（环境工程专业论文）城市雨水利用与城市水环境改善的研究.pdf

摘要 城市的快速发展产生了一系列水问题。一方面，由于人l _ l 和经济活动的集中， 城市的建筑面积不断扩大，不透水地面增加，城市的暴雨径流产生的洪涝灾害坷i l ，j 忽视。另一方面，城市淡水资源匮乏，迫切需要寻找新的供水水源。雨水资源作为 轻度污染的水源，水中污染物较少，经过简单处理就口j j l j 于生活川水和t 业川水。 冈而增加城市雨水资源的利删量，避免其灾害，并且提高城市雨水资源的利川率将 是钳水型城市建设的有效措施。 本论文丰坚研究了城市雨水利州与城市水环境的改善。在训查囝内外城市雨水 利川发腱状况及实例的基础上，分析了城市化进程中，城市化对水资源、水环境、 水循环造成的影响，以及城市化、水环境与城市雨水利_ l 的关系，深入研究j j 戒市阳 水利川的必要性和刖彳亍性：对城市雨水利州进行分类，探讨城i 订雨水利川的途径： 对城市雨水刹川的理沦基础进行研究，建立城市雨水利用基本方式和步骤，并进行 分类讨论：探讨城市雨水利刚景观及其对城市水环境的改善，并通过对雨水渗透理 沦和设施的分析，提出雨水渗透对城市水环境改善的作用。 在具体府刖研究上以大连市为背景，选取大 校阔为具体研究区域，进行了雨 水资源利川的系统分析。卒j 步研究成果如下：对大连市的降雨进行分析。得到人 连市9 0 多年和近5 0 年的降雨分佰、降雨量和雨水利h j 的关系，作为雨水利_ l | j 量汁 算基础数据。对大1 ：校吲教学区域按照等高线分布和具体考察，划分2 个集水流 域。并根据地面种类对2 个流域进行集雨区域面积划分和计贫。分析计算流域内 器种地面收集的雨水量，并且计算大丁校尉内的绿地和草坪川水。最后对人l 一校川 流域内收集的雨水量与校同内绿化t j 水进行分析验证，得到绿化川水的水篮仅占收 集的雨水量7 3 和7 3 8 。计算大工校园雨水设计流量，对流域内贮留池进行设 ，分析贮留池与重现期的关系。给出大工校园的雨水传输方案。水质分析。调 查大t 校同雨水污染的来源。并且针对2 0 0 3 年6 月5 门、2 0 0 3 年6 月1 0 口、2 0 0 3 ，十7 月7 口所取得的典型地点的雨水水样进行测定分析。比较新老材料的屋顶阿水 水质、不同道路上的雨水水质、短历时降雨的水质变化等。通过对大t 校叫敦学 区域的建筑屋顶雨水污染总量计算，得到带入环境的c o d 总量。给出雨水利 j 处理 的t 艺。 关键词：城f i 雨水；城市水环境；城市雨水利川；贮留池；雨水水质；粥水渗透 土避理工天j 萄# ! 弓| 盆蛩亡a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fc i t i e sc a u s e das e r i e so fw a t e rp r o b l e m s o nt h e o n eh a n d ，w i t ht h ec e n t r a l i z a t i o no ft h e p e o p l ea n dt h ee c o n o m i ca c t i v i t i e s ， e x t e n s i o no ft h eu r b a nb u i l d i n g sa n di n c r e a s eo ft h ea r e ao f i m p e r v i o u ss t r a t u m ， t h ef l o o dc a u s e db yu r b a ns t o r mf l o wc a n n o tb en e g l e c t e d o nt h eo t h e rh a n d ， n e ww a t e r s u p p l ys o u r c ei s u r g e n t l yd e m a n d e df o rt h es c a r c i t yo fu r b a nf r e s h w a t e r a sak i n do f s l i g h t l yp o l l u t e d w a t e r s o u r c e ，r a i n w a t e r h a sl e s s c o n t a m i n a t i o n sa n di tc a nb eu s e da sd o m e s t i cw a t e ra n di n d u s t r i a lw a t e rb y s i m p l y t r e a t m e n t s ot h ee x p l o i t a t i o no ft h eu r b a nr a i n w a t e ra n dm a k i n gb e s tu s e o ft h eu r b a nr a i n w a t e rw i l lb et h ee f f e c t i v em e a s u r e so f t h ew a t e r s a v i n gc i t y t h ep r i m a r yp u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h