西安市城區(qū)雨水資源化利用研究

高 寧，張紫紅，楊永紅，王烘艷，盧 輝

（西安交通工程學院 土木工程學院，陜西 西安 710300）

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的加快，許多城市面臨著水資源短缺、水環(huán)境污染嚴重、地下水過量開采等諸多水資源問題?！俺鞘锌春！焙统鞘袃?nèi)澇現(xiàn)象頻繁發(fā)生，造成了重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。我國雖然雨水資源豐富，但大部分城市并未重視雨水的資源化利用，城市規(guī)劃設(shè)計中未涉及雨水貯存利用設(shè)施，降落的雨水資源白白流失，迫切需要在城市建設(shè)中構(gòu)建完善的雨水資源利用系統(tǒng)，緩解城市供需用水矛盾。

1 西安城區(qū)雨水資源化利用的迫切性

西安市位于黃河流域中部關(guān)中盆地，是我國14個水資源較為缺乏的城市之一。西安市年平均降雨量為613.7 mm，降雨時間主要集中在5～10月，降雨量占全年的78%，降雨在時空上分布不均勻。隨著城市化的發(fā)展和人們生活水平的提高，居民用水和工業(yè)用水也在逐年增加，水資源缺乏的問題日益突出。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果，西安市主要河流的水質(zhì)只有兩條合格，其中渭河、皂河、澇河、灃河、浐河因受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市污廢水的影響，污染嚴重，均屬于V類水質(zhì)，難以被再次利用。近年來，西安市地下水資源開采過量，超采區(qū)面積達到601.3 km2，年平均超采量達到2 286.7萬m3，西安市中心深層承壓水水位大幅下降，近30年每年平均下降3～4 m，形成區(qū)域性漏斗。地下水的超量開采還導(dǎo)致了地面沉降、地面及建筑物裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題。文獻采用多元線性逐步回歸模型對2019～2022年西安市全年的用水總量進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，到2022年西安市的全年用水總量將達到128800萬m3，水資源供需矛盾更加突出。

2 西安市雨水資源化利用途徑

2.1 加強雨水資源化利用制度的建立

國家政策的引導(dǎo)有利于雨水資源利用技術(shù)及設(shè)施的應(yīng)用與推廣，國家、地方、行業(yè)標準的制定可以進一步完善雨水資源收集利用系統(tǒng)的功能，提升雨水資源化利用的效率。日本、美國、德國等發(fā)達國家經(jīng)過發(fā)展已相繼形成各自的雨水控制利用標準體系，美國賓夕法尼亞州、佛羅里達州和科羅拉多州分別制定了《雨水利用條例》，并做出強制規(guī)定：所有新開發(fā)區(qū)必須就地滯洪蓄水，開發(fā)后雨洪流量不得超過開發(fā)前的水平。德國于1989年頒布了《雨水利用設(shè)施標準》，標志著德國雨水利用技術(shù)的成熟，1992年開發(fā)了“第二代”雨水利用技術(shù)，在21世紀初形成了“第三代”雨水利用技術(shù)及相關(guān)標準。1992年日本頒布了“第二代城市下水總體規(guī)劃”，對于新建和改建的大型公共建筑群要求其必須設(shè)置雨水就近下滲設(shè)施。

我國目前缺乏關(guān)于雨水收集回用的技術(shù)導(dǎo)則，僅有《北京市水資源管理條例（1991）》和《關(guān)于加強建設(shè)工程用地內(nèi)雨水資源利用的暫行規(guī)定（2003）》兩部地方性的水資源利用條例，其內(nèi)容比較簡單，無法有效指導(dǎo)實際工作。因此，為有效開展城市雨水資源化利用工作，西安市需要充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范制定的先進經(jīng)驗，結(jié)合地區(qū)自然條件、水文環(huán)境、土壤特征及降雨類型編制相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、法律法規(guī)等指導(dǎo)性文件，做好頂層設(shè)計，為雨水資源化利用的推廣與實施奠定基礎(chǔ)。

