（环境科学专业论文）北京典型村镇降雨径流水文、水质及污染特性的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o na n dt h ed e t e r i o r a t i o no fs u r f a c e w a t e r q u a l i t y , p o l l u t i o nc a u s e db yv i l l a g e s u r f a c er u n o f fa l s oa t t r a c t e di n t e n s i v e e n v i r o n m e n t a lc o n c e r n s v i l l a g er a i n f a l lr u n o f fi so n eo ft h ei m p o r t a n tp o l l u t i o ns o u r c e s i n f l u e n c i n gt h eq u a l i t yo fr e c e i v i n gw a t e r s h o w e v e r , t h e r ei sl i t t l er e s e a r c hi nt h i sa r e a s of a ri no u r c o u n t r y d an i u f a n ga n dy ul i nw e r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c r so fp o l l u t i o n d i s c h a r g i n gs u c ha sr a i n f a l lr u n o f fw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y i nc o m b i n a t i o nw i t h r a i n f a l lp r o c e s sd a t a , t h ef e a t u r e so fr a i n f a l lr u n o f f , p o l l u t i o na n dt h ea f f e c to nr e c e i v i n g w a t e r b o d i sw e r em e a s u r e d t h et y p ea n dc o n c e n t r a t i o no fm a j o rp o l l u t a n t si nr u n o f f w a t e r , p a r t i c l es i z ea n ds e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c u l a t e s ，t h ec o r r e l a t i o no f v a r i o u sk i n d so fw a t e rq u a l i t yi n d e x e sw e r ed e t e r m i n e d ，o nw h i c ht h ea v e r a g e so fe v e n t m e a nc o n c e n t r a t i o n ( e m c ) a n dp o l l u t i o nl o a dw e r ec a l c u l a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p o l l u t a n t sd i s c h a r g e di nr a i n f a l lr u n o f fa n dt h ee f f e c to ft h ef i r s tf l u s hw e r es t u d i e d f l u s hm o d e la n dr e c e i v i n gw a t e r b o d yq u a l i t yc h a n g i n gm o d e lw e r ep r o p o s e da sw e l l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g e so fe v e n tm e a nc o n c e n t r a t i o n ( e m c ) o fd a n i u f a n gf o rt p ，t n ，c o da n ds s w e r e0 1 1 ，3 0 9 ，1 6 8 4 2 7a n d2 8 5 8 3m g l ，w h i l et h e v a l u e sf o ry ul i nw e r eo 3 7 ，4 7 3 ，2 81 9 7 a n d7 2 5 7 m g l ，r e s p e c t i v e l y r a i n f a l lr u n o f f f r o mv i l l a g ee x h i b i t e dm o d e r a t ef i r s tf l u s he f f e c t ，a n d4 0t o5 0p e r c e n to ft h et o t a l p o l l u t a n tl o a d sw e r et r a n s p o r t e db yt h ei n i t i a l3 0p e r c e n tv o l u m eo ft h er u n o f f t h er u l e o fs u r f a c er b n o f ff l u s ha c c o r d sw i t l l g e n e r a l e r o s i o nm o d e l ，a n df i t sw e l l w i t hc , = c o 口。