路面雨水的資源化利用
——以武漢市為例

范旭鵬

(華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074)

世界上許多國(guó)家都面臨著水資源枯竭的困擾，中國(guó)也是水資源貧乏的國(guó)家，我國(guó)干旱半干旱的面積占國(guó)土面積的一半之多，其中干旱地區(qū)占30.8 %，半干旱地區(qū)占21.7 %[1]，全國(guó)有半數(shù)以上的大中城市都面臨缺水問(wèn)題，人均可用水量只有2 300 m3，僅為世界平均水平的1/4[2]，而且我國(guó)水資源分布極不均衡，整體呈現(xiàn)南方多、北方少，夏季多、冬季少，豐水期枯水期不規(guī)則交替出現(xiàn)，這就使得節(jié)約用水、開發(fā)新的水源顯得尤為重要。另一方面，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市人口急劇攀升，建筑密度不斷上升，城市不透水地面面積不斷增加，雨水匯水面積日益增加，致使城市雨水徑流量不斷增大，城市排水系統(tǒng)負(fù)荷不斷加大，許多城市面臨嚴(yán)重內(nèi)澇隱患。

雨水作為一種自然資源，如果可以合理的收集處理利用，不僅可以緩解城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷，而且可以將凈化后的雨水應(yīng)用于工業(yè)、市政等方面，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展以及資源節(jié)約環(huán)境保護(hù)的建設(shè)要求，也有利于緩解我國(guó)水資源短缺的現(xiàn)狀。因此，筆者通過(guò)調(diào)查和查閱文獻(xiàn)，結(jié)合自己的分析，將路面雨水的資源化利用和城市市政用水結(jié)合起來(lái)，以期改善城市路面雨水的危害，緩解城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷，以及緩解我國(guó)缺水的現(xiàn)狀。

1 現(xiàn)狀調(diào)查分析

1.1 國(guó)內(nèi)外雨水利用現(xiàn)狀

我國(guó)雨水資源十分豐富，年降雨量大于6×1012m3，是我國(guó)重要的可利用淡水資源之一，然而從全國(guó)范圍來(lái)看，我國(guó)的雨水收集技術(shù)以及利用率還很低。雖然起步較早的北京已建成許多集雨項(xiàng)目，但是集雨效率很低、效果也不明顯。西北地區(qū)集雨做的較好的也只限于極度缺水的農(nóng)村。

但也應(yīng)該看到積極的一面，我國(guó)雨水資源化利用確實(shí)也在穩(wěn)步前進(jìn)，雨水收集凈化系統(tǒng)不斷改進(jìn)完善，國(guó)家不斷鼓勵(lì)支持，各種雨水資源化利用的規(guī)范也相繼建立，例如北京在二十一世紀(jì)初期制定的包括雨水利用規(guī)劃內(nèi)容的“21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃”等[3]。

在國(guó)外，目前在雨水利用方面，德國(guó)、日本走在世界前列，而且發(fā)展迅速，在雨水收集、處理以及應(yīng)用等方面技術(shù)較為全面，例如日本先后在國(guó)際館、電視臺(tái)建立了“微型水庫(kù)”，德國(guó)將屋面雨水用于公共汽車洗車水源，建造屋頂花園，法國(guó)用屋面雨水做冷卻循環(huán)等，這些都是國(guó)外的成功案例，我們應(yīng)該善于借鑒，加快我國(guó)在雨水資源化利用方面的發(fā)展腳步[4-5]。

1.2 道路排水及市政用水現(xiàn)狀分析

作者就所研究的問(wèn)題實(shí)地調(diào)查了解武漢多條道路，通過(guò)查閱資料、實(shí)地觀察、詢問(wèn)居民和市政工人等多種方式全方位了解城市道路排水系統(tǒng)設(shè)置及市政用水情況，得出武漢市道路排水及市政用水現(xiàn)狀如下。

1.3 道路排水系統(tǒng)單一

城市道路雨水口形式較多，常見可以分為平箅式雨水口(圖1)，立箅式雨水口(圖2)以及聯(lián)合式雨水口(圖3)。但是其排水系統(tǒng)工作原理基本相同，在雨水口下設(shè)置簡(jiǎn)單沉淀池，通過(guò)支管和主管道相連接，然后將初步沉淀后的雨水直接排入自然水體。

圖1 平箅式雨水口

圖2 立箅式雨水口

圖3 聯(lián)合式雨水口

目前，進(jìn)入雨水主管道的水基本不經(jīng)過(guò)任何處理就排放到自然水體中，而雨水沖刷路面的污水也順著管道排入自然水體，對(duì)自然水體的污染嚴(yán)重，且不利于雨水的資源化利用。

1.4 雨水口堵塞嚴(yán)重

調(diào)查走訪過(guò)程中，作者觀察到有些雨水口內(nèi)部有各種生活垃圾，有些雨水口完全被泥土堵塞(圖4、圖5)，據(jù)環(huán)衛(wèi)工人反映，秋季樹葉掉落多的時(shí)候情況更嚴(yán)重。這就造成在雨季來(lái)臨的時(shí)候，排水口甚至是排水管道堵塞，雨水不能及時(shí)疏通，這也是造成城市內(nèi)澇的重要原因之一。