2.2 加強雨水資源化利用的宣傳

我國在秦漢時期就有關(guān)于修建池塘對雨水進行集蓄利用的相關(guān)記錄，西北地區(qū)修筑水窖用于雨水貯存也有幾百年的歷史，但在城市中對雨水進行資源化利用起步較晚，直到21世紀初，各主要城市才開始重視雨水資源化利用。在西安市水資源日益緊張，城市內(nèi)澇頻發(fā)，地下水位嚴重下降的背景下，加強城市雨水資源化利用對城市經(jīng)濟發(fā)展重要性的宣傳，將其放在戰(zhàn)略的高度來重視，改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的“雨水排放在前，利用在后”的用水觀念，把雨水作為城市新水源加以集蓄利用具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 有效利用雨水資源化技術(shù)

“海綿城市”的技術(shù)核心為“滲、滯、蓄、凈、用、排”。建設(shè)海綿城市為雨水的資源化利用提供了一種新思路，2016年西安市政府出臺了《西安市海綿城市建設(shè)實施方案》，方案確定西安市海綿城市建設(shè)的近期、中期和遠期目標，在“十三五”期間，西安市20%以上的建成區(qū)實現(xiàn)對70%的降雨就地消納和利用，到2030年城市建成區(qū)的80%以上面積要達到對降雨的就地消納利用。結(jié)合西安市海綿城市建設(shè)的相關(guān)要求，因地制宜，有效利用雨水資源化技術(shù)改善西安市供需用水矛盾。

2.3.1 道路雨水利用

城市道路主要包括機動車道和非機動車道兩種，目前，西安市機動車道多采用混凝土或瀝青等不透水路面，雨水降落至路面很快以徑流的形式先排至市政管網(wǎng)，再排至附近的自然水體。一方面，短時間內(nèi)雨水徑流量大大增加，當超過市政雨水管網(wǎng)排放能力時，造成城市區(qū)域內(nèi)澇，另一方面，降雨初期雨水中包含大量的懸浮固體、重金屬、COD等污染物，不進行處理直接排放，會引起自然水體的污染。另外，不加利用直接排放會造成雨水資源的白白浪費。從滿足城市雨洪控制和雨水資源利用出發(fā)，可將雨水通過雨水口引入設(shè)置在機動車道之間及機動車道和非機動車道之間的下凹式綠地，如圖1所示。綠地可對雨水就地消納、下滲，同時可在綠地中鋪設(shè)碎石，分路段在綠化帶下修建蓄水池進行雨水收集。

圖1 下凹式綠地

非機動車道可采用含有很大比例連通孔隙的混凝土制品進行透水鋪裝。為滿足雨水資源化利用要求，透水路面的強度應(yīng)大于30MP，保證降雨在1 mm/s的情況下隨降隨滲，地面不會產(chǎn)生積水，過濾層采用粗沙，主要對雨水進行初步凈化。粗砂下面鋪設(shè)碎石層，可對雨水進行短時貯存，防止雨水在土壤中下滲不及時產(chǎn)生積水現(xiàn)象。當降雨較大時，透水路面中碎石層產(chǎn)生雨水積蓄不能迅速下滲土壤，可在其中設(shè)置排水管道，將排水管道末端與蓄水池或雨水管相連，盡快排除碎石層中積水，確保路面不積水。通過透水鋪裝可有效減少雨水徑流，補充地下水，同時通過墊層收集系統(tǒng)下滲雨水，減輕城市雨水排水系統(tǒng)的壓力。

