國內(nèi)外雨水利用現(xiàn)狀

毛 健

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

淡水資源匱乏已經(jīng)成為制約城市化發(fā)展的重要因素，如何實(shí)現(xiàn)淡水資源的開源節(jié)流已經(jīng)成為迫在眉睫的問題?？缛?0世紀(jì)以來，我國城市化水平隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷提高，城鎮(zhèn)化率由2000年底的36.22%提升為2018年底的59.58%；與此同時，城市化對淡水資源的需求量也進(jìn)一步加大，供水總量由2000年的5530.7億m3提升為2018年的6015.5億m3。城市化作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的產(chǎn)物，見證了社會文明的進(jìn)步，但在城市快速擴(kuò)張過程中也暴露了不少矛盾，帶來了諸多因水而生的問題。徑流污染、城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)和水質(zhì)型缺水等問題伴隨城市化的進(jìn)程時有發(fā)生[1-3]。

針對水資源短缺的問題，目前世界各國都將雨水收集利用作為主要突破口之一。雨水作為一種相對豐富的淡水資源，相較于城市污水和建筑中水，其水質(zhì)條件更為良好，處理成本也更為低廉，經(jīng)過適當(dāng)處理后即可滿足生活雜用和工業(yè)應(yīng)用，深度消毒后也可作為飲用水源補(bǔ)充用水。如果能將“過剩”雨水加以收集利用，不僅能緩解淡水資源短缺的問題，更能夠減輕城市防洪排澇的安全壓力，降低城市徑流污染和面源污染的危害，最終實(shí)現(xiàn)雨水資源的合理利用，變害為利，對于海綿城市建設(shè)也大有裨益。雨水相對清潔、低成本、易收集、易蓄集的特性使得雨水的收集利用具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 城市雨水利用技術(shù)類型

1.1 雨水直接利用技術(shù)

雨水直接利用技術(shù)指利用屋面、道路、廣場、停車場等不透水區(qū)域作為集水面收集雨水，收集的雨水經(jīng)適度的處理后用于沖廁、綠化、洗滌、消防和景觀等非飲用水的補(bǔ)充水源，從而減少市政供水的使用，改善地表徑流污染。由于降雨存在時空分布的差異性，雨水無法滿足作為獨(dú)立水源的條件，往往需要和其他水源互相補(bǔ)充。雨水直接利用系統(tǒng)一般包括收集、棄流、輸送、處理、儲存以及配水等幾個部分。根據(jù)《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2002)標(biāo)準(zhǔn)和回用水目的對雨水進(jìn)行適度處理，確?；赜糜晁踩那疤嵯陆档瓦\(yùn)行成本。城市雜用水水質(zhì)主要基本控制項(xiàng)目及限值見表1。

表1 城市雜用水水質(zhì)主要基本控制項(xiàng)目及限值

1.2 雨水間接利用技術(shù)

雨水間接利用技術(shù)主要利用裝路面、滲透井、綠地、濕地等人工或自然滲透面，結(jié)合物理過濾和生物凈化去除污染物，從而延長徑流時間，減緩徑流流速，回灌地下水，改善地下水超采和地面下陷的問題，最終修復(fù)自然水系循環(huán)過程。孫丹淼等[4]利用中粗砂和沸石改良上海浦東某已建居住社區(qū)綠地滲透性，改良后土壤滲透性顯著提高，具備良好的截留和凈化污染物能力，可為緩解城市雨水徑流污染，改良城市綠地土壤滲透性提供借鑒。汪艷寧等[5]研究植被滲透淺溝對城市暴雨徑流的調(diào)蓄效應(yīng)，結(jié)果表明植被滲透淺溝能起到延緩和削減洪峰、加強(qiáng)城市排水安全保障的重要作用。

1.3 雨水綜合利用技術(shù)

