（环境工程专业论文）天津市不同下垫面的雨水收集利用技术.pdf

中文摘要 天津市面临严重的水资源短缺和水环境污染问题，雨水作为天然界水循环系 统中的重要环节，对调节、补充地区水资源和生态环境起到极为关键的作用。城 市雨水的收集和利用是改善城市生态环境的重要组成部分，也是实现水资源利用 和水环境可持续发展的重要途径之一。 本文首先在查阅大量国内外文献及应用实例的基础上，归纳了城市雨水利用 的途径。继而对天津市的水资源状况，年、月降雨量特点和雨水利用前景进行了 分析，研究了天津市城市雨水利用的可行性。 雨水利甩的可行性及可利用程度取决于雨水径流水质状况，为了研究天津市 雨水径流污染特征，本文在对有关天津市雨水水质检测结果进行汇总、再结合有 关北京市雨水水质的基础上，分析了天津市道路、屋面和绿地等不同下垫面雨水 径流中主要污染物的污染程度、不同污染物之间的相关性和不同下垫面的产流特 性以及不同功能区雨水径流的污染程度、雨水污染状况对景观河道的影响，并揭 示了影响城市径流的主要因素，由此提出相应的处理措施和合理化建议，为雨水 污染控制措施的实施和再利用方案提供理论根据和数据参考。 最后根据城市雨水利用，包括直接利用技术、间接利用技术、综合利用技术， 探讨和总结城市屋面、道路、绿地不同下垫面和小区及分流制排水系统的雨水收 集与利用途径。 关键词：城市径流；不同下垫面；雨水水质；雨水收集利用 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，t h ec i t yo ft i a n j i nf a c e st h e p r o b l e m so fw a t e rs h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o n a sac r u c i a lr o l eo fn a t u r a lw a t e r c i r c u l a t i o ns y s t e m , s t o r m w a t e rp l a y sa ni m p o r t a n tp a r t i nr e g u l a t i n ga n ds a v i n g l i m i t e dw a t e rr e s o u r c e s ，a sw e l la sm a i n t a i n i n gt h ee c o l o g i c a lb a l a n c e t h eu s eo f s t o r m w a t e ri se s s e n t i a lt oi m p r o v eu r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n di s a l s oo n eo f m a i nw a y st oa c h i e v es u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e s i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g n s t o r m w a t e rl i t e r a t u r ea n da p p l i c a t i o nc a s e s ，d i v e r s em e t h o d sa n dm e a n so f s t o r m w a t e r u t i l i z a t i o na r es u m m e du p ，t h e nt h r o u g ha n a l y s i st h es i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ， r a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o s p e c t sf o rs t o r m w a t e ru t i l i z a t i o ni nt i a n j i n ，t h e f e a s i b i l i t yo f t h es t o r m w a t e ru t i l i z a t i o ni sr e s e a r c h e d h o w e v e r ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gs t o r m w a t e rr u n o f fd e p e n d so nw a t e rq u a l i t y i n o r d e rt os t u d yt h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s t o r m w a t e rr u n o f fo ft i a n j i n ，t h i sp a p e r s u m m a r i e sr e s u l t so ft h et i a n j i nr u n o f fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，a