天津市城市雨水利用前景建議

邵兆鳳，邢國(guó)平?，周建芝，唐宗，王偉

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，300072，天津;2.天津市節(jié)約用水事務(wù)管理中心，300074，天津)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市水供需矛盾日益突出，水資源短缺已成為制約我國(guó)城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。天津作為擁有1 000 萬(wàn)以上人口的資源型缺水的特大城市，人均水資源占有量?jī)H160 m3，為全國(guó)人均水平的1/5，加上引灤入津等入境及外調(diào)水量，人均水資源占有量也僅為370 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際人均1 000 m3的缺水警戒線。雨水的收集和利用方便、污染少、處理簡(jiǎn)單，是一種優(yōu)質(zhì)的淡水資源，正逐步成為解決21 世紀(jì)水資源短缺問題的重要途徑。

1 國(guó)內(nèi)外雨水利用情況

近20 年來(lái)，城市雨水利用技術(shù)發(fā)展迅速，德國(guó)、美國(guó)、日本等許多國(guó)家開展了不同規(guī)模、不同內(nèi)容的雨水利用的研究和工程項(xiàng)目。

德國(guó)的雨水利用技術(shù)已經(jīng)很成熟，有很多的成功實(shí)例。德國(guó)的雨水利用主要有3 種形式［1］，分別是屋面雨水積蓄、雨水滲透和生態(tài)小區(qū)內(nèi)雨水利用。這些利用方式為德國(guó)節(jié)約了大量的飲水用量。日本在1963 年開始推行滯洪和儲(chǔ)蓄雨水的蓄水池［2］，還將蓄水池收集到的雨水用于噴灑道路、灌溉綠地等，這些設(shè)施大部分都建于地下，從而充分利用了地下空間，而建在地上的蓄水池也盡最大地滿足多種用途，如在調(diào)洪池內(nèi)修建體育場(chǎng)，雨季用來(lái)蓄洪，平時(shí)作為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等。美國(guó)雨水利用的宗旨是提高天然入滲，補(bǔ)充地下水［3］，對(duì)于城市化進(jìn)程加快引起河道下游雨洪水泛濫問題，美國(guó)的科羅拉多州、佛羅里達(dá)州和賓夕法尼亞州分別制定了嚴(yán)格的雨水管理?xiàng)l例，各州普遍推廣實(shí)行屋頂蓄水和由入滲池、井、草地、透水路面組成的地表回灌系統(tǒng)。澳大利亞從1999 年開始利用雨水集水槽收集雨水［4］，截至2007年初，澳大利亞平均有超過150 萬(wàn)戶人家安裝了雨水集水槽，收集雨水處理后加以利用。新加坡的高層建筑屋頂幾乎都是一個(gè)大的集水槽，收集到的雨水分別儲(chǔ)存在2 個(gè)集水槽中作為非飲用水水源。