t h ef l u s hc o e m c i e n tki si n f l u 锄t e db yr a i n f a l li n t e n s i t y ，t h es u r f a c e p r o p e r t i e so fr e m i t ，p o l l u t a n t sp r o p e r t i e s a n do t h e rc o m p r e h e n s i v ef a c t o r s s u r f a c e r u n o f f h a ss i g n i f i c a n ti m p a c t so np h ，s s ，c o da n do t h e ri n d i c a t o r so fr e c e i v i n gw a t e r s ， b u tt h eq u a l i t yo f r e c e i v i n gw a t e rc a nb er e s t o r e dt ot h eo r i g i n a ls t a t ew i t h i n4 8h o u r sa s s h o w ni nt h i sr e s e a r c h k 卫y w o r d s ：v i l l a g e ；r u n o i f ；e m c ；f i r s tf l u s h ；r e c e i v i n gw a t e r b o d y c l a s s n o ：x 5 0 2 l 致谢 本论文是在我的导师李久义副教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治学态 度和科学的工作方法给我留下了深刻的印象，我在论文的选题、采样分析及论文 撰写等各个方面都得到了李老师谆谆教诲和细心关怀。两年多来，在导师的指导 下，我不仅学到了很多专业知识，而且在为人处世方面也获益匪浅，这将使我受 益终身。值此论文完成之际，谨向我的导师李久义副教授表示最诚挚的感谢。 另外，还要感谢田秀君教授在雨水样品采集和实验室分析工作中对我的悉心 指导，田老师在学习和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向团老师表示 衷心的谢意。同时，感谢实验室刘灵琴老师对我实验阶段的支持和帮助。 感谢中国建筑设计研究院为本次研究提供了很多资金和技术支持，特别是陈 永、赵世明工程师对我的研究方法和论文撰写都提出了许多的宝贵意见，在此表 示衷心的感谢。 在现场采样监测和实验分析测定期间，王国田、于珊珊、翟雨佳、丁彦、张 静、赵小康、张绪瑞等同学都给了我热情的帮助，没有他们的帮助，很难想象能 完成大量艰巨的雨水采样测定、分析和试验研究工作，在此向他们表示诚挚的谢 意。另外，感谢姚晓飞、刘伟富等同学对我论文中重金属测定部分的帮助。 最后，感谢我的家人，他们的支持和鼓励使我克服科学研究中的各种困难， 最终完成学业。 引言 1 引言 1 1 研究背景 1 1 1 水资源概况 水是人类赖以生存不可或缺的自然资源，但随着人类社会的不断进步、工农 业的飞速发展及人口的持续增长，极为有限的供水资源受到水质恶化和生态破坏 的严重威胁，这大大加剧了水资源短缺的矛盾。水资源短缺和水环境恶化己成为 2 1 世纪全球资源环境领域面临的首要问题，制约人类社会发展和进步。 我国幅员辽阔，其东南部和西北部水资源空间分布有很大的差别。此外，由 于季风气候的影响，水资源在时间上的分布随着季节的变化而变化。我国水资源 总量居世界第6 位，但人均占有量为第1 2 1 位。我国水资源地区分布不均，总体 来说是南方多于北方，东部地区多于西部地区。根据2 0 0 5 年中国环境统计 显示，我国水资源总量从2 0 0 0 年的2 7 7 0 0 8 亿m 3 下降到2 4 1 2 9 6 亿m 3 ，人均水资 源占有量从2 1 9 3 9r n 3 人降为1 8 5 6 3 m 3 人，降水量呈逐年下降趋势口1 。 目前我国有6 0 的城市缺水，近1 5 的城市严重缺水，北京的人均水资源量 不足3 0 0 m 3 ，只有全国水平的1 7 ，是世界人均水资源量的1 3 0 ，是我国严重缺水 的3 0 个大城市中的一个特大型城市。到2 0 3 0 年我国人均拥有的城市水资源量只 有1 7 6 0m 3 ，接近国际公认的水资源紧张标准。北京市降水量具有丰枯交替发生的 特点，丰枯连续出现的时间一般为2 3 年，最长连丰水年可达6 年，枯水年可达9 年，历史上记载最长的枯水年为2 0 年。