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浙江大学硕士论文 摘要 城市区域雨水和中水的联合利用研究 摘要 随着城市水资源紧缺状况的日益严峻，雨水和中水的开发利用越来越受到人 们的重视。开发利用城市区域的雨水和中水，不仅能产生较好的经济效益，而且 有巨大的环境、资源、社会效益。本文在前人研究的基础上，对城市区域雨水和 中水的联合利用进行了系统的研究，主要内容如下： ( 1 ) 基于已有的雨水利用和中水回用研究，对不同汇水面上适宜的初期雨水 弃流方式进行了分析，对雨水的综合利用系统进行了探讨。 ( 2 ) 提出了两种雨水和中水的联合利用模式，并分析了其各自的工艺流程及 特点。通过两种模式之间的对比，说明了各自的优缺点及较为适用的情况。 ( 3 ) 提出了雨水一中水系统中雨水池( 合用池) 容积的优化函数，并通过e p a - - s w m m 对系统雨水收集利用情况的模拟，确定了池容优化的方法，然后通过 优化求解获得最优池容，即整个系统效益费用比最大时的容积规模。 ( 4 ) 通过工程算例进行了优化计算。计算结果表明：优化后的雨水一中水系 统中雨水池( 合用池) 容积远小于容积初步计算结果，整个系统具有较好的经济 效益，适宜在城市区域推广应用。 关键词：雨水中水联合利用池容优化e p a s w m m 浙江大学硕士论文 c o m b i n i n g u s eo fs t o r m w a t e ra n dg r a y w a t e ri nu r b a n a r e a s a b s t r a c t w i t ht h es c a r c i t yo f w a t e rr e s o u r c e si n 柚i n c r e a s i n g l ys e r i o u ss i t u a t i o n t h en 乳1 o fs t o r m w a t e ra n dg r a y w a t e ri sa t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n r e u s eo fs t o r m w a t e r a n dg r a y w a t e ri nu r b a na r e a s w i l lh a v en o to n l yag o o de c o n o m i c ，b u ta l s oa t r e m e n d o u se n v i r o n m e n t , r e s o u l c e $ a n ds o c i a lb e n e f i t s b a s e do np r e v i o u sr e s e a 池 t h ec o m b i n i n gu s eo fs t o r m w a t e ra n dg r a y w a t e ri ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n ga r et h em a i np o i n t s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h ee x i s t i n gs t u d i e so ns t o r m w a t e ru t i l i z a t i o na n dg r a y w a t e r r e u s e ，t h ew a y so f t h ei n i t i a ls t o m l w a t e rd i s c h a r g ei nd i f f e r e n tk i n d so f c a t c h m e n ta r e a a r ea n a l y s e d n em u l t i p u r p o s eu t i l i z a t i o ns y s t e mo f s t o r m w a t e ri sa l s op r e s e n t e d s e c o n d l y t w op a t t e r n so ft h ec o m b i n i n gu s eo fs t o r m w a t e ra n dg r a y w a t e ra i e p r e s e n t e dw i t hp r o c e s sc h a r t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y t h es i t u a t i o n ss u i t e df o re a c ho n ea r ed i s c u s s e db d e f l y t h i r d l y ，a no p t i m a lf u n c t i o ni se s t a b l i s h e df o ro p t i m i z i n gt h es t o r m w a t e rt a n k v o l u m ei ns t o r m w a t e r - g r a y w a t e rr e