城市雨水資源綜合利用方案及效益分析

方佩佩++曾紅艷

摘要：針對我國雨水資源豐富卻未能充分利用的現(xiàn)象，分析了全國降雨特點(diǎn)及綠色城市建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合水能發(fā)電原理及海綿城市理念，提出了城市雨水綜合利用方案。研究出基于降水落差機(jī)械能的“水照明”燈，主要闡明了其應(yīng)用前景和對我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用。

關(guān)鍵詞：雨水資源；節(jié)能；海綿城市；環(huán)保

中圖分類號：TU984

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2017）10017802

1 引言

近幾十年來，我國水利事業(yè)高速發(fā)展，全國各地出現(xiàn)了大大小小的水庫電站。然而這些水庫電站只能對在空間上已經(jīng)相對集中的水資源進(jìn)行利用，而相對不集中的城市降水卻沒有很好地給人們帶來方便，反而在某種程度上形成危害。以2016年為例，南方地區(qū)先后出現(xiàn)20多次強(qiáng)降雨過程，全國降水量比往年同期多23%，最大點(diǎn)日雨量達(dá)493 mm。雖然我國具有豐富的雨水資源，年均總量超過6萬億m3。然而，我國大部分城市大量雨水資源白白流失，雨水利用率竟不到1%。甚至，我國有40%以上的人口生活在缺水地區(qū)，有400多座城市缺水，其中108座嚴(yán)重缺水，1.6億人的城市居民受影響。任何活動都離不開水的參與，水資源不能好好控制并加以利用，已是一個關(guān)系到未來國家命脈的問題。

事實(shí)上，我國尤其是南方有著豐富的降水，平均年降水量在800 mm以上，而浙江、福建、海南、廣東等部分地區(qū)的年降水量甚至超過1600 mm。如果能將這些豐富的雨水資源充分利用，將是一筆不菲的經(jīng)濟(jì)收入。同時，這種直接利用自然資源的方式，基本不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，對我國的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化也起著一定的作用。針對這種雨水資源泛濫，卻不能有效利用的現(xiàn)象，提出了一種有效利用雨水資源的方案，實(shí)現(xiàn)了雨水的多層次利用。

2 城市雨水綜合利用方案

2.1 方案原理

2.1.1 能量守恒定律

能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而能量的總量保持不變。在地球與雨水組成的封閉系統(tǒng)中，當(dāng)雨水從高處下落時，引起系統(tǒng)勢能的減少，根據(jù)能量守恒定律，雨水勢能的減少必然會引起其他能量的增加。

2.1.2 發(fā)電設(shè)備工作原理

水輪機(jī)是一種水力機(jī)械，也就是在液體和固體之間進(jìn)行機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。水輪機(jī)以水作為工作介質(zhì)，主要將水的動能和勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，這種機(jī)械能再通過主軸傳遞出去[1]。

2.1.3 海綿城市

建海綿城市首先要有“海綿體”。城市“海綿體”既包括河、湖、池塘等水系，也包括綠地、花園、可滲透路面這樣的城市配套設(shè)施。雨水通過這些海綿體“下滲、滯蓄、凈化、回用”，最后剩余部分徑流通過管網(wǎng)、泵站外排，從而可有效提高城市排水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，緩減城市內(nèi)澇的壓力。

2.2 方案詳細(xì)說明

該方案采用的主要載體由集水裝置、照明系統(tǒng)、燈柱、發(fā)電設(shè)備、儲電設(shè)備、集水系統(tǒng)六大部分組成（圖1）。在燈柱頂端設(shè)集水裝置，并將燈桿設(shè)置為空心圓柱，在空心圓柱底端設(shè)置有將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置及儲電設(shè)備，并且在柱底設(shè)置集水管道，將雨水二次利用于灌溉等。集水裝置收集到的雨水從上端下泄時具有足夠的機(jī)械能，當(dāng)其到達(dá)底端時，使發(fā)電裝置產(chǎn)生一定的電能，將這部分電能存儲在蓄電池中供路燈照明（圖2）。

2.2.1 集水裝置

集水裝置整體為漏斗狀，有一定的集水體積，為了具有一定的美觀性并改善照明情況，可以將漏斗四周設(shè)計(jì)為荷葉片狀。漏斗下端設(shè)有出水口，相當(dāng)于沖擊式水輪機(jī)的噴嘴。出水口處有開合裝置，該裝置受感應(yīng)裝置控制，當(dāng)集水達(dá)到一定的高度，壓力達(dá)到設(shè)定值時，出水口開放，水流高速下泄，沖擊水輪機(jī)葉片，帶動發(fā)電。

