隨著城市化速度的不斷加快，全球工業化的不斷發展，社會需水量大幅增加，水資源供需矛盾日益突出。聯合國已經發出警告，由于世界水資源日益枯竭，人口爆炸、污染和全球氣候變暖，未來20年人均供水將會減少1/3。于是開發非傳統水資源，即雨水利用、污水回用、海水利用，被世界各國視為緩解水危機的重要途徑之一。通過研究和工程實踐，其顯示出巨大的開發潛力和經濟效益。傳統水資源和非傳統水資源的耦合互補利用，不僅能緩解城市供水的壓力，而且還能改善水環境、減少水災害，具有巨大的社會效益和生態效益。現代城市雨水利用具有原水水質相對較好、投資小、回用處理工藝簡單等優點，從上世紀80年代開始已經引起世界各國的關注。

 

    隨著城市規模的不斷擴大，原排水設施設計標準難以滿足新的排水要求，此外城市排水設施年久失修，維護不善，造成城市地區地面積水現象時有發生。而另一方面，發生降雨時，雨洪徑流白白流走，旱季又缺水嚴重。為此，城市雨水利用作為排澇和緩解水資源危機的一種措施被提出來。狹義地講，城市雨水利用指采取一定的工程措施，將雨水的收集、蓄積、處理、利用的過程。

 

    國內外介紹雨水利用技術的文獻眾多，歸納一下按利用方式分為土壤入滲、集蓄回用兩種方式。在我國雨水利用方式選擇的基本思路是：地面雨水采用入滲，屋面雨水采用入滲還是收集回用由技術經濟比較決定。地面雨水采用入滲而不收集回用的主要理由是：（1）地面特別是路面雨水污染較重，COD和SS等主要指標比較屋面雨水成倍增高；（2）地面特別是綠地雨水收集效率（徑流系數）低，僅約為屋面雨水的1/4或1/5。

 

    2.1土壤入滲

    土壤入滲是一種投資少、見效快、能發揮綜合效益的雨水利用技術。主要是采用人工滲透地面和綠地加大雨水入滲，減少地面徑流。停車場、生活小區及人行道可采用多孔瀝青、多孔混凝土或草皮磚，以增加降雨入滲；城市的公園、草坪或公路綠化帶等現有綠地可改造成良好的入滲場（如植被淺溝、下凹式綠地），來接納不透水地面上的雨水徑流。

 

    （一）多孔瀝青及混凝土地面

    多孔瀝青地面由表面瀝青層、濾層和蓄水層組成。表面瀝青層避免使用細小骨料，空隙率為12%~16%，厚6~7cm。瀝青層下面的濾層和蓄水層由碎石構成。濾層的碎石粒徑1.3cm，厚5cm。蓄水層碎石粒徑2.5~5cm，空隙率為38%~40%，其厚度視所需蓄水量而定。多孔混凝土路面與多孔瀝青類似，區別在于表層為無砂混凝土，厚度約12cm，空隙率15%~25%。多孔瀝青和多孔混凝土鋪筑的地面具有滲蓄雨水、抗滑和吸收交通噪聲功能，在美國使用廣泛。缺點是使用長時間后會因堵塞而失效，因此在我國的應用受到限制。

 

    （二）草皮磚

    草皮磚是帶有各種形狀空隙的混凝土塊，開孔率達20%~30%，因在空隙中可種植草類而得名。草皮磚地面的徑流系數為0.05~0.35^[4]，可以有效削減地面徑流量，由于種植了草類，還具有一定的凈化作用。草皮磚是一種利用效果不錯、維護管理方便的土壤入滲技術，應用較為廣泛，多用于停車場、人行道。

 

    （三）地下滲透管、滲透渠和滲透池

    滲透管（圖1）一般采用穿孔PVC管或透水材料制成，匯集的雨水通過滲透管進入周圍碎石層，再進一步向周圍土壤滲透。碎石層具有一定儲水調蓄作用。滲透渠與滲透管的結構功能類似。地下滲透池（圖2）實際上是一種地下儲水裝置，利用碎石空隙、滲透渠等儲存雨水。

 

 

圖1 滲透渠、滲透管示意圖                                   圖2 接納屋面徑流的地下滲透池

 

    滲透管渠和滲透池的優點是占地少，缺點是極易堵塞。為避免堵塞常將預處理設施（如綠地、初期雨水棄流裝置）與滲透設施組合使用。

    （四）植被淺溝（圖3）

圖3 植被淺溝示意圖

    植被淺溝是指在地表溝渠中種有植被的一種工程性措施。它一般建于城市公園內道路兩側、不透水地面的周邊、大面積綠地內等，可以同滲透渠或雨水管網聯合運行完成輸送排放功能的同時實現了雨水的凈化。

 

    植被淺溝不但能夠增強滲透，補充地下水，其中的植被還具有降低徑流速度，消減洪峰流量的作用，此外當雨水流經植被淺溝時，在沉淀、過濾、生物降解的共同作用下，徑流中的污染物可部分被去除。研究表明，它對SS的去除率可以達到80%以上。由于城市徑流中SS與COD、TP、TN等污染指標存在良好的相關性，SS去除的同時其他污染物也得到相應的去除。