雨水綜合利用涉及雨水下滲、調(diào)蓄、回用和環(huán)境保護(hù)等方面，需要根據(jù)用水目的有選擇性的選擇雨水直接和間接利用，這種技術(shù)更加安全、可靠，是雨水綜合利用的最高水平。雨水綜合利用是指降雨初期盡可能使得雨水儲存在土壤涵養(yǎng)層，土壤涵養(yǎng)層的雨水一部分被植物根系吸收，維持土壤含水率，一部分補(bǔ)充地下水，促進(jìn)自然水循環(huán)，防止地面沉降；待土壤涵養(yǎng)層含水率趨于飽和后，后續(xù)降雨可能會造成溢流或徑流污染，此時根據(jù)城市用水需要或儲水能力集蓄雨水，對于過量雨水，利用城市雨水管網(wǎng)排放[6]，示意圖見圖1。何強(qiáng)等[7]利用綠色建筑小區(qū)雨水資源化綜合利用技術(shù)，集成優(yōu)化小區(qū)雨水收集、滲透、處理、回用系統(tǒng)，具備管理方便、成本低廉的特點(diǎn)。

圖1 雨水綜合利用示意圖[7]

Fig.1 Comprehensive utilization of rainwater

2 國內(nèi)外雨水工程

2.1 德國雨水利用工程

德國自1989年制定了《雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》后，雨水利用步入標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化并逐步向集成化、綜合化發(fā)展，建成了眾多的雨水利用工程。德國城市雨水利用技術(shù)主要包括：屋面雨水利用、雨水屋頂花園利用系統(tǒng)、雨水截污與滲透系統(tǒng)、生態(tài)小區(qū)雨水利用系統(tǒng)[8]。屋面雨水集蓄主要布置于家庭單體分散式系統(tǒng)或者建筑群集中系統(tǒng)，可用于家庭、公共或工業(yè)的非飲用水源。屋面雨水集蓄系統(tǒng)主要由集雨區(qū)(屋頂)、輸水系統(tǒng)、截污凈化系統(tǒng)(如過濾)、儲存系統(tǒng)(地下水池或水箱)以及配水系統(tǒng)等幾部分組成，當(dāng)降雨量較多時“多余”雨水利用滲透系統(tǒng)排放。法蘭克福Possmann蘋果軋汁廠和Ludwigshafen公共汽車洗車工程均回收利用屋面雨水作為工業(yè)用水補(bǔ)充水源。

德國針對成規(guī)模的小區(qū)采用雨水回用與景觀結(jié)合的方式綜合利用雨水。德國漢諾威Kronsberg小區(qū)利用雨水用作灌溉和環(huán)境用水，在雨水供應(yīng)不足時補(bǔ)充市政用水，小區(qū)采用綠地、入滲溝、洼地以及透水人行道等多種措施節(jié)蓄雨水。此外，德國在商業(yè)開發(fā)區(qū)將雨水資源與城市開發(fā)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會、效益的有機(jī)統(tǒng)一。柏林Potsdamer廣場工程建有屋頂花園、雨水儲存池、人工濕地，利用植物和土壤凈化雨水，將雨水作為城市景觀水體的一部分。慕尼黑國際展覽中心地下設(shè)有雨水蓄水池，暴雨季節(jié)將“多余”雨水輸送至人工湖，經(jīng)處理后雨水下滲補(bǔ)充地下水，實(shí)現(xiàn)水系的自然循環(huán)[8-10]。

2.2 美國雨水利用工程

美國的雨水利用常以提高天然入滲能力為目的，在多個城市建立了屋面雨水回用設(shè)施和地表回灌系統(tǒng)。2005年美國喬治亞州坎通市的萬人工廠停車場生態(tài)設(shè)計項(xiàng)目運(yùn)用雨水花園的理念，利用地形分散引導(dǎo)雨水進(jìn)入周圍濕地，發(fā)揮了雨水的生態(tài)和景觀效益。2006年美國俄勒岡州波特蘭市的西南第12大道綠街工程，將街道人行區(qū)的部分種植區(qū)改造為雨水花園，設(shè)計雨水收集池作為種植池，削減了雨水徑流污染的同時營造了極具美感的生態(tài)景觀。2007年美國俄勒岡州波特蘭市的塔博爾山中學(xué)雨水花園項(xiàng)目，將舊有的停車場庭院改造為雨水花園，有效收集了地表徑流，改善局部氣候[11]。