eu t i l i z a t i o no fu r b a n r a i n w a t e ra n dt h ei m p r o v e m e n to fu r b a nw a t e re n v i r o n m e n t a ls y s t e m b a s e do n t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep r e s e n tr e s e a r c ho ft h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r , i t a n a l y z et h e i n f l u e n c eo fu r b a n i z a t i o no nw a t e rs o u r c e ，w a t e re n v i r o n m e n t a l s y s t e m a n dw a t e r c i r c u l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p o ft h e u r b a n i z a t i o n ，w a t e r e n v i r o n m e n t a ls y s t e ma n dt h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r , a n dr e s e a r c ht h e n e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h eu t i l i z a t i o n o fu r b a nr a i n w a t e r ；t h eu t i l i z a t i o n w a y s a r ec l a s s i f i e da n dt h eu t i l i z a t i o nm o d e sa r ed i s c u s s e d ；o nt h eg r o u n do f t h e t h e o r e t i c a lb a s i so ft h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r ，t h eb a s i cm o d ea n d p r o c e d u r eo ft h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r a r ee s t a b l i s h e da n dd i s c u s s e d ； a f t e rt h ed i s c u s s i o no ft h el a n d s c a p ea n di t sc o n t r i b u t i o nt ot h ei m p r o v e m e n to f u r b a nw a t e re n v i r o n m e n t a ls y s t e ma n dt h ea n a l y s i so ft h et h e o r ya n df a c i l i t i e so f r a i n f a l l p e n e t r a t i o n ，t h e e f f e c to fr a i n f a l l p e n e t r a t i o n o l lt h ei m p r o v e m e n to f u r b a nw a t e re n v i r o n m e n t a ls y s t e mi sp r e s e n t e d o nt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o ns t u d y , t h ep a p e rm a k e sas y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h eu t i l i z a t i o no fr a i n w a t e ro nt h ec a m p u so fd l u t i nd a l i a n t h ef i n d i n g so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ea n a l y s i so fr a i n f a l lg i v e st h er e l a t i o n s h i p so f d i s t r i b u t i o no fr a i n ，r a i n f a l la n dt h eu t i l i z a t i o no f r a i n w a t e ra sb a s i cd a t af o rt h e u t i l l z a t i o no fr a i n