雨水回用對城市水循環(huán)和下游生態(tài)環(huán)境的影響

張 煒,李思敏,孫廣垠,顓植穩(wěn)

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北石家莊 050051)

雨水回用對城市水循環(huán)和下游生態(tài)環(huán)境的影響

張 煒1,李思敏1,孫廣垠1,顓植穩(wěn)2

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北石家莊 050051)

基于水量平衡理論和城市徑流污染控制理論,從水量和水質(zhì)2個方面探討城市雨水回用對地表水和地下水原有自然徑流以及對下游生態(tài)環(huán)境的影響。結(jié)果表明:雨水回用不僅不會減少雨水入滲量,還可以控制雨水徑流污染,削減汛期江河下游區(qū)域的洪峰流量,是改善下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效途徑。最后對城市雨水回用的合理規(guī)劃提出了建議。

雨水回用;城市水循環(huán);徑流污染;生態(tài)環(huán)境

水資源短缺已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。近20多年來,北京、上海、西安、成都、青島等許多城市相繼開展雨水回用技術(shù)的研究及應(yīng)用,以促進(jìn)城市水資源的可持續(xù)發(fā)展,緩解城市水資源短缺問題。然而有人對此持不同觀點(diǎn),認(rèn)為雨水資源的開發(fā)回用可能會改變原有的城市水循環(huán)系統(tǒng),減少地表水和地下水的原有自然徑流,進(jìn)而影響下游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境[1]。筆者通過分析比較雨水回用前和雨水回用后城市水循環(huán)系統(tǒng)的變化,探討雨水回用對地表水和地下水原有自然徑流的影響,并從水量及水質(zhì)2個方面論述雨水回用對下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響,以期消除上述疑慮,促進(jìn)我國雨水回用技術(shù)的廣泛開展。

1 雨水回用對城市水循環(huán)系統(tǒng)的影響

1.1 城市水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的變化

雨水回用前的城市水循環(huán)系統(tǒng)(傳統(tǒng)城市水循環(huán)系統(tǒng))主要由地表水、地下水、雨水徑流、城市取水、城市排水等部分組成,各組成部分之間的關(guān)系如圖1(a)所示。城市范圍的降雨一部分經(jīng)雨水管網(wǎng)直排地表水,一部分下滲補(bǔ)充地下水;城市生活及工業(yè)用水取自地表水和地下水,而生活污水及工業(yè)廢水直排或經(jīng)污水處理廠處理排入地表水,最終地表水及地下水進(jìn)入下游流域,直至海洋。

雨水回用后,城市水循環(huán)系統(tǒng)的變化只在于部分雨水徑流通過雨水回用系統(tǒng)進(jìn)入城市供水,這部分水量為Q0,超過雨水回用系統(tǒng)收集能力的徑流按照雨水回用前的雨水排放路徑直排地表水,見圖1(b)。圖1中Q1和Q1′分別為雨水回用前和雨水回用后的雨水徑流總量;Q2和Q2′分別為雨水回用前和雨水回用后的雨水入滲量;Q3和Q3′分別為雨水回用前和雨水回用后的地表水取水量(江河取水量);Q4和Q4′分別為雨水回用前和雨水回用后的地下水取水量;Q5和Q5′分別為雨水回用前和雨水回用后排入地表的水量;Q6和Q6′分別為雨水回用前和雨水回用后地表水進(jìn)入下游流域的水量;Q7和分別為雨水回用前和雨水回用后地下水進(jìn)入下游流域的水量。

圖1 城市水循環(huán)系統(tǒng)

1.2 城市水循環(huán)系統(tǒng)水量平衡的變化

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷深入,城市的人口密度和財產(chǎn)密度增大,城市不透水面積比例逐年增大,排水設(shè)施日趨完善,雨水回用前城市水循環(huán)系統(tǒng)水量平衡已經(jīng)發(fā)生了較大變化。地表水和地下水的取水量(Q3+Q4)不斷增大,部分地區(qū)地表水資源總儲量嚴(yán)重不足;雨水徑流總量(Q1)及洪峰流量增大,洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率及其造成的損失越來越大;雨水入滲量(Q2)減少,地下水開采過度,部分地區(qū)地下水水位下降嚴(yán)重,地面沉降、海水入侵等現(xiàn)象隨之而來,而且這一系列城市環(huán)境和生態(tài)問題還在不斷加劇。

開展城市雨水回用技術(shù)就是為了緩解上述問題,改善現(xiàn)有城市水循環(huán)系統(tǒng)。下面基于水量平衡原理比較雨水回用前后的水量分配,從而明確雨水回用對城市水循環(huán)的影響,闡明雨水回用不會減少地表水和地下水的原有自然徑流。