根据( - - 十一世纪初期首都水资源可持续 利用规划，到2 0 0 5 年，遇平水年时将缺水7 9 4 亿m 3 ，遇干旱年时将缺水1 2 8 0 亿m 3 。建国以来，北京多次出现了严重的水危机。2 0 世纪6 0 年代中期，靠开挖 京密引水渠调密云水库储水进京度过；2 0 世纪7 0 年代，靠超量开采地下水度过； 2 0 世纪8 0 年代，靠河北、天津无私奉献和密云水库专供度过：进入9 0 年代，在 1 9 9 9 2 0 0 2 四年中，北京出现了3 个枯水年份和1 个特枯年份。水量不足使水质恶 化，供水安全与水环境安全均受到威胁，给北京市的城市生活、经济发展和生态 环境均造成了不利影响。随着工农业的发展和人民生活水平的提高，水的供求矛 盾将日益尖锐，缺水已成为制约国民经济和社会发展的瓶颈。按照新的城市规划， 北京市2 0 2 0 年将发展成为1 8 0 0 万人口的特大型城市，水资源紧缺依然是制约北 京城市发展的重要因素之一。 北京交通大学硕十学位论文 1 1 2 径流污染的概念及雨水利用的定义 面源污染是指溶解物或固体污染物从非特定地点，在降水和径流冲刷作用下， 通过径流过程汇入受纳水体而引起的水体污染。其既包括城市的地表雨水径流引 起的水体污染，也包括广大农村地区等地表雨水径流引起的水体污染。由于它是 相对于点源污染而提出的，所以亦称之为非点源污染。从地表的可透水性方面来 划分，面源污染又可分为不可透水性地表径流和可透水性地表径流两种。 城市降雨径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面( 如 商业区、居住区、停车场、街道等) ，建筑物( 如屋顶、绿化带等) ，冲刷、聚集 一系列污染物质( 如原油、氮、磷、重金属、有机物质等) 通过排水系统直接排 入水体而造成的水体非点源污染。农业面源污染源发生在农田、菜地、草地、森 林和村庄等区域。污染物包括来自农业生产所带来的氮、磷和农药，农村水土流 失造成的泥沙，还有农民生活所产生的干厕所粪便、生活垃圾、洗涤用化学品， 以及牲畜饲养生成的动物粪便和食物残渣。农村集镇不仅有农田、草地与林地等 透水地，还有公路、屋面等不可透水地，因此兼有上述两种径流污染。 村镇降雨径流污染作为典型的非点源污染，是一种不定期发生的污染，极易 造成区域环境恶化从而危及人类健康。在雨季特别是暴雨时期，村镇降雨在不透 水地面上迅速转化为径流，暴雨径流将城镇地面上的有毒污染物带入水体。面源 污染时空范围大，发生机理复杂，且具有发生时问、地点随机性，发生方式间歇 性和排放方式与途径的不确定性等特点， 造成污染。 雨水利用是一个含义非常广泛的词， 污染物质扩散性地进入地表水和地下水 从城市到农村，从农业、水利、电力、 给水排水、环境工程、园林到旅游等许许多多的领域都有雨水利用的内容。雨水 利用有广义和狭义之分。狭义的雨水利用主要是指对汇水面产生的径流进行收集、 调蓄和净化后利用；广义的雨水利用对循环系统及解决城市化引发的雨水问题具 有重要意义。车武等定义了城市雨水利用的概念，同样适应于村镇地区：有目的 地采用各种措施对雨水资源的保护和利用，主要包括收集、调蓄和净化后直接利 用：利用各种人工或自然水体、池塘、湿地或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化 和利用，改善水环境和生态环境；通过各种人工或自然渗透设施使雨水渗入地下， 补充地下水源。 1 1 3 面源污染的危害 近年来，许多国家由于非点源污染造成的水环境恶化问题日益突出。1 9 9 0 年 2 引言 美国关于水体污染的调查表明，约3 0 的水体超标是由面源污染造成的口3 。而农业 非点源污染是导致水质污染最主要的原因h 1 。面源污染已经上升为威胁人类饮用水 安全的主要原因，许多水域的面源污染超过点源污染。 营养物型污染物污染水体环境，造成水体富营养化。氮、磷等营养元素的富 集，导致某些特征性藻类异常增殖，致使水体透明度下降，溶解氧降低，水生生 物随之大批死亡，水味变得腥臭难闻。水体富营养化引起水质恶化、水资源紧缺、 生态环境破坏，严重制约经济的健康持续发展。 城镇地表如商业区、街道、停车场等，聚集了一系列降雨径流污染物，如油 类、盐分、氮、磷、有毒物质及城市垃圾。在降雨过程中雨水及其形成的地表径 流冲刷地面污染物，通过排水渠道或者直接进入受纳水体，造成地表水体污染。 其直接的毒害是引起水生生物的急性中毒，如有机磷、有机氯农药，以及毒性物 质在水体食物链中富集，如磷肥中的重金属镉等。一些激素是内分泌系统的破坏 者，阻碍野生生物和人体的正常生长，使人类和动物的生殖健康和生殖能力产生 逆向改变。面源毒性污染物( 包括本身无毒，但可诱发其他毒性污染物的物质) 进入地表水体环境，造成的不仅仅是污染指标的超标，而且还会产生污染物的协 同作用，直接对水体生物构成危害，最终通过食物链影响到人类本身，对人体健 康产生巨大威胁。 1 1 4 面源污染控韦i j 要求 目前，建设部和部分城市已经颁布了雨水利用的相关法律条文，如建设部颁 布的“绿色生态住宅小区的建设要点和技术导则 、北京市规委颁布的“关于加强 建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定”等。这一系列措施对雨水利用和雨水 径流污染控制步入法制轨道起到了重要的推动作用。