淺析城市雨水利用

張 靜

(黑龍江省水文水資源中心 大慶分中心,黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

雨水利用是指將自然降水收集和儲(chǔ)存起來(lái),并加以使用。從廣義上講,雨水利用還包含利用空氣中的水分,如人工增雨、露水利用等。雨水利用的常見(jiàn)方式:①直接設(shè)置收集雨水的集流面,把集流面上的雨水通過(guò)集水槽、管收入蓄水器(置于地上或地下的罐或窖)中,進(jìn)行儲(chǔ)存以備利用;②采取措施促進(jìn)雨水的滲透,回灌、補(bǔ)充地下水,調(diào)節(jié)地下水的采補(bǔ)平衡。雨水利用包含的內(nèi)容廣泛,涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。如利用雨水養(yǎng)育農(nóng)作物是農(nóng)業(yè)栽培的內(nèi)容;考慮降水量的農(nóng)田灌溉屬于農(nóng)田水利的范疇;城市雨洪利用涉及給排水工程、水利工程等領(lǐng)域;人工增雨與大氣水分的凝聚則主要與大氣科學(xué)技術(shù)有關(guān)。

1 城市雨水利用的必要性和可行性

1.1 必要性

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程也在不斷加速,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市生活用水、生態(tài)用水、產(chǎn)業(yè)用水量不斷增長(zhǎng)。近年來(lái),隨著城市地下水資源的不斷開(kāi)發(fā),地下水位呈下降趨勢(shì),導(dǎo)致區(qū)域地下水深度降低,并在城市范圍內(nèi)形成“漏斗”狀區(qū)域,給城市供水帶來(lái)了較大壓力。同時(shí),由于城市道路不斷擴(kuò)展,居民區(qū)不斷擴(kuò)大,使得城市地面的滲透性不斷下降。特別是汛期時(shí),雨水難以滲透到地下,極易造成洪澇災(zāi)害。

城市雨水具有利害雙重性,城市雨水利用兼有興利除害的作用。因此,從保障城市水安全出發(fā),加強(qiáng)城市雨水利用的理論和實(shí)踐研究是十分必要的。

1.2 可行性

在水資源總量上,降雨資源化具有很大潛力。城市建筑物表面、混凝土和瀝青路面等的徑流系數(shù)可以達(dá)到0.85～0.95,是城市降雨的一個(gè)重要產(chǎn)流區(qū),可以充分利用綠地、透水地面、滲地,通過(guò)滲井等將其滲透到地下來(lái)補(bǔ)充地下水,或者通過(guò)水庫(kù)等工程將其收集起來(lái)進(jìn)行綜合使用,從而緩解對(duì)城市的排水壓力。

在水質(zhì)方面,雨水的礦化度較低,相對(duì)于污水來(lái)說(shuō),其污染水平也較低。在降雨的最初階段,雨水中的COD值有可能超過(guò)400mg/L,但在降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,COD值會(huì)逐漸保持在50～100mg/L,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的水質(zhì)處理之后,即可滿足雜用水或環(huán)境用水的要求。

在技術(shù)上,依據(jù)城市氣象、水文地質(zhì)及下墊面狀況,可采取屋頂雨水利用、下凹式綠地雨水利用、土壤滲入等措施,并通過(guò)對(duì)街巷、廣場(chǎng)雨水利用、雨水回收利用等多種方式的研究,驗(yàn)證了其可行性。

目前,日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的雨水資源化技術(shù)比較完善,并已步入規(guī)范化、工業(yè)化的發(fā)展時(shí)期。我國(guó)城市雨水利用雖然起步晚,但已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)了透水型地面磚、環(huán)保型雨水口、填料式蓄水池、屋頂雨水過(guò)濾器等雨洪利用關(guān)鍵設(shè)備,并取得了良好的效果[1]。

2 城市雨水水質(zhì)及其影響因素

2.1 降水的水質(zhì)特征

雨水中含有多種離子和氣體(O2、CO2、N2及惰性氣體等),化學(xué)組分較為復(fù)雜,見(jiàn)表1。

表1 雨水的化學(xué)成分 /μmol·L-1

雨水中的離子成分主要來(lái)源于:

1)由海面飛濺的浪花蒸發(fā)后形成的鹽晶,在大氣對(duì)流作用下,使其上升至較高的高度,并溶于雨水中。

2)含有鹽晶的陸地?fù)P塵礦物微粒的溶解。

3)噴發(fā)至大氣中的含有易溶物質(zhì)的火山噴發(fā)物,包括氣體與塵埃。

4)人類(lèi)釋放的各類(lèi)大氣污染物質(zhì)[2]。

2.2 城市路面雨水徑流的水質(zhì)及其影響因素

2.2.1 路面雨水徑流的本質(zhì)特征

城市路面雨水徑流的水質(zhì)經(jīng)常受到汽車(chē)尾氣、輪胎磨損、燃油和潤(rùn)滑油、鐵銹以及路面磨損的影響,而受到污染。表2為某城市路面雨水徑流水質(zhì)的實(shí)測(cè)結(jié)果。雨水中主要污染物的范圍CODCr為295～1 230mg/L,BOD5為50～204mg/L,SS為1 045～22 88mg/L,石油類(lèi)為78～161mg/L,Zn為0.09～0.2mg/L。其中,BOD/COD約為0.17,表明有機(jī)污染物的可生化降解性較差。

表2 城市路面雨水徑流污染物濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2.2 影響路面雨水徑流水質(zhì)的因素