u s es y s t e m b ye p a s w m m w a t e rc h a n g e so f t h e s t o r m w a t e rc o l l e c t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e d ，w h i c hr e s u l ti nt h eo p t i m a ls o l u t i o na n dt h e v o l u m es i z e c o r r e s p o n d i n gt o t h es m a l l e s tc o s t - e f f e c t i v e n e s sr a t i oo ft h ee n t i r e s y s t e m f i n a l l y ，as t o r m w a t e r - g r e y w a t e rr e u s es y s t e mi sd e s i g n e du s i n gt h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o d 仙er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e ds t o r m w a t e rt a n k sv o l u m ei n s t o r m w a t e r - g r a y w a t e rs y s t e m i sm u c hl e s st h a nt h ei n i t i a lo n ei ns t o r m w a t e r u t i l i z a t i o ns y s t e m a si t sg o o de c o n o m i cr e r l r n s ，t h i ss y s t e mi sa v a l i b l ei nu r b a n a r e u s k e y w o d s ：s t o r m w a t e r , g r a y w a t e r , c o m b i n i n gu s e ，o p t i m i z a t i o no ft a n kv o l u m e ， e p a s w m m 浙江大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 1 1 1 我国城市水资源概况 水是基础自然资源，是生态环境的控制性因素，是人们赖以生存、生活、生 产不可替代的物质资源。地球上一切地质的、气象的、水文的、地理的自然资源 都与水的循环密切相关。全球水大概有1 4 x1 0 8 k m 3 ，其中9 7 为海水，淡水的 7 0 又都储存在南、北极的冰山上，而流动在河川、湖泊的地表水和地下水的淡 水资源又仅为地球上全部水量的0 8 。 我国是一个水资源紧缺，洪、涝、旱灾害频繁的国家。我国的人口占世界人 口的2 2 ，而淡水占有量仅为8 ，人均占有水资源量仅为2 5 0 0 m 3 年，约为世界 人均占有量的1 4 ，相当于美国的1 6 ，加拿大的1 5 8 ，居世界第1 1 0 位，被列 为世界上1 3 个贫水国之一。同时我国不仅水资源匮乏，而且时空分布不均，缺 水城市主要分布在华北、西北、胶东及沿海地区，北方和沿海地区的供需矛盾更 为突出。 水利部发布的( 2 0 0 4 年中国水资源公报显示，全国6 6 9 座城市中有4 0 0 余 座供水不足，其中比较严重缺水的有1 1 0 座“1 。在我国，城市缺水主要有三种基 本类型：工程型缺水、污染型缺水、资源型缺水嘲。工程型缺水是指因取水、供 水工程、设施的不足而导致城市出现缺乏用水的紧张状况。污染型缺水是指因城 市水源被污染失去利用价值而引起的城市水源不足，出现供水紧张的状况。资源 型缺水是指现有的水资源量不足以支持城市的需水量而发生的供水、用水的紧张 状况。现实中，对于一个城市往往有两、三种类型的缺水问题同时存在。相比之 下，最容易解决的是工程型缺水，只要加大资金投入，增建取水、供水设施，就 能取得立竿见影的效果。污染型缺水解决起来较复杂。地表水污染的治理相对容 易，所用时间也相对短些。地下水污染的治理则十分困难，而且需要很长的时间， 严重时需几十年至上百年。处理污染型缺水问题不仅技术复杂，资金投入大而且 所涉及的非资金、技术的因素也很多，因此较为繁复。对于资源型缺水，一是应 努力寻求新水源，二是在城市水资源研究评价结果的基础上，科学合理的制定城 浙江大学硕士论文第一章绪论 市规划和发展目标，以使城市的用水需求不超出城市水资源的承受能力。从国内 当前的现实情况看，解决资源型缺水应是市政工作的重中之重。开发城市区域大 量的雨水资源和中水资源对于我国诸多资源型缺水的城市是十分必要的。 世界紧缺的淡水资源几乎全部直接或间接地来源于大气降水，而目前直接降 落在城市地面上的雨水大多没有被人们所利用。雨水作为一种宝贵的资源，在城 市水循环系统和流域水环境系统中起着十分重要的作用。我国许多城市水资源严 重不足，而大量雨水资源却白自流失，雨水利用率不到1 0 9 6 。