國(guó)際上還比較重視城市雨水利用技術(shù)領(lǐng)域的研究，如蓄水池容積設(shè)計(jì)、雨水的處理技術(shù)、與中水聯(lián)合利用、屋頂材質(zhì)的選擇、綠色屋頂?shù)?。研究方法大都是通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)。E.Ghisi 等［5］對(duì)巴西東南部195 個(gè)城市的節(jié)水潛力進(jìn)行了評(píng)估，得出雨水利用可為這些城市平均節(jié)省41%飲用水需求量的結(jié)論，并給出了儲(chǔ)蓄池的規(guī)模范圍:對(duì)于飲用水需求量不高的城市，蓄水池的體積在2 000 ～20 000 L 之間，而對(duì)于飲用水需求量要求高的蓄水池的體積在700 ～3 000 L 之間。M.A.Imteaza 等［6］通過收集澳大利亞墨爾本地區(qū)3 個(gè)具有代表性的豐水年、平水年和枯水年的降雨資料，研發(fā)了日雨水平衡計(jì)算機(jī)模型，通過該模型總結(jié)出對(duì)于要滿足一戶房屋屋頂面積為150 ～300 m2的2 口人家庭來(lái)說，建造10 000 L 的蓄水池即可滿足其每日用水量需求。2005 年，R.H.Kim 等［7］提出采用完全浸入式金屬膜對(duì)雨水進(jìn)行處理的技術(shù)，在25 ℃膜通量為2 000 L/(m2·h)時(shí)，孔徑為1 和5 μm 的不銹鋼金屬膜對(duì)細(xì)菌的滅活率分別為97%和78%。2007 年，R.H.Kim 等［8］采用木質(zhì)纖維膜處理雨水，TN、TP 和NTU 等的去除率可分別達(dá)22%、32%和33%;分別采用孔徑為0.5 ～5 μm的金屬膜過濾雨水，測(cè)得COD 的去除率可達(dá)到60%左右，另外還可通過調(diào)節(jié)金屬膜孔徑滿足不同水質(zhì) 處 理 要 求。E.Ghisi 等［9］對(duì) 巴 西 南 部Florianópolis 地區(qū)3 個(gè)多層住宅區(qū)分別采用雨水利用、中水回用、雨水－中水聯(lián)合利用3 種方案對(duì)當(dāng)?shù)毓?jié)水潛力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，假設(shè)沖廁、洗衣、清潔均采用非飲用水，則可節(jié)省39.2%～42.7%的飲用水量，對(duì)該區(qū)采用單獨(dú)雨水利用、單獨(dú)中水回用、雨水－中水聯(lián)合利用則分別可平均節(jié)省16.2%、31.7%、39.4%的可飲用水量，成本效益分析結(jié)果還表明，3種方法的投資回收期均小于8 年。同樣，試驗(yàn)［10］證實(shí)，愛爾蘭由于其豐沛的降雨量，雨水與中水聯(lián)用可為當(dāng)?shù)毓?jié)省94%的生活用水量。B.Carolina 等［11］分別從傳統(tǒng)材料屋面(玻纖瓦，鍍鋁鋅金屬，混凝土瓦)和新型屋面(冷屋面和綠色屋面)上收集雨水，結(jié)果顯示，收集到的這些雨水要想達(dá)到美國(guó)環(huán)境保護(hù)局飲用水標(biāo)準(zhǔn)或非飲用水回用標(biāo)準(zhǔn)，至少需要沖洗過濾消毒等處理，而從金屬材質(zhì)的屋面上收集到的雨水，其糞便指示菌含量均低于其他材料的屋頂。C.Despins 等［12］認(rèn)為，鋼質(zhì)材料屋頂雨水水質(zhì)均高于其他材質(zhì)屋頂。雖然綠化屋頂雨水水質(zhì)在很多方面和其他材料屋頂相差不大，但是它的可溶性有機(jī)碳和金屬砷含量非常高。這項(xiàng)研究對(duì)屋面雨水收集利用具有很高的參考價(jià)值。

此外，國(guó)外對(duì)綠色屋頂截留能力的影響因素作了大量研究，如坡度、降雨量等。L.Kristin 等［13］的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂坡度對(duì)雨水徑流截留能力有顯著影響，其中坡度在2%～15%和2%～25%之間時(shí)，截留能力隨坡度的增加而下降，綠色屋頂?shù)腃N(反映區(qū)域的土壤、土地利用/覆被和降雨前土壤濕潤(rùn)程度，通常，下墊面產(chǎn)流能力越強(qiáng)，CN值越大［14］)值較傳統(tǒng)材料屋面要低。L.Timothy［15］研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于降雨量小于25.4 mm 的小雨，綠色屋頂?shù)慕亓裟芰?8%，降雨量在25.4 ～76.2 mm 之間的中雨，截留能力為54%，降雨量大于76.2 mm 的大雨，截留能力為48%。同樣，2008 年，M.T.Simmons 等［16］研究發(fā)現(xiàn)，降雨量小于10 mm 時(shí)，綠色屋頂可截留全部雨水，降雨量為12 mm 時(shí)，綠色屋頂截留能力在26%～88%之間，降雨量在28 ～49 mm時(shí)，截留能力在13%～44%之間，具體視種植層性質(zhì)和排水系統(tǒng)而定。

我國(guó)雨水利用歷史悠久，但真正意義上雨水利用是在20 世紀(jì)80 年代，發(fā)展于90 年代。以前主要在缺水地區(qū)有一些小型、局部的非標(biāo)準(zhǔn)性應(yīng)用，近來(lái)隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，各地缺水問題愈加突出，城市雨水利用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題。