国家“十二五规划刚纲要 中提出，大力推进农村生活污水治理，搞好养殖业污染治理，推进农f f l 面源治理。 建议搞好面源总量控制的试点示范，在试点地区和试点类型上进行总量控制。采 取综合措施控制农业面源污染，指导农民科学施用农药、化肥，积极推广测土配 方施肥，推行秸秆还田，鼓励使用农家肥和新型有机肥。 1 2 研究意义与目的 1 2 1 研究意义 在国外，非点源污染问题已成为主要的水环境问题。由于雨水径流能将城镇 北京交通大学硕十学位论文 地面上及广大农业耕作区的有毒有害污染物带入水体，而且种类多、数量大，成 为水体污染的主要发生源。而且，面源污染所占比重也随着点源污染的有效控制 而不断加大。在国内，近年来在水体污染治理的实践中，也已深刻体会到了面源 污染的危害。在我国，滇池湖泊流域的大青河，暴雨悬浮物浓度比平时均值高2 2 倍，亚硝酸盐氮则高达1 6 3 倍：宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的1 0 6 倍【5 】。近年来，我国对滇池污染、太湖污染、淮河流域污染等重大河流湖泊污染问 题的调查研究结果都表明面源污染在其中起着重要的作用，其中滇池富营养化问 题的研究结果表明工业废水、城市污水及面源污染的分担率分别为9 、2 4 和 6 7 i 6 1 。 影响城镇雨水径流水质污染的主要因素、以及主要因素影响下相应的雨水径 流水质污染特性、水质污染变化规律及污染负荷模型等，是非点源雨水径流污染 控制和城镇雨水资源化回用的技术依据和理论基础。探索和研究村镇雨水地表径 流污染物特征，并充分合理开发与利用村镇地区雨水资源，对解决水资源危机、 缓解防洪压力和治理水体污染，改善生态环境，实现经济、社会可持续发展具有 重要的意义。 第一，径流污染是影响受纳水体水质的重要污染源，对其排放规律进行研究 可有效预防因雨水径流导致的面源污染。长期以来人们认为点源污染是造成水环 境质量下降的主要原因，而没有意识到以雨水地表径流污染为代表的非点源污染 的危害性。从全国第一次污染源普查结果看，农业源污染物排放对水环境的影响 较大，在农业源污染中，比较突出的是畜禽养殖业污染问题，畜禽养殖业的化学 需氧量、总氮和总磷分别占农业源的9 6 、3 8 和5 6 。因此，必须把农业源污 染防治纳入环境保护的重要议程。由于污染物质晴天累积、雨天排放，使径流具 有地域范围广、随机性大、突发性强、成因复杂、污染径流流量大等特点，已成 为严重污染水环境，制约受纳水体水质改善的重要因素之一。掌握村镇雨水径流 水质及其主要的影响因素是有效利用村镇雨水资源和控制村镇非点源污染的基 础。 第二，探索雨水回用模式可以有效地缓解水资源严重短缺的现象，对人类可 持续发展具有长远意义。雨水作为水资源的总来源，它形成河川径流和地下水的 补给，因此可以说，雨水是最根本的水源，雨水收集可以调节用水与来水的矛盾。 我国多年平均降水总量为6 2 万亿m 3 【7 1 ，可利用的雨水资源巨大，但其中约3 2 万 亿m 3 左右通过土壤蒸发和植物蒸腾作用又回到了大气中，余下的约有2 8 万亿m 3 形成了地表水和地下水，雨水利用率还很低。但是在水资源日益匮乏的今天，需 水量不断增加，使得大力开发利用非常规水资源受到高度重视。从雨水利用角度 讲，由于雨水相对清洁，与污水净化回用及海水淡化等水源利用方式相比，具有 4 引言 更加明显的经济效益。2 0 世纪8 0 年代，国际雨水收集系统协会( i r c s a ) 成立，国 际雨水收集系统协会的看法是：雨水利用将成为解决水资源短缺的重要途径【8 】。 第三，采用新技术，新工艺，使雨水下渗，可涵养地下水，增加浅层土壤含 水量。随着地表不透水面积的增加，雨水直接进入排水系统，地表水得不到及时 的补充，加上过度开采，造成地表沉降。要改善地面沉降，就要采取措施补充地 下水源，雨水是一种既经济又便捷的水资源。通过规划和设计，采取相应的工程 措施，将汛期雨水蓄积起来作为一种可用水源，具有节水、防洪、生态环境等方 面的效益。 总之，村镇降雨径流的研究十分重要，对有效地控制非点源污染、改善水环 境质量、保障水资源的有效供给、维持生态平衡、促进社会经济发展、实现农村 环境的可持续发展具有重要意义。本研究也为政府部门对污染源的控制管理决策 提供科学依据。 1 2 2 研究目的 目前国内外对城市雨水径流特性与利用技术的研究较多，而对村镇雨水的研 究偏少。村镇雨水不同于城市雨水，雨水径流往往具有更强的复杂性、随机性以 及不确定性。由于各地区的土壤特性、透水面比例、汇集面状况、污染源种类、 雨量分布及环境状况等都存在较大的差异，雨水中各污染物的浓度及分布也不相 同。掌握村镇雨水径流水质及其回用模式是有效利用村镇雨水资源和控制村镇非 点源污染的基础。我们针对村镇的技术特点和需求，结合雨水和资源情况，测试， 研究典型村镇降雨分布、雨水水质变化和污染物去除规律。提出村镇污染雨水界 定方法，确定弃流径流量及主要污染物净化处理技术，为适合村镇雨水的回用工 程设计与处理设备开发提供基础数据和理论参考。 本项目选取北京海淀区大牛坊村以及顺义区榆林村两个典型村镇，进行了降 水、径流及地表水体取样和监测，揭示典型村镇雨水水质变化规律，提出村镇雨 水可行性利用方式，为村镇雨水处理技术、设备和产品的开发以及安全运行提供 理论参考。 