中國北方城市雨水利用潛力分析

中國北方城市雨水利用潛力分析

水是人類生存所必需的資源，水資源是城市可持續(xù)發(fā)展的保障。水資源的缺乏已成為世界各國關注的焦點。世界上有13個嚴重缺水國家,我國是其中之一,我國北方缺水地區(qū)(包括華北、西北地區(qū)15個省市區(qū))總面積達420萬km2,約占全國國土面積的43.7%,是國民經濟建設的戰(zhàn)略要地,而這些地區(qū)水資源人均占有量僅為世界人均水平的1/20,接近聯合國界定的極端缺水標準(小于500m3),與此同時,隨著人口劇增和經濟高速發(fā)展,城市用水量卻在不斷增加,水資源的供求矛盾已成為制約我國北方城市發(fā)展的瓶頸。缺水同時引發(fā)一系列城市生態(tài)環(huán)境問題:夏季熱島效應和浮塵天氣增多;地下水超采引發(fā)地面沉降、海水入侵等等。解決缺水問題的途徑如城市節(jié)水、污水回收利用、海水淡化等措施已有不少研究和應用,但由于成本高等原因影響推廣。國家正投巨資修建的南水北調工程,可以有效緩解中國北方城市的水資源供需矛盾,但是調水畢竟有限,供水范圍也有限,改變不了北方地區(qū)人均水資源緊缺的根本格局,而且耗資巨大,存在生態(tài)、地質等隱患。雨水作為當地的一種寶貴資源,可以作為解決城市水資源危機的開源途徑之一,雨水收集利用即變廢為寶,在水資源日趨緊張的今天,越來越受到重視。1城市雨水利用的司法實踐城市雨水利用在發(fā)達國家已逐步進入到標準化和產業(yè)化的階段。早在20世紀60年代,日本就開始收集和利用路面雨水,70年代修筑了集流面收集雨水,并開始研究雨水回灌地下水技術,目前東京已經建成直徑為l0～12.5m的地下“河道”2km,計劃建設30km,以貯存雨水。德國利用1000m2屋面雨水作為主要的沖洗水源,為公共汽車洗車已達10a。目前,德國的雨水利用技術已經進入“第三代”,雨水利用在完善的技術標準指導下廣泛應用于各個領域,為城市水的可持續(xù)利用提供保障。丹麥每年能從居民屋頂收集645萬m3的雨水,占居民沖洗廁所和洗衣服實際用水量的68%,相當于居民總用水量的22%。美國芝加哥城也興建了地下隧道蓄水系統,用以解決城市防洪和雨水利用問題。美國一些地方政府還減免了雨水收集利用設備的相關稅收,同時為安裝雨水收集利用設施的家庭提供高達450美元的經費支持。瑞典、荷蘭、德國、澳大利亞、伊朗等國,都在實施用雨水進行地下水人工補給。荷蘭從20世紀50年代起,就在沿海一些城市開展了大規(guī)模的雨水人工補給地下水工程,到1990年,地下水人工補給量達到了1.8億m3/a。非洲的索馬里在集水面上鋪設塑料薄膜、瀝青紙、金屬板等,集水效果很好。英國的“蓄水地面”和倫敦世紀圓頂雨水利用系統等等,都是城市雨水利用的成功典范。我國城市雨水利用研究始于20世紀90年代,較有標志意義的事件是1996年在蘭州召開的第一屆全國雨水利用學術討論會,這期間西北地區(qū)雨水利用發(fā)展迅猛,取得了很好的效益,其中甘肅開展的“121”工程、“雨水集流節(jié)灌”工程、陜西省的“甘露”工程、寧夏南部的“窯窖農業(yè)”是雨水利用的代表和典型。城市雨水利用較早的典型范例有山東的長島縣、大連的獐子島和浙江省舟山市葫蘆島等雨水集流利用工程。