城市水循環(huán)系統(tǒng)中各水量之間有如下的平衡關(guān)系,見表1。表中:k為城市用水排放系數(shù);Q供和Q供′分別為雨水回用前、雨水回用后的城市供水總量;Q降為城市降雨總量;Q地表水,Q地下水分別為江河和地下水在進(jìn)入城市前的水量;k,Q降,Q地表水,Q地下水在雨水回用前后不變。對表1中各項(xiàng)進(jìn)行分析比較,具體如下:

表1 城市宏觀水循環(huán)系統(tǒng)的水量平衡關(guān)系式

根據(jù)第1組水量平衡關(guān)系式及Q2=Q2′,可得Q1=Q1′+Q0或Q1＞Q1′,即雨水回用后城市雨水徑流總量及洪峰流量相應(yīng)減少。

如果城市用水總量在雨水回用前后不變,可知第2組水量平衡關(guān)系式中Q供=Q供′或Q3+Q4=Q3′+Q4′+Q0,也就是說,雨水回用后城市對地表水或地下水的取水量減少,減少的水量即為雨水回用量Q0。又因城市用水排放系數(shù)k為定值,根據(jù)第3組水量平衡關(guān)系式可得Q5=Q5′。如果城市對地表水以及地下水的取水量不變(Q3=Q3′,Q4=Q4′),城市的供水量將增加Q0,從而滿足因城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展用水量增加的需要。

結(jié)合前面的分析結(jié)果以及各組水量平衡關(guān)系式,分情況討論雨水回用后地表水及地下水進(jìn)入下游流域的水量變化:①假設(shè)城市供水總量及地下水取水量不變,回用雨水量替代江河取水量,將Q1=Q1′+Q0,Q2=Q2′,Q5=Q5′,Q3=Q3′+Q0代入第4、第5組水量平衡關(guān)系式,可得Q6=Q6′,Q7=Q7′,即雨水回用前后地表水進(jìn)入下游流域的水量不變,地下水水量亦不變;②如果城市供水總量及地表水取水量不變,回用水雨量替代地下水取水量,將Q1=Q1′+Q0,Q5=Q5′,Q4=Q4′+Q0代入第 4、第5組水量平衡關(guān)系式,可知Q6=Q6′+Q0,Q7=Q7′-Q0,即雨水回用前后地表水進(jìn)入下游區(qū)域的水量減少了Q0,地下水水量增加了Q0,可看作將水量為Q0的地表水用于補(bǔ)充地下水資源。

2 雨水回用對地表水水質(zhì)的影響

我國水污染控制大多局限于治理點(diǎn)源污染層面,對于雨水徑流污染控制尚未給予足夠的重視。雨水徑流污染主要包括城市雨水徑流污染和農(nóng)業(yè)徑流非點(diǎn)源污染,其中城市雨水徑流污染占較大比例[2]。長期以來,很多人認(rèn)為與工業(yè)廢水、生活污水相比,雨水是無污染或輕污染水源,可以直接排放。這是水污染年年治理但成效不佳的主要原因之一。如從20世紀(jì)80年代起,北京市就開始治理城區(qū)的河湖水系,在20世紀(jì)末更是耗資數(shù)10億對城區(qū)河湖水系進(jìn)行系統(tǒng)、全面的整治,已基本控制河道的點(diǎn)源污染并逐步恢復(fù)河道的生態(tài)系統(tǒng),但近年來城區(qū)水系仍多次發(fā)生水污染事件,這與忽視控制水系流域的徑流污染有關(guān)。

國內(nèi)外有關(guān)城市雨水徑流污染方面的研究表明,雨水本身水質(zhì)較好,但在降水過程中由于對大氣的淋洗以及雨水徑流對匯水面的沖刷,雨水將攜帶大量的污染物[3-4],而且不同的匯水面徑流污染狀況不同,但在徑流過程中均具有初期沖刷效應(yīng),即初期雨水污染嚴(yán)重,隨著降雨歷時的延續(xù),徑流中各污染物濃度逐漸降低,最終穩(wěn)定在一個較低的水平[5-7]。雖然有些時候大雨過后河流水質(zhì)會有所好轉(zhuǎn)(這是因?yàn)楹笃谟晁廴境潭容^輕,對水體起到了一定的稀釋作用),但初期徑流攜帶的大量污染物已進(jìn)入水體并沉積在水體底部,造成水體的內(nèi)源污染。一旦污染物的沉積量達(dá)到某一極限值,水體水質(zhì)大規(guī)模惡化(如水華現(xiàn)象)將很難處理[8]。所以,雨水不能直接排放,也不能作為地表水體的稀釋水源,否則會對受納水體造成污染。

雨水回用后,雨水徑流分成2部分通過不同的路徑排入江河:雨水回用部分經(jīng)過城市排水系統(tǒng)進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行適當(dāng)處理,待水質(zhì)達(dá)標(biāo)后排入江河;超過雨水回用系統(tǒng)收集能力的徑流雖然直排江河,但這部分已是后期降雨,徑流污染狀況已經(jīng)大幅度降低。所以,雨水回用可以有效地削減雨水徑流對江河的污染,從而改善江河水體的水質(zhì)狀況。