1 3 国内外研究及应用现状 1 3 1国外研究现状 2 0 世纪5 0 年代开始，雨水利用技术受到世界各国的重视，关于雨水利用的实 北京交通大学硕士学位论文 验研究大量增加。美国、英国、荷兰等发达国家在2 0 世纪7 0 年代对城市地表径 流丌展了大量的测试及研究工作，内容包括：地表径流水质的测试及特性研究、 城市地表径流对地表水体的影响、描述地表径流污染排放规律的数学模型以及污 染控制的措施等。2 0 世纪8 0 年代后，国际上掀起了雨水收集利用理论和技术研究 的热潮，内容涉及水质测试及特性研究、集雨系统设计、集雨模型和雨水的高效 利用。 在雨水径流的管理方面，2 0 世纪9 0 年代初，美国针对农业与农村地区模型， 提出农药化肥迁移模型( a c t m o ) 、农业径流管理模型( a r m ) 、统一迁移模型 ( u t m ) 、农业管理系统中农药径流与侵蚀模型( c r e a m s ) 、区域性面源集水面 环境影响的模拟模型等。 对雨水径流水质状况的研究，国际上最早的雨水收集科学实验是由澳大利亚 的k e n y o n 于1 9 2 9 年所做的雨水积蓄利用系统p 】。加拿大的研究人员通过互联网 收集1 9 7 0 1 9 9 5 年的1 4 0 份关于雨水径流水质的文献，分析雨水径流带来的污染物 的量和机理，研究径流雨水对受纳水体水生生物和公众的影响。s a n s a l o n e 等人在 路面径流的研究中提出，初期2 0 径流中的污染负荷占整场降雨的8 0 t l o 】。美国 e p a 于1 9 8 3 年提出城市暴雨径流的主要污染评价指标，如悬浮固体、有机物、植 物营养物和重金属】。d e l e t i c 等人采用自动监测设备对城市地表雨水口处径流雨 水水质的p h 、温度、浊度及电导率进行了连续测定，获得了大量的数据，并给出 了固体排放速率与地表径流量的相关式【1 2 1 。v i k l a n d e r 测试了瑞典某城市街道上的 沉积颗粒分级及颗粒中重金属的含量，研究了其与交通量及周围区域环境的关系 【l3 1 。w h 等人报道了城市道路，城郊道路及位于农村的公路路面径流的研究结果， 分析比较了三处不同地点的公路路面径流平均浓度【1 4 1 。p i t t 等人报道了对城市地表 径流雨水的毒性污染物的研究，对取自汽车交通活动有关的不同场所( 如停车场、 道路路面等) 的地表径流雨水进行了生物毒性试验，并以不同的常规水处理方法 对毒性的降低状况进行了试验研究，分析比较了各种方法的适用性【b 】。德国在9 0 年代实现对城市雨水的污染控制，最典型的措施是修建大量的雨水池截留处理合 流制和分流制管系的污染雨水，以及采取分散式源头生态措施消减和净化雨水。 1 3 2 国内研究现状 我国在系统面源污染负荷模型方面已经进入起步阶段，但模型介绍及模型与 g i s 技术结合尚不多，且由于参与的单位不多等诸多原因，显得步履蹒跚。 上个世纪8 0 年代和9 0 年代，北京、南京、西安地区进行过局部地区雨水污 染或地表径流污染的实际监测研究，并取得了一定成果。 6 引言 在张宇的研究中表明，氮、磷的流失与降雨关系密切，主要受降雨量、降雨 强度的影响，降雨量越大，其流失量越大【i6 1 。总磷的输出量与悬浮泥沙的输出量 有较好的线性关系，总氮的输出量与悬浮泥沙的输出量关系不明显。孟清华等通 过两年的定位研究表明，不同土地利用方式的养分输出总量有较大的变异，变化 趋势为坡地农阳 梯田农f f l 梯田果园 坡地果园，还指出坡地果园是较理想的 土地利用方式【1 7 1 。 李梅、于晓晶选取济南城区和郊区4 个不同下垫面的屋面和路面作为雨水取 样点，分析了径流不同时间段雨水水质的变化趋势【i 引。分析结果表明，径流初期 下垫面的雨水污染均较严重，污染物浓度较高。随着径流时间的持续，各污染物 浓度呈下降趋势，在径流形成4 0 r a i n 后，污染物浓度基本不发生变化。弃去前1 0 m i n 径流雨水，雨水水质较好，经过简单处理后，水质各项指标均能满足城市污水 再生利用景观环境用水水质( g b t1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 和生活杂用水水质标准( c j f r 4 8 1 9 9 9 ) 的要求。李立青、尹澄清在2 0 0 3 2 0 0 6 年通过对武汉市汉阳城区不同尺 度降雨径流、市政污水的监测，结合环境地球化学方法研究雨、污合流制城区降 雨径流污染的形成、迁移转化过程及污染来源【1 9 1 。研究发现，雨污合流制城区降 雨径流在形成、迁移和传输过程中，污染程度显著增加，颗粒态c o d 的比例升高， 有机污染增强。城市地表、雨水口、生活污水管和合流管道沉积物中p f e 含量具 有明显的差异性，利用p f e 可以识别集水区尺度降雨径流污染来源。降雨径流中 的悬浮物主要来自城市地表与雨水口的沉积物以及生活污水的沉积物，生活污水 中污染物通过在合流管道中沉积进而被侵蚀形成降雨径流污染物【2 叭。车伍等对北 京地区不同汇水面的雨水径流污染物冲刷规律研究表明，初期弃流量应控制在一 定范围，屋面为1 - 3 m m 即可控制整场雨面源污染负荷的6 0 以上，市区路面在 6 8 m m 也可控制6 0 8 0 的污染量【2 1 1 。但是，针对村镇雨水初期径流弃流量尚未 提出明确数值范围。