n dc o m b i n e sw i t h t h er e s u l t so fb e i j i n gt oa n a l y s em a j o rp o l l u t a n t so fr u n o f ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n d i f f e r e n tp o l l u t a n t sa n dr u n o f fc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e s ，s u c ha s r o a d ，r o o fa n dl a w n ，a sw e l l a sa n a l y s em a j o rp o l l u t a n t so fr u n o f fi nd i f f e r e n t f u n c t i o n a la r e a sa n dt h ei m p a c t so fs t o r m w a t e rr u n o f fo nt h el a n d s c a p ew a t e r i t r e v e a l st h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gr u n o f f , a n dp r e s e n t sc o n t r o lm e a s u r e sa n dp r o p o s a l s a c c o r d i n g l y ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dd a t ar e f e r e n c ef o ri m p l e m e n t i n g w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e sa n dr e - u s ep r o g r a mo f r a i n w a t e r f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y ，t h r o u g ht h et h e o r yo fu r b a ns t o r m w a t e r u t i l i z a t i o n ，i n c l u d i n gd i r e c t ，i n d i r e c t a n dc o m p r e h e n s i v es t o r m w a t e ru t i l i z a t i o n t e c h n o l o g yt op r o b ea n ds u m m a r i z es t o r m w a t e rc o l l e c t i n ga n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s o fr o a d ，r o o f , l a w n ，r e s i d e n t i a ld i s t r i c ta n dt r i a g ed r a i n a g es y s t e mr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：u r b a nr u n o f f , d i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u r f a c e s ，s t o r m w a t e rq u a l i t y ， s t o r m w a t e rc o l l e c t i o na n du t i l i z a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市雨水利用的研究背景 水是人类生存的必需资源，水资源是城市可持续发展的保障，而水资源紧张 己成为世界各国关注的焦点之一。世界上有1 3 个严重缺水的国家，我国是其中 专一【l 】 “一 。 全国7 0 0 多个城市中，有近4 0 0 座城市缺水或严重缺水 2 】。随着我国人口的 增加和社会经济的发展，生活、生产用水都在急剧增加，年需水量已经占到世界 全部需水量的1 2 ，是世界上用水最多的国家之一，这就使得我国水资源量的供 需矛盾更加突出 3 】。与此同时，数量巨大的雨水径流量却大量流失，雨水利用率 不到1 0 。表1 1 列出了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量的对比情况。 表1 - 1中国城市化进程及雨水利用潜力分析( 亿i l l 3 ) 整禁 蓉 至 差 按2 0 利用 率计算 按4 0 利用 率计算 薹塞2 曩0 0 | | | 8 囊薹塞橐圣毳垂| | 橐圣薹鍪| | 例( )例( ) 2 0 0 8 4 5 76 0 7 5 0 01 6 9 5 3 3 9 6 7 8 2 0 3 06 58 0 71 2 2 07 2 02 8 35 6 67 91 1 3 21 5 7 2 0 5 07 09 6 01 5 4 01 0 4 03 4 86 9 66 71 3 9 21 3 4 从表1 1 可以看出，若按2 0 的雨水资源化率来计算，2 0 3 0 年、2 0 5 0 年可 利用雨水量可以占需新增供水量的7 9 、6 7 。