2.2.2 燈柱改進(jìn)

與傳統(tǒng)燈柱比較，在空心圓柱內(nèi)部設(shè)有細(xì)長圓管，用與引導(dǎo)雨水下泄，空心燈柱的管徑厚度需滿足強(qiáng)度要求。為方便發(fā)電設(shè)備和儲電設(shè)備的安放并且增大路燈的穩(wěn)定性，可適當(dāng)增大燈柱下部直徑，對于燈柱高度，同一街道燈具安裝高度必須一致（發(fā)光中心到地面高度）[2]。

2.2.3 發(fā)電設(shè)備

發(fā)電設(shè)備為微型水力發(fā)電機(jī)，安裝在燈柱底部。集水漏斗至燈柱底部有一定的水頭落差，從引水管道出來的射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向沖擊輪葉，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。針對不同水頭水源，從10 m左右到100 m的水頭都可以，水量相對要求不大。根據(jù)水頭落差并且配合對應(yīng)的水管要求，可以達(dá)到多種功率。使用蓄電池將降雨時產(chǎn)生的電能儲存起來，在需要時供路燈照明。

2.2.4 集水系統(tǒng)

在每個燈柱底部設(shè)有出水管道，將發(fā)電后的雨水收集，統(tǒng)一進(jìn)入儲水設(shè)備。下降的雨水通過集水系統(tǒng)匯集進(jìn)入蓄水池，或者與“海綿城市”工程地下管道系統(tǒng)相通。收集的雨水用于日常綠化帶的灌溉、公共廁所沖水、灑水車取水等，當(dāng)降雨量超過蓄水池容量時，通過感應(yīng)開關(guān)打開池底閥門，將多余的雨水排入城市排水系統(tǒng)。

3 海綿城市系統(tǒng)

“海綿城市”是以“自然積存、自然滲透、自然凈化”為特征，字里行間反映出與傳統(tǒng)的工程思維下“水適應(yīng)人”的治水思路截然不同。城市應(yīng)該是一種“人適應(yīng)水”的景觀，即“水適應(yīng)性景觀”。 “海綿”即是以景觀為載體的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施完整的土地生命系統(tǒng)，自身具備復(fù)雜而豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，這是“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”理論的核心思想，聚焦到“水問題”上，這一理論表明，城市的每一寸土地都具備一定的雨洪調(diào)蓄、水源涵養(yǎng)、雨污凈化等功能，這也是“海綿城市”構(gòu)建的基礎(chǔ)。它提供給人類最基本的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，是城市發(fā)展的剛性骨架。從水安全格局到水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，它不僅僅維護(hù)了城市雨澇調(diào)蓄、水源保護(hù)和涵養(yǎng)、地下水回補(bǔ)、雨污凈化、棲息地修復(fù)、土壤凈化等重要的水生態(tài)過程，而且它是可以在空間上被科學(xué)辨識并落地操作的。所以，“海綿”不是一個虛的概念，它對應(yīng)著的是實(shí)實(shí)在在的景觀格局[3]。城市雨水綜合利用方案與海綿城市系統(tǒng)巧妙結(jié)合，解決了城市降水量時空分布不均帶來的不利影響。

4 雨水利用綜合效益分析

首先，該方案將發(fā)電設(shè)備和日常公共設(shè)施相結(jié)合，將雨水的能量充分利用，轉(zhuǎn)化為電能，并且雨水這一天然資源，有著無盡的供應(yīng)來源，天然環(huán)保零成本，且收集方便，無需處理即刻利用；其次，發(fā)電后的雨水通過收集二次利用，增加了廢水的利用價值，實(shí)現(xiàn)了水源的可循環(huán)利用；再者，結(jié)合“海綿城市”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。這樣既產(chǎn)生了一部分電能，又節(jié)約了大量的水資源，實(shí)現(xiàn)了雨水資源的多次利用，符合當(dāng)前我國提倡的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、綠色的發(fā)展理念[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]

李方方. 水輪發(fā)電機(jī)組智能控制研究[J]. 華北水利水電學(xué)院，2007（4）.

[2]周 暉，王建鋒，聶引飛.公路路燈設(shè)計(jì)探討[J].中國西部科技，2009（8）.

[3]俞孔堅(jiān)，李迪華，袁 弘，等. “海綿城市”理論與實(shí)踐[J]. 城市規(guī)劃，2015（6）：26～36.

[4]王 浩，楊愛民.國內(nèi)外城市雨水利用情況評述[J].北京科協(xié)，2002（10）.