2.3 日本雨水利用工程

日本水資源匱乏，政府除鼓勵提高水利用率和使用循環(huán)水，也一直在開辟獲取新的水資源，雨水作為一種可補(bǔ)充水源，因水質(zhì)優(yōu)良、獲取便捷、成本低廉獲得了極大的關(guān)注。20世紀(jì)60年代，日本開始利用洼地和地面滲透系統(tǒng)收集雨水，興建蓄洪池儲存雨水，將雨水用于路面噴灑和綠地灌溉。1980年日本建設(shè)省開始推行雨水貯留滲透計劃，利用下滲雨水補(bǔ)充地下水，改善自然水系循環(huán)。在公園、綠地、庭院、停車場、建筑物、運(yùn)動場和道路等場所設(shè)置滲透設(shè)施如：透池、滲透管、滲透井、透水性鋪蓋、浸透側(cè)溝、調(diào)節(jié)池和綠地等。基于此背景，日本建設(shè)了一批雨水利用工程。日本東京江東區(qū)文化中心的雨水設(shè)施集雨能力占其年用水量的45%；東京都兩國國技館雨水貯槽容量為為1000 t，雨水使用約占總用水量的33%；大阪道頓崛利用雨水調(diào)蓄隧道儲存25個合流制排水口的溢流雨水；此外，日本甚至將雨水作為商品出口阿拉伯國家，實(shí)現(xiàn)了一定的經(jīng)濟(jì)效益[12-14]。

2.4 我國雨水利用工程

我國的城市雨水收集利用在我國起步較晚，自20世紀(jì)80年代起陸續(xù)開展雨水收集利用的研究與實(shí)踐，多應(yīng)用于干旱缺水地區(qū)的小型、非標(biāo)準(zhǔn)局部應(yīng)用。甘肅“121”雨水集流工程、內(nèi)蒙古“112集雨節(jié)水灌溉工程”、寧夏“小水窖工程”、陜西“甘露工程”、山東長島縣和浙江舟山市局部雨水收集利用工程相繼展開[15-16]。步入21世紀(jì)后，我國城市雨水利用進(jìn)程明顯加快，雨水收集利用水平逐步提高，北京、上海、西安等城市陸續(xù)實(shí)施了一批雨水收集利用工程。2008年北京奧運(yùn)會期間，北京市除建成奧林匹克公園中心區(qū)的雨水收集利用系統(tǒng)，在各奧運(yùn)場館及人行道、廣場、庭院、廣場廣泛應(yīng)用透水磚，減少了地表徑流和污染，補(bǔ)充了地下水源。為恢復(fù)恢復(fù)“八水繞長安”盛景，西安市政府近年來積極支持雨水收集利用示范項(xiàng)目建設(shè)，2016年戶縣玉立芳華幼兒園新建雨水收集利用工程，經(jīng)簡單處理后，可用于綠化灌溉、景觀噴泉等，實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約利用和優(yōu)化配置。上海市先后在國家會展中心展廳(上海)和上海中心大廈利用虹吸式雨水系統(tǒng)收集利用雨水；上海世博園核心區(qū)域采用了雨水回收利用系統(tǒng)，利用屋頂綠化、淺層地下雨水蓄滲、低勢綠地、滲透瀝青路面與廣場等措施集蓄和下滲雨水[17-20]。

3 結(jié)語

雨水作為一種清潔的淡水資源，獲取便捷、價格低廉，對于緩解城市水資源危機(jī)，城市內(nèi)澇和城市徑流污染十分重要，因而在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。相較于國外，我國的雨水管理法規(guī)和雨水利用工程起步較晚。近年來，以北京、上海為代表的國內(nèi)城市陸續(xù)開展雨水收集利用工程，取得了顯著成果。各部委及地方政府也有針對性地出臺了一系列雨水管理法規(guī)，對于雨水收集利用甚至海綿城市建設(shè)都十分有幫助。