罗专溪的研究表明，丘陵区村镇降雨初期径流运移的负荷较 大，有将近4 0 的污染负荷为占总径流量3 0 的初期径流所运移【2 2 1 。 我国对城市雨水径流带来的非点源污染研究取得了一批成果，但对径流量及 其水质缺少全面监测数据，对径流污染源、输送机制、污染总量及其适应的合理 排水体系和控制管理对策缺乏系统研究。目前，尚未建立与雨水径流控制配套的 技术和法规体系。对待雨水问题整体上还停留在老观念，如偏向靠“雨污分流 解决污染，重终端治理轻源头控制，重人工措施轻自然措施，重技术( 工程) 方 法而忽视非技术( 管理) 方法。 1 3 3国外雨水利用进展 7 北京交通大学硕七学位论文 2 0 世纪8 0 年代以来，水资源短缺给人们带来的压力越来越大，资源与环境问 题受到人们的广泛关注，雨水利用也受到人们更多重视。国际研究达成共识：雨 水利用将成为解决2 1 世纪水资源短缺的重要途径【2 3 1 。许多国家开展相关研究并建 成一批不同规模的示范工程。 目前，国际上城市雨水利用研究比较广泛。东南亚的尼泊尔、菲律宾、印度、 泰国，非洲的科尼亚、博茨瓦纳、坦桑尼亚，以及日本、德国、澳大利亚、美国、 新加坡、法国等发达国家都采取了多种技术开发和利用城市雨水 2 4 1 。其中，德国、 美国和日本研究起步较早，处于领先地位。 1 德国雨水利用概况 德国长期致力于雨水利用技术的研究与开发，目前已经成为国际上雨水利用 技术最先进的国家之一。德国的雨水利用起源于1 9 7 0 年后的环保运动，是欧洲开 展此项工程最好的国家之一。 德国的城市雨水利用方式有三种：一是雨水集蓄系统。从屋顶、周围街道、 停车场和通道收集雨水，通过独立的收集管道进入地下蓄水池经简单处理后，用 于冲洗厕所和浇撒庭院，部分地区利用雨水节约引用水率达5 0 2 5 】。德国将屋面 雨水径流与路面雨水径流水质进行了区分，以便针对不同的水质进行处理和利用。 二是雨水截污与渗透系统。德国城市街道雨水管道口均设有截污挂篮，以拦截雨 水径流携带的污染物。道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池或通过渗透补充 地下水。三是生态小区雨水利用系统。在许多小区沿着排水道有渗透浅沟，表面 植有草皮，供雨水径流流过时下渗。部分雨水则进入雨水池或人工湿地，作为水 景或继续处理利用1 2 引。 德国有大量各种规模和类型的雨水利用工程的成功实例。据不完全统计，到 1 9 9 9 年德国就有约二十万套雨水利用设备投入使用。另外，德国还制订了一系列 有关雨水利用的法律、法规。如在德国新建小区之前，均要设计雨水收集设施， 否则政府将征收雨水排放设施费和雨水排放判2 7 l 。1 9 8 9 年德国就出台了雨水利用 设施标准( d i n l 9 8 9 ) ，对住宅、商业和工业领域雨水利用设施的设计、施工和运 行管理、过滤、调蓄、控制与监测等方面制定了标型2 引，其雨水收集利用技术是 最先进的，基本形成了一套完整、实用的理论和技术体系。 2 ：差垦缝壹亟壅型周拯逸 美国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究雨水利用，于1 9 8 3 年就提出城市暴雨径流 的主要污染评价指标。在美国，雨水利用常以提高天然入渗能力为目的，首先考 虑雨水的截留、储存、回灌、补充地表和地下水源，改善城市水环境与生态环境。 8 引言 在多个城市建立了屋顶蓄水和就地入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌 系统。例如，加州富雷斯诺市的地下回灌系统，l o 年间该地下水回灌总量为1 3 3 8 亿1 t 1 3 ，其年回灌量占该市年用水量的2 0 ；芝加哥市的地下隧道蓄水系统，可以 解决城市防洪和雨水利用问题；波特兰市“绿色街道改造设计项目，在街道绿 化改造中将一部分街道上的停车区域改建成种植区，借助栽种多种植物，形成一 个集雨水收集、滞留、净化、渗透等功能于一体的生态处理系统，并营造出自然 优美的街道景致【2 9 1 。除了这些工程措施，美国还十分重视法律制度的完善。针对 城市化引起河道下游洪水泛滥问题，美国的科罗拉多州、福罗罩达州和宾夕法尼 亚州分别制定了雨水管理条例。这些条例规定i 新的开发区的洪峰流量不能超过 开发前的水平。 3 日奎缝直雨丞型用褪猩 日本是一个水资源比较缺乏的国家，为此，日本政府十分重视对雨水的利用。 2 0 世纪6 0 年代，日本开始收集路面雨水。目前，全国水资源利用率已达到2 0 左一 右，新辟水源所需投入越来越大。日本是在城市中开展雨水资源化利用规模最大 的国家。 日本是亚洲重视城市雨水利用的典范，十分重视环境、资源的保护和积极倡 。 导可持续发展的理念。日本不仅积极倡导农业方面的雨水利用，在一些大城市也 积极收集雨水，节约水资源。 日本于1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，蓄洪池主要用于冲洗厕所、l 浇灌草坪，也用于消防和发生灾害时的应急。另外，存储雨水的水池还用作调节 城市雨洪的设施。除去一般住房建储雨罐外，在大型建筑物下建有容积达数千立 方米的地下水池来存蓄雨水1 3 0 l 。早在1 9 8 0 年，日本建设省就开始推行雨水驻留渗 透计划，雨水驻留渗透场所一般为公园、绿地、庭院、停车场、建筑物、运动场 和道路等。