若按4 0 的雨水资源化率来计 算，可利用雨水量可以占到需新增供水量的1 5 7 、1 3 4 1 4 】。 随着城市的发展，城市不透水面积的增加导致径流系数增大，降雨径流量成 倍增加，雨水汇流速度增快，使洪峰出现的时间提前，造成城市洪涝灾害。同时 每年大量雨水资源从城市雨、污水管网白白流走，这不仅造成水量的巨大浪费， 也增加了城市排水设施、污水处理厂的负担。 第一章绪论 就污染方面而言，城市地表径流是仅次于农业面源污染的第二大面源污染， 雨水降落过程中，空气中的溶解性气体、悬浮固体、重金属及细菌等会进入其中， 使得雨水中含有b o d 、c o d 、s s 、n 、p 等污染物。道路降雨径流污染非常严重， 初期雨水的污染程度通常超过城市污水，这直接危及城市水环境。 如何充分有效地利用城市雨水资源、减少雨洪对城市及其环境的危害，促进 循环经济的发展、建设和谐美好的社会，无疑是摆在我们面前的一项新的研究课 题。 我国雨水资源丰富，年降雨量达6 1 9 0 亿m 3 5 1 。相比于城市污水，雨水中有 机污染轻，溶解氧接近饱和，钙质含量低，总硬度小，属于软水，处理容易，处 理后可用于生活杂用水和工业用水，且要比生活污水回收成本低，工艺流程简单， 水质可靠，细菌和病毒的污染率低，出水水质可接受性强。 此外，地下水开采导致地下水水位下降，如将雨水收集处理后回灌地下，不 仅能对于暴雨洪水的水量起到调蓄作用，削减洪涝灾害，同时还能补充地下水。 因此，雨水的收集利用可缓解水资源的短缺，促进经济可持续发展。 1 2 国外城市雨水利用 国外一些发达国家，城市雨水的收集利用已有数十年的历史。从2 0 世纪7 0 年代，发达国家开始研究、开发和应用雨水收集、处理和回用的技术，使雨水成 为重要的淡水资源之一。目前国际上雨水资源利用管理体系理念以德国、美国、 日本等为代表，强调雨水资源的多角度调控与多重利用，以减少进入城市排水系 统的雨水径流量、减轻城市排水负担为目的，运用法律法规、经济、技术等手段 构造完善的雨水资源利用管理体系，充分发挥雨水的资源功能，促进雨水资源的 可持续利用。 1 2 1 德国雨水利用状况 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。在上个世纪初期就已经发布 了“对未受污染雨水的分散回灌系统的建设和测量”，提出了相应的管理手段， 开发了适宜的技术措施。1 9 8 9 年雨水利用设施标准的颁布，标志着“第一 代”雨水利用技术的成熟，目前，德国的雨水利用技术正处于设备集成化的“第 三代”发展阶段【6 j 。 德国雨水利用主要有三种形式：屋面雨水集蓄系统、雨水截污与渗透系统和 生态小区雨水利用系统。其主要是通过收集、传输与贮存、过滤与处理等技术措 施来实施雨水的收集利用【7 j 。 第一章绪论 雨水蓄积利用技术在德国的推广得到了公众的大力支持。l u d w i g s h a f e n 已经 运行十年的公共汽车洗车工程，利用1 0 0 0 m 2 屋面雨水作为冲洗水源，除紧急情 况外，几乎所有的洗车水源均是雨水；法兰克福p o s s m a n n 苹果轧汁场将屋顶花 园雨水作为冷却循环水源【8 1 。据统计，仅2 0 世纪9 0 年代这十年期间，德国投入 使用的小型分散型雨水收集利用装置就超过1 0 万座，雨水集蓄使用量超过 6 0 x 1 0 4 m 3 ，规模相当可观【9 】。 自1 9 8 9 年制定了屋面雨水利用设施标准以来，德国在城市雨水利用方面开 发了具有收集、过滤、储存、提升、渗透、控制、监测等功能的成套设备和系列 定型产品。如w i s y 公司研制的金属筛网或立管旋流过滤器，安装在雨水立管上 能有效地改善水质，过滤能力可满足1 0 0 3 0 0 0 m 2 屋面雨水径流。许多公司研制 的硬塑料贮水箱中，使用浮动式过滤取水器可以保证出水始终是水箱中最干净 的。此外，一些公司还建造了人工湿地净化系统足以满足更高的水质要求【8 1 。 德国有完善的雨水利用法律体系，为雨水资源利用管理提供了有力的保障。 1 9 8 6 年和1 9 9 6 年的联邦水法分别提出“每一个用户有义务节水，保证水供应的 总量平衡”和“水的可持续发展利用”理念，并强调“排水量零增长”的理念【1 0 】。 德国各城市根据生态法、水法和地方行政费用管理条例的规定，制定各自的雨水 排放征收标准，即结合年降雨量、业主所拥有的不透水地面面积来计算出应缴纳 的雨水费。 1 2 2 美国雨水利用状况 美国也认识到雨水对城市的重要性，所以转变了过去单纯解决雨水排放问题 的观念，制定了相应的政策与法规，以限制雨水的直接排放与流失，控制雨水径 流的污染，并通过收取雨水排放费来要求与鼓励使用雨水收集利用技术。 美国的雨水资源管理以提高天然入渗能力为宗旨，最为显著地特色是城市雨 水资源管理和雨水径流污染控制实施b m p ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 。