 

    植被淺溝的關鍵設計參數包括淺溝長度、水力停留時間、最大徑流速度、曼寧系數、最大斷面高度等，其取值范圍本文不加詳述，可參考相關文獻。

 

    植被淺溝只適用于小流量的雨水入滲，流量較大時將造成地面積水，若滯留時間較長水質惡化。設計時需考慮地形和坡度，保證淺溝在重力流排水時暢通無阻，并考慮受納水體的高程控制；還要與道路景觀設計相協調，注意維護和管理。

 

    （五）下凹式綠地

    綠地作為滲透設施，不僅滲透能力強，而且植物根系能對雨水徑流中的污染物起到凈化作用。而下凹式綠地具有滲蓄雨水、削減洪峰流量、減輕地表徑流污染等優點。典型的下凹式綠地的結構為：路面高程高于綠地高程，雨水口設在綠地內，且高于綠地高程而低于路面高程。這樣不透水地面上的雨水徑流先流入綠地，綠地蓄滿后再匯入雨水口。

 

    中國農業大學通過對分析計算在設計暴雨條件下下凹式綠地的蓄滲、減洪效果，表明在1倍匯水面積的情況下，對于10，50和100年一遇的暴雨，下凹式綠地的降雨攔蓄率分別為87.15%、58.48%和50、75%，其中減峰率分別為71.04%、46.82%和41.52%，蓄滲減洪效果顯著。

 

    下凹式綠地設計的關鍵參數有：設計暴雨重現期 、綠地土壤穩滲率 、下凹式綠地面積比例 和綠地下凹深度。其確定主要考慮：

    （1）一般地說，設計重現期 越大，所需下凹式綠地的 和 越大。參照《室外排水設計規范》、《城市排水工程規范》，結合城市雨水系統專業規劃，下凹式綠地的設計重現期 選為1a、3a和5a。（2）土壤穩滲率 對綠地的蓄滲效果影響較大，常實測獲得。（3）下凹式綠地面積比例 增加，土壤的滲透量加大，徑流量隨之減小。近年來，城市綠化率逐年增加，2005年北京、上海城市綠化覆蓋率分別達到40%和36%，這為城市修建下凹式綠地提供了條件。（4）下凹深度 越大，蓄滲效果越明顯，但是 過大，蓄水時間延長，若超過了植物的耐水淹時間，則不利于植物的生長。李俊奇等認為 應控制在5cm到25cm的范圍內。任樹梅等計算了北京某城區 =15cm， =20%情況下，最長蓄水時間為21h，小于一般植物的耐淹時間，不影響綠地植物的生長。

 

    2.2集蓄回用

    由于城市屋面雨水水質較路面雨水水質要好得多，所以我們所說的雨水集蓄回用系統具體指屋面雨水集蓄回用系統，它可以為在建筑群或小區中設置的集中式利用系統，也可以是設置在單體建筑物的分散式利用系統。系統由集雨區，輸水系統、截污凈化系統（如過濾）、儲存系統（水箱、地上或地下水池）以及配水系統等幾部分組成。

 

    雨水的集中集蓄是指較大的集雨面收集的雨水通過專用的雨水傳輸系統，輸送到較大蓄水池或水庫儲存，以供建筑群或小區生活雜用水、地下水回灌或作景觀用水等。蓄水池可建在地上，結合城市規劃，建成水景觀等；也可建在地下，如廣場或建筑物下，不占用城市面積，而且建在地下，可以就近收集，減少管道長度，節省造價。德國柏林的波士坦廣場通過屋頂和硬質地面收集到的雨水全部進入主體建筑和廣場地下的儲水箱。經初步過濾沉淀后，雨水中較大懸浮物沉積下來，然后通過地下層控制室里的水泵和過濾器進入各個大樓的中水系統用于沖廁、澆灌綠地等，還有一部分被送到地上水面作為景觀用水。送到地面的處理雨水在構成城市景觀的同時，還在水生植物、微生物的共同作用下完成了第二次凈化。分散式集蓄回用主要包括單體建筑屋面雨水集蓄和屋頂花園兩種形式。

 

    德國的雨水集蓄利用技術已經進入標準化、產業化階段，并逐步向集成化、綜合化方向發展。除了法律以及管理手段的實施外，還有許多技術支持。如WISY公司研制的金屬篩網或立管旋流過濾器安裝在雨水立管上能有效改善水質，過濾能力可滿足100~3000 屋面雨水徑流。許多公司研制的硬塑料貯水箱，使用浮動式過濾取水器保證出水始終是水箱中最潔凈的。此外還采用了一些經濟手段，如制定雨水排放費征收標準，對實施雨水利用的業主免收雨水排放費。

 

    （一）屋頂花園

    屋頂花園利用系統是雨水集蓄技術與生態技術的結合，由于它在改善環境、節約能源等方面的眾多優越性，國外許多城市的地方政府相繼出臺了相關政策鼓勵屋頂綠化。

 