表卜1 中列出了2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年全国城市化发展进程预测，以及需新增供水量和雨水资源 总量的对比情况。 表卜1中国城市化进程及其部分水量预测 年份城市城市城市相对于城市2 0 利用率4 0 利用率 化率 总人需水1 9 9 7 年需雨水可利可利用雨可利可利用雨 ( )口总量新增的供 总量用雨水量占需用雨水量占需 ( 亿) ( 亿 水量( 亿( 亿水量新增供水水量新增供水 m 3 )m 3 ) m 3 ) ( 亿量比例( 亿量比例 m 3 )( )m )( ) 1 9 9 73 03 76 3 01 1 02 2 2 0 1 04 05 5 9 1 03 2 01 9 04 0 1 2 54 02 5 o 2 0 3 0 5 2 7 51 2 2 06 6 02 8 36 09 11 2 01 8 2 2 0 5 06 09 61 5 4 09 9 03 4 87 0 7 11 4 01 4 2 注；按供水管网的平均漏失率1 0 计算。 为了实现城市的可持续发展，在开发新水源的同时，大力推广节约用水也很 有必要，而在众多节水措施中推广普及中水利用刻不容缓。中水利用是污水资源 化的一个途径，是根据用户对水质的需求，将工业和生活的污废水经过处理后再 利用，中水利用也称作中水回用或者再生水利用。很多研究中将雨水作为中水的 一种水源，由于本文重点研究的是雨水和中水的联合利用，且雨水和中水在水质、 水量等方面有诸多不同特点，因此考虑将雨水与中水作为城市杂用水的两种不同 水源。随着工业和城市的发展，在用水量不断增加的同时，污废水的排放量相应 增加，到2 0 0 5 年，全国的污水排放量达7 1 7 亿吨，其中工业污水占2 3 、第三 产业和城镇居民生活污水占1 3 “1 。所带来的问题，一是大量城市和工业企业严 重缺水；二是水质变差、生态和水环境恶化的趋势不断加剧；三是大量的水资源 “农转非”，农业灌溉受到影响。据环保部门监测，全国已有近9 0 “, 6 的城镇饮用 水水源受到污染，约5 0 9 6 的重点城镇的集中饮用水水源不符合取水标准。要统筹 解决这些问题，加大污水资源化的力度是一种必然选择。这一项措施效益好、潜 浙江大学硕士论文第一章绪论 力大、一举数得。目前很多国家已将污水资源化列为解决缺水问题的主要措施之 一，有研究表明，如果我国污水处理率提高1 ，就可以解决当前缺水总量的8 ， 对缓解供需矛盾具有重大意义”。总之，城市生活污水强化处理，开源节流，开 发中水利用工程是解决好水资源的必由之路，也是实现城市污水资源化的最佳途 径。 1 1 2 城市区域的良性水循环 城市依据建设规划可分为居住、工业、行政办公、商业金融、教育科研设计 等区域，本文研究的城市区域是指城区内用水相对独立的一定范围区域，其中有 一定数量的主体建筑和附属建筑设施，如一个居住小区、一个校园、一块办公区 域等。 随着城市的发展，硬化地面的增加，地下水补给量明显减少，原有的水循环 系统受到极大的破坏。城市区域的非常规水资源开发利用，不仅要大力推广中水 回用，而且要充分利用雨水资源，“节流”与“开源”并举，努力实现区域内水 资源的良性循环，适应可持续发展的要求。过去城市区域一般都是传统水循环模 式( 图卜1 ) 旧。传统水循环模式在系统内部不划分用水层次，不考虑水的循环 利用，只考虑节约自来水，对水的利用是粗放的模式。相对于传统水循环模式， 在当今水资源短缺的大环境下，城市区域要积极采用良性水循环模式( 图i - 2 ) 。 良性水循环模式把系统内部用水对象划分为不同的层次，从节约水资源的角度考 虑水在系统内的高效循环利用，是一个全面节水的新理念。 图i - i 传统水循环模式 良性水循环是当今国际地理学和水资源研究和推广应用的前沿，其特点和优 势是m ： ( 1 ) 传统水循环只使用自来水，并把所有用水对象划分为并联的、无相互关 浙江大学硕士论文第一章绪论 系的简单的系统。良性水循环系统把不同层次用水对象串联起来，组成类似于生 态链形式的相互关联的复杂系统。上一层次用水对象的排水经过处理成为中水， 供下一层次用水对象使用。雨水也变废为宝、变害为利，作为水源提供给特定层 次的用水对象。 ( 2 ) 传统水循环只强调节约自来水。良性水循环强调节约水资源，把开源和 节流的概念贯穿于整个系统，通过水在系统各个层次的高效有序利用，实现高效 节水的目标，是全面和整体的节水概念。 1 1 3 课题研究意义 图卜2 良性水循环模式 随着城市化水平的不断提高，城市化进程对人类生存与发展必不可少的水资 源及城市水环境的影响愈来愈显著。这种现象对发展中国家，尤其是经济快速增 长的国家或地区更为明显。如快速的城市化进程加大了农业用地向非生产性用地 转移的力度与规模，造成植被减少或破坏，城市发展中不透水面积的增加，导致 雨水流失量增加和水循环系统的平衡遭到破坏，并引发一系列环境与生态问题， 主要表现为如下三个方面：城市水资源紧缺、城市水资源污染和城市雨洪灾害旧。 而在城市内进行区域雨水利用和中水回用，形成良性水循环系统，正是解决城市 化地区经济增长与水环境改变之间的矛盾、实现城市可持续发展的有效途径。 在城市内开展区域雨水利用，对调节、补充地区水资源和生态环境起着极为 关键的作用。雨水利用作为公益事业，不仅具有直接经济效益，更重要的是还有 问接经济效益、环境生态效益和社会效益。