在城市道路上,其所產(chǎn)生的降雨量在時(shí)間上存在著較大差別,主要依賴于兩個(gè)要素:

1)影響瀝青混合料質(zhì)量的數(shù)量因素。如機(jī)動(dòng)車(chē)交通量、各種機(jī)動(dòng)車(chē)組成比例、燃料類(lèi)型、車(chē)況、路況、商載貨狀況等。

2)路面污染物積累的因素。包括兩場(chǎng)降雨的時(shí)間間隔、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等[3]。

2.3 屋面雨水徑流的水質(zhì)及其影響因素

2.3.1 屋面雨水徑流的水質(zhì)特征

初期的屋面雨水徑流水質(zhì)混濁、色度大。有機(jī)物和懸浮顆粒物的含量以有機(jī)物和懸浮顆粒物為主,總氮、總磷、重金屬和無(wú)機(jī)鹽含量偏低。通常情況下,在降雨初期所形成的徑流中,污染物的濃度比較高。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加,污染物的濃度會(huì)逐漸降低,色度也隨之降低。

2.3.2 影響屋面雨水水質(zhì)的因素

1)降雨特征。雨強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間對(duì)屋頂雨水質(zhì)量有顯著影響,因?yàn)橛晁仁侨芙馕廴疚锏娜軇?又是沖刷屋面污染物的動(dòng)力源泉。天然雨水溶質(zhì)含量較少,因而具有較高的溶解污染物的活性。雨水到達(dá)屋面時(shí),形成對(duì)屋面的沖刷力,強(qiáng)化了污染物溶入雨水的過(guò)程。而且,降雨強(qiáng)度越大,沖刷力越強(qiáng),污染物進(jìn)入未飽和雨水的量越大。

2)屋面材料。屋面材料中的可溶物質(zhì)在降雨過(guò)程中可進(jìn)入屋面雨水徑流中,通過(guò)對(duì)典型斜頂瓦房和平頂柏油氈房的降雨徑流進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,平頂柏油氈房在降雨徑流中的污染較為嚴(yán)重,初期徑流中COD含量可達(dá)到上千,并且具有較高的色度,有臭味,以可溶性有機(jī)物為主。

3)季節(jié)與氣溫。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),一年中4-5月份和夏季的降雨初期徑流中COD濃度最高。但自然降水的COD、SS含量普遍偏低,表明每次降雨初始徑流中的污染物含量較高。這是由于在漫長(zhǎng)的冬春季干旱季節(jié)后,屋檐上堆積了大量的泥沙及污染物質(zhì),在雨水的沖刷下,逐漸溶解。而到了夏天,溫度上升,光照加強(qiáng),適于對(duì)某些屋頂材料進(jìn)行加熱處理。如黑瀝青油毯,在陽(yáng)光的照射下,容易吸收熱量和軟化,并且很容易發(fā)生老化和降解,從而導(dǎo)致雨水水質(zhì)的惡化?？傮w來(lái)看,光照強(qiáng)度愈強(qiáng),溫度愈低,屋蓋物質(zhì)降解愈顯著,屋蓋雨水徑流中COD含量愈高。

4)大氣污染程度。屋面雨水中的污染物除了來(lái)源于屋面材料和屋面沉積物的溶解外,主要源自降水本身污染物。當(dāng)大氣嚴(yán)重污染后,降水的化學(xué)成分將十分復(fù)雜。一方面,降水中的污染物增多,使屋面雨水中的污染物起始值增大;另一方面,受污染的雨水(如酸雨)增強(qiáng)了對(duì)屋面材料的腐蝕,增大了其中污染物的溶出量[4]。

2.4 地面雨水徑流的水質(zhì)

2.4.1 地面雨水徑流的形成過(guò)程

地面雨水徑流是直接降落至地面的雨水徑流和屋面、路面徑流的混合水流。坡面徑流過(guò)程主要包括降雨、蓄滲、產(chǎn)流和匯流4個(gè)基本過(guò)程。降雨的大小及其時(shí)間和空間上的分布,決定著徑流的大小和變化過(guò)程。在蓄滲的過(guò)程中,所有的雨水都被截留、下滲、填洼以及蒸發(fā)。在降水的強(qiáng)度逐步增加至大于滲透的程度后,就會(huì)出現(xiàn)微小的流動(dòng),并開(kāi)始了坡地漫流過(guò)程,然后雨水徑流集于地形低洼處。

2.4.2 雨水徑流水質(zhì)及影響因素

在形成徑流的過(guò)程中,雨水徑流將沖刷屋面、路面、草地以及其他裸露的地面等,所以地面徑流的水質(zhì)受到降水水質(zhì)、屋面水質(zhì)、植物葉面沉積物、地面污染物等因素控制。特別是當(dāng)徑流流經(jīng)地面固體和液體污染物時(shí),其中的污染物被溶解于地面徑流中,導(dǎo)致徑流水受到污染[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)城市雨水資源的開(kāi)發(fā)與利用進(jìn)行了探討。在城市雨水利用中,必須加大宣傳力度,提高認(rèn)識(shí),改變觀念,從集水、蓄水、排水3個(gè)方面來(lái)考慮,將城市雨水的使用與城市建設(shè)、水資源的優(yōu)化配置以及生態(tài)建設(shè)相結(jié)合,同時(shí)污水回用、地下入滲和排水管網(wǎng)應(yīng)納入城市的建設(shè)計(jì)劃。