中國(guó)北方城市雨水利用潛力分析

中國(guó)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(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。世界上有13個(gè)嚴(yán)重缺水國(guó)家,我國(guó)是其中之一,我國(guó)北方缺水地區(qū)(包括華北、西北地區(qū)15個(gè)省市區(qū))總面積達(dá)420萬(wàn)km2,約占全國(guó)國(guó)土面積的43.7%,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的戰(zhàn)略要地,而這些地區(qū)水資源人均占有量?jī)H為世界人均水平的1/20,接近聯(lián)合國(guó)界定的極端缺水標(biāo)準(zhǔn)(小于500m3),與此同時(shí),隨著人口劇增和經(jīng)濟(jì)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(guó)北方城市發(fā)展的瓶頸。缺水同時(shí)引發(fā)一系列城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題:夏季熱島效應(yīng)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(wèn)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(yīng)用,但由于成本高等原因影響推廣。國(guó)家正投巨資修建的南水北調(diào)工程,可以有效緩解中國(guó)北方城市的水資源供需矛盾,但是調(diào)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(zhì)等隱患。雨水作為當(dāng)?shù)氐囊环N寶貴資源,可以作為解決城市水資源危機(jī)的開(kāi)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(lái)越受到重視。1城市雨水利用的司法實(shí)踐城市雨水利用在發(fā)達(dá)國(guó)家已逐步進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的階段。早在20世紀(jì)60年代,日本就開(kāi)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(kāi)始研究雨水回灌地下水技術(shù),目前東京已經(jīng)建成直徑為l0～12.5m的地下“河道”2km,計(jì)劃建設(shè)30km,以貯存雨水。德國(guó)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(dá)10a。目前,德國(guó)的雨水利用技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入“第三代”,雨水利用在完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(wàn)m3的雨水,占居民沖洗廁所和洗衣服實(shí)際用水量的68%,相當(dāng)于居民總用水量的22%。美國(guó)芝加哥城也興建了地下隧道蓄水系統(tǒng),用以解決城市防洪和雨水利用問(wèn)題。美國(guó)一些地方政府還減免了雨水收集利用設(shè)備的相關(guān)稅收,同時(shí)為安裝雨水收集利用設(shè)施的家庭提供高達(dá)450美元的經(jīng)費(fèi)支持。瑞典、荷蘭、德國(guó)、澳大利亞、伊朗等國(guó),都在實(shí)施用雨水進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給。荷蘭從20世紀(jì)50年代起,就在沿海一些城市開(kāi)展了大規(guī)模的雨水人工補(bǔ)給地下水工程,到1990年,地下水人工補(bǔ)給量達(dá)到了1.8億m3/a。非洲的索馬里在集水面上鋪設(shè)塑料薄膜、瀝青紙、金屬板等,集水效果很好。英國(guó)的“蓄水地面”和倫敦世紀(jì)圓頂雨水利用系統(tǒng)等等,都是城市雨水利用的成功典范。我國(guó)城市雨水利用研究始于20世紀(jì)90年代,較有標(biāo)志意義的事件是1996年在蘭州召開(kāi)的第一屆全國(guó)雨水利用學(xué)術(shù)討論會(huì),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(kāi)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(nóng)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(zhǎng)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(lái),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(jié)合自身的具體情況陸續(xù)開(kāi)展了雨水利用的研究和應(yīng)用。2000年,北京市水利局和德國(guó)埃森大學(xué)的示范小區(qū)雨水利用合作項(xiàng)目開(kāi)始啟動(dòng),同年正式啟動(dòng)“城區(qū)雨洪控制與利用示范工程”;與此同時(shí),北京市政設(shè)計(jì)院開(kāi)始立項(xiàng)編制雨水利用設(shè)計(jì)指南。此后,北京市又陸續(xù)出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,規(guī)范和強(qiáng)調(diào)雨水資源的收集利用。同年,上海等城市也出現(xiàn)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(guò)專家評(píng)審,規(guī)劃至2020年時(shí)深圳新增雨洪資源利用量將達(dá)4.9億m3,城區(qū)雨洪可利用量為0.85億m3?？