（环境工程专业论文）城市小区雨水利用的研究.pdf

摘要 由于城市水资源紧缺的问题日益突出，雨水作为一种最根本、最直接、最经 济的水资源，越来越受到人们的重视。城市雨水的利用不仅能够为人类的生产生 活提供新的供水水源，而且在调节和补充地区水资源、防止城市洪涝灾害及改善 水环境等方面起着重要的作用。提高城市雨水的利用率也是建设节水型城市的重 要措施。 本文主要研究了城市小区雨水利用问题。在查阅大量国内外文献的基础上， 分析了城市水资源与城市雨水利用的关系、城市化对城市雨水利用的影响及城市 雨水利用的主要途径。通过对天津市部分地区的降雨监测，从雨水利用方面探讨 了本地区的降雨特征，及其对城市小区雨水利用的影响。并且对典型小区的雨水 径流水质进行了监测分析，总结其雨水径流水质特征。针对初期雨水的处理问题， 做了相应的物理化学处理实验，提出了一些工艺参数。最后以实际的建筑小区为 例，提出了该小区雨水利用的方案。 通过对监测点2 0 0 7 年雨季的降雨特征的监测发现，所监测到的降雨多为雷 阵雨，初期降雨强度较大，降雨历时不长。通过对雨水径流水质的监测可以得出 以下结论：雨水径流中的主要污染物为s s 与c o d c r ，且s s 对c o d c r 的贡献 比较大。初期雨水污染比较严重，最大的路面雨水径流的s s 为2 6 0 8 m g l ， c o d c r 为7 4 2 m g l 。随着降雨历时的延长，其路面c o d c r 最后稳定在1 0 0 m g l 左右，屋面c o d c r 稳定在5 0 m g l 左右，且在降雨初期的前1 0 m i n 内，污染物浓 度下降比较快。通过对初期雨水路面径流的混凝实验发现，混凝沉淀处理工艺能 够适应初期雨水污染的冲击负荷，对c o d c r 、s s 的去除率较高，处理后的雨水 径流能够满足一些城市杂用水的标准要求。由于每次初期雨水径流的水质有所不 同，其最佳投药量在2 0 m g i _ 产3 0 m g l 之间，而且通过实验发现初期雨水不经过 预沉，其混凝后矾花的沉降性能比较好，在1 0 m i n 内基本沉降完毕。对某小区的 雨水利用提出了方案，采用收集小区内所有的下垫面的雨水，进行处理回用。 关键词：雨水利用初期雨水雨水水质雨水混凝 a b s t r a c t a st h eu r b a nw a t e rs h o r t a g ep r o b l e mh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，t h e r a i n w a t e rw h i c hi so n eo ft h em o s tf u n d a m e n t a l ，d i r e c ta n de c o n o m i c a lw a t e r r e s o u r c e si sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l e r a i n w a t e ru t i l i z a t i o ni nr e s i d e n t i a l c o m m u n i t yi sn o to n l yt op r o v i d en e ww a t e rs o u r c e sf o r t h ep r o d u c t i o no fh u m a nl i f e ， b u ta l s ot op l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ns u p p l e m e n t i n ga n dr e g u l a t i n gw a t e rr e s o u r c e ， p r e v e n t i n gf l o o d sa n di m p r o v i n gu r b a nw a t e re n v i r o n m e n t r a i s i n gt h er a t eo f r a i n w a t e ru t i l i z a t i o ni sa l s oa ni m p o r t a n tm e a s u r ei nb u i l d i n gw a t e r - s a v i n gc i t i e s t h i sa r t i c l ei sm a i nr e s e a r c ho nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o ni nu r b a nc o m m u n i t y o nt h eb a s i s o fr e f e r r i n gt ol a r g ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a ll i t e r a t u r e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e r e l a t i o nb e t w e e nu r b a nw a t e rr e s o u r