3 雨水回用對下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 地表水水質(zhì)變化對下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響

上游城市雨水回用可以有效地削減雨水徑流對地表水體的污染,下游區(qū)域水質(zhì)將隨之好轉(zhuǎn),從而改善下游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境;從另一個角度考慮,雨水回用可以提高下游區(qū)域地表水的水環(huán)境容量,增加水體所能接納的最大允許污染物負(fù)荷。

3.2 地表水水量變化對下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響

地表水的水量變化會影響水體的環(huán)境容量,從而影響下游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。地表水水量越大,其水環(huán)境容量越大;反之亦然。從上面的論述可知,上游城市雨水回用不會減少地表水下游水量,而且,如果因雨水回用減少了地表水的取水量,下游城市的地表水量反而會增加,從而增加水環(huán)境容量。

除此之外,雨水回用設(shè)施在降雨時收集雨水,可以有效削減洪峰流量,減小城市排水管網(wǎng)以及下游區(qū)域的排洪壓力。我國降雨時間分布不均,主要集中在夏秋季節(jié)。每當(dāng)汛期來臨,各流域的中下游區(qū)域都面臨著洪峰的威脅,雨洪災(zāi)害不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且對下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的破壞極其嚴(yán)重。如果開展雨水回用,降雨時雨水回用系統(tǒng)收集部分雨水徑流,可以將其看作是雨水調(diào)節(jié)設(shè)施。雖然單個的雨水回用系統(tǒng)的調(diào)蓄能力有限(一般是幾m3至幾千m3),但如果流域各城市均廣泛開展雨水回用,所有雨水回用系統(tǒng)聯(lián)合作用,其調(diào)蓄能力不亞于一個大規(guī)模的水利設(shè)施。從此種意義上講,雨水回用具有削減洪峰流量、減小下游區(qū)域防洪壓力的作用,是保護(hù)下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的一個有效途徑。

4 城市雨水回用的合理規(guī)劃

城市開展雨水回用時,應(yīng)結(jié)合各地區(qū)以及整個流域的水資源狀況進(jìn)行合理的總體規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)雨水資源的合理開發(fā)回用,規(guī)劃內(nèi)容大致如下:①在地下水資源豐富地區(qū),雨水回用水量用于替代地表水取水量,即減少該地區(qū)的地表水取水量;②在地下水資源缺乏地區(qū),雨水回用水量可適量替代地下水取水量,達(dá)到涵養(yǎng)地下水資源的目的。③若江河水資源及地下水資源均短缺,城市供水水量不足,可在江河及地下水取水量不變的基礎(chǔ)上,合理回用雨水資源,緩解城市供水危機(jī)。

5 結(jié) 論

a.對于城市水循環(huán)系統(tǒng)而言,雨水回用不會減少城市雨水入滲量,還可以通過減少地表水或地下水的取水量,從而增加地表水資源總量、補(bǔ)充地下水、涵養(yǎng)地下水資源,緩解我國城市普遍存在的水資源短缺、地下水位持續(xù)下降等城市生態(tài)環(huán)境問題。

b.開展城市雨水回用可以有效控制雨水徑流污染,減少地表水體的污染負(fù)荷,是改善城市及其下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

c.在汛期,雨水回用設(shè)施還可以作為雨水調(diào)蓄設(shè)施,削減雨水徑流量和洪峰流量,從而緩解城市排水系統(tǒng)以及下游區(qū)域的排洪壓力,保護(hù)城市基礎(chǔ)設(shè)施以及人民財產(chǎn)安全,減少洪水對城市及下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響。

d.開展城市雨水回用應(yīng)進(jìn)行合理規(guī)劃,以期產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會效益。

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Influences of rainwater harvesting on urban water circulation and downstream ecological environment

ZHANG Wei1,LI Si-min1,SUN Guang-yin1,ZHUAN Zhi-wen2(1.School of Urban Construction,Hebei University of Engineering,Handan056038,China;2.Hebei Construction Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang050051,China)

Based on the theories of water balance and urban runoff pollution control,the influences of urban rainwater harvesting on the original natural runoffs of surface and ground water and downstream ecological environment from the two aspects of water volume andwater quality.The results show that the rainwater harvesting reduces the volume of rainwater infiltration and controls the runoff pollution and reduces the flood peak of downstream rivers during the flood season.Accordingly,the rainwater harvesting is an effective approach to improve the downstream ecological environment.Finally,some suggestions were put forward for the rational planning of the urban rainwater harvesting.

rainwater harvesting;urban water circulation;runoff pollution;ecological environment

TU991.11+4

A

1006-7647(2010)03-0050-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.013

河北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(07276713D)

張煒(1981—),男,河北邯鄲人,講師,碩士,從事城市雨水徑流污染控制與雨水資源化技術(shù)研究。E-mail:zhwzhhw@163.com

2009-09-11 編輯:駱超)