李興彩等［17］對(duì)調(diào)蓄池的容積計(jì)算方法進(jìn)行了研究，指出了月水量平衡分析法、年水量平衡分析法、最高日水量法這3 種計(jì)算方法存在的不足之處，在此基礎(chǔ)上提出了日水量平衡分析法，經(jīng)對(duì)比分析得出這種方法最符合雨水利用實(shí)際情況。潘國(guó)慶等［18］對(duì)區(qū)域性雨水利用系統(tǒng)儲(chǔ)存池規(guī)模的計(jì)算方法進(jìn)行了探討，給出了典型城市雨水收集儲(chǔ)存池設(shè)計(jì)規(guī)模參數(shù)。盧金鎖等［19］在分析了雨水管道設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度理論和非滿流管道空隙容積理論的基礎(chǔ)上，假設(shè)雨水調(diào)蓄池上游管道設(shè)計(jì)流量全部持續(xù)進(jìn)入調(diào)蓄池，以蓄水時(shí)間作為下游管道新增的雨水匯流時(shí)間，從而提出了適用于設(shè)有雨水調(diào)蓄池的雨水管道計(jì)算公式，并將其應(yīng)用于某新規(guī)劃的科技園的雨水集蓄利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使得雨水干管管徑減小，節(jié)省了150 萬(wàn)元管道造價(jià)。王耀堂等［20］研究了在建筑與小區(qū)內(nèi)實(shí)施滲透排放一體生態(tài)雨水系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于北京用友軟件園，系統(tǒng)將滲透檢查井出口高程高于進(jìn)口高程，以將雨水貯存在井內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大限度的滲透，該系統(tǒng)應(yīng)用于用友軟件園，使得軟件園綜合徑流系數(shù)不超過0.3，這項(xiàng)工程措施可大幅度減少雨水的排出量，在同等設(shè)計(jì)年限下，可適當(dāng)減小城市雨水管網(wǎng)管徑，對(duì)城市排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)產(chǎn)生了顯著影響。盛麗敏等［21］提出采用雨水淺層蓄滲技術(shù)，在原有土地使用功能不改變和成本不增的情況下，可消減50%以上的雨水量。張麗等［22］分析了下凹綠地對(duì)雨水徑流和匯流的影響，得出下凹綠地能有效地?cái)r蓄雨水徑流和補(bǔ)充地下水，使匯流明顯滯后。任樹海等［23］分析計(jì)算得出，在北京城區(qū)城市規(guī)劃面積與不透水地面積之比為1 時(shí)，下凹綠地下凹深為150 mm，平均每年將有1.55 億m3雨水轉(zhuǎn)化為土壤水，3.66 億m3雨水補(bǔ)給地下水，外溢水量?jī)H有0.11 億m3。Zhang 等［24］通過對(duì)鄭州市3 個(gè)不同功能區(qū)(工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū))的雨水收集測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)COD、TC 含量工業(yè)區(qū)最高、住宅區(qū)最低，并提出初期雨水(即住宅區(qū)屋頂最初的2 mm降雨，商業(yè)區(qū)最初的5 mm 降雨，工業(yè)區(qū)最初的10 mm 降雨)應(yīng)與后期雨水分開處理。這些問題的研究應(yīng)用為雨水的合理有效利用提供了有力的技術(shù)支持，很大程度上推動(dòng)了我國(guó)雨水利用的發(fā)展。

2 關(guān)于天津市雨水利用的建議

隨著城市化進(jìn)程的加快和國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，天津市水資源供需矛盾愈加突出。為解決這一問題，具有很高的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)價(jià)值的雨水利用技術(shù)必將得到高度重視。

近幾年來(lái)，天津已經(jīng)加快了雨水利用的步伐，已建成天津科技大廈、梅江小學(xué)等雨水收集利用建筑，并且將它們作為示范點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果，但是，還沒有在更多的區(qū)域推廣開來(lái)?？傮w來(lái)說，天津雨水的利用處于起步階段，雨水利用只集中在農(nóng)業(yè)灌溉上，另外對(duì)雨水利用的重要性認(rèn)識(shí)還不夠深刻，綜合性的系統(tǒng)研究開發(fā)欠缺，還有很多問題需要進(jìn)一步研究。