w a t e r t h ec a m p u so fd l u t i sd i v i d e di n t ot w od r a i n a g e a r e a sa c c o r d i n gt ot h ec o n t o u rl i n e ，a n dt h e nt h et w od r a i n a g ea r e a sa r ed i v i d e d 土苣e 旺走粕e 学笠纹a b s t r a c t i n t os m a l l e ra r e a sa c c o r d i n gt og r o u n d t y p e s r a i n f a l lt h a tc a l lb ec o l l e c t e di n e a c hs m a l l e ra r e aa n dt h ew a t e ra m o u n tu s e do nl a w na r ec a l c u l a t e d t h e a m o u n t so ft w ok i n d so fw a t e ra r ec o m p a r e da n dt h e nw ec a ns e et h a tw a t e r a m o u n t su s e do nl a w na r e7 3 a n d7 3 8 o fr a i n w a t e r 也融c a r lb ec o l l e c t e di n t w od r a i n a g ea r e a sr e s p e c t i v e l y d e s i g nf l o wo fr a i n w a t e ro nt h ec a m p u so f d l u ti s c a l c u l a t e d ，r e t e n t i o nb a s i n si nt w od r a i n a g ea r e a sa r ed e s i g n e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e t e n t i o nb a s i na n dr a i n f a l lr e a p p e a r i n gp e r i o di sa n a l y z e d a n dt r a n s f e rs c h e m eo fr a i n f a l li sa t t a i n e d r a i n w a t e rs a m p l e sg o tf r o m r e p r e s e n t a t i v ep l a c e sa r ea n a l y z e dt h r e et i m e s t h eq u a l i t i e so fr a i n w a t e rf a l l e n o no l da n dn e wr o o f sa n dd i v e r s er o a d sa r ec o m p a r e d c h a n g eo ft h er a i n w a t e r q u a l i t i e s i sa l s o a n a l y z e d t h e ns o u r c e so fc o n t a m i n a t i o n s i nr a i n w a t e ra r e i n v e s t i g a t e d b a s e d o nt h ec a l c u l a t i o no ft o t a l p o l l u t a n t s i nt h er a i n w a t e r f a l l e no nr o o f s ，w eg e tt h eg r o s sc o dt a k e ni n t ot h ee n v i r o n m e n t t h e np r o c e s s o f t h eu t i l i z a t i o no f r a i n w a t e ri sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：u r b a nr a i n w a t e rr e s o u r c e s ；w a t e r e n v i r o n m e n t a l s y s t e m ； u t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r ；r e t e n t i o nb a s i n ；r a i n w a t e rq u a l i t y ；r a i n f a l l p e n e t r a t i o n 戈i 舾坚老学躲屿牲敞 第一章堵论 第一章绪论 1 1 引言 水是生命之源，是人类赖以生存的基本条件，是社会经济发展的命脉。地球上 只有百分之三( 含冰川) 的淡水资源可用于生活用水、农业用水和工业用水，来满 足人类的需要。