個(gè)方面詳細(xì)系統(tǒng)地分析了雨水的收集和再利用。

1屋面雨水的收集和利用

目前雨水的收集主要有屋面雨水的收集，道路雨水的收集和綠地雨水的收集。相比于道路雨水和綠地雨水，屋面雨水因?yàn)槭占菀祝|(zhì)較好加上處理起來較為簡單，受到了人們的青睞。目前屋面雨水的收集方法主要是先通過初期棄流裝置將降雨初期形成的污染較嚴(yán)重的一部分水體去除，剩下的雨水進(jìn)入到貯水池后凈化做中水用，主要收集工藝見圖1。

圖1屋面雨水的收集模式

經(jīng)過水處理后的雨水在城市中可以進(jìn)入城市中水管道進(jìn)行使用，如可以用于城市公廁的沖洗、城市綠化的灌溉、城市大型景觀用水、車庫洗車用水、道路灑水用水等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市屋面可收集雨水量可按下列公式計(jì)算：

Q=ψ·α·β·A·H·10-3 （1）

其中，Q為屋面年平均可收集雨水量，m3；Ψ為徑流系數(shù)，和屋面鋪砌材料相關(guān)；α為季節(jié)折減系數(shù)；

β為降雨初期棄流系數(shù)；A為屋面匯流面積，m2；H為地區(qū)平均年降雨量，mm。

降雨初期，由于降雨中包含大量的污染物，如酸性氣體、汽車尾氣、粉塵和大量工廠尾氣等污染性氣體，因此初期雨水如果直接排入到天然水體，將會對水體造成比較大的污染，因此城市中通常采用一定的棄流裝置將初期雨水進(jìn)行棄流后排入城市污水管道進(jìn)行污水處理，常見的棄流裝置如圖2所示。

圖2初期雨水棄流示意

初期雨水的棄流量按照匯水面積上2 mm降雨量計(jì)算，利用浮球閥原理，將棄流后的雨水收集到貯水池以后進(jìn)行處理，常見的雨水處理工藝如圖3所示。

圖3雨水簡單處理工藝

另外，屋面雨水還可以作為屋面綠化的灌溉水源，目前國外有很多城市已經(jīng)嘗試這項(xiàng)技術(shù)，通過屋面綠化不但可以減少初期降雨的棄流量，達(dá)到雨水的減污，而且由于屋面綠化以后，綠色植物可以吸收部分紫外線，從而也可以在一定程度上緩解城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生。

2綠地雨水的收集和利用

人們在追求舒適、時(shí)尚的城市生活的同時(shí)，越來越多的人開始關(guān)注城市的生態(tài)環(huán)境，目前大多數(shù)城市中都有很大比重的綠化面積，其中綠地雨水的儲存量在整個(gè)雨水儲存中占據(jù)著不容忽視的一部分，由于綠地土質(zhì)疏松，雨水主要是通過入滲和徑流補(bǔ)充著地下和地表水資源，因此綠地雨水的綜合利用也稱為雨水利用研究的主要范疇。目前綠地雨水的利用主要是通過土壤的蓄滲利用去補(bǔ)充地下水，具體模型見圖4。

圖4綠地集雨蓄滲模型

綠地集雨蓄滲模型主要由集水井、滲水管和徑流小溝3部分組成，當(dāng)初期降雨量較小，降雨強(qiáng)度也較小時(shí)，主要利用植物層的截留入滲，使雨水向下滲，當(dāng)遇到地面以下50 cm處（考慮到植物根系的活動(dòng)范圍而定）的滲水管時(shí)，下滲雨水滲入滲水管，再順著滲水管流入集水井最后補(bǔ)充地下水資源；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，雨水通過地面的徑流小溝可以直接流入集水井（每個(gè)集水井在地面都有入口，也可以兼做檢查井使用），也可以通過簡單沉淀和過濾就近排放到附近的景觀水體和人工湖中。這種模型可以通過深層入滲和淺層入滲共同達(dá)到補(bǔ)充地下水資源的作用。而且，通過徑流小溝的設(shè)置可以有效減緩地面徑流洪峰的出現(xiàn)時(shí)間，也可以減弱洪峰值，達(dá)到減災(zāi)的目的。另外，流到景觀水體和人工湖中的水在后期還可以作為綠地灌溉的儲備水體。其中滲水管的構(gòu)造如圖5所示。

圖5集水井示意

也有部分地區(qū)在綠地雨水收集利用的研究中，采用下凹式綠地形成一個(gè)自然的雨水收集系統(tǒng)，這種方式減小了貯水池的容積，在一定程度上可以代替貯水池，但是凹地植物一定要選擇耐濕植物，另外，在綠地適當(dāng)?shù)牡胤竭€要設(shè)置雨水口，以便降雨強(qiáng)度較大時(shí)，形成的雨水能夠及時(shí)排走。下凹式綠地和周圍道路的剖面圖如圖6所示。