2.3.2 雨水花園

雨水花園由土壤、砂石、植物等自然要素和相關(guān)景觀建造技術(shù)構(gòu)建，能夠用于暴雨管理，是一種具有良好景觀效果的生物滯留系統(tǒng)，在減輕城市化進程對水文和水質(zhì)的負面影響上具有積極意義。在海綿城市中，雨水花園常用于收集屋面與道路的雨水，雨水在其中經(jīng)過植物根系的攔截作用，沙土的過濾作用而被凈化，隨后可充當中水用于洗車、沖廁或灑掃道路，或直接補充地下水。道路中的雨水流入雨水花園后，能夠被花園中的自然景觀吸收、減速、滯留、凈化并下滲，從而水量被削弱。其設(shè)計形式根據(jù)規(guī)模大小有種植池、雨水種植溝、路牙擴展池和雨水滲透園等。文獻對西安市雨水花園的蓄滲能力進行實際觀測并通過理論分析，發(fā)現(xiàn)雨水花園結(jié)合城市景觀設(shè)計建造可顯著增加雨水的下滲，削減雨洪徑流量，補充地下水資源，有效緩解城市雨洪造成的排泄壓力，同時可凈化雨水水質(zhì)，改善城市生態(tài)環(huán)境。雨水花園可有效去除懸浮物、化學需氧量、氮和磷。

2.3.3 屋面雨水的利用

降落到屋面的雨水可通過集蓄系統(tǒng)和綠色屋頂兩種方式加以利用。城市中每幢建筑屋面都可對雨水進行收集利用，根據(jù)《西安市城市總體規(guī)劃》（2004～2020）西安市主城區(qū)居住建設(shè)屋面可達到189萬m2，按照60%的屋面可以收集雨水，結(jié)合西安市的年平均降雨量，由此可見西安城區(qū)建筑屋面可收集利用的雨水量相當可觀。屋面雨水集蓄系統(tǒng)，是將降落到屋面的雨水匯集，經(jīng)過雨落管流入沙礫層，進行簡單過濾后，沿輸水管進入地下蓄水池。在蓄水池中可添加混凝劑，去除水中的懸浮固體、膠體等物質(zhì)，蓄水池一方面可起到蓄水作用，另一方面具有沉淀的作用。再通過壓力泵提升到壓力濾池中，經(jīng)簡單過濾后添加消毒劑進行消毒。最后利用中水管網(wǎng)將處理過的雨水沖洗衛(wèi)生器具、洗車、消防、綠化，灑掃路面，補充景觀用水。

在屋頂種植綠色植物不僅能削減雨水徑流量、改善生態(tài)環(huán)境、拓展城市綠色空間，凈化水質(zhì)，同時弱化熱島效應(yīng)、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、提高屋頂?shù)母魺嵝Ч?，還可作為雨水集蓄利用和滲透的預(yù)處理技術(shù)。西安市位于暖溫帶半濕潤的季風氣候區(qū)，四季分明，雨量適中，但降雨季節(jié)性變化較大，一般集中在5-10月，占全年降雨量的78%。根據(jù)西安市的降雨特點，綠色屋頂應(yīng)當綜合考慮雨季和旱季的雨水資源利用。旱季時短時降雨可通過草坪型綠化屋面進行截留下滲，暴雨時可同時結(jié)合雨水集蓄系統(tǒng)收集回用。

3 結(jié)論

文章通過對西安市水資源利用現(xiàn)狀及雨水利用的必要性進行分析，認為雨水是解決城市供需用水矛盾、水污染嚴重的有效措施之一。從雨水利用相關(guān)制度建立及完善、宣傳力度、利用技術(shù)三個方面對雨水資源化進行了分析。

從目前城市發(fā)展面臨的水資源短缺問題出發(fā)，雨水利用具有廣闊的應(yīng)用前景，將吸引大量資本投入，形成新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！秶抑虚L期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》已將城市雨水利用納入可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，未來加強雨水資源化利用，應(yīng)加強雨水利用與其他學科的聯(lián)合交叉，從城市規(guī)劃開始，從雨水利用相關(guān)技術(shù)規(guī)范的制定開始，將雨水的回用考慮在內(nèi)，在設(shè)計過程中綜合園林、城市管網(wǎng)、景觀生態(tài)等，真正實現(xiàn)雨水的可持續(xù)發(fā)展。