1 9 8 3 年制定了第一代b m p 管理方案，2 0 0 3 年出台了更为严格的第二代b m p 体系。 第二代“最佳管理方案”( b m p ) 中更强调与植物、绿地、水体等自然条件和景 观结合的生态设计，如植被缓冲带、植物浅沟、湿地等，以获得环境、生态、景 观等多重效益【1 1 1 。例如美国加州弗雷斯诺市的“l e a k ya r e a s ”地下水回灌系统， 仅1 9 7 1 1 9 8 0 年的1 0 年期间，雨水回灌总量达1 3 3 8 x 1 0 8 m 3 ，回灌量占该市年用 水量的2 0 【9 】。b m p 通过工程和非工程措施相结合的方法，进行雨水的控制和 处理，强调源头控制、强调自然与生态措施、强调非工程方法。 美国不但重视工程措施，而且还制定了相应的法律法规对雨水利用给予支 持，如科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼州分别制定了雨水利用条例 1 2 1 ， 第一章绪论 这些条例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平，所有新开发 区必须实行强制的“就地滞洪蓄水”。与德国单一的经济手段不同，美国联邦和 各州通过总税收控制、发行义务债券、联邦和州给予补助与贷款等一系列的经济 手段来鼓励雨水的合理处理及资源化利用。 1 2 3 日本雨水利用状况 日本是个水资源比较缺乏的国家，日本政府除了采取开源措施和提高水利用 率，还十分重视对雨水的利用。 日本于1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄水池，并将储蓄雨水用作喷洒 道路、浇灌绿地等城市杂用水。1 9 8 0 年日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计 划，采用雨水贮留渗透计划，并于1 9 8 8 年成立“雨水贮留渗透技术协会”，随 后，各种雨水入渗设施就在日本得到迅速的发展，如渗井、渗沟、渗池等。另外， 1 9 9 2 年颁布的“第二代城市下水总体规划”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。 日本东京路面广泛使用透水铺装，据统计已有8 3 的人行道采用了透水性 路面，对东京附近2 0 个主要降雨区2 2 万m 2 长达5 年的观测和调查后发现，平 均降雨量6 9 3 m m 的地区，平均流出量由原来的3 7 5 9 m m 降低到5 4 8 m m ，流出 率由5 4 2 降低到7 91 ，径流量明显减少，雨水通过透水性路面入渗到地下， 经收集系统处理后加以利用。 日本鼓励城市屋顶修建雨水浇灌的“空中花园”，这样在减少城市地表径流 的同时，增加了城市的绿化面积。日本也注重修建储集雨水的工程措施，如名古 屋的调节池，建在城市街道下面，最大贮留量约为1 0 1 0 m 4 1 1 3 j 。 日本对雨水利用实行补助金制度，例如东京墨田区1 9 9 6 年开始建立雨水利 用补助金制度，对地下储水装置、中型储雨装置和小型储雨装置给予一定的补助， 从而促进了雨水利用技术的应用【l 训。 综上所述，国外城市雨水利用技术的范围广，设施全，已形成产业化。发达 国家雨水利用的主要经验包括建立完善的屋顶绿化蓄水和由入渗池、井、草地、 透水地面组成的地表回灌系统，将收集的雨水用于冲厕、洗车、浇洒道路和回灌 地下水，并制定一系列的法律法规以鼓励推行雨水利用。 1 3 国内城市雨水禾i j 用 雨水利用在我国已有悠久的历史，自2 0 世纪8 0 年代末，甘肃省实施的“1 2 1 第一章绪论 雨水集流工程”、内蒙古实施的“集雨节水灌溉工程”、宁夏实施的“小水窖工 程”、陕西实施的“甘露工程”等促进雨水集蓄利用的研究与推广应用，并产生 了明显的经济效益、社会效益和生态效益。 现代意义上的城市雨水利用在我国发展较晚，它主要随着城市化带来的水资 源短缺和环境与生态问题而逐渐引起人们的重视。2 0 世纪9 0 年代以后，在我国 山东的长岛县、大连的獐子岛、浙江的舟山市和辽宁的葫芦岛等城市已建有少量 的雨水收集系统，但处理和回用系统尚不完善。 由于缺水形势严峻，北京市开展雨水利用的步伐较快。上世纪8 0 年代，北 京市开始透水路面研究，近几年应用迅速，奥运场馆、水立方、中南海等地方均 大量使用透水砖铺装。截止现在，北京市累计应用透水路面达3 0 0 万m 2 。2 0 0 0 年北京市水利局和德国埃森大学开始启动示范小区雨水利用合作项目( 如北京市 1 5 中学雨水利用工程、北京东城区青年湖雨水利用与景观系统、海淀区政府大 院雨水利用工程等) 【l5 1 ，2 0 0 8 年奥运体馆和奥林匹克公园建设中也都采用雨洪 利用技术。北京奥运会主会场，雨水利用系统利用屋面和地面草坪等处的上千个 雨水收集口将雨水收集起来，进入地下蓄水池，这些雨水经净化可用于跑道、道 路的清洗、冲厕和园林浇灌等方面。该系统年利用雨水能力5 万m 3 ，可利用降 雨量占年降雨量的7 7 。又如，北京市海淀区双紫园小区建的容积为8 5 0 m 3 的地 下储雨池以及1 1 2 0 m 2 的透水地面，具有去除初雨、过滤、沉淀、收集和输送雨 水等功能【1 1 。 