由于水资源在时空分配上的不均匀，加之人类对水资源的不合理开 发利用和严重浪费，以及城市发展中城市化、工业化程度的提高，对水源污染的加 重等等，使得用水矛盾越来越突出。进入2 1 世纪，我们面临洪涝灾害、干旱缺水、 水环境恶化三大问题，水已经成为全世界各国人民关注的焦点，人类社会遇到了前 所未有的水问题的挑战。可以说，在全世界范围内淡水资源是十分紧缺的，世界上 大部分城市淡水资源不足，并且伴随着人口剧增，城市化、工业化的加快，城市水 环境深度恶化和导致城市供水不足、水污染等问题加重。全球各界专家、学者致力 于使用各种理论和方法、工程项目缓解水危机和进行水环境改善。雨水资源是容易 被人类忽视的淡水水源，往往人们把主要精力放在由雨水资源转化的水源地下 水源方面。对于地下水的开采等方面下了许多功夫，但是如今地下水的严重开采已 经导致了一系列的环境负效应，如地面沉降、沿海城市的海水入侵等，使城市水环 境进一步恶化。于是，在雨水资源没有转化成地下水源之前，其作为一种天然旦免 费的水源，如能充分的收集并利用起来，成为一项很有前景的课题。 我国是水资源十分匮乏的国家，人均水资源占有量只有z z 2 0 m , 是世界人均水 甲的1 4 ，被联合国列为1 3 个贫水国之一，再加上水资源的时空分配极其不平衡， 用水矛盾不断加剧。而雨水资源作为城市地区可利用的潜在资源，引起了水问题专 家学者的兴趣，成为热门话题。自联合国在夏威夷召开第一届国际雨水集流利用会 议后，迄今为止，国际上已经召开了十届国际雨水收集利用会议”l ，推进了国际雨 水利用的研究和进展。近十年来，越来越多的国家涉入城市雨水利用这个新兴的技 术领域，进行了很多有效尝试，并应用先进技术取得了明显的结果。在我国的雨水 利用上，还广泛采用着传统的技术，并且主要集中在我国的西北黄土高原等严重缺 戈连堡三查堂昵笪g 缸右故第一章 绪论 水地区，由于集雨的方式和技术措施都十分陈t h ，使雨水利用率很低。主要偏重于 缺水地区的人畜饮水及节水灌溉技术，对城市水资源的开发主要是地表水源和地下 水源，忽视了城市雨水的利用。澳大利亚悉尼市成功地举办了2 0 0 0 年奥运会，它除 了广泛虚j _ ；l 了太阳能供电、供热和天然采光，用自然通风代替空调等节能技术外， 被誉为“绿色奥运”的一个重要原因是：所有奥林匹克建设项目都考虑了最大限度 地节约用水，5 0 的用水量靠收集雨水，经适当方式处理后保证供给。为减少埔水 量采用了现代化的高效设备、节水型水嘴和树木花草的雨水浇灌系统等。例如，澳 大利亚体育场观众席区的项盖能有效地收集雨水，用于给水系统和草坪的浇灌，千 禧公吲除饮水由城市给水系统供应外，公共卫生问、盥洗室和树木花草浇灌全部用 雨水和污水净化后供水。”。悉尼奥运会的经验值得借鉴，因为对四年一度的奥运会 关注的国内外媒体最多，观众也最多，它是举办城市展示现代文明、节能环保瓤工 艺、新技术和新设备的“橱窗”。我国北京将举办2 0 0 8 年奥运会，江苏省将举办 2 0 0 5 年第十届全国运动会，这是富有建设性和开创性的工作。当前，任务最艰巨、 投资最集中、时间最紧迫的就是比赛训练场馆的建设、改造和维修。如何合理利用 雨水资源是其中一项迫切的节水课题。在2 0 0 2 年1 0 月1 9 日召开的北京市科学专 家座谈会上，探讨了充分利用雨水资源，为奥运会营造良好水环境的问题，认为城 市雨水利用作为公益事业不仅具有环境生态效益和社会效益，还有巨大的直接和 闭接的经济效益。 我国7 0 以上的大中城市和5 5 以上的国民经济产值都集中在沿海地区，沿 海城市是我国对外开放的窗口和国民经济发展的战略中心。我国的沿海城市普遍缺 水。天津缺水，使外国远洋轮船长期不到天津塘沽新港加载淡水，青岛城市规模扩 大，需水量大增，被迫超采地下水，造成地面局部开裂，沉陷，建筑物产生裂缝“。 可见，缺少淡水资源给沿海城市带来多么巨大的损失l 目前，由于全国每年超采地 下水8 0 多亿m 3 ，形成了5 6 个地下水漏斗，面积达8 7 万k m 2 ，漏斗最深处达l o o m ， 有3 0 座城市出现地面沉降、塌陷、裂缝等现象，沿海地区剐导致了海水盼入侵， 大连市的海水入侵总面积达到3 9 8 6 k m 。使城市河流的枯水期径流量减少、河流自 净能力降低，水环境状态变坏。所以必须寻求根本的方法，使城市水环境得以改善。 有人戏称高度工业化的城市是沙漠城市。建筑群的增加、密集度高，路面均为混凝 土和沥青铺盖，使下垫面硬质化，自然渗透地面减少，同时由于排水系统的改进， 使市区降雨的绝大部分以地面径流形式排除，回补地下水几乎不可能。并且洪峰流 芫连蛋，t 学绣磁敞第一章绪论 量增大，排水系统的雨季流量和旱季流量的比值上升，产生洪涝灾害的机会加剧。 而未经过处理的雨水造成的污染不可忽视，因为降雨过程中，空气中含有溶解性的 气体、溶解或悬浮物固体、重金属及细菌等会随雨水径流运动，因此雨水中的c o d 、 s s 、n 、p 、细菌等比较高，地表径流中还包含街道上的污染物，与流域非点源污染 相比，城市降雨径流污染要严重得多。再加上和城市化相伴随的人口集中，工业污 染、生活污染加重，造成城市水环境的不断恶化。 针对以上状况和城市雨水资源利用的必要性，为减少地面径流量、减少城市排 水和河道的压力、增加可利_ i ：l j 水源、涵养地下水、缓解地下水位下降等。