基于海綿城市的雨水利用技術現狀與發(fā)展

羅芮婕，齊學軍，張彥南, 張俸旗

(1.西華大學 建筑與土木工程學院，成都 610039;2.四川大學 水利水電學院，成都 610065)

基于海綿城市的雨水利用技術現狀與發(fā)展

羅芮婕1，齊學軍1*，張彥南2, 張俸旗1

(1.西華大學 建筑與土木工程學院，成都 610039;2.四川大學 水利水電學院，成都 610065)

綜述了世界上一些主要國家和地區(qū)在雨水回收利用技術方面的現狀。主要總結和介紹了屋頂雨水處理技術、滲透型雨水處理技術、雨水含水層儲存及回收技術、雨水綜合利用技術和地下綜合管廊技術。中國海綿城市建設的關鍵是對城市已有的草地、樹林、濕地、湖泊等進行保護和修復，而不是大搞城市水利工程建設。

海綿城市;雨水利用;水資源

隨著城市的快速發(fā)展，地面硬化面積不斷擴大，填湖造城，部分城區(qū)存在排水管網系統(tǒng)設計標準低等問題，導致城市內澇現象日趨嚴重，夏季雨水快速排放成為許多城市急需解決的問題。同時，城市人口不斷增加引起城市的用水量增加，缺水是不少北方城市面臨的問題。造成城市內澇的雨水可以通過城市地下管廊被回收利用，這樣既提高了城市排水防澇、防洪減災能力，又將雨水收集處理供人們使用。雨水回收利用是改善城市用水條件的途徑之一，它具有投資少的優(yōu)勢，可降低政府對大型污水處理廠、污水管線的資金投入?；诤＞d城市建設的城市雨水回收利用技術一舉解決城市用水和排澇兩個問題，因此受到越來越多城市的重視。海綿城市的主要作用是保護區(qū)域水循環(huán)、雨水處理和管理，它遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，將雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環(huán)使用和排水密切結合，統(tǒng)籌考慮內澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態(tài)修復等多個目的[1]。近兩年海綿城市建設被政府部門提上日程，受到各地主管部門的重視。但是，在海綿城市建設過程中不斷出現新的技術和建設過程中的經驗方面還比較欠缺。了解和掌握國內外海綿城市建設的最新技術成果和經驗對于中國海綿城市的建設具有非常重要的借鑒意義。

1 海綿城市建設的國內外現狀

新加坡國土面積小，人口密度大，因少有大型河流湖泊，淡水資源緊缺。但新加坡平均年降水量高達2 400 mm,新加坡政府十分重視雨水回收利用[2]。早在2006年就啟動了ABC水源計劃，此計劃包含了水優(yōu)城市設計、濕地技術、雨水管理、修建蓄水池等理念。濱海灣花園則是ABC水源計劃的成果之一，花園內有18座樹形結構的塔狀垂直花園，其巨型樹冠能起到收集雨水和遮陰的作用，部分樹冠連接植物冷室系統(tǒng)，發(fā)揮通風和水循環(huán)降溫的功能。大型蓄水池作為解決城市內澇及雨水疏導問題的關鍵所在備受重視。濱海蓄水池是新加坡最大的蓄水池由長350 m的濱海堤壩與海水相隔而成。蓄水池內雨水達到較高水位時，過量的雨水會被排入海洋。海濱堤壩設有9個冠形閘門，當海水處于低潮狀態(tài)時，閘門下降，過量的雨水排入海洋。當海水處于漲潮狀態(tài)時，過量的雨水通過巨型排水泵排入海洋。據介紹，當濱海堤壩的7個巨型排水泵同時啟動，整個排水過程只需要9 s。濱海蓄水池有效地解決了新加坡多個低洼地區(qū)的城市內澇問題。

德國處于大西洋東部大陸性氣候之間的涼爽季風帶，雨水充沛，降雨分布在一年四季，年降雨量在500～800 mm之間，且地理上分布均勻。從技術方面而言，德國擁有雨水徑流收集技術、雨水徑流傳輸與貯存技術、雨水徑流過濾控制與處理技術都自成一套技術體系[2]。其中典型的是多級雨水利用系統(tǒng)，屋面雨水收集系統(tǒng)先將雨水進行簡單處理，可以作為衛(wèi)生間沖洗用水、灑水車用水和植物澆灌等非飲用水。其次是雨水截污和滲透系統(tǒng)，大雨天雨水通過管道排泄至蓄水池。最后是生態(tài)小區(qū)的雨水利用系統(tǒng)，小區(qū)沿排水管路修建種植有草皮的可滲透淺溝，供雨水快速下滲。同時，地面上的快速滲透地磚可以有效減少地面徑流量，讓雨水快速深入地下。隨著降雨量的不斷增大，超過滲透能力的雨水就直接流入濕地儲存起來。德國城市地下管網的建設也是相當發(fā)達，有混合管道系統(tǒng)和分離管道系統(tǒng)之分。城市中心一般采用混合管道系統(tǒng)，使得污水、雨水同時被處理；郊區(qū)一般采用分離管道系統(tǒng)，污水、雨水分開處理以提高效率。德國利用其成熟的雨水收集和處理技術帶來了巨大的經濟效益，也為一些商業(yè)廣場，市政建筑以及居民社區(qū)解決了一些日常生活中的用水問題，既環(huán)保，又低成本。實現水資源的循環(huán)利用，將處理雨洪的思路從單純的排放轉化為利用是“海綿城市”的另一大理念。