近年來,大中城市的雨水利用發(fā)展較快,北京、天津、青島、大連、南京、哈爾濱、西安、鄭州等許多城市也結合自身的具體情況陸續(xù)開展了雨水利用的研究和應用。2000年,北京市水利局和德國埃森大學的示范小區(qū)雨水利用合作項目開始啟動,同年正式啟動“城區(qū)雨洪控制與利用示范工程”;與此同時,北京市政設計院開始立項編制雨水利用設計指南。此后,北京市又陸續(xù)出臺了一系列標準和規(guī)定,規(guī)范和強調雨水資源的收集利用。同年,上海等城市也出現了具有雨水利用功能的生態(tài)住宅和小區(qū)。2003年7月,天津建成節(jié)水型水利科技大廈,大廈的雨水可作為市政第二水源。2006年,《深圳雨洪資源利用規(guī)劃研究》通過專家評審,規(guī)劃至2020年時深圳新增雨洪資源利用量將達4.9億m3,城區(qū)雨洪可利用量為0.85億m3。總的來說,我國的城市雨水利用在技術研究、應用推廣和政策制定上已取得了不少進展,但同發(fā)達國家相比仍屬落后,缺乏系統性,需要更多的關注和深入研究,在應用中尚需不斷完善。2需要和可行性來使用城市雨水資源2.1雨洪水有資源利用的效益隨著城市的發(fā)展,許多城市一方面水資源嚴重不足,另一方面大量的雨水被直接排走,白白流失,甚至造成洪災,雨水的利用率不到10%,浪費和短缺共存。如果將城區(qū)汛期雨洪水量收集蓄積起來,在需要的時候加以利用,其效益將十分明顯:一是可以減輕水資源短缺的壓力,提高水資源利用效率;二是可以改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,減輕城市防洪排水系統壓力;三是可以補充地下水,緩減地面沉降,改善地下水環(huán)境;四是有利于維持河川水量,保持城市河湖水環(huán)境?？梢?城市雨水利用,將負擔轉變?yōu)橘Y源,具有重大的環(huán)境、社會和經濟效益,是水資源可持續(xù)利用的有效途徑。2.2雨水收集利用雨水凈化處理工藝簡單、費用較低,且具有長期效益。雨水中需要棄除的雜質主要是塵土、地面和大氣污染物,這些雜質一般都集中在剛開始的幾毫米降雨量中。因此對初期的雨水直接采用棄流處理,可以去除大部分污染物,包括較小的或者可溶性污染物,初期棄流后的雨水較為清潔,簡單處理即可加以利用。每年都有雨季,雨水收集利用設施一旦投入使用,每年就能有可觀的雨水資源產出,且這些雨水資源產出不受其他社會和其他人為因素影響。與污水深度處理后回收利用相比,雨水收集利用具有以下優(yōu)點:一是建設投資相對較少,二是運行和后期維護較為簡單易行,三是運行費用相對較低。如北京市某雨水利用工程,雨水收集基本建設投資不到200元/m3,運行費用不足0.1元/m3。而污水深度處理工程投資則達0.14～0.25萬元/m3,運行費用為0.4～0.8元/m3。和污水再利用以及海水淡化利用相比較,雨水利用顯然更為可行。2.3降雨時造成的災害我國北方大部分城市地處中溫帶至南溫帶季風氣候區(qū),每年有相當數量的降雨,但降水量在時間分布上極不均勻,華北地區(qū)城市降雨主要集中在6～9月,汛期降雨量可達全年的60%～80%,容易出現洪澇災害,而旱期卻十分干燥。因此雨水資源化潛力較大。2.3.1城市雨水利用潛力城區(qū)年均可收集雨量受氣候條件、降雨量在不同季節(jié)的分配、雨水水質情況等自然因素以及特定地區(qū)建筑物的布局和結構等其他因素的制約。