雨水资源 利用将是城市开发水资源、节约用水、减轻城市洪涝灾害、缓解排水管道负担、减 少污染负荷、改善城市水环境状态的有效措施。应片j | 雨水作为非饮用生活水将越来 越具有可行性与必要性。 1 2 选题来源及背景 1 2 1 选题来源 城市雨水资源利用与城市水环境改善的课题来源于国家高技术研究发展计划 ( “8 6 3 ”项目) ：“城市水环境质量改善技术研究与示范”其中的子课题。受到教育 部回国留学人员研究启动基金和骨干教师研究基金的资助。本课题以沿海城市大连 市为大的背景大连理工大学区域为研究试验场地，根据现有资料、调查所得的资 料、整体规划设计研究及试验设计、试验分析的结果，研究城市雨水资源利用的可 行性和必要性及其对城市水环境改善的作用，取得些成果和经验具有实际应用 价值。可望在全国范围内推广。 1 2 2 选题背景 ( 1 ) 课题所属领域 城市雨水资源利用与城市水环境改善的课题属于水资源和水环境交叉学科的 研究领域。一方砸，从地球系统的水资源循环和水量平衡来看，一次水资源( 天然 降雨) 是维系整个陆地生态系统，乃至全人类生存需要水的基础。但是人们在解决 水资源短缺上积极的开发新的水资源和兴建一些跨流域调水工程，使一次水资源逐 级转化，水资源的无效损失大大增加。并且利用难度和利用费用也逐渐增加。就我 走积旺走学碾妈噬酱垒；亡第一章绪论 国来说，多年平均降雨总量为6 1 9 1 0 ”m 3 ，但其中约有5 6 消耗于陆地蒸发和植 物蒸腾，即降雨资源转化为地表径流( 二次水资源) 的水资源利用率仅为4 4 。 中国水资源利用数量仅相当于一次水资源利用的7 5 ，二次水资源利用的1 8 ， 三次水资源利用的5 6 2 5 ，在充分提高二次、三次水资源利用率的同时，要大力 提高次水资源利用率，以及着手开发海洋水资源的同时，要大力提高一次水资源 ( 雨水资源) 的利用率。另方面，城市水环境的改善离不开水的健康使用，目前， 由于人口增长、城市化等问题的严峻，水体污染严重，雨水作为天然且免费的资源， 是一种新型的供水水源，将其渗透入土壤中，继而抬高口益下降的地下水位，并能 够有效的延缓地面径流时间，遏制洪峰，减少地面径流污染，形成城市区域良性水 循环。总之，雨水资源利用是城市开发水资源、节约用水、减轻城市洪涝灾害、缓 解排水管道负担、减少污染负荷、改善城市水环境状态的有效措施。 ( 2 ) 课题背景 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，国际研究的共识 就是：雨水利用将成为解决2 1 世纪水资源的重要途径。并且我国新水法规定， “国家厉行节约用水，大力推行节约用水措施，推广节约用水新技术、新工艺，发 展节水型工业、农业和服务业，建立节水型社会”。我国于2 0 0 1 年7 月成立了中国 水利学会雨水利用专业委员会，召开了3 次全国性的雨水利用学术讨论会，城市雨 水的利用已经成为研究热点。 大连市位于辽宁省南端，是中国北方重要的港口、工业、贸易和旅游城市。辖 6 区3 市l 县，陆域面积为1 2 6 万km l ，人口约5 6 0 万。优越的地理位置，发达的 海陆空交通网络，使大连成为东北地区及内蒙古东部地区主要的进出门户和国际间 经济技术交流和合作的“窗口”。但是据统计，在全国有近3 0 0 个城市用水紧张， 其中严重缺水的有1 0 8 个，大连市就是其中之一。大连市是一个淡水资源先天不足 的城市，大连市城市( 指金州以南地区) 人均水资源占有量仅为1 6 4m 3 ，占全市 人均水资源占有量的1 4 ，不足全国人均量的1 1 5 ，约占世界人均量的1 6 4 ， 长期以来大连市城市供水问题一直是制约大连市经济发展的重要因素。1 9 7 4 年以 来，大连市人民在国家和辽宁省政府的大力支持下，先后修建完成7 碧流河水库和 引碧供水工程，使大连市的城市供水紧张状况得以缓解，但随着人口的增加和国民 经济发展的需要，大连市城市用水不足问题仍然非常严峻。并且由于大连三面环海 和地下水不合理开采，产生了海水入侵地质灾害，目前海水入侵面积超过2 0 0 k m 2 。 1 5 】 随着社会经济的迅速发展和城市化进程的加快，城市雨水资源将在2 1 世纪具 有不可替代的作用，雨水资源利用势在必行。我国正处于城市化、工业化的高度发 展时期，对在典型城市进行城市雨水利用理论和技术的研究，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 论文的主要研究内容 城市雨水利用是融合多学科的复杂系统，是当前非常前沿的课题，本文在探讨 城市雨水利用改善城市水环境的基础上，在这方面将进行一些有益的尝试。最终使 雨水资源化。 本论文首先对城市雨水利用的基础理论和技术等方面做出研究和探讨：继而以 我国沿海城市大连市为大的背景，选取大工校园区域为典型试验区域，研究城市雨 水利f i = j 理论和技术，其中包含雨水收集技术、雨水贮留技术、雨水回用及处理技术、 雨水渗透技术等相关技术理论；提出对大工校园教学区域进行雨水管网的合理规划 方案，充分利用校园雨水资源；利爿j 大工校园建筑屋顶、道路、绿地等收集的雨水 量对校园内绿化用水量进行验证计算，充实雨水利用的规划和方法；对城市雨水的 永质方面进行试验分析。