偟膩?lái)說(shuō),我國(guó)的城市雨水利用在技術(shù)研究、應(yīng)用推廣和政策制定上已取得了不少進(jìn)展,但同發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍屬落后,缺乏系統(tǒng)性,需要更多的關(guān)注和深入研究,在應(yīng)用中尚需不斷完善。2需要和可行性來(lái)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(yán)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(zāi),雨水的利用率不到10%,浪費(fèi)和短缺共存。如果將城區(qū)汛期雨洪水量收集蓄積起來(lái),在需要的時(shí)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(tǒng)壓力;三是可以補(bǔ)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?jiàn),城市雨水利用,將負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源,具有重大的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單、費(fèi)用較低,且具有長(zhǎng)期效益。雨水中需要棄除的雜質(zhì)主要是塵土、地面和大氣污染物,這些雜質(zhì)一般都集中在剛開(kāi)始的幾毫米降雨量中。因此對(duì)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(jiǎn)單處理即可加以利用。每年都有雨季,雨水收集利用設(shè)施一旦投入使用,每年就能有可觀的雨水資源產(chǎn)出,且這些雨水資源產(chǎn)出不受其他社會(huì)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(diǎn):一是建設(shè)投資相對(duì)較少,二是運(yùn)行和后期維護(hù)較為簡(jiǎn)單易行,三是運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低。如北京市某雨水利用工程,雨水收集基本建設(shè)投資不到200元/m3,運(yùn)行費(fèi)用不足0.1元/m3。而污水深度處理工程投資則達(dá)0.14～0.25萬(wàn)元/m3,運(yùn)行費(fèi)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(shí)造成的災(zāi)害我國(guó)北方大部分城市地處中溫帶至南溫帶季風(fēng)氣候區(qū),每年有相當(dāng)數(shù)量的降雨,但降水量在時(shí)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(dá)全年的60%～80%,容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)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(zhì)情況等自然因素以及特定地區(qū)建筑物的布局和結(jié)構(gòu)等其他因素的制約。對(duì)于大多數(shù)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(shù),可通過(guò)對(duì)各匯流單元的徑流系數(shù)加權(quán)平均求得,不同下墊面條件下的徑流系數(shù)見(jiàn)表1;α為季節(jié)折減系數(shù),α=汛期平均降雨量/年平均降雨量;β為初期棄流系數(shù),β=1-初期雨量×年平均降雨次數(shù)/年平均降雨量,初期雨水污質(zhì)含量較高,完全排走,同時(shí)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(jié)合幾個(gè)典型的中國(guó)北方城市的相關(guān)資料,利用公式(1)計(jì)算各城市雨水資源化潛力(表2)。計(jì)算中,集雨面積A約等于城市不透水面積,計(jì)算時(shí)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(shù)ψ可計(jì)為城市各類不透水面的徑流系數(shù)加權(quán)平均,本文計(jì)算中將其簡(jiǎn)化,因?yàn)楸碇辛信e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(jù)實(shí)際情況的細(xì)小差別估算為0.8～0.9之間;季節(jié)折減系數(shù)α是根據(jù)各個(gè)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(shù)β,由于城市雨水利用技術(shù)大同小異,因此可以統(tǒng)一采用車武等人在計(jì)算北京的雨水資源收集利用方案中的值0.87。由表2可見(jiàn)各城市每年都有可觀的可收集雨水資源,而目前開(kāi)發(fā)利用率尚低,開(kāi)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(lái)水,這對(duì)我國(guó)北方缺水城市來(lái)說(shuō),能帶來(lái)重大的資源效益和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)降雨資料(表3),進(jìn)行單次強(qiáng)降雨資源化分析。結(jié)果顯示,石家莊地區(qū)一次強(qiáng)降雨中能收集的雨水資源就達(dá)3000萬(wàn)m3,而目前中國(guó)人均水資源占有量?jī)H為2300m3。這一次強(qiáng)降雨所能收集的水量就相當(dāng)于1萬(wàn)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(dāng)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(wèn)題,包括城市雨水資源的科學(xué)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(shè)施將雨水回灌地下的間接利用、城市生活小區(qū)水網(wǎng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)及其生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面。