    屋頂花園的優點主要體現在四個方面：（1）水文效應：能夠削減城市暴雨徑流量，可以使屋面徑流系數減少到0.3，在排水工程中相應減小排水管道或調蓄池容積，節省建造費用；（2）環境效應：多余的屋面雨水經屋頂花園系統凈化后排出，起到控制非點源污染的作用；（3）生態效應：可以降低噪聲、綠化城市緩解城市熱島效應；（4）防護效應：可以保護屋頂防水層不受氣候、紫外線等損害，延長屋頂使用壽命，此外，屋頂花園還起到保溫的作用，節省能源。

 

    屋頂花園由植被層、基質、過濾膜、蓄排水盤、保濕毯、隔根膜組成。植物應根據當地氣候和自然條件，遴選本地生的耐旱植物，如北京地區選用佛甲草、黃花萬年草等。種植基質應選擇空襲率高、密度小、耐沖刷、且適宜植物生長的天然或人工材料，德國常用火山石、沸石、浮石等，我國常用燒結土。基質厚度一般為7~9mm厚。屋頂花園需要著重考慮蓄水和排水的統一。雨季，尤其是短歷時的降雨若不能及時排走可能造成屋面積水重量超過屋面荷載，危及建筑安全；旱季，又需要屋頂綠化蓄水功能保證植物正常生長。現在多采用蓄排水盤結合其上的燒結土基質層和其下的保濕層滿足蓄排水的要求。

 

    屋頂花園技術適用于氣候溫暖，雨量充沛且經濟比較發達的地區。

 

    德國、英國、日本等國對雨水回用進行了大量的研究和工程實踐，技術已相當成熟。但是我國對雨水的處理回用的研究很少。

 

    屋面雨水的水質受屋面材料、氣溫、降雨量、降雨強度、降雨歷時及空氣污染等因素影響。初期徑流污染濃度很高（特別是瀝青油氈屋面），渾濁色度大，主要污染物為COD、SS，可生化性也不高；總氮、總磷、重金屬、無機鹽等污染物濃度較低。研究表明，隨著降雨時間的延長，污染物濃度逐漸下降，色度也隨之降低，因此為了減小對后續設施的影響，常舍棄2mm的初期徑流。雨水處理工藝一般采用沉淀過濾。北京建筑工程學院研究表明，經初期棄流的屋面徑流雨水，CODcr濃度約為100mg/L，在最佳投藥條件下，經沉淀加接觸過濾，對CODcr的可去除65%，SS可去除90%，色度可去除55%，基本滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2002）要求。與同濟大學的研究結果基本一致。

 

表1 城市回用水水質標準（GB/T18920—2002、GB/T18921—2002）

    注：COD指標參考文獻

 

    土壤入滲是我國應用最為廣泛的雨水利用方式。由于城市面源污染控制越來越受到重視以及雨期路面積水為人民生活帶來諸多不便，許多城市將室外停車場，公園、學校、小區的人行道盡量做成多孔鋪砌、透水路面。綠地的建設一直都是城市綠化的重要部分，考慮到下凹式綠地在蓄滲減峰方面的高效性，施工管理的簡易性，許多新建地區如北京奧林匹克公園、鄭州鄭東新區、上海世博園區都規劃采用下凹式綠地。

 

    但是我國雨水集蓄回用的實例很少，雖然有的建筑建立了雨水收集系統，但是沒有處理回用系統，并沒有實現雨水的資源化。通過與國外雨水利用管理體系的比較，結合我國的國情和自然狀況，歸納得出屋面雨水集蓄回用的難以推廣的原因主要為：（1）我國雨水利用研究與應用從上世紀80年代開始，90年代才發展起來，技術還比較落后，缺乏系統性；（2）降雨的季節性和隨機性，使得雨水集蓄利用設施在全年大部分降處于閑置（北方城市尤為突出），造成經濟上不合理。北方城市氣溫低、降雨不均勻，實施屋頂花園技術不可行；（3）收集輸送系統需單獨布設排水管道，處理系統需單獨設置裝置和控制設備，改建費用大。系統的日常維護管理也需要投入大量人力物力財力；（4）公眾對回用水存在疑慮，阻礙雨水回用技術的推廣；（5）即使公眾接受使用回用水，但是由于我國現行自來水水價較低，而回用水成本較高，也不利于其推廣；（6）缺少法律保障：德國、美國、日本擁有完善的雨水利用法律體系，比如美國的聯邦法律要求對所有新開發區強制實行“就地滯洪蓄水”，即改建或新建開發區的雨水下泄量不得超過開發前的水平。

 

    我國的水資源環境現狀面臨著嚴峻的考驗，一方面是水資源的短缺，一方面是雨洪徑流白白排放，導致水環境惡化。圍繞雨水資源的利用，我國開展了大量的理論探索和科學研究，但是存在著集蓄與利用脫節、資源利用率低等問題。如何高效利用雨水資源、實現雨水回用仍然是擺在我們面前的重大難題。

 

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