它可以增加城市水源，在一定程度上 缓解水资源的供需矛盾，同时还可以有效地减小城市径流量，延滞汇流时间，减 4 浙江大学硕士论文第一章绪论 轻城市排洪设旌的压力，减少防洪投资和洪灾损失。作为一种有效的“声流”方 法，推行城市区域中水利用意义也十分重大：一是实现了城市污水、废水资源化， 增加可利用的水资源，二是实现城市生活污水无害化，防治水污染，保护生态环 境；三是可减少城市兴建引水工程的费用。城市区域实现高水平的雨水利用和中 水回用，能从根本上解决城市缺水问题，有力地减少洪涝灾害和控制水环境恶化 问题。总而言之，在城市区域内进行合理的雨水利用和中水回用，不仅节约了水 资源，缓解了水资源的短缺状况，还能创造诸多经济、环境、社会效益，其意义 不言而喻。本论文将对城市区域内雨水和中水的联合利用进行有益地研究，并结 合实例进行尝试设计应用，对于在城市区域内的推广应用具有很大的借鉴意义。 1 2 国内外雨水和中水资源利用现状 相对于一般意义上的地表水及地下水这些常规水资源，雨水和中水都是非常 规水资源的重要组成。非常规水资源利用量的多少是一个城市水资源开发利用先 进水平的重要标志，充分利用非常规水资源对于解决城市缺水问题有重要意义。 1 2 1 城市雨水资源利用 1 2 1 1 发达国家雨水利用情况 雨水资源利用是一项被广泛应用的传统技术。雨水作为一种极有价值的水资 源，早已引起德国、日本等发达国家的重视，在这些国家己逐步进入到标准化和 产业化的阶段。自8 0 年代初雨水收集利用协会( m c s a ) 成立以来，不断地促进 国际问的交流与合作，两年一度的交流大会使各国之间的雨水利用技术和信息能 够很快地传播，并达成“雨水利用将成为解决2 1 世纪水资源紧缺的重要途径” 的共识。此外，网络技术的发展也为雨水利用技术的国际化提供了很好的平台。 德国是世界上发达国家之一，人民生活水平较高，住房多为独门独户的单户 家庭，其雨水利用技术也非常成熟。一般雨水利用模式是将屋顶雨水通过雨漏管 收集，通过分散或集中过滤除去径流中颗粒物质，然后将水引入蓄水池贮蓄，再 通过水泵输送至用水单元。一般用于冲洗厕所或灌溉绿地等。雨水入渗也是一种 常见形式，其设计理念为：屋顶的雨水首先通过雨漏管进入楼寓周围绿地，经过 天然土壤渗入地下，若雨水大于土壤的入渗能力，则进入小区的入渗沟或洼地； 5 浙江大学硕士论文第一章绪论 道路及停车场的雨水径流直接进入小区的入渗沟或洼地。比较流行的m r 系统 ( 洼地一渗渠系统) 就是此理念的一个很好的应用，它代表了一种排水系统的新 概念，即“径流零增长”，这个概念的目标是“使城市范围内的水量平衡更加接 近其在这片地区发展起来之前的状况”嗍。雨水的利用除采用绿地、入渗沟、洼 地等方式外，透水型人行道也被广泛应用，同时，还经过特殊设计，利用贮蓄径 流的地下蓄水池与径流进入蓄水池的撞击声模拟海浪的声音，增添了小区的气 息。另外，德国还制订了一系列有关雨水利用的法律法规，对雨水利用给予支持。 如目前德国在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均要设计雨水利 用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水排放费等。 日本是个水资源比较缺乏的国家，但雨量充沛，因此早已对雨水这种极有价 值的水资源弓b 匙了重视，并在多领域进行了回收利用，相关技术达到了世界领先 水平。早在1 9 6 3 年日本就开始兴建滞洪和贮蓄雨水的蓄洪池，还将蓄洪池的雨 水用作喷洒路面、灌溉绿地等城市杂用水“”。这些设施大多建在地下，以充分利 用地下空间。而建在地上的也尽可能满足多种用途，如在调洪池内修建运动场， 雨季用来蓄洪，平时用作运动场。日本政府于1 9 9 2 年颁布了“第二代城市排水 总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分， 要求新建、改建的大型公共建筑物必须设置雨水下渗设施。近年来，各种雨水入 渗设施也随之在日本得到迅速发展，包括渗井、渗沟、渗池等，这些设施占地面 积小，可因地制宜地修建在楼前屋后。此外，日本雨水利用一大特色就是在城市 屋顶修建了雨水浇灌的“空中花园”，在减少城市地表径流的同时，减少自来水 的消耗，增加了城市的绿地面积，美化了城市环境，净化了城市空气，吸收了城 市噪声，还能够降低城市的热岛效应，可谓一举多得。 此外，其它一些发达国家也积极探索城市雨水利用技术，并取得一定的成果。 美国强制“就地滞洪蓄水”，主要以提高天然入渗能力为目的；英国世纪穹顶拥 有欧洲最大的建筑物内水循环设施，每天回收5 0 0 立方米水用以冲洗该建筑物内 的厕所，其中就有1 0 0 立方米来自屋顶收集的雨水；而丹麦每年能从居民屋顶收 集6 4 5 万立方米的雨水，占居民冲洗厕所和洗衣服实际用水量的6 8 ，占居民用 水总量的2 2 “”。 6 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 2 1 2 国内雨水利用现状 我国城市雨水利用的思想具有悠久的历史，是伴随着古都的建设和发展而产 生的。但真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却仅仅开始于2 0 世纪8 0 年代， 发展于9 0 年代。