c ea n du r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ，t h ei m p a c to f u r b a n i z a t i o no nu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o na n dt h em a i nw a yo fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n t h r o u g ht h em o n i t o r i n go ft h er a i n f a l li ns o m ea r e a so ft i a n j i n , i td i s c u s s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er a i n f a l li nt h i sr e g i o na n dt h ei m p a c to fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n i t m o n i t o r st h eq u a l i t yo fr u n o f fi nt y p i c a la r e a , a n ds u m su pi t sc h a r a c t e r i s t i c s f o r t r e a t m e n to ft h ef i r s tr u n o f f , s o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a le x p e r i m e n t sa r em a d ei n l i b r a r ya n ds o m et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ee d u c e d f i n a l l y , t h ep r o g r a mo fr a i n w a t e r u t i l i z a t i o nf o ra na c t u a lu r b a nc o m m u n i t yi sm a d e b a s e do nr a i n f a l lm o n i t o r i n g ，i ti sf o u n dt h a tm o s to fr a i n f a l li st h u n d e r s t o r mi n t i a n ji n , t h ee a r l yr a i n f a l li n t e n s i t yi sg r e a t e ra n dr a i n f a l ld u r a t i o ni sn o tl o n g h a l fo f t h er a i n f a l lw h i c hi sm o n i t o r e di nr a i ns e a s o no f2 0 0 7i st h u n d e r s t o r m t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mt h em o n i t o r i n go fr u n o f fq u a l i t y ：t h em a j o r p o l l u t a n t si nr u n o f fi ss sa n dc o d e r , a n ds si sr e l a t i v e l yl a r g ec o n t r i b u t i o nt oc o d e r m ep o l l u t i o ni ne a r l yr u n o f fi sm o r es e r i o u s t h eb i g g e s ts sl o a di s2 6 0 8m g la n d t h eb i g g e s tc o d c rl o a di s7 4 2 m g li nr o a dr u n o f f a st h er a i nd u r a t i o ni se x t e n s i o n , t h ec o n c e n t r a t i o no fr o a dr u n o f fc o d e ri sa b o u tlo o m g la n dr o o fr u n o f fi sa b o u t 5 0 m g l a n dt h e c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sd e c l i n ef a s t e ri nt h ef i r s t10r a i n t h r o u g h c o a g u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u tf i r s tr u n o f fi ti sf o u n dt h