表1 武漢市洪山區(qū)五條主干道排水口現(xiàn)狀

圖4 雄莊路部分排水口

圖5 楚雄大道部分排水口

1.5 缺乏應(yīng)用新技術(shù)新方法的意識(shí)

所調(diào)查的道路的排水系統(tǒng)都采用傳統(tǒng)的方法設(shè)置，單純注重雨水的疏通、排泄，對(duì)雨水的就地凈化、利用考慮不足。隨著城市化水平不斷提高，城市不透水地面面積持續(xù)增加，單純依靠各種形式的雨水口排泄雨水成本較高，而且在豐水期，雨水口有限的的排泄能力不能滿足城市雨水的排泄，造成不必要的城市內(nèi)澇，影響居民人身財(cái)產(chǎn)安全。

1.6 市政用水現(xiàn)狀

隨著人們生活水平不斷提高，人們對(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)越高，這也加大了城市市政建設(shè)的壓力。目前我國(guó)市政用水多是自來(lái)水，也有些地方是利用自然水體。若采用自來(lái)水，用水量較大，費(fèi)用較高，若采用自然水體，水質(zhì)不能保證，水體有異味，對(duì)空氣造成不必要的破壞，而且都需要消耗大量人力物力。

2 路面雨水應(yīng)用于市政用水的優(yōu)勢(shì)

道路排水之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，根源在于城市化水平不斷提高，城市不透水地面面積不斷增加，然而城市排水系統(tǒng)的設(shè)置和理念并沒有跟上步伐，未能做出相應(yīng)的改變。結(jié)合市政用水的特點(diǎn)考慮，將路面雨水引入市政用水是解決這一問(wèn)題的有效方法之一。

2.1 雨水的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

我國(guó)地處北溫帶，年降雨量充沛，以秦嶺淮河為分界線，此線以東、以南地區(qū)年均降水量大于800 mm，東南沿海城市年降水量在1 600 mm以上。我國(guó)擁有如此豐富的雨水資源，但是雨水資源化利用的意識(shí)不夠強(qiáng)，方法不夠新，只有在極度缺水的西北內(nèi)陸地區(qū)的農(nóng)村有簡(jiǎn)單的應(yīng)用，其他大部分地區(qū)除自然灌溉之外仍任其流失。雨水作為一種自然資源，如果能夠提高意識(shí)、創(chuàng)新方法，不僅能夠緩解我國(guó)缺水的問(wèn)題，推而廣之，甚至可以解決世界上不少缺水國(guó)家的難題。

2.2 市政用水對(duì)水質(zhì)的要求

市政用水多用于綠化帶澆灌、路面噴灑、公共場(chǎng)所清理等方面，這些方面的用水要求普遍低于自來(lái)水的要求，許多地區(qū)將自來(lái)水用于市政的做法顯然是不經(jīng)濟(jì)的。雨水作為一種可利用資源，經(jīng)過(guò)處理后就可以達(dá)到市政用水的要求，而將處理后的雨水應(yīng)用于市政，不僅符合我國(guó)節(jié)約資源的基本國(guó)策，而且也降低了市政用水的成本，還可以有效緩解城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷。

2.3 路面雨水的特點(diǎn)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)迅猛發(fā)展，我國(guó)的公路總里程數(shù)以及公路密度也隨之持續(xù)增長(zhǎng)，據(jù)我國(guó)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截至2015年，我國(guó)公路總里程數(shù)達(dá)到4.577×106km2，公路密度達(dá)到47.68 km/100 km2。路面作為一種天然的集雨通道，如果可以充分利用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，雖然路面雨水較屋面雨水污染嚴(yán)重，但是經(jīng)過(guò)初期棄流，后期的雨水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理仍可達(dá)到市政用水和工業(yè)用水的基本要求，不僅可以節(jié)約有限的水資源，而且可以節(jié)省成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

3 武漢市路面雨水引入市政用水可行性分析

3.1 武漢的地理位置及氣候條件

武漢地處長(zhǎng)江中下游平原，江漢平原東部，是國(guó)家區(qū)域中心城市、湖北省省會(huì)。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨水充沛、光照充足，夏季多高溫，冬季稍涼，降水主要集中在夏季。一年中，1月平均氣溫最低，為3.0 ℃，7月平均氣溫最高，為29.3 ℃，年均降水量為1 247.1 mm，最大年降雨量為2 105.9 mm，多集中在5～8月份[6]。

3.2 有效雨量計(jì)算方法

由于在降雨初期，雨水沖刷路面油污，溶解空氣中各種工業(yè)廢氣，雨水的污染較為嚴(yán)重，這部分雨水凈化處理過(guò)程復(fù)雜，因此通過(guò)特殊雨污切換裝置排除，將后期雨水通過(guò)管道收集儲(chǔ)存?zhèn)溆?，此外還應(yīng)考慮蒸發(fā)等因素的影響，有以下公式：