天津、上海等许多城市相继开展研究雨水的收集利用技术，2 0 0 3 年7 月， 天津市建成节水型水利用技术大厦，大厦的雨水可作为市政第二水源：上海浦东 国际机场面积达1 7 6 1 5 0 m 2 的屋面已经建有完善的雨水收集系统，在暴雨季节收 集雨量为5 0 0 m 3 h 。 2 0 1 0 上海世博会核心区域的世博中心、文化中心、主题馆、中国馆等四大 永久性场馆和世博轴，都对屋面雨水加以收集利用，收集雨水量达到1 0 9 7 万 m 3 ，世博园区内的一半生活用水就是由部分处理后达到回用标准的雨水承担。由 于初期2 0 的雨水中含有6 0 左右的污染物，世博园区雨水排洪泵站建有初期 雨水调蓄池，如后滩雨水泵站和明滩雨水泵站分别建有约3 0 0 0 m 3 和8 0 0 0 m 3 的初 雨调节池。在暴雨时，雨水管网的污染物较高的初期雨水先进入雨水调蓄贮存， 然后在暴雨停止后，将收集的雨水缓慢的输送至市政污水管网，纳入污水厂进行 处理。透水性路面也是园区收集雨水的措施之一，园区的行车道、人性道、广场、 停车场等人工地面，采用了多孔沥青或混凝土、草皮砖等透水性。 我国正在着手建立雨水利用相关技术标准，其中建筑与小区雨水工程技术 规范于2 0 0 7 年4 月己正式实施，北京市政设计院也开始编制雨水利用设计指 第一章绪论 南。 总的来说，我国的城市雨水利用在技术研究、应用推广和政策制定上己取得 了不少进展，但与发达国家相比，仍属落后，缺乏系统性，更缺乏法律、法规保 障体系，需要更多的关注和深入研究，在应用中尚需不断完善。 城市雨水利用技术在国外日趋成熟，取得了较好的经济效益和环境效益。这 对我国这样的贫水国，有现实借鉴意义。根据我国的水资源现状、城市发展环境， 借鉴我国发达国家雨水利用经验，加强雨水利用技术的研究，大力推广雨水利用 技术，缓解我国水资源的供需矛盾。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 2 1 天津市概况 2 1 1 地理条件 ( 1 ) 自然环境 天津位于北纬3 8 0 3 4 - 4 0 0 1 5 之间，东经11 6 0 4 3 11 8 0 0 4 之间，处于国际时区 的东八区。北起蓟县黄崖关，南至大港区翟庄子沧浪渠，南北长1 8 9 公里；东起 汉沽区金坨以东陡河西干渠，西至静海县子牙河迸庄以西滩德干渠，东西宽1 1 7 公里。天津市域面积l1 7 6 0 2 6 平方公里，疆域周长约1 2 9 0 8 公里，沿海岸线长 1 5 3 公里，路界长l1 3 7 4 8 公里。 ( 2 ) 气象、气候 天津位于中纬度亚欧大陆东岸，主要受季风环流的支配，是东亚季风盛行的 地区，属温带季风气候。虽临近渤海湾，但半封闭的内海海湾对天津的气候影响 不大。主要气候特征是，四季分明，春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集中； 秋季气爽，冷暖适中；冬季寒冷，干燥少雪。天津年平均气温在11 4 - 1 2 9 ， 市区平均气温最高为1 2 9 。c 。1 月最冷，平均气温在3 一5 。c ；7 月最热，平均气 温在2 6 2 7 。c 。天津季风盛行，冬、春季风速最大，夏、秋季风速最小，年平均 风速为2 - 4 m s ，多为西南风。天津平均无霜期为1 9 6 - 2 4 6 天，最长无霜期为2 6 7 天，最短无霜期为1 7 1 天。在四季中，冬季最长，有1 5 6 1 6 7 天；夏季次之，有 8 7 1 0 3 天；春季5 6 6 1 天；秋季最短，仅为5 0 5 6 天。天津年平均降水量为 5 2 0 6 6 0 m m ，降雨日数为6 3 7 0 天。在地区分布上，山地多于平原，沿海多于 内地。在季节分布上，6 、7 、8 三个月降水量占全年的7 5 左右。天津日照时间 较长，年日照时数为2 5 0 0 2 9 0 0 小时。 ( 3 ) 水文 天津位于海河流域下游，是海河五大支流南运河、北运河、子牙河、大清河、 永定河的汇合处和入海口，素有“九河下梢”之称。天津的一级河道有1 9 条， 总长度1 0 9 5 1 公里，还有子牙新河、独流减河、马厂减河、永定新河、潮白新 河、还乡新河六条人工河道，总长度为2 8 4 1 公里。二级河道有7 9 条，总长度 为1 3 6 3 4 公里，深渠1 0 6 1 条，总长度为4 5 7 8 公里，天津还多次引黄济津，并 有一定量的地下水。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 2 1 2 经济发展状况 天津位于我国大陆海岸线北部的渤海湾，是四大直辖市之一，是中国大陆三 大的经济、金融、贸易和航运中心之一，拥有中国第四大工业基地、第三大外贸 港口。天津市共辖1 3 个区、3 个县，全市面积1 1 8 6 0 6 3 平方公里，常住人口1 2 2 8 1 6 万人。2 0 0 9 年全市生产总值实现7 5 2 1 8 5 亿，全市财政收入为1 8 0 9 2 8 亿元，其 中地方财政收入1 2 1 3 3 4 亿元，城市居民人均可支配收入为2 1 4 0 2 元。 