a tc o a g u l a t i o nt r e a t m e n ts u f f i c e t h el o a do ff i r s tr u n o f fp o l l u t i o n , a n dt h ep o l l u t i o nr e m o v a lr a t ei sh i 【g h e r , t h ew a t e r m e e ts o m es t a n d a r dr e q u i r e m e n t sa f t e rt r e a t m e n t a st h eq u a l i t yo ff i r s tr u n o f fi s d i f f e r e n t , t h e i rb e s td o s i n gi sb e t w e e n2 0 m e d la n d3 0 m # l t h ee f f e c to fc o a g u l a t i o ni s b e t t e ri fr u n o f fi sn o tp r e c i p i t a t i o n , a n dt h ef l o cs e d i m e n t a t i o nt i m ei sa b o u tl0m i n a r a i n w a t e ru t i l i z a t i o np r o g r a mi sm a d ef o ru r b a nc o m m u n i 哆, i tc o l l e c t sa n dr e c y c l e s r u n o f fo fa l lt h eu n d e r l y i n gs u r f a c e ，a n dr e c y c l e k e yw o r d s ：r a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ，f i r s tr u n o f f , r a i n w a t e rq u a l i t y , r a i n w a t e r c o a g u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：别吝易 签字日期：刁内年石月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、，使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 函电 f 止 导师签名： 髹 签宁日期：可卵9 年二月，矿日 签字日期：钐彩年t 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 全世界水资源短缺问题日益严重，水资源紧缺早已经成为全球关注的难题。 1 9 7 7 年联合国水事会议就已提出警告：“石油危机以后的下一个危机就是水的 危机 。1 9 8 7 年联合国发表了世界水资源综合评估报告，向全世界发出了 淡水资源短缺的警报，指出缺水问题将严重制约下个世纪的经济和社会发展，并 导致国家间的冲突，甚至暴发战争。2 0 0 6 年第四届“世界水资源论坛 在墨西 哥召开，水资源危机再次成为世界舆论关注的焦点。一方面随着世界人口的快速 增长，以及全球城市化进程的不断加速，全球性的水资源危机进一步恶化；另一 方面，水资源污染的问题日趋严重，全世界每天约有2 0 0 吨垃圾倒进河流、湖泊， 污染水因此而急剧增加，水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也 将严重威胁人类生存【l 】。在2 0 0 7 年世界水日把“解决水资源短缺作为主题， 强调世界水资源匮乏日益严重的问题上需要世界各国合作，以确保永久、有效和 公平的水资源管理。全球用水量在2 0 世纪增加了6 倍，其增长速度是人口增长 速度的两倍多，在未来的几十年内，这种趋势还将持续。然而，人类真正能够利 用的淡水资源是有限的，其占全球总水量的比例还不到1 。进入2 1 世纪，人 类社会面临前所未有的水问题挑战，其中包括洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化。 通过对水资源及水循环的研究，研究学者发现如果将雨水资源利用会带来可观的 经济效益、社会效益和环境效益。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世纪水 资源的重要途径 2 】。因此，城市雨水利用成为一项很有前景的课题。 我国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量占全球水资源的6 ，居世 界第4 位，但人均仅为世界平均水平的1 4 ，在世界上名列第1 2 1 位，是全球人均水 资源最贫乏的国家之一。据有关报道，中国4 0 0 余座城市供水不足，1 l o 座城市 缺水，而天津就是这1 1 0 座城市之一【3 】。一方面人口增长和经济发展对水的需求 量不断增大，另一方面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。