提出其处理的简单工艺和利用的价值；探讨城市雨水间接 利用的新理念雨水渗透理论和方法，促使雨水向地下渗透，补充地下水涵养量， 抬高地下水位，增加河道枯水期流量，改善城市水环境，形成区域水系的健全水循 环：并探讨雨水利用景观、雨水渗透对城市水环境改善的作用。 本论文是针对城市化、水污染等对城市水环境造成的负面影响，以具体范例说 明，提出开发利用城市雨水资源，改善城市水环境状态，形成城市区域的良性水循 环，并在沿海城市乃至全国范围内推广应用。最终，在改善城市水环境的基础上， 形成城市雨水资源利用的完整体系，促进城市雨水资源可持续发展战略的实施 1 4 论文的结构安排 全文的结构安排如下 土i 矗型士七学砸壬弓张t第一章绪论 第一章绪论 主要为本课题的研究作一下整体引入，首先是引言，然后是课题的选题来源和 背景，以及本论文的主要研究内容，包括论文的理论基础和论文的研究目的，最后 足论文的结构安排。 第二章城市雨水利用概况研究 这一章主要是论述在城市化的进程中，城市化对水资源、水环境、水循环造成 哪些方面的影响，城市化与城市雨水利用的关系、水环境恶化和城市雨水利用的关 系，说明为什么要对城市雨水利用做研究的问题，以及城市雨水利用的必要性和可 行性方面的研究，并对国内外的城市雨水利用的研究概况进行探讨，列举出国外雨 水利用的实例。 第三章城市雨水利用理论及技术研究 这一章是本论文中城市雨水利用的基础理论部分，主要是分析探讨城市雨水利 用的分类、城市雨水利用的途径，以及城市雨水利用的理论基础研究。主要包括城 市水文变化和城市地理信息、城市雨水利用基本方式和步骤、城市雨水利用规划模 型研究、城市雨水集汇流和传输模型研究、城市雨水渗透模型研究、城市雨水水质 研究等理沦基础研究。 第四章城市雨水直接乖j 用实例研究 一大工校园的雨水利用探讨 这一章首先给出城市区域雨水直接利用规划设计流程图，然后以大连市为大的 研究背景，对其降雨进行分析和雨水利用，继而确定以大工校园流域为具体的研究 典型区域，研究大工校园的地理信息和水文信息，对大工校园收集雨水分流域的规 划和利用，详细计算大工校园流域收集雨水量与绿化用水的验证，并对大工校园雨 水设计流量、贮留池进行计算，给出大工校园雨水传输方案。 大连醒【走学耀孝畦棼之第一章绪论 第五章大工校园的雨水永质分析实验及利用处理工艺 这一章主要是根据雨水径流中污染物的来源、水质指标和水质标准，对大工校 园的雨水污染进行调查，确定雨水取样点合理方案，并由2 0 0 3 年6 月5 目、2 0 0 3 年6 月1 0 曰、2 0 0 3 年7 月7 日取得的雨水水样分类进行水质测定和结果分析，最 后选取合理的雨水利用处理工艺流程。 第六章雨水利用景观、雨水渗透对城市水环境改善 这一章主要介绍雨水利用景观及其对城市水环境的改善、雨水渗透理论和设 旌，以及雨水渗透对城市水环境改善的作用三方面的内容。 第七章结论和展望 这一章对全论文的研究、计算、试验设计等方面做出结论，并对城市雨水利用 的未来发展提出展望，对其提出一点体会和建议。 参考文献 1 沈光泛，徐强，积极稳妥地开展中水回用工作 j ，中国给水排水，2 0 0 1 ，1 7 ( 4 ) ：3 l 一3 2 2 杨建锋，城市化和雨水利用，北京水利，2 0 0 1 ( 1 ) ：2 2 2 3 3 陈兴华，王荣洁悉尼2 0 0 0 绿色奥运的某些特点 j 节能与环 保，2 0 0 2 ，( 1 2 ) ：2 9 3 0 4 李文治，合理利用水资源是沿海城市持续发展的保证，科技导报，1 9 9 4 ( 3 ) ： 4 6 4 8 5 杨绍男，大连市水资源开发利用战略构，辽宁地质。2 0 0 0 年9 月，第1 7 卷第3 期 苎堂堡三苎釜堡圭差丝 一 第二章城市雨水利用研究概况 第二章城市雨水利用研究概况 2 1 城市发展及城市化进程 2 1 1 城市的发展 城市是一个国家的中心舞台，是现代文明的标志，是经济、政治、科技、文化 和教育的中心，集中体现了围家的综合国力、政府管理能力和国际竞争力。目前， 全世界的大城市普遍发展很快，我国城市也紧跟着时代的步伐。根据中国城市发展 趋势的估计，到2 1 世纪中期，中国的城市人口将从不足3 亿人迅速增加到大约8 亿人，到2 0 3 0 年，中国的城市数量也将从目前的大约6 6 0 个增加到超过1 0 0 0 个。 城市以人u 、经济、能源消耗、建筑群的高密度和空气、水、土地、空间的高 负荷为特征。城市人口高度集中、工业高度集中、建筑物高度集中、发挥了聚集效 应的优势。城市用地的选择一般都是自然条件、交通运输、水热能源比较便利的地 方，能够处于较好的生态位，城市的几个“高度集中”可以充分利用能源与资源， 充分利用土地，节约了时间和空间。但是伴随着城市的继续发展也产生了一系列的 城市问题。当城市人口膨胀到一定程度，城市扩大到一定规模时，势必造成城市用 地紧张、住房短缺、基础设施滞后、城市供水不足、生态环境恶化等弊端。 大城市在国家和区域经济发展中有非常重要的地位，它既有较好的投资环境和 较强的经济实力，也有较完善的城市功能和较高的效益，同时又是一个国家或一个 地区社会经济发展的中心，具有强大的吸引力和凝聚力。