2 2 天津市水资源状况 2 2 1 地表水 采用1 9 5 6 2 0 0 9 年地表水资源量系列分析，天津市多年地表径流量为1 0 5 5 亿m 3 ，其中：蓟运河山区多年平均值1 9 亿m 3 ；海河北水系平原多年平均值4 6 8 亿m 3 ；海河南水系平原多年平均值3 9 7 亿m 3 。多年平均地表水资源量见表2 1 1 6 】。 表2 - 1 天津市多年平均地表水资源量( 亿i i l 3 ) 2 2 2 地下水 地下水资源量指地下水体( 含水层重力水) 的动态水量，用补给量或排泄量 作为定量的依据，只考虑矿化度小于2 9 l 的浅层地下水作为水资源量。天津市 多年地下水资源量见表2 - 2 1 7 】。 表2 - 2 天津市多年地下水资源量均值( 亿m 3 ) 2 2 3 水资源总量 水资源量通常是指地表水和地下水之和。水资源量是一个地区水资源的重要 指标。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 ( 1 ) 水资源总量多年平均值 天津市水资源总量多年均值见表2 3 。 表2 - 3 天津市多年水资源总量均值( 亿m 3 ) ( 2 ) 水资源总量现状 2 0 0 9 年全市水资源总量l5 2 4 亿m 3 ，2 0 0 9 年天津市流域分布水资源总量见 表2 4 【1 8 】。 表2 - 42 0 0 9 年天津市水资源总量( 亿m 3 ) 2 2 4 微咸水和咸水资源 天津市中南部地区广泛分布浅层地下咸水，其中：矿化度2 - 3 9 l 的微咸水 为1 0 2 亿m 3 ，矿化度3 - 5 9 l 的咸水可开采量1 2 6 亿m 3 ，矿化度大于5 9 l 的咸 水可开采量为1 6 6 亿m 3 ，总补给量为3 0 0 亿m 3 。 2 2 5 外调水 天津市饮用水源主要是以“引滦入津”的滦河水为主。引滦入津工程是将河 北省境内的滦河水跨流域引入天津市的城市供水工程。水源地位于河北省滦河中 下游的潘家口水库，在设计保证率7 5 时，每年向天津供水7 7 6 亿m 3 ，保证率 9 5 时供水量为5 2 1 亿m 3 。 潘家口水库建库前多年入库径流量2 6 1 8 m 3 ( 1 9 5 4 1 9 7 9 年) ，而引滦通水 后的2 1 年( 1 9 8 3 2 0 0 3 年) 实际入库径流量年均仅1 6 6 亿m 3 ，入库水量明显减 少，所以向天津市供水超过1 0 亿m 3 的年份几率很少。 近年来，由于滦河上游持续干旱，潘家口水库的蓄水量明显减少，已无法满 足天津市的用水需求。当滦河水资源紧张时，以“引黄济津”的黄河水为辅，黄 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 河水为天津市城市供水的第二水源，引黄工程作为应急水资源每年实际可调水量 约4 亿m 3 。 根据南水北调工程总体规划，中线一期工程丹江口水库陶岔渠首多年平 均分配给天津市的总水量( 扣除输水损失量外) 约为8 6 3 亿m 3 。东线二期多年 平均分配给天津市的水量( 扣除水库蒸发渗漏损失、输水损失和北大港水库死库 容) 为3 亿m 3 。 2 2 6 再生水 到2 0 1 0 年天津市再生水供应能力达到4 6 5 万m 3 d ，全年再生水供应能力达 到1 7 亿m 3 ；全市污水设施总处理能力达到3 1 6 万m 3 ，污水集中处理率达到8 5 ， 再生水回用率达到3 0 。 2 2 7 海水利用 天津市滨海新区是我市海水利用的主要地区，大港电厂和天津碱厂每年的海 水利用量增加到2 0 亿m 3 ，折算成淡水量o 4 3 亿m 3 。 2 3 水资源开发利用状况 2 0 0 9 年全市总供水量2 3 3 7 亿m 3 ，其中地表水源供水量1 7 2 1 亿m 3 ，包括 引滦水量5 7 6 亿m 3 ，引黄水量1 3 8 亿m 3 ；地下水源供水量6 0 1 亿m 3 ；深度处 理的再生水回用量o 1 2 亿m 3 ；海水淡化量0 0 3 亿m 3 。 2 4 天津市水资源供需平衡分析 2 4 1 现阶段水资源量供求分析 天津市虽位于海河流域下游，但又不得不面临水资源紧张的现实。表2 5 统 计了天津市2 0 0 0 2 0 0 9 年水资源量与用水量【1 8 1 。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 表2 - 52 0 0 0 - 2 0 0 9 年t g 资源量与用水量统计表( 亿m 3 ) 由表2 5 可算出2 0 0 0 2 0 0 9 年平均水资源总量为1 0 3 0 亿m 3 ，平均用水量为 2 1 9 5 亿m 3 ，可以看出，天津市用水总量远远大于本地水资源量，本地水资源量 无法满足区域自身需求，需每年白区域外调水补充来满足用水需求，所以天津市 对外调水依赖性较大。 2 4 2 现阶段供水结构传统与用水需求分析 天津市2 0 0 0 2 0 0 9 年供水统计表见表2 6 【1 8 】。 表2 - 62 0 0 0 - 2 0 0 9 年供水黼( 亿m 3 ) 从表2 - 6 可以看出，2 0 0 0 2 0 0 9 年天津市多年平均供水量为2 1 9 4 亿m 3 ，其 中地表水占6 7 1 ，地下水占3 2 5 ，传统水资源所占比率偏大，而再生水、海 水淡化等非常规水资源的利用占供水总量的比率不足4 。