2.1 制訂完善的法規(guī)政策和明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

到目前為止，天津市雨水利用還沒有相關(guān)的政策法規(guī)。美國(guó)早在1965 年，國(guó)會(huì)就提出了《水資源規(guī)劃法》，紐約市有《安全飲用水法》《地表水處理法》等多項(xiàng)法規(guī)，2006 年，德克薩斯州州會(huì)就提出了11 項(xiàng)節(jié)水方案。德國(guó)1992 年黑森州開始征收地下水稅，1993 年又頒布了新的建筑法規(guī)，給市政當(dāng)局或地方團(tuán)體以權(quán)利，用來(lái)強(qiáng)制性地推行雨水利用。2003 年3 月，北京市規(guī)劃委員會(huì)和北京市水利局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)建設(shè)工程用地內(nèi)雨水資源利用的暫行規(guī)定》，明確“凡在本市行政區(qū)域內(nèi)，新建、改建、擴(kuò)建工程(含各類建筑物、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、道路、橋梁和其他構(gòu)筑物等建設(shè)工程設(shè)施)均應(yīng)進(jìn)行雨水利用工程設(shè)計(jì)和建設(shè)［25］”，這政策措施促進(jìn)了北京地區(qū)城市雨水利用技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。對(duì)于雨水利用處于起步階段的天津，制訂相關(guān)法規(guī)政策對(duì)推進(jìn)天津雨水利用技術(shù)的實(shí)施具有積極的指導(dǎo)作用。

德、日、美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化進(jìn)程較快的國(guó)家，將城市雨水利用作為解決城市水源問題的戰(zhàn)略措施，已建立了完整的雨水收集利用體系及相關(guān)規(guī)范制度，并開始走向系統(tǒng)化、集成化和規(guī)范化。1989年，德國(guó)出臺(tái)了雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)(DIN1989)［26］，對(duì)住宅、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域雨水利用設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理、過濾、儲(chǔ)存、控制、監(jiān)測(cè)等方面制定了標(biāo)準(zhǔn)，到如今已發(fā)展了第3 代雨水利用技術(shù)。對(duì)于天津，根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜地制定雨水利用技術(shù)指南、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范是雨水利用在天津迅速發(fā)展、推廣的依據(jù)和基礎(chǔ)。

研究地位于甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)農(nóng)墾農(nóng)場(chǎng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草試驗(yàn)站，地理位置N 37°52′20″，E 102°50′50″。地處甘肅河西走廊東端，屬典型內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)，海拔1 581 m；全年平均無(wú)霜期156 d，降水量164.4 mm，蒸發(fā)量1 919 mm，年均氣溫7.8℃，日照時(shí)數(shù)2 968.2 h，≥10℃年積溫2 985.4℃；年太陽(yáng)輻射總量504～630 kJ/cm2。供試土壤為灌漠土，耕層有機(jī)質(zhì)15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷13.38 mg/kg、速效鉀248.63 mg/kg，土壤pH8.2。

2.2 對(duì)雨水利用進(jìn)行合理規(guī)劃

雨水的具體應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)城市發(fā)展目標(biāo)、城市具有的水文地質(zhì)條件、市政設(shè)施以及城市雨水資源化原則，系統(tǒng)綜合地運(yùn)用各種方式和途徑，使其產(chǎn)生最優(yōu)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)［27］。結(jié)合天津市自身的特點(diǎn)，雨水利用規(guī)劃具體應(yīng)包括以下方面。

1)根據(jù)城市密度分區(qū)，劃定雨水利用分區(qū):天津市降雨、匯流和水文地質(zhì)條件等空間差異性較大，劃分城市密度分區(qū)可作為雨水利用分區(qū)的重要手段。

2)根據(jù)土地利用類型，實(shí)施分級(jí)指引:根據(jù)不同的土地利用類型，可將其劃分為道路、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)、公園景觀等類型，根據(jù)土地利用類型的不同，對(duì)雨水實(shí)行不同的收集處理利用方式。

3)結(jié)合城市更新改造，確定適宜實(shí)施時(shí)序:一方面對(duì)于新增建筑用地推進(jìn)雨水利用工程;另一方面在城市改造建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮雨水利用。