圖6下凹式綠地模型

3地面雨水的收集和利用

城市中不同集水介質(zhì)其滲透性各不相同，因此地面雨水的收集可以從兩個(gè)方面考慮。一方面，在小區(qū)和硬質(zhì)路面的機(jī)動(dòng)車道，因其通過的車流量較大，雨水水質(zhì)較差，因此可以將路面做成不透水介質(zhì)，雨水主要是通過路面的橫坡和縱坡收集到相應(yīng)的雨水井中，排到市政管網(wǎng)中經(jīng)過處理以后作為中水用；另一方面，位于學(xué)?；蚱渌嚵髁枯^小的人行道和非機(jī)動(dòng)車道路面則可以做成透水介質(zhì)，讓雨水充分下滲補(bǔ)給地下水資源。地面雨水收集利用模式如圖7所示。

圖7地面雨水收集利用模式

4建筑小區(qū)和高校雨水的綜合利用

建筑小區(qū)和高校是城市的重要組成部分，因其自身的特殊性和相對獨(dú)立性，故建筑小區(qū)和高校的雨水收集和利用也可以單獨(dú)考慮。建筑小區(qū)的雨水收集介質(zhì)也主要有屋面、綠地和道路，因此雨水的收集利用也主要從這3個(gè)方面考慮，大體模式和前面相同，但是小區(qū)又是一個(gè)相對封閉和獨(dú)立的場所，因此收集到的雨水可以就近應(yīng)用于小區(qū)的其他雜水，如沖洗廁所、沖洗車庫地面、景觀用水、道路灑水和綠化灌溉。而高校相對于小區(qū)而言，也有其自身的特點(diǎn)，如道路車流量較小，因此可以將硬質(zhì)路面全部改造為透水介質(zhì)，使雨水主要通過下滲的方式補(bǔ)給地下水，再比如高校里的操場，如果是種植草坪，則可以將其按照綠地雨水利用進(jìn)行設(shè)計(jì)，如是橡膠等其他不透水介質(zhì)，也可以利用操場跑道上的環(huán)溝和雨水溝對雨水進(jìn)行蓄集回用。在這些建筑小區(qū)和高校，也可以嘗試雨水和再生水的合用技術(shù)，當(dāng)然這部分研究目前還處于初始階段。

5雨水在農(nóng)業(yè)灌溉上的應(yīng)用

城市雨水資源的利用是一個(gè)多元化的系統(tǒng)工程，由于雨水水質(zhì)較好，將雨水收集蓄集以供城市周邊村鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)灌溉是雨水利用的新模式，在丘陵山區(qū)，可以就近收集、蓄集和利用雨水；在平原和地形微起伏地區(qū)，可以將城市多余雨水收集后并入中水管道以供農(nóng)業(yè)灌溉使用，雨水在農(nóng)業(yè)灌溉上的應(yīng)用在國外很多國家已經(jīng)形成規(guī)模，并且取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會以及生態(tài)效應(yīng)，我國雨水灌溉農(nóng)業(yè)在丘陵山區(qū)等半干旱地區(qū)應(yīng)用較多，但是在半濕潤和平原地區(qū)卻應(yīng)用較少，降雨具有季節(jié)性，但是雨水調(diào)蓄利用卻可以彌補(bǔ)這方面的不足，讓雨水資源發(fā)揮最大的作用和效益。

城市雨水用于農(nóng)業(yè)灌溉的模型如圖8所示。

圖8城市雨水農(nóng)業(yè)灌溉模型

6小結(jié)

城市雨水的收集和利用是一個(gè)綜合而又系統(tǒng)的工程，考慮城市的雨水利用必須和城市的整體發(fā)展規(guī)劃相統(tǒng)一。該研究系統(tǒng)闡述了屋面、綠地和道路的雨水收集利用模式；對于城市的重要組成——建筑小區(qū)和高校的雨水利用模式也進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

屋面雨水主要通過初期棄流后進(jìn)入貯水池，通過簡單水處理后做中水用；

綠地主要通過滲水小溝和集水井對雨水進(jìn)行收集下滲去補(bǔ)充地下水；也可以通過設(shè)置下凹式綠地形成天然的貯水池減緩城市的防洪壓力；

地面雨水的利用也主要是通過下滲補(bǔ)給地下水或者就近引入綠地后回用；

城市收集的多余雨水進(jìn)入雨水管后也可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉。

雨水資源是豐富的，雨水的利用方式也是多元化的，但是，關(guān)于這些模式應(yīng)用中的一些關(guān)鍵性細(xì)節(jié)問題是今后研究的重點(diǎn)。例如可利用雨水量如何確定；選擇的貯水池的容積如何計(jì)算才更加經(jīng)濟(jì)；綠地雨水利用中集水井深度和直徑如何確定；道路雨水收集中透水介質(zhì)如何選擇，其厚度等參數(shù)如何確定等都是今后研究的重點(diǎn)。最后，不同的城市降雨量各不相同，在降雨量較大的濕潤地帶和降雨量很小的干旱半干旱地帶，城市雨水的利用模式應(yīng)當(dāng)有所不同。

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