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 2 4 3 未来供需水趋势分析 基于天津市水资源利用的现状和已有规划，在考虑南水北调水量、增加非常 规水源供水量及充分节水的情况下，对2 0 2 0 年和2 0 3 0 年天津市的水资源供给量 和需求量进行预测，见表2 7 和表2 - 8 16 1 。 表2 7 天津市水资源供给预测表( 亿m 3 ) 从水资源供需平衡表2 - 8 看出，2 0 2 0 年、2 0 3 0 年( 5 0 保证率) 的缺水状 况可基本得到解决，但在枯水年份( 7 5 保证率) 依然缺水。2 0 2 0 年缺水5 5 4 亿m 3 ，2 0 3 0 年缺水0 7 7 亿m 3 。可见未来一个时期内，天津市的可供水量仍然 难以满足用水需求，水资源供需矛盾仍将十分突出。 2 5 水资源状况 2 5 1 地表水环境质量状况 从2 0 0 9 年监测情况来看，天津市地表水环境质量依然不容乐观。引滦线的 水环境和水质较好，除饮用水输水河道基本上达到地表水i i i 类标准外，其他河道 水环境和水质较差，大部分的河流常年干枯，河流水质劣于地表水v 类标准。 2 5 2 地下水环境质量状况 浅层地下水中，蓟县山区局部地区硝酸盐氮略高于生活饮用水标准外，西南 部的青甸洼及周围地区浅层地下水氟超标，天津咸水分布区的浅层地下水几乎均 不适宜饮用。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 第二含水组为天津市的重要供水岩组，也是当前的主要可开采层位。其中： 蓟县、宝坻、武清、北辰、西青、宁河、塘沽和市区中北部水质主要是氟超标； 平原区第二含水组地下水矿化度由北向南逐渐增高，在武清区中部、市区东南、 东丽、津南区沿海河一带及静海县南部和大港区，矿化度超过饮用水标准；而市 区南部、东丽、津南和静海等地地下水中氟和矿化物均超标。 2 6 天津市雨水利用的必要性 总的来说，天津市属严重缺水的地区。主要原因归纳为以下几个方面： ( 1 ) 水资源严重短缺。天津市人均水资源占有量为1 6 0 m 3 ，仅为全国人均 水资源占有量的1 1 5 ，并且由于上游用水量增加，入境水量逐年减少，更加剧了 天津市水资源短缺的困境。若将雨水资源加以收集利用，回用于绿化、冲厕等市 政杂用水，提高水资源利率的同时有力的缓解天津水资源短缺的问题。 ( 2 ) 城市主要依靠地下水和地表水供水，供水水源单一，不能满足城市安 全用水。外调水虽然使本市缺水局面得到暂时缓解，但由于近年来上游连续干旱， 供水保证率比较低。 ( 3 ) 超采地下水导致地面沉降严重。由于水资源自然供给不足，长期以来 地下水是天津市重要补充水源。近十年来，地下水平均开采量7 4 7 亿m 3 ，浅层 地下水开采率己超过9 8 。过度开采地下水，破坏了地下水平衡，导致地下水位 持续下降，引发地面沉降等环境地质灾害【19 1 。通过透水性路面技术将雨水直接下 渗到地下，可补充涵养地下水，缓解因地下水开采过渡引起的地面沉降和海水入 侵问题，同时减少地表径流，预防洪涝灾害发生。 ( 4 ) 水环境恶化和水污染加剧。城市排水系统多为雨污合流方式，当降雨 强度较大时，雨水混合污水排入河道，造成河湖水体污染，水质恶化。通过雨水 利用可以缓解降雨强度和降水量增大对河湖水环境的压力。 ( 5 ) 把雨水资源化利用与防洪减灾相结合。天津承担着海河流域7 5 的雨 洪宣泄任务，若实施了雨水利用技术，可以大大减少雨水入海流量，从而减少了 防洪减灾的任务。 雨水渗透对改善城市水环境，恢复城市良性水循环具有根本性作用。因此， 加强对城市雨水收集利用问题的研究，对改善城市水环境、实现水资源的可持续 利用的十分必要的。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 2 7 天津市雨水利用的可行性分析 2 7 1 天津市降雨量特性分析 天津市的地表水资源量主要取决于降水，天津年平均降水量6 0 0 m m 左右。 但降水受季风环流、地理纬度、距海远近、地形影响十分显著。天津降水具有地 域上分布不平衡。季节分配不均匀，年际变化大等特点。天津年降水量在空间分 布上有两个特点：一是山区多于平原，如蓟县北部山区为全市降水最多的地区。 而市区及四个郊区属低平原区。二是沿海多于内陆，塘沽、汉沽等沿海地带的年 降水量均在6 0 0 m m 以上，而距海较远的市区北部、西部等地，则年降水量相对 较少。 ( 1 ) 年降雨量 根据天津市年统计年鉴( 19 7 0 2 0 0 9 ) 2 0 l ，统计了天津市4 0 年年降雨量分 布图和年降雨量趋势图，见图2 1 和图2 2 。 1 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 0 9 图2 1 天津市1 9 7 0 2 0 0 9 年年降雨量分布图 图2 - 2 天津市19 7 0 2 0 0 9 年年降雨量趋势图 o 2 o 8 6 4 2 目础窿逝廿 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 从图2 2 可以看出，1 9 7 0 2 0 0 9 年年降雨量平均值为5 5 8 2 m m 。其中年最大 值出现在1 9 7 7 年，年降雨量为1 0 9 1 1 m m ，最小值出现在1 9 8 2 年，年降雨量为 3 2 4 2 m m 。