1 9 9 6 年在兰州召开了第一届全国雨水利用学术讨论会。2 0 0 0 年， 北京正式启动“城市雨洪控制与利用”工程。2 0 0 1 年水利部颁发了雨水集蓄 利用工程技术规范，标志这项技术的初步成熟。北京市2 0 0 3 年颁布关于加 强建筑工程内雨水资源利用的暂行规定规定：“建设工程的附属设施应与雨水 利用工程相结合。景观水池应设计建设为雨水储存设施，草坪绿地应设计建设为 雨水滞留设施”“”。以上规定都提出了雨水利用的要求，促进了雨水利用的发 展，但总的来说我国的城市雨水利用仅仅还处于一个探索与研究阶段，尚未形成 一个与我国经济、技术、人文、气候等技术条件相结合的城市雨水利用技术体系。 简而言之，我国在雨水利用方面取得了一些成绩，但与我国的水资源紧缺情况相 比，我国雨水资源化的实施力度还很不够。 起初我国的城市雨水利用仅仅是在一些缺水地区有一些小型的雨水集流利 用工程。比较典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛等地。 随着近年来我国生产、生活用水量的大幅增长，水资源紧张的矛盾日益突出，各 地过量开采地下水，造成地下水位下降，地下水资源枯竭，城市雨水资源的利用 才引起有关专家学者的越发重视，北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多大城 市也相继开展研究利用，显示出良好的发展势头。从当前的国内雨水研究利用现 状看，城市雨水利用主要包括雨水集蓄利用、雨水渗透、雨水生态综合利用三方 面。 ( 1 ) 雨水集蓄利用“” 雨水集蓄利用不仅节约饮用水，还能产生减轻城市排水和处理系统的负荷， 改善生态环境等多种效益。雨水集蓄利用的方式有很多，以屋面雨水集蓄利用最 常见。屋面雨水集蓄利用系统又可分为单体建筑物分散式系统和建筑群集中式系 统，主要由雨水汇集区、输水管系、截污装置、储存、净化和配水等几部分组成。 但限于雨水的水质问题和净化处理现状，净化的雨水一般首先考虑绿化、冲洗道 路、停车场、洗车、景观用水、建筑工地用水等杂用水，有条件时还可作为洗衣、 冷却循环、冲厕和消防等补充用水。在严重缺水的城市也可进行深度处理作为饮 浙江大学硕士论文第一章绪论 用水水源。此外还有屋顶绿化雨水利用和园区雨水集蓄利用。屋顶绿化是一种削 减径流量、减轻污染和城市热岛效应、调节建筑温度和美化城市环境新的生态技 术，也可作为雨水集蓄利用和渗透的预处理措施。而园区雨水集蓄利用能够取得 更显著削减城市暴雨径流量和非点源污染物排放量、优化小区排水系统、减少水 涝和改善环境等效果。 ( 2 ) 雨水渗透 雨水渗透既是一种间接的雨水利用技术也是一种雨水径流污染控制的有效 方法之一。其目的包括减少径流雨水量，补充涵养地下水资源改善生态环境，防止 地面沉降，减轻城区水涝危害和水体污染等。 雨水渗透可分为分散渗透技术和集中回灌技术两大类。常见的分散式渗透设 施主要包括渗透井、渗透管( 沟) 、渗透池( 坑) ，渗透地面、低势绿地等。分散式 渗透可应用于城区、生活小区、公园、道路和厂区等各种条件下，规模大小可因 地制宜，设施简单。但会受到地下水位、土壤渗透能力和雨水水质污染程度等条 件限制。集中式深井回灌容量大，可直接向地下深层回灌雨水，但对地下水位、 雨水水质有更高的要求，使用时应采取预处理措施净化雨水，同时对地下水质和 水位进行监测，所以对用地下水做饮用水源的城市应慎重使用。 雨水渗透技术在地下水位高、土壤渗透能力差或雨水水质污染严重等条件下 会受到限制。相对来讲，我国北方大部分城市降雨量相对少而集中、蒸发量大、 地下水利用比例较大。雨水渗透技术的优点更为突出。对于我国的一般城市，采 用渗透地面更具有使用价值。绿地是一种天然的渗透设施，可节省投资、透水性 好、对雨水中的一些污染物具有较强的截留和净化作用。多孔的嵌草砖、碎石地 面，透水性混凝土路面等都是渗透地面。渗透地面对预处理要求相对较低，技术 简单，便于管理。城区有大量的地面路面，如停车场、步行道、广场、道路等可 以利用。目前广州等地就采用了透水性混凝土路面道路。在条件允许的情况下， 应尽可能多采用透水性地面。 ( 3 ) 雨水生态综合利用1 生态园区雨水综合利用系统是在生态学、工程学、经济学原理的基础上，通 过人工净化和自然净化的结合，进行雨水集蓄利用、渗透与园艺水景观等相结合 的综合性设计，从而实现建筑、园林、景观和水系的协调统一，实现经济效益和 环境效益的统一，以及人与自然的和谐共存。这种系统具有良好的可持续性，能 8 浙江大学硕士论文第一章绪论 实现效益最大化，达到意想不到的效果。但要求设计者具有多学科的知识和较高 的综合能力，设计和实施的难度较大，对管理的要求也较高。具体作法和规模依 据园区特点而不同，一般包括屋顶绿化、水景、渗透、雨水回用、收集与排放系 统等。有些还包括太阳能、风能利用和水景于一体的花园式生态建筑。 在当前我国现有的经济条件下，城市雨水利用主要以雨水渗透回补地下水为 主，只是在一些水资源极度缺乏和集雨面较大的地区( 如大型建筑、运动场等) 才有雨水集蓄利用系统，而雨水生态综合利用系统由于投资大、设计和实施困难、 后期管理复杂等限制，仅仅在一些新建城区及生态园区进行了小规模的试验应 用，有待于进一步的研究推广。 1 2 2 城市区域中水回用 中水回用、利国利民。