因此水资源的合理使用， 对城市的发展起着至关重要的作用。 面对水资源紧缺的今天，把雨水作为重要的水资源加以收集利用，实行综合 第一章绪论 治理已经成为一个重要的新型课题。雨水是一种重要的水资源。雨水收集处理后 完全可以满足定层次用水对象的要求，可以作为另一种水资源而被使用。在农 业上，采取雨水蓄积工程把雨水储存起来，通过补充灌溉能在一定程度上抵御干 旱，在降雨不均匀的年份使农业生产稳定，提高粮食生产的安全性，自2 0 世纪 8 0 年代末，甘肃实施的“1 2 1 雨水集流工程” 4 1 、内蒙古实施的“集雨节水灌溉 工程 【5 】、宁夏实施的“小水窖工程 【6 】、陕西实施的“甘露工程 【7 1 等雨水集 蓄利用工程产生了明显的经济效益和社会效益，但是这些雨水利用系统的收集方 式和技术都比较陈旧，主要针对的是节水灌溉，雨水的收集效率较低。城市住宅 小区雨水利用是针对开发建设的小区的屋顶、道路、庭院、广场、绿地等不同下 垫面所产生的降雨径流，采取相应的措施或收集利用或渗入地下补充地下水资 源，以充分达到利用雨水资源、提高环境自净能力、改善住宅小区生态环境、减 少外排径流流量，减轻城市防洪压力的目的。据了解，2 0 0 8 北京奥运会的所有 场馆的雨水利用率达到8 0 ，从而体现了“科技奥运、绿色奥运”的理念。 随着城市化的快速发展，道路、建筑群等不透水地面面积的逐步扩大，一方 面使雨水不能入渗地下补充地下水，致使地下水补充受阻，加上地下水严重开采， 使城市周围地下水水位下降，尤其是华北地区更为严重；另一方面，雨水径流携 带大量污染物排入周围的受纳水体，致使水体受到严重的污染，而且，大雨时， 地面径流迅速汇集造成地面积水和城市洪涝灾害的发生。目前，许多城市面临着 水资源短缺、城市洪涝灾害的频繁发生和生态环境恶化的矛盾。因此把过去以排 为主的思路和做法转变成以蓄为主，坚持蓄排结合、除害兴利、利用第一的原则。 逐步扩大雨水利用途径，提高雨水利用效率和代用自来水与中水的比重。如果在 城市建设中，注意发展雨水利用工程，将雨水部分贮存起来，进行处理使其达到 浇洒绿地、道路，冲厕所，补充城市景观水体等的水质标准而加以利用。同时， 由于雨水被滞留或回渗地下，减少了雨水的排水量，减轻了城市洪涝灾害的威胁， 并且可以降低城市市政雨水管道负荷从而降低其建设投资。雨水利用后可以有效 控制雨水径流所带来的非点源污染，使城市周围的水环境得到改善。各个国家所 采用的雨水管理措施不相同，但是各个国家的目的都是一样的，都具有以上所介 绍的这些作用。如在日本修建大量的雨水蓄水池同样也具有这些作用【8 1 ，对城市 的发展都起着积极的作用。 城市雨水利用可以使城市水资源紧缺、城市水环境恶化、生态环境遭到破坏。 和城市洪涝灾害的频繁发生等日益突出的矛盾得以缓解。可以说城市雨水利用工 程是城市水资源可持续利用的重要举措之一。因此将城市雨水作为资源可持续的 加以利用越来越具有必要性和可行性。 第一章绪论 1 2 研究背景 自2 0 世纪8 0 年代初，国际雨水收集系统协会( i r c s a ) 成立以来，已经召 开了1 3 届国际雨水收集大会，对雨水的收集利用起到了重大的推动作用。我国 在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的成立，对规范雨水利 用技术、拓宽雨水利用领域、指导雨水利用实践具有重要意义。尽管国内外在雨 水利用方面已经取得了一些成就，但是雨水利用技术还是不够成熟，尤其是在我 国雨水利用起初主要应用于农业生产，在城市雨水利用方面还没有较系统的理论 基础和实践经验。而且目前我国正在实行节能减排的政策，已经推广节约用水的 措施纳入了法律议程。对城市雨水利用的研究已经成为了热点课题。 天津市为中国北方重要的综合性工业基地和商贸中心，水资源紧缺已经成为 制约天津经济发展的重要因素。天津本地自产水人均水资源量仅为1 6 0 m 3 ，居全 国各省市之末，加上引滦水和入境水，人均水资源量为3 8 0 m 3 ，属于资源型和人 口压力型缺水的大城市【9 】。为了解决天津水荒，建国以来天津曾五次临时调引黄 河水。1 9 8 3 年，引滦入津工程通水后，使天津市有了比较可靠的水源，在一段 时期内缓解了城市供水不足的压力，基本满足了天津市的供水需求。随着人口增 长和国民经济发展需要，天津市城市用水不足问题又逐渐体现出来，为了缓解水 资源紧缺的局面，城市雨水利用势在必行。对典型缺水城市进行城市雨水利用的 理论和技术研究，并将其在城市规划中推广应用具有深远的历史意义和现实意 义。 1 3 城市雨水利用的研究概况 1 3 1 城市水资源与城市雨水利用 1 3 1 1 城市水资源开发利用的基本途径 ( 1 ) 地下水的开发和利用 由于土壤的自然净化作用，地下水水质优良，不易污染，分布广泛，便于开 采，几乎不经过处理就可以满足某些用水水质的要求，如绿化灌溉、冲厕所等。 对于水质要求比较高的用水经过简单处理就可以满足要求，其处理费用比较低。 因此能充分合理的开发利用地下水资源是解决当前城市水资源紧张的最方便最 有效的途径。但是地下水同时又是生态环境的关键因素之一，具有重要的生态价 值，若开发不当易引起一系列的地质生态环境问题，而且污染后很难治理和恢复。 目前华北大部分地区地下水补给条件较差，直接导致了地面降沉。