3.1對(duì)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(xué)發(fā)放雨水?a.地下儲(chǔ)雨。城市地表大多為水泥、瀝青等不透水地面,雨水無(wú)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(chǎng)等,加以改造,從而貯存、滯留雨水。MiklasScholz等人曾設(shè)計(jì)出集雨面積大致為100m2,底面積4.95m2,周長(zhǎng)10m的蓄水容器,計(jì)算了不同規(guī)模的降雨所能收集的雨水量(表4),設(shè)計(jì)小區(qū)儲(chǔ)雨設(shè)施時(shí),可以借鑒其研究成果。對(duì)于汛期較長(zhǎng)雨水資源較為豐富的城市,可以在市郊或市區(qū)地勢(shì)較低且負(fù)重較輕的部位,修筑較大規(guī)模的地下儲(chǔ)水隧道或儲(chǔ)水池(日本有類似建設(shè),有較好的儲(chǔ)雨減洪效果),以存城區(qū)儲(chǔ)暴雨時(shí)小型儲(chǔ)雨設(shè)備接納不了的雨水,不過(guò)這一方法工程較大,成本較高。b.地上儲(chǔ)雨?？梢栽诰用裥^(qū)建筑物的雨落管下端放置小型儲(chǔ)雨容器或開(kāi)設(shè)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(lái)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(chǔ)雨。汛期城市及市郊雨水產(chǎn)流量大,上述城區(qū)小規(guī)模集雨設(shè)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(shì)低洼、水量少或已經(jīng)干涸的坑塘、河道、溝渠,可以設(shè)計(jì)成儲(chǔ)雨池蓄水,其蓄水量是相當(dāng)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(chǎn)生100.54億m3水量,達(dá)南水北調(diào)近期工程預(yù)計(jì)調(diào)水總量的一半,其中僅入海量就達(dá)34.88億m3,如果能采取相應(yīng)措施,把這些入海水量疏導(dǎo)入干涸的洼淀和河道儲(chǔ)存起來(lái),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(bǔ)充地下水,使地下水位下降嚴(yán)重的地區(qū)水位得以回升。3.2透水鋪裝—引導(dǎo)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(guó)國(guó)家體育館鳥(niǎo)巢周邊的地面就是采用石塊和粗砂鋪墊,下雨時(shí)雨水可以隨著石塊和粗砂的縫隙滲入地下,補(bǔ)充城市淺層地下水。降雨量較大時(shí),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(chǎng)所。然而目前大多數(shù)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(jìn)入草坪被吸納。因此,新建設(shè)規(guī)劃時(shí),綠地可以做成下凹式,與道路和廣場(chǎng)地面相通,以匯集承接周圍地面來(lái)水。3.3雨水凈化系統(tǒng)北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)——國(guó)家體育場(chǎng)的鳥(niǎo)巢,也修建了雨水利用系統(tǒng),該系統(tǒng)利用設(shè)置在鳥(niǎo)巢鋼結(jié)構(gòu)屋面和地面草坪等處的上千個(gè)雨水收集口將雨水收集起來(lái),進(jìn)入地下蓄水池,這些雨水經(jīng)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(tǒng)年處理雨水能力5萬(wàn)m3,據(jù)統(tǒng)計(jì),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(chǔ)雨池以及1120m3的透水地面,具有去除初雨、過(guò)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(nèi)積水,起到了控制雨洪的作用。4加大宣傳力度,提高公眾認(rèn)識(shí)目前我國(guó)大部分城市對(duì)雨水利用的普及程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,其制約因素主要有:①集雨措施需要進(jìn)一步研究改進(jìn),諸如高效低價(jià)集雨表面材料的研制,雨水回灌地下水技術(shù),蓄水設(shè)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(wǎng)分布龐雜,雨水利用系統(tǒng)的修建施工需要避開(kāi)這些管網(wǎng),很難一蹴而就。②政府和公眾對(duì)雨水利用的認(rèn)識(shí)較為缺乏,對(duì)公眾的節(jié)水教育不夠,財(cái)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(zhǎng),政府在對(duì)雨水利用工程項(xiàng)目上給予的財(cái)政資助較少,給雨水利用的推動(dòng)和發(fā)展帶來(lái)難度。因此政府應(yīng)給出相應(yīng)的優(yōu)惠政策,要求房地產(chǎn)商在開(kāi)發(fā)建設(shè)中引入雨水利用工程,以促進(jìn)雨水利用的普及實(shí)施;同時(shí),需要通過(guò)宣傳、教育、獎(jiǎng)勵(lì)等手段,提高人們對(duì)雨水資源的認(rèn)識(shí),引導(dǎo)公眾自覺(jué)參與這項(xiàng)工作。③缺乏相關(guān)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(quán)責(zé)劃分還沒(méi)有一個(gè)明確的政策規(guī)定出臺(tái)。