自从进入新世纪以来，国家政府及有关部门明显加强 了对中水回用的重视，并在2 0 0 2 年8 月颁布的“中华人民共和国水法”第五十 二条中明确指出要“加强城市污水集中处理，鼓励使用再生水，提高污水再生利 用率”。 中水是指各种排水经处理后，达到规定的水质标准，可在生活、市政、环境 等范围内杂用的非饮用水。杂用水主要用于绿化、浇洒道路、冲洗汽车、冲洗厕 所等。中水有水量大而稳定、就地可取、用水成本较低等特点，是节约水资源、 减少排污、防治污染、保护环境的有效途径之一。各种工厂、居住区、商业区等 城市区域都是城市中用水量较大的地方，使污水资源化实现回用具有明显的经济 效益、社会效益和环境效益，是保护水资源和使水资源“增值”的有效途径，同 时也会大大地缓解我国水资源的紧缺。 虽然我国早在1 9 5 8 年就开始将城市污水再生利用的研究列入国家科研课题， 但由于资金有限、规模小，加之对中水回用带来的效益缺乏足够的认识，发展缓 慢。真正将污水深度处理后回用于城市生活和工业生产只是近2 0 年才发展起来， 最先采用的中水利用形式是大楼的污水再利用，然后逐渐扩大到缺水城市的各行 各业。1 9 9 0 年我国将“污水净化与资源化技术研究”列入“八五”国家科技攻 关计划。北京市于1 9 8 4 年开始进行中水回用工程示范，并在1 9 8 7 年出台的北 京市中水设施建设管理试行办法中明确规定：凡建筑面积超过2 1 0 4 m 2 的旅 馆、饭店和公寓以及建筑面积超过3 1 0 4 m 2 的机关科研单位和新建生活小区都 9 浙江大学硕士论文第一章绪论 要设立中水设旌o ”。目前，北京、天津等严重缺水城市已经建设了不少住宅小区 范围内的中水回用工程，取得了很多宝贵经验。 作为首个城市居住小区中水回用工程，北京房山区北潞春小区于1 9 9 9 年落 成，在小区范围内将每天排放的污水收集起来，经处理后回用于绿化、洗车、冲 马路以及备用消防用水，多余的中水排入人工湖“”。由此中水回用的社会、环境 效益迅速引起了各大城市的广泛关注，尤其是一些沿海缺水城市。如大连泉水新 区规划配套建设6 万m 3 污水处理厂，中水将全部回用于冲厕、绿化、喷洒道路 及向工厂企业提供中水等，大连经济技术开发区生态工业园区建设规划也明确了 中水规划项目，如恒基中水扩建项目，用水大户的水循环利用项目、大孤山、小 窖湾中水回用项目等。 但是，城市的区域中水回用，尤其是居住小区中水回用的发展也并非帆风 顺，由于受政策、认识等方面的制约以及居住小区中水回用的特殊性，居住小区 中水系统研究和建设发展速度还相对缓慢。大量的居住小区中水建设和管理尚且 仅处于规划阶段，即使是己建成中水回用系统的居住小区，由于相应的配套政策 不到位或管理不利，无法达到预期处理效果，致使中水回用试点“叫好不叫座”， 推广难度大。如浦东东方路上某大型小区物业中水回用系统在使用了一年左右的 时间就因得不到物业和居民的支持而停用了。因此，对城市区域范围内的中水回 用，尤其是与雨水的联合利用进行相应的研究有很大的实际意义。 1 3 相关内容的研究进展 目前，许多国家都有对借助雨水利用来节约饮用水源的研究。在德国， h e r r m a n n 和s c h m i d a 研究表明，因用水量和屋顶面积的不同，雨水利用节约饮 用水源的潜力大概在用水量的3 0 0 5 - - 6 0 “”。澳大利亚纽卡斯尔市一份对2 7 个家 庭的研究调查表明雨水利用可以促进节约饮用水6 0 0 5 “”。在英国的诺丁汉郡， f e w k e s 通过对家用雨水收集系统的实时监控得出平均节水效率在5 7 左右。此 外，新加坡、赞比亚等国家也有许多对雨水的研究。 雨水利用，尤其是用作饮用水时，涉及环境保护和人体健康，应由国家统一 制订相应的规范，以便大范围应用推广。澳大利亚的国家环境健康论坛早在1 9 9 8 年就出台了雨水收集池的应用规范，并由环境健康委员会于2 0 0 4 年更新为第二 版。其它一些国家也在积极鼓励雨水利用研究应用的同时，加快了相关规范及立 1 0 浙江大学硬士论文第一章绪论 法的出台。 国内对于城市雨水利用的相关理论研究较少，基本处于起步阶段。北京建筑 工程学院的车武、李俊奇等人在这方面进行了较多的研究和探讨，主要是在学习 借鉴发达国家成功经验的基础上，结合我国的实际情况对雨水利用方式进行了创 新，并成功设计及实施了多个雨水利用与水环境( 示范) 工程项目。近两年来，国 内高校的相关专业也逐渐对其加以重视。大连理工大学张晶的硕士论文“城市雨 水利用与城市水环境改善的研究” 2 1 y 在城市雨水利用的理论基础上主要进行了 雨水渗透对城市水环境改善作用的研究；河海大学杨金虎的硕士论文“城市小区 水生态利用技术研究”嘲主要从生态学角度出发，对水环境系统的各组成部分 之间进行整合，提出了城市小区的水生态循环利用模式，并对水质保持和水量平 衡进行了分析；清华大学喻啸的硕士论文“绿地雨洪利用水量水质问题研究” 主要对城市绿地的雨水渗透及滞洪进行了水量、水质的深入研究；西安建筑科技 大学的游春丽在其硕士论文“城市雨水利用可行性研究”叫中，以西安市为背 景，该校校园为具体研究区域，研究了西安市雨水资源利用的可行性和必要性， 分析了雨水资源量及杂用水的需求量。总的来说，国内雨水利用的研究还比较零 散，缺乏规模，影响了雨水利用技术的推广，急待加快步伐。 国外从2 0 世纪6 0 年代开始研究利用中水。