据统计，天津 第一章绪论 地面降沉面积约7 3 0 0 平方公里，占全市总面积的6 5 。其中市区累计最大降沉 为2 8 米。天津市地下水开采程度己达9 0 4 5 ，除蓟县、宝坻、宁河、静海略有 盈余，其余各区、县己超采。要解决天津市规划需水量5 6 7 6 x1 0 8 m 3 “2 0 1 0 年) 的要求，必须采取外调水源、工农业节水和污水回收利用、海水淡化利用、利用 坑、塘、洼、淀尽可能拦蓄汛期弃水等措施【1 0 】。因此可见用地下水来缓解天津市 城市供水的压力的可能性不大。 ( 2 ) 跨流域调水 我国是世界上最早进行调水工程建设的国家之一，为了解决缺水城市和地区 的水资源紧张状况，我国又修建了2 0 座大型跨流域调水工程，如江苏江水北调 工程、天津引滦入津、广东东莞供水等工程，尤其是为了解决华北和内蒙古地区 的用水问题，在十五规划中提出了南水北调工程。但是跨流域调水是一项耗资巨 大的工程，而且只能解决部分城市的用水问题。 ( 3 ) 污水再生回用 2 0 世纪8 0 年代末，随着大部分城市水资源紧张，污水回用技术日益成熟， 污水回用的研究与实践才得以加速发展。国家“七五 、“八五”期间，“城市 污水资源化的研究”和“城市污水回用技术”作为重大课题列入国家科技攻关 计划，取得了初步成果，提出了相应的污水资源化技术，但目前还处于初级阶段， 无论从规模及领域，都远不及一些发达国家和污水回用发展较早的国家【1 1 1 。而且 城市污水利用率和二级处理率都比较低，另外由于污水里面含有大量的病菌微生 物，即使处理水质达到某种用水的水质要求也难以让人们从心理上接受，况且处 理费用比较高。 ( 4 ) 海水淡化 进入2 1 世纪，淡水危机的加重，海水淡化市场发展进入了一个极其重要的 时代。海水淡化对缓解沿海和岛屿城市水资源短缺的状况有着非常重要的意义。 但是能耗过大是制约海水淡化的主要因素，反渗透海水淡化的单位投资一般为 5 0 0 0 - - - 6 0 0 0 元m 3 d ，综合成本为4 5 - - - 5 5y r _ , m 3 ；蒸馏法海水淡化的单位投资 一般为7 0 0 0 - - - 1 2 0 0 0 元m 3 d ，综合成本为5 7 元m 3 【1 2 1 。 ( 5 ) 雨水利用 雨水是自然界给予人类的巨大的无偿的资源，所以雨水是一种最根本、最直 接、最经济的水资源。雨水的水质比较好，其中有机物较少，钙含量低，总硬度 小，受细菌和病毒的污染比较低，处理后的水公众可接受性强。而且其处理费用 和基建费用也比较少。在1 9 9 8 年的“国际雨水利用学术会议暨中国第二届雨水 大会”上，有关专家指出，就地充分利用雨水，采取各种有效措施提高雨水利用 能力和效率，是传统水利发展不可缺少的补充和延伸，是解决城市水资源危机的 第一章绪论 重要途径。雨水利用将是城市化进程中缓解城市水危机、改善城市水环境的重要 措施。 1 3 1 2 城市水资源之间的循环关系 【一一 s 一供水；d 一排水；p 一降水；e 蒸发蒸胯；l 一入渗；u 回用 图l 一1 城市水循环关系图【l 3 】 水循环一般包括三个阶段，即降水、径流与蒸发。城市发展导致人口密度增 长和建筑密度增加，城市下垫面发生显著变化，改变了自然水循环模式。地下水 开采工程、跨流域调水工程、污水再生回用工程、海水淡化工程、雨水收集利用 工程的建立，促进了城市水资源的循环，提高了重复利用率，提高了供水能力。 降水在水资源恢复中起到重要作用，降水到达地面后，可以形成地面径流或 渗入地下，二者量的多少将随地表面的特点、土壤性质、坡度、雨水降落的速度 和降雨的总量而变化。渗入地下的水可以被植物吸收或通过毛管吸力被保持在土 壤中，多余渗透水既形成地下水，这是补充地下水的最经济有效的方法【1 4 1 。因此 从水循环的角度来讲，雨水利用对水循环起着积极的作用。 1 3 2 城市化对城市雨水利用的影响 1 3 2 1 城市化及城市雨水利用的概念 人类生产和生活方式由乡村型向城市型转化的历史过程，表现为乡村人口向 城市人口转化及城市不断发展和完善的过程。又称城镇化、都市化。 城市雨水利用可以有狭义和广义之分，狭义的城市雨水利用主要指对城市汇 水面产生的径流进行收集、储存和净化后利用；我们说的是广义的城市雨水利用， 第一章绪论 可做如下定义：在城市范围内，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、储存和净化后的直接利用；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，改善城市水环境和生态环境；通 过各种人工或自然渗透设施使雨水渗入地下，补充地下水资源【l 5 1 。 1 3 2 2 城市化对城市雨水利用的影响 ( 1 ) 城市化对城市气候的影响 城市化建设改变了城市改变了城市下垫面结构与功能，从而影响到了城市气 候特征。城市中硬化路面及各种不透水结构直接减少地表向大气的水汽通量，局 部地区“热岛效应”的产生。与农村地区相比，城市地区的污染物要高5 2 5 倍， 辐射减少5 3 0 ，云量增多5 1 0 ，年平均气温高o 5 - - 0 3 ，湿度减少 6 ，降雨量多5 1 0 。因此城市化进程的加快对城市雨水利用起到一定的 促进作用。 ( 2 ) 城市化对地表径流的影响 在城市化过程中，下垫面的改变对城市地表径流的影响因素也很大。首先， 城市中大量的可渗透地面成为不透水地面，使得地表径流系数变大。在降雨过程 中，其地面流量增大。其各种地表径流系数对比如表l 一1 【l6 】所示： 表1 一l 各种地表径流系数 地面种类v 值 各种屋面、混凝土和沥青路面 o 9 0 大块石铺砌路面和沥青表面处理的碎石路面 o 6 0 级配碎石路面 0 4 5 干砌砖石和碎石路面 0 4 0 非铺砌土路面 o 3 0 公园和绿地 o 1 5 根据一些研究资料可以估计，当流域内城市不透水面达到城市面积2 0 时， 遇到3 年一遇的降雨强度，其产流量就可能相当于该地区原有产流量的1 5 2 倍。其次城市不透水地面的增加，导致粗糙率减少，入渗填洼量减少，降雨后地 面汇流时间缩短；同时，排水管网的日益完善，城市调蓄能力的降低，城市不同 区域洪量在短时间内迅速叠加，对城市防洪造成了更大的压力。城市发展前后雨 水径流量变化示意图2 _ 2 【l7 】： 第一章绪论 姒 嚷 撼 两承出流时凤 图l - 2 城市发展前后雨水径流量变化 另外，随着城市的发展，人们的生活水平提高及工商业的发展，工业废水、 生活污水、固体废弃物增多，对城市河流等地表水环境造成污染，使水环境恶化。 城市化后的问题综合图l 一3 所示： 隰菇蒜下阁吲蛔l 承受水体水质下降ii 基流减少 。”“ 一。- _ l 。j l ，拉剑翌鎏问题j 口击瑁万卜鑫历啦丽 。”。+ 。j l 。1 。1 。 弪制传圃 图l - 3 城市化后的综合问题 在水资源总量一定的条件下，在无法从区域调水或者短期内不能实现区外饮 水的情况下。有效利用本地水资源城市化进程中必然方略。雨水是一个区域水资 源最根本的来源。加强节约用水、开发利用雨水资源是缓解城市水资源短缺的重 要措施，这对城市经济发展、社会进步都至关重要。 1 3 3 城市雨水利用的途径 1 3 3 1 贮留渗透 渗透是一种间接的雨水利用技术，最大的优点就是补充涵养地下水资源，并 且能够减少开发建设带来的硬化地面面积增加、雨水径流系数变大、暴雨时洪峰 第一章绪论 流量大而集中等对环境的扰动。研究表明，随着植物覆盖率的增加。不同时段的 累计入渗量呈指数增加，从而可知绿地一般具有良好的入渗性。因此若将城市内 的公园、草坪等现有绿地，改造成良好的入渗场地来接纳居民区和道路上的雨水 径流，即可增加入渗量。北京市采用高位花坛+ 低绿地+ 浅沟渗透，通过逐级下 渗，不仅增大了下渗率，达到预期的目的，而且工程造价甚至比雨水直接排放还 要节省1 0 0 a , - - , 2 0 f 例。 将不透水的地面换成透水地面也是一种增加直接入渗的措施。例如，许多城 市都在人行道上铺设渗水砖，可以增加入渗量，同时可降低暴雨径流的流速、流 量、集流时间。日本上世纪8 0 年代就在公园、庭院、停车场、运动场等场所利 用透水性柏油路、透水池、渗透管、渗透井等进行贮雨渗透，其效果显著。在平 均降雨量6 9 3 m m 的地区，采用以上措施后，平均出流量由原来的3 7 5 9 m m 降至 5 4 8 m m ，出流率由5 1 8 降低到5 4 e 2 0 l 。达到了既减少了下游的洪峰流量、流 速和径流体积，又使污染物得到净化，补充了地下水的目的。 1 3 3 2 收集回用 将城市路面和建筑屋面的雨水径流，经过收集系统收集，进入储水池，再经 沉淀、絮凝、过滤等处理设施后，用于小区杂用水。据有关专家估计，按多年平 均降雨量计算，一间4 0 m 2 的屋面，每年可收集2 0 m 3 以上的雨水，可满足4 5 口 之家枯水季节的用水需要在日本己利用雨水设施的建筑物有1 0 0 多座，屋顶集 水面积达2 0 多万m 2 。在我国，随着城市化进程的加快，城市大型建筑越来越多， 建筑物顶部面积越来越大，建筑雨水收集大有作为。因此，在我国要实现雨水资 源化，在建筑物上设计雨水收集和贮存设施，达到直接将雨水用做“中水”的措 施势在必行。 1 3 3 3 调蓄排放 通过专用雨水排水系统将雨水贮存在专用雨水贮水池或直接就近排放到城 市的一些具有一定面积的低洼地，如河道、湖泊或池塘内。一方面可以缓解城市 的洪涝灾害的发生，另方面可以将雨水作为景观用水，有美化城市的功能。 1 3 4 国内外雨水利用的研究进展 1 3 4 1 国内雨水利用的研究进展 雨水利用在我国虽然历史久远，但主要应用于缺水的地区。在水资源越来越 紧张的近2 0 年来，由于政府支持而得到了广泛开发。我国城市雨水利用的重要性 早已被人们所重视，但真正意义上的城市雨水利用的研究与应用开始于2 0 世纪8 0 第一章绪论 年代，发展于9 0 年代，北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展了 项目研究。总的来说技术还较落后，缺乏系统性，更缺少法律法规保障体系。但 建筑与小区雨水利用工程技术规范于2 0 0 7 年4 月1 日的施行将对城市雨水利用 起着积极的推动左右。 ( 1 ) 雨水径流水质方面的研究进展 雨水径流水质的污染程度是影响雨水利用比较重要的因素也是控制非点源 污染的重要因素。车武【2 l l 等人根据北京1 9 9 8 - - 一2 0 0 0 年大量的降雨径流水质数据， 分析了北京城区屋面和道路雨水径流的水质变化规律及其主要影响因素。