歐洲的荷蘭13世紀以來共圍墾約7 100多 km2的土地，相當于荷蘭陸地面積的五分之一，現在約有18%的荷蘭國土是人工填海造出來的，國土中約有四分之一低于海平面。鹿特丹是荷蘭重要的港口城市，它面臨海水、河水、雨水與地下水四種水的威脅。由于既有的溝渠和河道無法有效快速排泄突然增加的地表雨水，鹿特丹市創(chuàng)造了水廣場的方式進行城市排澇。水廣場主要由數個形狀、大小和高度各不相同的水池構成，水池間通過水渠相連。平時作為居民的娛樂休閑廣場；暴雨季節(jié)城市雨水都往低處流，最后都匯入水廣場，就變?yōu)橐粋€大型的蓄水系統(tǒng)。這樣，所有的道路上就不會有積水出現，巧妙解決了城市內澇的難題。

2 雨水回收利用技術

2.1 屋頂雨水處理技術

屋頂雨水收集利用系統(tǒng)主要用于家庭、公共場所和企事業(yè)單位的非飲用水，如草地澆灌、道路清洗、洗車等[3]。這里主要有屋頂雨水徑流自然沉淀和混凝沉淀兩種沉淀方式，自然沉淀簡單有效，但需要足夠長的停留時間；混凝沉淀處理更高效干凈，但成本高[4]。一般，屋面雨水采用投加混凝劑后直接過濾、消毒的方式。雨水首先通過系統(tǒng)中的濾網進入初期棄流裝置，不達標的雨水排入棄流管道，達標的雨水輸送到蓄水池，同時多余的雨水經溢流管道流出，對蓄水池中的雨水混凝加藥，排入濾池后消毒加藥，經處理后的雨水輸送至供水調節(jié)池，最終被利用。

2.2 滲透型雨水處理技術

“海綿城市”建設的核心是建設水生態(tài)基礎設施，由于水是流動且循環(huán)的，所以建設海綿城市就要解決自然積存、自然滲透、自然凈化的水問題。滲透型雨水處理技術有水質凈化、補充地下水等作用，是建設海綿城市必不可少的技術。雨水滲透設施有滲透管溝、滲透地面等，滲透設施的構造、設計參數、施工管理應根據當地地質條件、地下水位等具體條件試驗確定，還應考慮大氣、地面污染對雨水水質的影響[5]。

滲水地面主要分為人工滲水地面和天然滲水地面兩種，而天然深水地面又以綠地為主。綠地不僅滲透能力強，而且植物根系能對雨水徑流中的懸浮物、雜質等起到一定的凈化作用[6]。在城市綠化時建立下凹式綠地，地面略高于綠地，在綠地內設雨水滯留設施[7]。雨水進入凹式綠地后流入淺草溝，淺草溝由兩層組成，上層是種植有草類植物的淺水洼，下層是鋪有礫石的滲透渠，雨水被儲存以后可以釋放以補充地下水，多余的還可以排入市政管網。

滲水管的占地面積小，適用于舊排水管網改造利用和水質較好的地區(qū)，建設海綿城市是個大工程，使用滲水管不僅盡可能地減少占地面積，還可以減小經濟負擔。管材周圍一般填充粒徑20～30mm的礫石，雨水通過埋于地下的滲水管向四周土壤層滲透。起到減小城市排水管網負擔和涵養(yǎng)地下水的作用。但當滲水管被堵塞時，滲透能力會下降且很難清洗恢復。

2.3 雨水含水層儲存及回收技術

雨水含水層儲存及回收技術的水源主要是城市暴雨徑流及經處理的廢水，雨水含水層儲存及回收技術有直接回灌和入滲回灌兩種方式。直接回灌即把雨水直接打到含水層而不通過土壤，這種方法補給地下水的能力高，但污染地下水的可能較大。入滲回灌是雨水先通過下層土壤再到達含水層，污染地下水的可能較小[8]?；诤＞d城市的建設，先通過濕地截流處理后的雨水，經此技術收集至含水層，可以改善因雨水含水層儲存及回收技術在入滲過程中改善雨水水質能力低的缺點帶來的問題。這個技術更適用于地下水開采過度的地區(qū)。

2.4 雨水綜合利用技術

由于地面雨水、屋面雨水、市政雨水的水質各不相同，初期的收集工作需要分開進行。地面雨水受污染嚴重，先通過綠地滲透改善水質再進入蓄水池。屋面雨水的水質較好，通過簡單的截污處理后進入蓄水池[9]。市政雨水直接進入市政管網的檢查井，經城市排水管網排至污水廠。蓄水池中的雨水資源統(tǒng)一進行混凝、過濾、消毒的處理后達到使用標準，供市民使用。雨水綜合利用技術能極大提高城市回用雨水的質量，雨水綜合利用工藝流程如圖1所示。