根据线性拟合，天津市年降雨量在1 9 7 0 2 0 0 9 年变化趋势是一条略微 向下倾斜的直线，说明天津市年降雨量有减少的趋势，下降率为2 6 1 9 m m 1 0 a 。 建筑与小区雨水利用工程技术规范编制组编的建筑与小区雨水利用工 程技术规范实施指南中统计了天津市4 9 年( 1 9 5 1 2 0 0 0 ) 降雨资料分析【2 1 1 ， 天津市多年降雨量5 4 8 m m 。 据车伍等【2 2 】( 1 9 7 7 2 0 0 6 ) 3 0 年降雨资料分析，天津市多年降雨量为5 4 0 m m 。 李鹏程等例( 1 9 5 8 2 0 0 8 ) 5 1 年降雨资料分析，天津市多年降雨量为 5 3 7 5 m m 。 由于采用资料年限的长短不同，采用观测站的资料不同，因而各种资料上刊 载天津市区多年平均降雨量的数值不同，但相差不多，本论文以多年平均降雨量 5 4 8 m m 作为分析研究的依据。 ( 2 ) 月降雨量 本文利用天津市区1 9 5 8 - 2 0 0 9 年近6 2 年的的月降雨量资料，统计了多年月 降雨量平均值，见表2 - 9 ，并绘制了天津市1 9 5 8 2 0 0 9 年平均月降雨量分布图， 见图2 3 t 2 4 j 。 表2 - 9 天津市19 5 8 - 2 0 0 9 年月降雨量的历年平均值 月份月均降雨量m m月份月均降雨量m m 1 月 2 5 7 月 1 6 7 3 2 月 5 0 8 月 1 4 6 5 3 月 7 99月460 4 月2 2 31 0 月2 5 8 5 月 3 4 111 月1 0 4 6 月 7 6 9 1 2 月 3 4 季节划分采用气象学上的标准：3 5 月为春季，6 8 月为夏季，9 11 月 为秋季，1 2 月至次年2 月为冬季。由表2 - 9 可知，天津市降雨量都主要集中在6 9 月四个月，占全年降雨量的8 0 ；最小月( 1 月、1 2 月) 降雨量仅占全年降雨 量的1 1 。按季节划分，冬季降雨量最少，仅占全年降雨量的2 o ；春、秋季 较多，降雨量分别占全年降雨量的11 7 、15 0 ；而夏季降雨量最多，占全年 降雨量的7 1 3 。 第二章天津市雨水利用的必要性及可行性分析 图2 3 天津市1 9 5 8 2 0 0 9 年月降雨量分布图 从图2 3 可知，天津市降雨量季节分配不均，降雨量变化有明显的季节性。 冬春两季，气候干燥，雨雪稀少；进入夏季，降雨量明显增加，7 、8 月为暴雨 集中的季节，年降雨量主要集中在7 月下旬和8 月上旬，1 0 月份以后，降雨量 随之逐渐减少。 2 7 2 可利用的雨水资源量 对天津市雨水资源总量分析是雨水利用的前提，对天津市2 0 0 0 2 0 0 9 年1 0 年雨水径流总量进行估计，见表2 1 0 f 2 5 1 。 表2 10 天津市2 0 0 0 - 2 0 0 9 年雨水径流总量估算 年份建设用地面积k m 2综合径流系数年径流总量亿m 3 从表2 1 0 可以看出，随着天津市城市建设面积的增加，可收集的雨水径流 量逐年增加，1 0 年期间天津市年均径流量为2 3 6 亿r n 3 ，雨水资源十分丰富。如 果这部分雨水处理回用于城市杂用水，则可以节约大量的自来水资源，经济效益 明显。 第三章天津市不同下垫面雨水径流水质分析 第三章天津市不同下垫面雨水径流水质分析 雨水利用的可行性及可利用程度取决于雨水径流的水质状况，因此对雨水径 流进行水质分析研究是考虑雨水如何利用的前提。 屋面、路面和绿地是城市主要的下垫面类型，当暴雨产生时，下垫面上大量 的污染物在雨水的冲刷下随径流一起进入收纳水体，对城市生态环境造成严重威 胁，因此应对城市不同下垫面的径流污染特征作出研究。 3 1 水样采集点的选择及分析指标 在前人对屋面、路面和绿地城市中主要的土地使用类型进行径流水质的监测 结果的基础上，根据城市杂用水回用标准中相关回用水指标，对径流中常用 的物理指标( p h 、浊度、色度、d o ) 、有机污染物( b o d 5 、c o d ) 、营养性物 质( n h 3 - n 、t n 、t p ) 及重金属( 溶解铁、锰) 进行分析。 3 2 城市径流雨水水质结果与分析 由于降雨的前段时间和后段时间径流中污染物的浓度会有较大差异，本文取 全部降雨过程中污染物浓度趋于稳定后的数值，表3 1 为天津市3 种下垫面多次 降雨各种污染物监测结果的平均值。 表3 - 13 种下垫面径流水质多次检测结果的平均值( m g l ) i 品嘉淤 路面径流 屋面径流草坪径流 0 h 7 4 47 2 3 7 3 5 d o4 3 36 1 45 3 6 色度 3 81 0 76 5 浊度( n t u ) 6 32 0 8 6 s s4 2 9 4 02 2 6 6 5 15 0 4 7 c o d c ， 1 8 2 1 2 38 0 b o d s8 6 3 59 2 2 6 1 0 n h ，一n5 2 74 5 0 1 8 2 t n7 98 7 6 0 1 1 p0 4 70 1 90 2 l 溶解铁 0 5 8 0 6 10 5 4 锰 0 0 60 0 0 30 0 1 第三章天津市不同下垫面雨水径流水质分析 3 2 1 不同下垫面径流主要污染物含量分析 ( 1 )