典型屋 面初期径流c o d c r 一般在1 0 0 0 m g l 左右，最高可高达1 7 0 0 m g l ，在降雨后期一 般可维持在1 0 0 m g l 左右，屋面初期径流s s 一般在几百m g l 左右，但也可高达上 千m g l 。因路面条件比屋面复杂，所以水质波动幅度也较大，在降雨后期c o d e r 一般可维持在2 0 0 m g l 左右。并且说明了汇水面性质、降雨条件、季节、降雨的 间隔时间和气温等多种因素对雨水径流水质影响比较大。纪桂霞【2 2 】等通过对上海 市屋面雨水水质监测，及对其污染主要影响因素与污染程度的分析表明，屋面材 料、降雨历时、降雨强度等是屋面径流雨水水质的重要影响因素。从其实验数据 可以看出，上海市屋面雨水的c o d c r 最大值不超过1 5 0 m g l ，s s 值不超过 5 0 0 m g l 。黄群贤【2 3 】等通过对石家庄的某高校内屋面雨水径流和路面雨水径流的 研究发现，其路面雨水的c o d e r 最大值为7 0 0 m g l ，随着降雨历时的延长最后降 至l j 5 0 m g l 以下。而屋面雨水径流和操场雨水径流的水质较好，都在1 0 0 m g l 以下。 黄金良【2 4 】等对澳门半岛的孙逸夫仙路面雨水水质特征进行了研究，其结果如表1 1 所示： 表1 1 孙逸夫仙路面雨水水质 竺竺竺兰! ；釜：；墨：；二u 二：盆 。! 垒卫婴! ! 望丝! ! 盟些! ! 咝! ! 堡型垃 2 0 0 5 , 0 6 2 1e m c5 3 7徂嘲30 0 1 00 , 0 1 3 47 9 算术平均值6 1 20 j 两50 0 1 20 , 0 1 5 84 5 2 2 晰国8 _ 1 7 e 融c2 6 1 9 50 2 8 80 鹏l0 粥3 38 0 1 舅米平均值5 7 5 7 00 4 3 80 1 2 2 0 m 4 7 01 2 8 4 酥准”一420 il 加 搜：怒l 墩躅家地袭求环境凌麓v 类标准；一袭示无值 可见，降雨路面径流中的水质参数c o d e r 的e m c 值和算术平均值超出国家地 面水环境质量v 类标准( r 4 0 m g l ) ，2 场降雨路面径流的浊度相差甚大，其原因 与降雨强度和路面汇水面附近存在在建工地有关。 以上通过对各地区所研究的雨水径流水质分析发现，由于影响雨水径流水质 第一章绪论 的因素比较多，因此各个地区的雨水径流水质有很大的区别，即使是同一地区的 雨水径流也因为降雨因素的影响也有很大的不同。此外，对雨水径流的水质监测 没有很好的与降雨强度、降雨量等结合起来，使得雨水径流水质的监测分析不够 系统。目前我国对雨水径流水质的研究主要是为雨水利用提供数据，而没有把雨 水径流的非点源污染控制放在重点位置。 ( 2 ) 雨水利用方面的研究进展 雨水利用起初在我国的利用主要是应用于农业上，其主要的技术方法是修建 雨水蓄积池储存雨水，而没有采取一些处理措施。随着城市化进程的加快，雨水 利用的重点已经从农村转向了城市。城市的雨水利用主要包括雨水入渗、雨水收 集回用、雨水调蓄排放。 我国对城市雨水利用的研究主要集中缺水的大城市，例如李俊刮2 5 】等提出了 城市小区雨水渗透方案如图l - 4 所示： 屋面雨水一高花坛净化一绿地 屋面雨水一渗透一浅沟一渗透沟一溢流排放 fj 屋面雨水一绿地 渗透渗透 图1 - 4 城市小区雨水渗透方案 通过高位花坛、绿地的渗透系统使雨水净化，减少雨水径流污染物的排放， 使地下水得以补充。北京某中学雨水利用工程【2 6 】根据校区水量平衡计算的结果， 对利用校园内汇集的雨水作为冲厕、绿化和景观用水等进行设计；采取相应的技 术措施，对雨水径流的污染进行控制，保障所利用雨水的水质达到要求，并采用 生态净化的方式，使学校景观水体循环起来。有学者【27 j 通过对屋面雨水径流的混 凝实验研究表明，聚合氯化铝混凝出水效果最好，其最佳投药量为5 m g l ，在最 佳投药量的情况下通过接触过滤，屋面雨水c o d e r 的去除率一般可达6 5 ，s s 的 去除率为8 8 ，色度的去除率为5 6 。南京聚福园雨水系统也是一个比较典型的 实例，其系统包括雨水的收集、雨水和景观水循环的处理工艺、雨水的回用三个 方面。景观用水的回水与雨水分三路进入调节池，利用中心绿地的地下空间，将 调节池、水处理设备、水处理控制机房、绿化用水贮水池设置在地面下，占地 3 0 0 m 2 。构筑物项部复土，种植花草，不占用地表。 除了以上所介绍的雨水利用的实际工程外，目前各个城市都在尽量扩大可渗 透性地面的面积，如在停车场，马路的便道铺渗水砖等，加大雨水的下渗量，补 第一章绪论 充地下水，涵养水源。 尽管我国目前已经掀起了雨水应用的热潮，但是在雨水利用过程中也存在着 一些有待于解决的问题。在雨水利用工程中的初期雨水的处理与处置依然是很难 解决的问题，此外如何最大限度的储存利用雨水也是雨水处理的关键。综上所述， 国内城市雨水利用的研究还需进一步发展。 1 3 4 2 国外雨水利用的研究进展 与国内雨水利用相比，国外雨水利用发展比较快。国外开展雨水利用已经有 几十年的历史。德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。目前德国的雨水 利用技术已经进入标准化、产业化阶段，市场上已存在大量收集、过滤、储存、 渗透雨水的产品。