1 9 9 5 年底，我国有3 2 个 人口规模在1 0 0 万趴上的特大城市，其中超过2 0 0 万人的有1 0 个，依次为上海、 北京、天津、沈阳、武汉、广州、重庆、哈尔滨、南京、西安，均为全国性的中心 城市或跨省区的大区域性中心城市。并且随着我国经济的飞速发展，已经出现了沪 宁杭、珠江三角洲、京津唐和环渤海湾地区的大城市带吼我国的城市发展表现出 和世界趋势基本一致的态势。 煺理z 光学碾目睦之 第二章城市雨水利用研究概况 2 1 2 城市化进程 ( 1 ) 城市化概念 人口向城市地区集中，致使城市区域不断扩张的过程称为城市化。随着人口 向城市地区集中的城市化过程，城市地区人口占总人口的比例逐年上升，从而加快 了城市人口总数的上升速度。 城市化是世界性的普遍现象，随着人类科学技术的进步和大工业的生产的发 展，城市化首先在英国，随后在发达国家和不发达国家相继展开。城市化是人类发 展、变革的重要过程，是一个国家经济、文化发展的结果。城市化的标志是：城 市规模的扩大；农业人口转变为城镇非农业人口：城市居民生活方式的多样化、 现代化。 ( 2 ) 城市化发展史 从金世界的角度来看，城市化的发展已有相当长的时阃，从公元前3 5 0 0 年两 河流域的城市出现至今，世界城市化经历了五千五百多年的发展过程。1 8 0 0 年时， 世界城市化水平还只有3 ，1 9 0 0 年时为1 4 ，1 0 0 年间年均增长o 1 1 4 个百分点。 1 9 9 9 年城市化达到5 5 左右，在这1 0 0 年间年均增长0 4 1 个百分点，是上个世纪 发展速度的3 7 倍。 我国是世界上城镇人口最多的国家，据统计，1 9 9 8 年底我国城镇人口大约为 3 8 亿，但城镇化水平仅为3 0 左右，甚至低于发展中国家的平均水平( 约3 7 ) 。 1 9 9 5 年，中等收入与高收入国家的平均城市化水平已分别达到了6 0 和7 5 ，而 1 9 9 5 年德国的城市化水平更是高达8 7 1 4 1 。目前我国城市化进程已进入加速发展 阶段，今后随着我国社会、经济的持续发展，城市化水平必然会进一步提高，这意 味着我困的城镇人l = 还将继续增长，城市化对城市环境和城市水循环的影响更加严 重。 ( 3 ) 城市化的利弊 利处城市化是财富的象征 2 0 0 1 年诺贝尔经济学奖获得者斯蒂格列茨认为，新世纪对于中国有三大挑战， 居于首位的就是城市化，他提出“中国的城市化将是区域经济增长的火车头，并产 坚丛釜晤坤幽沿eg = - 章城市雨水利用研究概况 生最重要的经济利益”。 中国作为世界上人口最多的发展中国家，未来2 0 年中国 城市化进程将对全球发展产生深刻影响。统计数字表明。随着时代的前进和发展， 城市化程度的明显增长是一个重大标志，而且增长过程与财富的积累成正比。 据世界银行统计，1 9 9 5 年世界高收入国家城市化率为7 5 ，中等收入国家为 6 0 ，低收入国家为2 8 ，而中国城市化率还不到3 0 。至2 0 0 0 年底，中国城市 化率比世界平均低1 2 ，比世界发达国家平均低4 0 。虽然中国的城市数量已从 1 9 4 9 年的6 7 个增至如今的近7 0 0 个，但由于人口总量的增加，城市人口的比例仍 然过于偏小。从现在起到本世纪中叶，中国城市化率将从现在的3 6 提高到7 5 以上。这就意味着只有每年平均增加l 左右的城市化率，即每年约1 0 0 0 万至1 2 0 0 万人 j 从乡村转移到城市。才能满足现代化进程的要求t - ；l 。 教授牛文元讨论说，为什么美国用了】0 年的时间使得g d p 增长了1 7 万亿美 元，日本则增长了l ，4 万亿美元，而中国分别比它们少增长0 7 万亿和0 4 万亿美 元呢? 如果注意到美国当时的城市化率达到8 7 ，日本的城市化率超过6 5 ，而 中国在2 0 0 0 年的城市化率仅为3 6 t s j ，就能更深一层地认识到城市化率的不同所 导致的社会财富集聚能力的差异。 弊端 城市化的加快一方面可以提高我国的综合国力，增加财富凝聚力，但是在另一 方面城市化进程的加快，也导致了一系列的生态环境问题。城市化的发展不仅带来 了水资源短缺问题，并且由于城市地区地形地貌变化快、建筑物密度大、不透水面 积所占比例增大而引起雨水径流速度加快、洪峰流量增大、洪水滞时和历时缩短等 问题，致使洪水风险增加1 6 1 ；人u 密度的增长造成了污染物的集中排放，增加了区 域自然生态环境的压力：工厂、企业造成污染物种类和数量的增加以及相对落后的 生产技术，加剧了对周围生态环境的影嚼和破坏；原有的社会生活基础设施如道路、 给排水、供热燃气、环卫设施缺乏科学管理，污水、垃圾处理落后，造成生态环境 质量的下降等等。有关城市化对城市水循环和水环境影响的问题将在下一节进行 讨论。 2 2 城市化的影响和城市雨水利用 2 2 1 城市化对水循环的影响 盎誊詈筌羞生：誓i 筌星三兰鉴土耋查型盘錾奎垫圣 城市化进程导致了城市面积扩大，生活方式的改变，人口高度密集和土地的高 度利用，直接结果就是不透水面积增加，城市居民供水不足，工业废水和生活污水 增加和水面绿地的减少等，使城市的水循环进入不健康的循环中。想要研究城市化 对城市水循环影响的课题，必须明确城市水循环系统的概念和结构。 城市水循环系统可以定义为自然循环和人丁循环两个系统，见图2 一l 。 