近年来，随着环保问题越来越受 到各国的重视，中水回用与开发技术得到了迅速发展，在美国、日本、印度、英 国等国家( 尤以日本为突出) 得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的 特点确定出适合其国情国力的中水回用技术，使中水回用技术越来越臻于完善。 我国于2 0 世纪8 0 年代中期在北京建成第一个中水试点工程。以后，各地纷纷开 展中水的试验和研究，中水工程的实例日益增加。这些已运行的中水工程为中水 设施的开发提供了宝贵的经验，并为中水技术的推广提供了充分依据。 相比雨水利用，国内有关中水回用的研究较为成熟，主要涉及中水水质、中 水处理工艺、净水构筑物的设计、中水回用的途径及范围等多个方面。西安建筑 科技大学朱兆亮的硕士论文“生活小区污水处理与中水回用试验研究”嘲主要 阐述了生活小区的污水来源、水质特征及排放状况，设计了小型填料塔反应器进 行小试，对部分水质较好的杂排水处理回用技术进行研究；煤炭科学研究总院李 建国的硕士论文“住宅小区中水回用系统的研究”汹1 ，在总结分析国内、外的 研究成果的基础上，从进( 出) 水水质、技术特点、投资和运行费用等角度进行了 浙江大学硕士论文 第一章绪论 详细的综合分析，确定了适合小区中水处理的典型工艺；太原理工大学杨文治的 硕士论文“中水回用技术的分析与研究”主要对作者单位的住宅小区中水回 用系统做了方案及经济比较，为住宅区中水回用的实施，提供了理论数据；同济 大学盛玉钊的硕士论文“居住区中水系统规划研究”，在总结国内外居住区 中水系统发展现状的基础上，分析了建设居住区中水系统的可行性，从中水水源、 中水用户、中水处理技术、生活污水集流与中水回用管网及运行管理等方面为居 住区中水系统的建设提供了可供借鉴的技术指导。此外，中水处理工艺方面的相 关研究还有很多，鉴于本文的研究方向，在此不作赘述。 至于本论文研究的雨水和中水的联合利用，目前研究较少。重庆大学欧阳晓 光在其硕士论文“山地生态人居小区水循环系统的研究”啷中，曾对建立山地 生态人居小区雨水径流量的方程、中水与雨水联合处理系统方案优选、中水与雨 水联合处理系统优化规划等问题进行了研究，并通过实例分析说明了山地生态人 居小区水循环系统的设计与计算。此外，汪宏玲、孟光辉等人在“屋面雨水与建 筑中水系统联合运行问题分析”d 町一文中对屋面雨水水量和水质以及建筑中水 系统的特点进行了分析；指出已有中水系统存在问题；分析表明屋面雨水收集利 用系统宜采用物化处理，不宜与建筑中水系统联合运行。这些都对本文城市区域 雨水和中水的联合利用有一定的指导意义。 1 4 论文主要研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 综合国内外研究现状，本论文将以城市区域的雨水和中水为研究对象，以实 现城市区域内的雨水和生活污水的资源化为目标，通过合理的设计雨水、中水收 集处理利用系统，交传统水循环模式为良性水循环模式，开发利用非常规水资源， 以期产生经济、环境、社会多重效益。 本论文的主要研究内容有如下几方面： ( 1 ) 从收集、处理、回用三个角度探讨已有的雨水利用和中水回用研究 对已有的城市雨水、生活污水收集、处理和回用方式进行综合，从雨水和中 水联合利用的角度考虑各自的优缺点及适用性，提出合理的组合应用方式，解决 两者联合利用情况下可能遇到的问题。 1 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 城市区域范围内杂用水供需平衡分析 列出各种杂用水需求量、各种中水和雨水的收集量计算公式，对以雨水和中 水为主，自来水为辅的杂用水供水模式进行水量平衡，确定雨水和中水的取用范 围及杂用水的回用范围，并初步确定雨水和中水的蓄水池容积。 ( 3 ) 雨水和中水的联合利用研究 提出雨水系统和中水系统的联合利用模式，并对各自的特点及适用情况进行 分析；借助经济技术分析寻求雨水一中水联合利用系统中合用池或雨水池的容积 优化函数，给出优化求解方法；进行雨水一中水系统的初步设计。 ( 4 ) 工程算例 针对一中学校园区域进行雨水一中水系统的设计，对上述提出的优化方法进 行应用，借助e p a - s w m m 软件对雨水收集利用系统进行模拟，确定池容优化的 函数关系式，然后通过经济效益分析来优化系统的池容，探讨推广应用的前景。 1 4 2 技术路线 本论文的技术路线如图1 - 3 所示。 雨水收集利用方式、处理方法中水收集利用方式、处理工艺 水量平衡 确定雨水和中水的收集范围以及杂用水回用范围 区域内的水量平衡分析 初步确定雨水和中水的调蓄容积 e p a - s w m m 软 件模拟水量过程 雨水冲水联合利用系统 给出雨水一中水的利用模式 借助经济技术分析优化雨水调蓄容积 确定容积规模 工程算例 图1 - 3 技术路线图 1 3 浙江大学硕士论文第二章城市区域雨水的零捧放技术 第二章城市区域雨水的零排放技术 雨水作为一种洁净的水资源，是淡水资源的主要来源，如考虑加以回收利用， 将会大大减轻城市净水厂的供水压力、缓解城市水资源供需矛盾。本章主要针对 雨水回收利用的可行性进行研究，并分别对雨水收集利用和雨水入渗技术进行探 讨，最后对雨水的处理技术进行分析。 2 1 雨水零排放的可行性分析 如前所述，要达到雨水的零排放主要通过雨水回收利用、雨水回灌地下或建 造雨水综合利用系统等途径实现。