德国的城市雨水利用方式主要有三种：一是屋面雨水集蓄系统， 二是雨水截污与渗透系统，三是生态小区雨水利用系统。在雨水利用方面，德国 还制定了一系列法律法规，规定在新建小区之前，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。利用市政雨水管收集雨水，采用简单的处理后，达到杂用水水质标 准，便可用于街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒。如位于柏林的h l a n kw i t z b e l e s s - - - l u e d e c k es t r a s s e 公寓始建于上世纪5 0 年代，通过采用新的卫生原则，并 有效地同雨水收集相结合，实现了雨水的最大收集。利用雨水每年可节省2 4 3 0 立方米饮用水。截至至u 2 0 0 2 年德国有3 1 0 0 个合流制管道溢流池( c s o t a n k s ) 建成， 能够存储雨水3 3 0 亿立方米的水【2 8 】。美国制定了相应的政策与法规，限制雨水直 接排放与流失，控制雨水径流的污染，收取雨水排放费，要求或鼓励雨水的截流、 贮存、利用或回灌地下，改善城市水环境与生态环境。美国的雨水利用常以提高 天然入渗能力为宗旨，并作为土地利用规划的一部分。美国的弗雷斯诺市将入渗 池和回灌井结合起来。在入渗池表土下1 5 米深水平铺设多孔波纹塑料管，然后 与入渗池末端的水泥管相连，雨水经土壤过滤自流注入回灌井。这种将水平入渗 和垂直入渗相结合的方法，防止了回灌井淤堵，并提高了回灌能力。在芝加哥市 兴建了著名的地下隧道蓄水系统，以解决城市防洪和雨水利用问题。此外，还在 其他州研究了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水路面组成的地表回灌系统。 h a s e l b a c h , l i vm 【2 9 】等通过对卡罗莱纳州南部的7 1 6 个场所的雨水滞留池的资料 进行整理分析，为雨水滞留池的建设提供了所遵从的参数，并且提出建立雨水滞 留池的合理地点。美国环保总署在1 9 9 9 年出台了雨水管理的最佳管理方案( b e s t m a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 【3 0 1 ，对雨水的监测、收集、处理等提供的依据。日本的城 市雨水利用在亚洲先行一步，1 9 8 0 年日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计划， 1 9 8 8 年成立“日本雨水贮留渗透技术协会”，1 9 9 2 年颁布“第二代城市下水总体 第一章绪论 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 建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本“降雨蓄存及渗滤 技术协会”经模拟试验得出：在使用合流制雨水管道系统地区合理配置各种入渗 设施的设置密度，强化雨水入渗，使降雨以5 m m h 的速率入渗地下，可使该地区 每年排出的b o d 总量减少5 0 。有效促进了城市雨水资源化进程。1 9 9 9 年在大阪 建立了一个可容纳1 0 0 0 0 立方米的合流制管道溢流池，可以去除所溢流雨水3 0 的b o d 。w a d a ，y a s u h i k o 3 l 】等人通过对其改进，使其去除b o d 的能力增加一倍多， 可以去除7 5 的滞留雨水的b o d 。 目前国外对雨水管理的政策主要以污染控制为主，在西欧的大部分国家政府 都对雨水的排放按着不透水性地面的面积收取排放费。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。国外城市雨水 利用范围广、设施齐全、利用方法多种多样，雨水的用途也很广泛，如冲厕所、 洗车、浇洒绿地等。 目前，尽管国内外对雨水利用做了不少的研究，但是由于受地区和降雨强度 的影响，各地区的雨水水质有所不同，在处理工艺和方法上也有区别，某一地区 的雨水利用的方法、处理的工艺不一定适合另一个地区，所以有待于对天津市区 雨水利用做进一步的研究。再加上城市对雨水利用的方法也存在着一些问题，比 如b r o m b a c h , h b 【2 8 】在文中指出，在上个世纪8 0 年代德国对雨水利用的收集系 统进行了改革，让污染少的屋面雨水通过自家的庭院渗透到地下来补充地下水， 这种看似比较完美的方法也存在着一些意想不到的问题，这种渗透的雨水将通过 排水管道的连接处进入污水管道当中，影响城市污水处理厂的运行。 1 4 主要内容 建筑小区雨水利用的研究是多学科相交叉的领域，也是当前比较前沿的课 题。本文通过天津地区降雨特征及降雨径流形成的特征分析，提出了适合建筑小 区雨水利用的方法，并将雨水资源化。 本文首先通过对天津地区的降雨特征进行了监测分析，得出天津地区的雨季 的降雨多为雷阵雨，初期降雨强度较大，降雨历时一般不长的降雨特征；其次对 典型小区的雨水径流特征进行了监测和分析，得出了本地区小区径流形成的特点 及水质径流的特征污染程度等