對于大多數地區(qū),各城市年均可收集雨量估算可以采用以下公式:Q=ψαβAH(1)Q=ψαβAΗ(1)式中:Q為規(guī)劃區(qū)年平均可收集雨量,m3;ψ為平均徑流系數,可通過對各匯流單元的徑流系數加權平均求得,不同下墊面條件下的徑流系數見表1;α為季節(jié)折減系數,α=汛期平均降雨量/年平均降雨量;β為初期棄流系數,β=1-初期雨量×年平均降雨次數/年平均降雨量,初期雨水污質含量較高,完全排走,同時用以維持河道和下水道污染物沖釋需水;A為集雨面積,m2;H為年平均降雨量,m。結合幾個典型的中國北方城市的相關資料,利用公式(1)計算各城市雨水資源化潛力(表2)。計算中,集雨面積A約等于城市不透水面積,計算時采用的公式為:A=建成區(qū)面積×(1-綠地率-水面覆蓋率);平均徑流系數ψ可計為城市各類不透水面的徑流系數加權平均,本文計算中將其簡化,因為表中列舉的各城市,建成區(qū)不透水面絕大部分是各種屋面、混凝土和瀝青地面,因此可以根據實際情況的細小差別估算為0.8～0.9之間;季節(jié)折減系數α是根據各個城市平均每年汛期降雨量總和同年均降雨量的比值求得;初期棄流系數β,由于城市雨水利用技術大同小異,因此可以統一采用車武等人在計算北京的雨水資源收集利用方案中的值0.87。由表2可見各城市每年都有可觀的可收集雨水資源,而目前開發(fā)利用率尚低,開發(fā)潛力巨大。收集得到的雨水用于城市綠化、洗車、沖廁等,可以節(jié)省大量的自來水,這對我國北方缺水城市來說,能帶來重大的資源效益和經濟效益。2.3.2雨資源量利用以石家莊為例,利用2007年6月29～30日石家莊市的一次強降雨資料(表3),進行單次強降雨資源化分析。結果顯示,石家莊地區(qū)一次強降雨中能收集的雨水資源就達3000萬m3,而目前中國人均水資源占有量僅為2300m3。這一次強降雨所能收集的水量就相當于1萬多人所占有的水資源。如果缺水城市都能利用科技手段,將每年的暴雨資源化,那可獲得的水資源量是相當可觀的。3雜用水源的利用。在城市生活小區(qū)城市雨水的利用涉及許多問題,包括城市雨水資源的科學管理和有效分配、污染防控、雨水作為環(huán)境用水等雜用水源的直接收集利用、使用各種滲透設施將雨水回灌地下的間接利用、城市生活小區(qū)水網系統的合理設計及其生態(tài)環(huán)境建設等方面。3.1對于不同區(qū)域的雨水在不同的工況下及其礦壓的如何科學發(fā)放雨水?a.地下儲雨。城市地表大多為水泥、瀝青等不透水地面,雨水無法下滲?？梢栽诮ㄖ锔浇孛娌捎谩翱尚钏孛妗?或利用人行道、車道、停車場等,加以改造,從而貯存、滯留雨水。MiklasScholz等人曾設計出集雨面積大致為100m2,底面積4.95m2,周長10m的蓄水容器,計算了不同規(guī)模的降雨所能收集的雨水量(表4),設計小區(qū)儲雨設施時,可以借鑒其研究成果。對于汛期較長雨水資源較為豐富的城市,可以在市郊或市區(qū)地勢較低且負重較輕的部位,修筑較大規(guī)模的地下儲水隧道或儲水池(日本有類似建設,有較好的儲雨減洪效果),以存城區(qū)儲暴雨時小型儲雨設備接納不了的雨水,不過這一方法工程較大,成本較高。b.地上儲雨?？梢栽诰用裥^(qū)建筑物的雨落管下端放置小型儲雨容器或開設集雨坑,用于收集屋頂雨水,所得雨水可用于庭院灑水、澆灌花草,以節(jié)約自來水。