雨水的最大特点奠过于时间分布不均匀，但通 过国内外实践证明城市雨水利用是行之有效的。 雨水回收利用系统以城市雨水为原水，经适当处理后主要应用于市政、杂用、 景观用水以及某些工业用水等，可作为解决城市水资源短缺采取的可行措施，具 有开发水源与环境保护的综合效益。相比较污水深度处理回用，雨水利用以其水 量大、处理简单而更为可行。鉴于降雨的随机性，雨水不可能全部被回收利用， 因此雨水回灌地下是雨水零排放的一个重要保障措施。把设计收集标准范围外的 雨水通过渗透性地面、集中回灌装置等入渗地下，不仅能补充地下水资源，还能 有效降低雨水径流引起的面源污染，可谓一举两得。对于一些有条件的城市区域， 尤其是别墅区，可以考虑依据小区人口、面积等因素建造适当规模的雨水综合利 用系统，通过人造水景的调蓄及良性水循环系统达到整个区域的雨水零排放。 2 1 1 雨水回收利用的可行性 城市雨水回收利用通过国内外实践证明是行之有效的。参考有关研究，与常 见的污水深度处理回用相比，雨水以其以下优点而更适合回用于杂用水。”： ( 1 ) 雨水处理工艺简单：雨水水质较之中水要好的多，处理工艺简单，其杂 质主要是由降水中的基本物质和流经汇水面而携带的外加杂质组成。 ( 2 ) 雨水利用的费用低：雨水利用投资少，运行费用低。如北京市某雨水利 用工程，雨水收集基本建设投资不到2 0 元m 3 ，运行费用不足0 1 元m 3 。而污 水深度处理工程投资较高，一般为0 1 4 o 2 5 万元m 3 ，运行费用为0 4 o 8 元 ，& ， 1 4 浙江大学硕士论文第二章城市区域雨水的零捧放技术 ( 3 ) 经济、环境和社会效益的比较：雨水利用与污水深度处理回用均可起到 减少自来水用水量，降低城市引水、净水的边际费用的作用和环境保护的效果。 而雨水利用还能更有效地减少向排水系统的排放量，节省了城市排水设施的运行 费用；在城市暴雨时，能起到防洪减灾的积极作用。 可见，对城市雨水进行利用，不仅具有实际可行性，而且对解决水资源短缺、 防治水环境污染和防洪减灾等方面，具有巨大的社会效益和环境效益。 2 1 2 雨水回灌地下的可行性 雨水回灌地下是否可行主要取决于入渗的雨水是否造成地下水资源的污染。 雨水中的杂质主要含有氯、硫酸根、硝酸根、钠、铵、钙和镁等离子( 浓度大多 在l o m g l 以下) 和一些有机物质( 主要是挥发性化合物) ，同时还存在少量的重 金属( 如镉、铜、铬、镍、铅、锌) ，雨水中杂质的浓度与降雨地区的污染程度有 着密切的关系。 根据回灌保护地下水的要求，雨水水质大致可分为三种。4 ：无污染( 轻污染) 型，中度污染型和重度污染型。无污染( 轻污染) 型的雨水可不经预处理在未饱和 区直接回灌，当然这并非为零负荷，因其杂质浓度足够低而不需要考虑地下水被 污染或地下水性质会发生有害变化的问题；中度污染型雨水可在回灌装置中进行 适当的预处理或通过一定的净化过程后回灌；重度污染型雨水的回灌只能在必需 的预处理后方可进行。 雨水回灌设计中要重点考虑以下两个问题：一是土壤需具有适宜的渗透性和 吸收能力以及地下水的抗污染能力，确保入渗雨水既有足够的停留时间和化学、 生物净化过程又不至使土壤堵塞；另一个是排水区域的划分技术，应根据区域的 性质来选定适宜的雨水停留时间，如商业区和工业区的雨水基本上不允许直接渗 透到地下，而需经过一定的预处理后方可回灌到地下。 总之，在充分考虑雨水水质的前提下，结合当地的实际情况采取适当的技术 措施，雨水回灌地下是完全可行的，发达国家的先进经验就是很好的例证。 2 1 3 城区区域雨水零排放的可行性 城区区域可以建造雨水综合利用系统来实现雨水的零排放。具体方式上可以 把屋顶绿化、水景、渗透、雨水回用、收集与排放系统等多种形式相结合。其各 浙江大学硕士论文第二章城市区域雨水的零捧放技术 方式之间不是割裂的，没有明显的界限可言，只要充分考察当地实际，依据先回 收利用，再渗透、调蓄的原则进行合理的雨水收集处置系统规划设计，使得各个 系统相互联通，提高雨水的利用处置率，则在一定区域内实现雨水零排放将是现 实可行的。 2 2 雨水收集利用技术 2 2 1 雨水的初期弃流 雨水的收集再利用要满足相应的杂用水水质要求，因此，雨水水质的好坏将 直接决定雨水收集利用的难易情况。雨水径流污染属于非点源污染，具有突发性 和非连续性。一般认为中期和后期的雨水水质较好，但初期雨水的水质由于受多 种因素的影响而普遍较差且变化较大。因此为了降低雨水回用的处理难度，通常 在雨水收集利用工程中都采取初期雨水弃流。 2 2 1 1 初期雨水弃流量 初期雨水弃流量应按照当地实测收集雨水的污染物浓度变化曲线确定。当无 资料时，遵照建筑与小区雨水利用工程技术规范( g b s 0 4 0 0 2 0 0 6 ) 嘲规定可 采用2 3 m m 径流深度作为屋面初期雨水弃流深度，5 7 m m 作为地面初期雨水 弃流深度。初期雨水弃流量按下式计算： 磁= 1 0 万f( 2 1 ) 式中矾一设计初期雨水弃流量，m 3 ； d 一初期雨水弃流深度，t o n i ，水面集雨取0 ； f 一集雨面积，m 2 。 对于特定的生态区域，弃流量取值还需要综合雨水水质、用水量和雨水处理 工艺等进行判定。 同时上述规范还规定“雨水收集回用系统应设初期雨水弃流设旌( 绿化屋面 除外) ，土壤入渗系统宜设初期雨水弃流设