采用的渗透设施有渗透池、渗透管、渗透井、透水性铺盖、浸透侧沟、 调节池和绿地等。1 9 9 2 年颁布“第二代城市雨水总体规划”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，有效促进了城市雨水资源化进程。 经过有关部门对东京附近2 0 个主要降雨区长达5 年的观测和调查，平均降雨 量6 3 3 m m 的地区平均流量由原来的3 7 5 9 m m 降低到5 4 8 m m ，流出率由5 1 8 降 低到5 4 。在东京已有8 3 的人行道采用了透水性柏油路面，雨水通过透水性柏 油路面下渗到地下，经过收集系统处理后加以利用。 此外，日本还有一些城市的建筑物上设计了收集雨水的设施，将收集到的雨 水用于消防、植树、洗车、冲厕和冷却水补给等，也可经处理后供居民饮用。据 统计，日本目前已拥有利用雨水设施的建筑物上百座，屋顶集水面积达2 0 多万 9 北京交通大学硕+ 学位论文 m 2 。东京江东区文化中心修建的收集雨水设施集雨面积5 6 0 0 m 2 ，雨水池容积为 4 0 0 m 3 ，每年作饮用水和杂用的雨水占全年用水量的4 5 。东京有一座相扑管馆， 每天用水量可达3 0 0 m 2 ，其中1 2 用于冲洗厕所，这些水大部分是利用大屋顶收集 到的雨水。江户东京博物馆的雨水利用系统，是用一个2 5 0 0 m 3 的地下雨池调蓄从 约1 0 0 0 0m 2 屋面收集的雨水。日本不少城市对雨水利用进行资金补助，各种雨水 入渗设施在同本也得到迅速发展。 4 丹麦城市雨水利用概况 丹麦过去供水主要靠地下水，一些地区含水层已经被过度开采。为此，丹麦 开始寻找可替代水源。从2 0 0 0 年6 月起，丹麦就支持雨水利用系统的安装，但必 须符合环境部颁布的r o r c e n t e ra n v i s n i n g0 0 3 号指令。在城市地区从屋顶收集雨 水，收集后的雨水经过收集管底部的预过滤设备，进入储水池进行储存，使用时 利用泵经过进水口的浮筒式过滤器过滤后，把收集的屋面雨水经过简单处理用于 冲洗厕所和洗衣服。在7 个月的降雨时期，从屋顶收集起来的雨水量就可以满足 冲洗厕所的用水，节约6 8 冲洗厕所和洗衣服的实际用水量，而洗衣服的用水量 仅4 个月就可以满足。每年从居民屋顶收集6 4 5 1 0 6 m 3 的雨水，如果用于冲洗厕 所和洗衣服，将占据居民冲洗厕所和洗衣服用水量的6 8 ，相当于居民总用水量 的2 2 ，占市政总用水量的7 l 3 1 】。 5 新加坡城市雨水利用概况 由于新加坡的缺水问题突出，新加坡在城市雨水利用方面做得也比较成功， 很好的缓解了水资源的不足。新加坡有着完善的集雨和蓄水系统，共分为六个集 雨区，建成了十余个水库和蓄水池，以便尽可能地收集雨水。在飞机场实现了利 用地表径流满足厕所冲洗、灭火和空调用水。新加坡的蓄水池现已分布在西部、 北部以及东西的商业旺区，实现了雨水的1 0 0 收集，平均每天可收集雨水6 0 万 r n 3 ，满足正常用水量的约4 0 【3 2 j 。 鱼：遗太型垩亟丞型旦概况 澳大利亚年平均降雨量不过4 7 0 m m ，但政府对雨水利用非常重视，对修建雨 水储水箱的居民，政府每年给予2 0 0 澳元的补助。家庭雨水收集利用在澳大利亚 非常普遍，在农村几乎已经得到全面普及，主要用于农业灌溉或家庭非饮用水资 源。在悉尼的体育场馆设计中，将雨水、污水的处理和综合利用、生态景观建设 和生态保护充分地结合起来，不仅实现了主要场馆的雨水收集、处理和利用，更 达到了环境保护、生态建设和社会经济效益的最大化。2 0 0 0 年悉尼奥林匹克公园 i o 引言 建立了有效的污废水重复利用系统、雨水收集系统和植物浇灌系统，不仅每年可 节约8 5 亿m 3 水，还为公园的水景观提供了可重复利用的水源【3 3 1 。 7 墓国雨丞型旦拯况 伦敦年平均降雨量为6 1 3 m m ，和北京降雨量接近，但比其它许多国际大都市 要少。对这种人口超过千万、水资源并不丰富的大都市，雨水利用意义更为重大。 英国伦敦世纪圆顶的雨水收集利用系统，利用大型建筑物中的屋面收集雨水 用于补充景观水。收集的雨水依次通过一级芦苇床、泻湖及三级芦苇床。该处理 系统不仅利用自然方式有效地预处理了雨水，同时很好地融入到实际穹顶的景观 中【3 4 1 。 8 虫廑雨丞型旦概况 印度各地方政府通过政府投资、居民筹资以及民间捐资等手段，修建了许多 雨水收集设施。一些大型的雨水接收装置还派专人管理，统一分配用水。新德里 年降雨量为6 1l m m ，城市面积是1 4 8 6 k m 2 ，建有1 1 个雨水利用系统，每年可收集 雨水4 5 亿m 3 ，相当于整个城市水需求量的3 5 左右。 综上所述，发达国家对雨水利用的研究起步较早，迄今为止积累了很多经验。 国外雨水资源利用的应用范围广、设施齐全、利用方法多种多样，并且制定了一 系列关于雨水利用的政策法规，建立了比较完善的雨水收集和雨水渗透系统。对 我国城市雨水利用具有一定的参考和借鉴作用。随着水资源短缺的日益严峻，我。 国应该结合实际，提出切实可行、经济实用的雨水利用技术、方法。 1 3 4 国内雨水利用的进展 进入9 0 年代以来，由于水资源日益紧缺，我国逐步重视雨水利用和水资源可 持续发展的研究，一些省区发展较快，如甘肃、宁夏等。