2.3 建立靈活的雨水利用市場(chǎng)機(jī)制

從天津市雨水利用的驅(qū)動(dòng)力來(lái)看，政策推動(dòng)要大于市場(chǎng)調(diào)節(jié)。全面推廣雨水利用技術(shù)應(yīng)建立靈活的雨水利用市場(chǎng)機(jī)制，形成專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化的市場(chǎng)運(yùn)作模式。對(duì)于個(gè)人或企業(yè)而言，雨水利用投入要遠(yuǎn)大于節(jié)水費(fèi)，因此，在個(gè)人和企業(yè)中很難推進(jìn)雨水利用工程，這就需要政府出資調(diào)節(jié)，使得個(gè)人或企業(yè)在雨水利用工程中得到真正的實(shí)惠。政府的具體措施可以包括:設(shè)立專項(xiàng)資金，用于鼓勵(lì)實(shí)施雨水利用的個(gè)人或企業(yè);對(duì)實(shí)施雨水利用的個(gè)人或企業(yè)減免防洪費(fèi)和水環(huán)境治理費(fèi);對(duì)于未實(shí)行雨水利用的企業(yè)或個(gè)人征收高額城市防洪費(fèi)和水環(huán)境治理費(fèi);政府投資組建公益性雨水利用企業(yè)等。

2.4 尋求最佳的雨水利用方式

雨水利用方式多種多樣，天津市應(yīng)在推行雨水利用進(jìn)程中尋求適合自己的方式，因地制宜，達(dá)到事半功倍的效果。下凹綠地、鋪設(shè)透水磚、構(gòu)建滲水渠等雨水利用手段投資少、效果顯著，應(yīng)成為天津市雨水利用的主要途徑。建造儲(chǔ)存池集蓄雨水這種手段受降雨均勻性影響較大，對(duì)于降水非常不均的天津市應(yīng)作為一種雨水利用輔助手段，而雨水綜合利用技術(shù)環(huán)境效益最佳，應(yīng)積極研究并推廣。

2.5 加強(qiáng)雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)與管理

天津市雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)還處于起步階段，研究大多偏重于降雨徑流污染負(fù)荷評(píng)價(jià)，研究方法也主要是套用國(guó)外模式，缺乏針對(duì)天津市雨水環(huán)境的水質(zhì)模型研究。雨水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)工作應(yīng)注重應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，如GIS、遙感技術(shù)等對(duì)雨水水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為建立符合天津城市環(huán)境的徑流管理控制體系提供可靠全面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

城市雨水利用的快速發(fā)展對(duì)雨水利用技術(shù)的科學(xué)性、系統(tǒng)性也提出了更迫切的高要求。隨著該領(lǐng)域科學(xué)研究和工程技術(shù)的深入發(fā)展，城市雨水利用將走與城市防澇減災(zāi)、城市非點(diǎn)源污染控制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的雨水利用可持續(xù)發(fā)展道路。天津市雨水利用的近期重點(diǎn)應(yīng)該是:

1)盡快制訂完善的法規(guī)政策，加強(qiáng)政策和市場(chǎng)引導(dǎo)，將雨水利用技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化;

2)優(yōu)化雨水系統(tǒng)，包括采用先進(jìn)的技術(shù)手段加強(qiáng)雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)與管理，為徑流管理控制體系提供可靠全面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);

3)對(duì)雨水利用進(jìn)行全面合理規(guī)劃，尋求雨水利用最佳模式，使其產(chǎn)生最優(yōu)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)。

在城市用水緊張的當(dāng)今，雨水資源的開發(fā)利用無(wú)疑是開辟新水源的一個(gè)有效途徑。盡管雨水利用作為一個(gè)新興領(lǐng)域還有許多技術(shù)問題有待深究，但從國(guó)內(nèi)外實(shí)踐來(lái)看，已經(jīng)顯示了良好的發(fā)展勢(shì)頭;因此，我們可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家雨水利用的管理經(jīng)驗(yàn)和實(shí)用技術(shù)，結(jié)合天津市具體實(shí)際情況，因地制宜，實(shí)施適當(dāng)?shù)挠晁眉夹g(shù)，充分利用雨水戰(zhàn)勝天津的用水危機(jī)。

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