f大气、， 、一一一。 ， 图2 - 1 ：城市水循环系统 ( 1 ) 城市水资源自然循环系统 自然循环系统为其中不含有人类行为干预，完全依靠大自然本身来进行的循 环。大气云层中的水汽凝结，形成降雨，一部分落入城市永系中，另一部分直接降 落在地表上面，在地面上汇集，形成地表径流，地表径流本身也具有调蓄功能，而 戈连蟹政事娓峥往冶之 第二章城市雨水利用研究概况 后流入到城市水系中。地面上的水继续下渗到土壤中，壤中水也兵分两路，一路直 接渗透到城市水系中，另一路和地下水形成交互渗透的过程。地下水和城市水系的 下游又可形成渗透和地下径流的交互过程。最后，土壤和地面上的水蒸发到大气云 层中。此过程周而复始，形成城市水资源的自然循环系统。 ( 2 ) 城市水资源人工循环系统 人工循环系统主要是人类活动和水的循环相结合，一般城市给水厂从城市水系 的上游取水，来满足城市生活、工业、杂_ l j 水的需要。生活污水、工业废水经过预 处理进入到排水管网中，输送到污水处理厂，经污水厂处理后的水一部分直接排入 城市水系的下游，另一部分可中水回用。满足口益紧张的城市供水。 2 2 2 城市化、城市水环境与城市水循环的关系 2 2 2 1 城市化对城市水循环、水环境的影响和课题( 如图2 - 2 ) 城市化的进程使人类生活多样化、人口高密度化、城市街道扩大、土地利用高 度化。产生了节水意识薄弱、需水量增加、生活污水和工业废水量增大、农业化肥 污染、土地高度不足、水面( 沼泽、湿地、河川) 和绿地减少、城市废热增加、尾 气污染等一系列的问题。 这些变化直接影响着城市的暴雨径流条件，致使暴雨径流总量增大、洪峰 流量增高、洪峰出现时间提前，例如l 舀j l l 省成都市峨眉山保宁小区的峨嵋径流试验 站根据1 9 6 0 年及1 9 8 4 年雨洪资料，图2 3 给出了两次暴雨径流无因次单位过程线 瓞 1 0 b 面 图2 - 3 ：傈宁小区无因次单位过稗线 的对比结果嘲。由此图看出，洪峰流量增大、洪峰出现时间提前是城市化对暴雨的 髓瞄霹蜃醯g旨姆*，螺砖*靛睾悟繇嶂n匦 苎堡型堂雅坶馅硷之 第二章城市雨水刺用研究概况 影响特征。 这些变化也相应地引起河流中水流流速加大。径流过程中悬浮固体及污染 物浓度提高等：这些变化也往往会加剧城市本身及其下游地区的洪水威胁并使河 道中污染负荷大大提高，使河川、地下水质恶化；自然地面和水面、绿地的减少使 动植物的生存环境受到威胁，生态系统遭到破坏； 美国vij ayp singh 教授对城市化带来的城市气候变化进行了 总结，见表2 1 9 1 。 表2 1 ：城市化带来的气候变化 要素与农村环境比较要素与农村环境比较 污染物温度 尘粒多1 0 倍年平均 高1 - 1 5f 二氧化硫 多5 倍 冬季最低 高2 - 3f 二氧化碳 多1 0 倍 一氧化碳 多2 5 倍 辐射相对温度 冬季紫外线 少3 0 年平均 少6 夏季紫外线 少5 冬季 少2 夏季 少8 石风速 石 多5 1 0 年平均 少2 0 - 3 0 雾( 冬季) 多1 0 0 狂风 少l o 2 0 雾( 夏季) 多3 0 无风少5 一2 0 降雨 雨量 多5 一1 0 2 英寸降雨 多1 0 从该表可以看出，城市相对于农村的气候恶化很多，其中二氧化碳的含量比农 村多1 0 倍，主要是人为的燃烧所产生的二氧化碳，以及密集的城市人口在呼吸过 程中所释放的二氧化碳，都会使城市的气温上升，导致温室效应。 以上的这些变化最终都导致了基地流量减少、洪量洪峰增加、水资源匮乏、生 苎堡墨三苎差壁圭差丝 一 第二章城市雨水利用研究概况 i 态系统恶化、水环境恶化、城市气候恶化这几个方面的内容，形成城市化对城市水 循环和水环境的影响的课题，主要为正常流量保持、兴利防洪、水资源保护与开发、 生态系统恢复和改善、城市水环境改善、环境污染控制。本论文属于其中的水资源 保护和开发、城市永环境改善课题研究的交叉内容。 2 2 2 2 城市水环境和城市水循环的关系 为了论文后面的研究，将城市水循环和城市水环境区别开来是必要的。图2 - 4 图2 - 4 ：城市水环境和城市水循环的关系 显示出了水循环和水环境的区别。在将要被改善的城市水环境中，输入的是如人类 活动和气象条件等的外部力量，输出的就是我们赖以生存的城市水环境。人类生存 与城市水环境、城市水循环是紧密的联系在一起的，并且由此创造出城市水文明”。 2 2 3 城市化与城市雨水资源利用 上面讨论到城市化对城市发展、城市水循环和城市水环境带来了种种的影响， 其中城市化对城市的水资源也有很大的作用。城市化使城市水循环的下垫面硬质化， 雨水资源在地面上过剩，很容易导致洪涝灾害。城市雨水资源利用将立足我国城市化 进程中的一些问题合理化、资源化。一方面城市化的加快使城市需水量大增，另一 方面供水的主要来源地下水源的开采还导致了地面沉降、海水入侵等一系列负 面效应，这就迫使城市寻求新的供水水源，当城市无法从区外引水或短时期内不能 叟现区外引水的情况下，有效利用本地雨水资源是城市化进程中的必然方案。城市 雨水资源是一个区域水资源最根本的来源。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，水利专家们指出，就地充分利用雨水资源，采取各