2 0 0 1 年7 月中国水利学 会雨水利用专业委员会在兰州成立。 国内雨水的利用大致经历了四个发展阶段：上个世纪8 0 年代，实验研究阶段， 主要是进行了雨水蓄积利用的可行性研究，并提出了一些理论方法；2 0 世纪9 0 年 代进入试点示范，在全国十几个省市进行了试点工作；1 9 9 7 1 9 9 8 年雨水积蓄利用 试点在西北、西南、华北地区迅速发展，雨水利用进入推广应用阶段；从2 0 0 0 年 开始，随着国际会议的召开和相关标准规范的出台，雨水利用进入蓬勃发展阶段 【3 5 1 。截至到2 0 0 1 年底，全国共建成水窖等小型工程5 6 0 万处，蓄水容积1 8 亿m 3 ， 发展抗旱保苗补水灌溉面积2 6 4 6 7 万h m 2 ，解决了3 6 0 0 万人及2 5 0 0 万头牲畜的 北京交通大学硕士学位论文 饮水问题。 ! ：缝直亟丞型旦班达 近年来，我国城市雨水利用成为一个十分热门的课题。北京、天津、青岛、 上海、大连、南京、武汉、成都、哈尔滨、沈阳、西安等许多城市相继开展研究 或应用，显示出巨大的发展潜力。 大连理工大学水环境教研室正在致力于利用雨水渗透等技术改善城市水环境 等领域的研究。赵佑海等进行城市雨水的集蓄用于小区绿化和道路浇洒的可行性 研究 3 6 1 。上海浦东国际机场航站楼已经建有完善的雨水收集系统用来收集浦东国 际机场航站楼的屋面雨水，在暴雨季节收集的水量为5 0 0 m 3 h ，这些雨水均被有效 的处理并加以利用【3 7 】。深圳市大梅沙万科中心项目，实施低影响开发的理念和雨 水控制利用技术方案。天津东丽湖万科生态住宅区实施雨水与水环境设计方案。 北京市由于缺水形势严峻，开展雨水利用的步伐较快【3 引。1 9 9 5 年6 月北京举办 了第七届国际雨水集流系统大会。1 9 9 8 年北京建筑工程学院和北京市城市节约用 水办公室联合开展城市雨水利用的研究。至1 2 0 0 0 年，北京正式启动“城市雨洪控 制与利用 工程。工程总投资6 0 0 0 万元，将雨水用于冲厕、喷洒路面、灌溉绿地、 涵养地下水等。该工程推广实施后，城区将有3 0 的雨水得到有效利用。2 0 0 1 年 国务院批准了包括雨洪利用规划内容的“2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规 划”。2 0 0 3 年3 月北京市规划委员会和水利局又联合发布经市政府同意的“关于加 强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定。2 0 0 5 年5 月，市政府办公大院中建 成了一个雨水收集利用系统，收集不少雨水用于绿化，取得了良好效果，也显示 了政府积极带头应用雨水的决心。并且，2 0 0 8 年北京奥运场馆建设中全部采用雨 水利用技术，使雨水利用率达到l o o 。中德合作研究项目“北京市水资源可持续 利用城区雨洪控制及利用已开始实施，并在北京水利水电学校、双紫小区、 丰台体育场等地建立了雨水利用的示范基地。最近，北京为提高城市水资源的利 用率，开始在城区内实施雨水回收计划。目前，雨水分层深入地下试验已获成功， 雨水有望不再直接排入市政管线。雨水回收利用的主要措施是结合降水特点及地 质条件，采用雨水渗透间接利用方案，设计出一种从“高花坛”、“低绿地”到“浅 沟渗渠 逐级下渗的雨水利用模式。这项雨水利用方案的出台将开创我国在雨水 资源利用方面的范例。可见，北京市的城市雨水利用己进入示范与实践阶段，已 经成为我国城市雨水利用技术的龙头【3 9 1 。我国城市雨水利用方式及途径如图1 1 所 不。 1 2 引言 面雨水ll 路面永ll i 地东ll 其他可承 1 分水、彝蠢与截污纛统r 一谢l 祭、弃j 射 漱挂篮辱) li _ = 二二 二二_ 一一1 一 1 系统( 调节ll l 乜黼、承笔缚) ii 咪翻嗍i l t 一 l ( 时浃量飘，生考) - - - _ _ _ - _ - _ _ - 。_ - - - _ 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 匝窭口 i 配永裹奠 。- 。一 _ r 丽打叫水嗣用卜 市反l l 团 囊甩ll ，i 下 水 i 客 i | l i 篓 图1 1 城市雨水利用方式及用途 f i g u r e1 1u s i n gw a y so fu r b a nr a i n w a t e r 园地憧 四周与灌t 相结合：辅 用与防洪控 翻、污集控 棚相路合 利用与量、 破瞢生杏年 奠相站合 图1 2 农村雨水利用模式 f i g u r e1 2u s i n gw a y so fr u r a lr a i n w a t e r 我国大部分小城镇都面临着水源短缺、水环境污染的问题。在这种情况下， 加强对村镇雨水回用的研究、充分开发雨水资源，对缓解农村水资源紧缺状况、 减轻农村地区的洪涝灾害、控制非点源污染和改善水生态环境具有重要意义。由 于村镇地理环境、排水体制等都与城市有着明显的区别。因此，在降雨水质、产 汇流特征等方面也与之有所差异，最终导致雨水利用模式的差异。到目前为止， 针对农村雨水利用的研究还比较少，农村雨水的收集、蓄存以及处理技术还处于 起步阶段。现阶段，农村主要的雨水利用模式