P=A×(Q-B)×S

(1)

其中：P是最終利用雨水量；A為利用率(除去蒸發(fā)等的損失，一般取0.8～0.9)；B為初期棄流量(一般取2.0～2.5 mm)；Q為降水總量；S為有效集水面積[7]。

3.3 可行性分析——以楚雄大道為例

3.3.1 雨量滿足水景需求可行性分析

楚雄大道位于武漢市洪山區(qū)，是武漢市內(nèi)一條主干道，車流量極大，機(jī)動(dòng)車道為雙向八車道，主干寬約28 m，兩側(cè)各有一條人行道，共寬4 m，機(jī)動(dòng)車道兩側(cè)每隔20 m設(shè)有一個(gè)雨水口，按每200 m設(shè)置一個(gè)集水區(qū)(儲(chǔ)水池)。由上述數(shù)據(jù)可知：

有效集水面積S= 200×(28+4)= 6400m2

將表2中月均降水量數(shù)據(jù)代入式(1)中得到月均可利用雨水量，利用率A取0.85，初期棄流B取2.5 mm，見表2。

表2 武漢地區(qū)的月均降水量及可利用雨量表(1981年～2010年)

由表2可知，4月到8月凈化后的雨水量較多，基本可以維持本段路綠化帶澆灌以及定期的路面噴灑要求，而對(duì)于其他降雨量較少的月份，則還需補(bǔ)充自來(lái)水以維持正常的使用要求，所以將凈化后的雨水應(yīng)用于市政系統(tǒng)是完全可行的。

此外，根據(jù)武漢地區(qū)水費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自來(lái)水費(fèi)用為2.5 元/m3，若將凈化后的雨水應(yīng)用于該路段，則每個(gè)集水區(qū)每年可以節(jié)約用水7 000 m3，節(jié)約水費(fèi)1.75×104元，在資源化應(yīng)用雨水的基礎(chǔ)上不僅有利于緩解我國(guó)缺水的壓力，而且也降低了市政用水的成本。

3.3.2 具體實(shí)施方法

基于現(xiàn)有的城市雨水排放系統(tǒng)，本文進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以期能在現(xiàn)實(shí)中推廣應(yīng)用。具體方法如下。

保留原有的雨水口，在其下方設(shè)置簡(jiǎn)易初期沉淀池，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入雨水收集管道。由于降雨初期，雨水溶解空氣中的廢氣、沖刷路面雜質(zhì)，污染較嚴(yán)重，需要經(jīng)過(guò)雨污切換系統(tǒng)(圖6[8])，將初期污染嚴(yán)重的雨水棄置排入污水處理系統(tǒng)，接著進(jìn)入凈化裝置對(duì)雨水進(jìn)行凈化，最后儲(chǔ)存在儲(chǔ)水池，儲(chǔ)水池上方設(shè)置通風(fēng)口，并定期對(duì)儲(chǔ)水池進(jìn)行清理，儲(chǔ)水池連接水泵直接接入市政用水系統(tǒng)以供使用(圖7)。

圖6 雨污切換系統(tǒng)

圖7 系統(tǒng)示意

此外，可以借鑒一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在路緣石和綠化帶內(nèi)設(shè)置管道，并在綠化帶的土體中和路緣石邊緣設(shè)置傳感器，通過(guò)傳感器感應(yīng)土壤濕潤(rùn)程度以及空氣濕度，自動(dòng)控制水泵對(duì)綠化帶進(jìn)行澆灌、對(duì)路面進(jìn)行噴灑，另外可通過(guò)電腦遠(yuǎn)程控制水泵對(duì)路面進(jìn)行噴灑，可以節(jié)省大量人力、物力。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，城市市政建設(shè)的壓力越來(lái)越大，市政用水越來(lái)越多。雨水作為一種可利用的資源，在現(xiàn)有城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，可以達(dá)到收集、凈化雨水的要求，進(jìn)而應(yīng)用于城市建設(shè)的各個(gè)方面以緩解我國(guó)缺水現(xiàn)狀。文章對(duì)路面雨水資源化應(yīng)用的研究結(jié)合武漢地區(qū)現(xiàn)有公路狀況分析得出如下結(jié)論：在武漢地區(qū)，將凈化后的雨水引進(jìn)市政系統(tǒng)的方案是可行的，不僅可以緩解市政排水系統(tǒng)的壓力，而且可以節(jié)約水資源，同時(shí)節(jié)約大量人力物力，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

4.2 建議

雨水的資源化利用對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)新興領(lǐng)域，我國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，發(fā)展較緩，為促進(jìn)其快速推廣發(fā)展特提出幾點(diǎn)建議：大力宣傳雨水資源化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，積極引導(dǎo)人們合理利用雨水；加大科研力度，盡快完善雨水收集、凈化系統(tǒng)；鼓勵(lì)支持雨水資源化利用的實(shí)踐，使理論轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；國(guó)家制定相關(guān)法律法規(guī)，促進(jìn)水資源化利用的規(guī)范化。