這一方法適合一般居民樓、平房或四合院采用。c.坑塘、溝渠、河道儲雨。汛期城市及市郊雨水產流量大,上述城區(qū)小規(guī)模集雨設施可能滿足不了要求;而且郊區(qū)面積大,雨洪資源更為豐富。城區(qū)周邊地勢低洼、水量少或已經干涸的坑塘、河道、溝渠,可以設計成儲雨池蓄水,其蓄水量是相當可觀的。例如,河北省1996年發(fā)生的著名“96·8”洪水,8月僅海河南系共產生100.54億m3水量,達南水北調近期工程預計調水總量的一半,其中僅入海量就達34.88億m3,如果能采取相應措施,把這些入海水量疏導入干涸的洼淀和河道儲存起來,到旱期再加以利用,則能大大減輕干旱季節(jié)的用水壓力,或者,可以用其回灌補充地下水,使地下水位下降嚴重的地區(qū)水位得以回升。3.2透水鋪裝—引導雨水回滲地下a.透水地面滲透和滲水井滲透。目前城市硬化人行道多采用不透水混凝土墊底,這使雨水不能下滲?？梢愿挠蒙硥|層鋪底,以增加路面的雨水下滲量。例如中國國家體育館鳥巢周邊的地面就是采用石塊和粗砂鋪墊,下雨時雨水可以隨著石塊和粗砂的縫隙滲入地下,補充城市淺層地下水。降雨量較大時,也可把雨水管引入專門的滲水井滲入地下。b.利用草坪滲透。城市綠地、草坪是消納雨水、增加入滲的理想場所。然而目前大多數城市綠化灌木帶和草坪都用高于地面的路緣和硬化地面隔絕,使得路面的雨水從下水道排走,而不能進入草坪被吸納。因此,新建設規(guī)劃時,綠地可以做成下凹式,與道路和廣場地面相通,以匯集承接周圍地面來水。3.3雨水凈化系統北京奧運會主會場——國家體育場的鳥巢,也修建了雨水利用系統,該系統利用設置在鳥巢鋼結構屋面和地面草坪等處的上千個雨水收集口將雨水收集起來,進入地下蓄水池,這些雨水經凈化,可用在跑道、道路的清洗、沖洗廁所和園林澆灌等方面。該系統年處理雨水能力5萬m3,據統計,該區(qū)可利用降雨量占年降雨量的77%。又如,北京市海淀區(qū)雙紫園小區(qū)建的容積為850m3的地下儲雨池以及1120m3的透水地面,具有去除初雨、過濾、沉淀、收集和輸送雨水等功能。僅在2004年7月10日暴雨期間就蓄住雨水500m3,這些雨水用于水景噴泉、洗車和澆灌花草等,改善環(huán)境效果顯著,并且避免了小區(qū)內積水,起到了控制雨洪的作用。4加大宣傳力度,提高公眾認識目前我國大部分城市對雨水利用的普及程度還遠遠不夠,其制約因素主要有:①集雨措施需要進一步研究改進,諸如高效低價集雨表面材料的研制,雨水回灌地下水技術,蓄水設施的安置、雨水高效利用模式的研究等。此外,許多城區(qū)已有的地下通訊光纜、電、熱、氣、污排等管網分布龐雜,雨水利用系統的修建施工需要避開這些管網,很難一蹴而就。②政府和公眾對雨水利用的認識較為缺乏,對公眾的節(jié)水教育不夠,財政扶持力度不夠。由于城市雨水利用初期投資較大,回收期較長,政府在對雨水利用工程項目上給予的財政資助較少,給雨水利用的推動和發(fā)展帶來難度。因此政府應給出相應的優(yōu)惠政策,要求房地產商在開發(fā)建設中引入雨水利用工程,以促進雨水利用的普及實施;同時,需要通過宣傳、教育、獎勵等手段,提高人們對雨水資源的認識,引導公眾自覺參與這項工作。③缺乏相關法律和政策,缺少完善的法律法規(guī)保障體系,如雨水資源權責劃分還沒有一個明確的政策規(guī)定出臺。