圖1 雨水綜合利用工藝流程

2.5 地下管廊雨水收集利用技術

傳統(tǒng)的市政管線多采用直接埋設或架空的方式，但直埋市政管線會有城市道路反復開挖、交通阻滯等帶來的較大經濟損失和對居民生活產生的不便，而綜合管廊充分利用地下空間，不僅將各管線集合，還美化了城市空間環(huán)境。綜合管廊使用壽命至少為50年，并且具有可維護性和抗震防災性[10]。建設海綿城市與綜合管廊相結合，可以打造出現代化的綠色城市，有效解決城市內澇的問題并防止“看海”現象的出現。

雨水管與綜合管廊有機結合，沿雨水管線設多個收集站，地面雨水先匯入收集站，由水泵打入雨水管，輸送至雨污處理廠，若有多余的雨水，則繼續(xù)沿雨水管線流入大型河流湖泊中，經處理達標的雨水再通過綜合管廊內回用水管道輸送到城市各處，用作景觀、綠化、噴灑道路及沖廁用水。由于雨水管在地勢較平坦的地段易出現淤堵現象，在綜合管廊加設雨水管線時應沿途設置加壓泵房或盡量避開這類地段以減少淤堵現象發(fā)生的可能性。

3 結論

我國是人口大國，城市雨水回收利用有很好的前景，若是使雨水回收利用變得普及，可以有效解決城市內澇和缺水兩大難題，這樣可節(jié)約相當大部分的能源，取得可觀的經濟、環(huán)境效益。需要特別注意的是，建設“海綿城市”不等于大搞水利基建工程。對城市現有的草地、樹林、濕地、湖泊等進行保護和修復，充分調動大自然的雨水消化和儲存是海綿城市建設的關鍵。我國在城市化建設過程中出現了道路地面硬化過度、城市樹木砍伐和湖泊濕地破壞的問題，這些嚴重破壞了土壤、樹木和湖泊的滲水和蓄水功能?？傊ㄔO海綿城市要充分發(fā)揮自然與城市的綠色和諧統(tǒng)一。

[1] 仇保興.海綿城市(LID)的內涵、途徑與展望[J].建設科技, 2015(2):11-18.

[2] 李俊奇,車武.德國城市雨水利用技術考察分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2002(1):47-49.

[3] 胡倩.城市雨水利用系統(tǒng)研究[D].北京林業(yè)大學,2008:10-11.

[4] 胡曉亮,王啟山,王效琴,等.城市雨水利用的技術經濟與環(huán)境影響分析[J].海河水利,2007(4):37-40.

[5] 程群.城市區(qū)域雨水和中水的聯(lián)合利用研究[D].浙江:浙江大學,2007:14-36.

[6] 呂玲,吳普特,趙西寧,等.城市雨水利用研究進展與發(fā)展趨勢[J].中國水土保持科學,2009,7(1):118-123.

[7] 李梅,李佩成,于曉晶.城市雨水收集模式和處理技術[J].山東建筑大學學報,2007,22(6):517-520.

[8] 金龍,王志標.我國城市雨水利用適用技術[J].市政技術,2007,25(1):51-53.

[9] 王鵬.建筑與社區(qū)雨水收集利用系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學,2011:6-9.

[10] 施衛(wèi)紅.城市地下綜合管廊發(fā)展及應用探討[J].中外建筑,2015(12):103-106.

Existing Circumstances and Development of Rainwater Utilization Technology based on Sponge City

LUORuijie1,QIXuejun1*,ZHANGYangnan2,ZHANGFengqi1

(1. School of Architectural and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The existing circumstances of utilization technology for rainwater recycling in major countries and regions in the world are summarized. In this paper, the roof rainwater treatment technology, infiltration treatment technology for rainwater, rainwater aquifer storage and recovery technology, rainwater utilization technology and underground pipeline are introduced. The key point to sponge city in China is the protection and restoration of existing grassland, forests, wetlands, lakes, and to prohibit large scale water conservancy project construction.

sponge city;rainwater utilization; water resource

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.006

2016-07-16

國家自然科學基金“氣候變化下長江江源區(qū)水文環(huán)境和徑流時空演變與預測研究”(41271045)；西華杯“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)登峰計劃項目”(201506)；西華大學校級重點項目“Fe對低階煤氣化催化作用機理的研究”(Z1510612)

羅芮婕(1996— )，女(漢族)，四川成都人，在讀本科生，研究方向：建筑環(huán)境與能源應用工程。 齊學軍(1983— )，男(滿族)，河南南陽人，講師，博士，研究方向：建筑節(jié)能技術，通信作者郵箱：xuejunqi@foxmail.com。

TU991

A

2095-5383(2016)04-0019-03