太原雨水利用工程的可行性分析.docx

太原市雨水利用工程的可行性分析陈 湛（太原理工大学环境科学与工程学院给水排水0801班，山西太原，030024）摘 要：随着城市化进程的发展，雨水利用的地位正在不断提高。水资源的矛盾、污染的产生、雨洪问题的突出，人们不得不重新思考雨水利用的问题。国外雨水利用技术已经有很大的进展，尤其是在一些缺水的国家。国内在雨水利用方面还处在初级阶段，很多问题亟待解决。针对山西省水资源不足的特点，结合国内外雨水利用情况，提出了太原市雨水利用的必要性并对太原市的雨水利用潜力进行了估算，最后分析了该技术的可行性以及应用前景。关键词：雨水利用工程；潜力估算；太原市。前 言随着城市的发展，不透水路面、屋面的增加，雨水在短时间内就能较快形成径流。但随着城市化进程的不断加快，硬化地面激增，城市雨水收集和排放系统暴露出许多新的矛盾：（1）雨水径流系数增大，在暴雨期间，由于雨水管道很难在短时间内排除雨水，造成城市积水，防洪排涝成为城市在雨季的一项重要的任务，耗费大量的人力和财力；（2）降雨径流水质受大气污染物、道路材料、屋面材料及生活垃圾的影响，据一些研究表明，雨水中的主要污染物是（COD）和悬浮固体（SS），初期雨水径流也含有铅、锰、石油类等污染物，再加上汽车轮胎的磨损、漏油、汽车尾气的排放等，更加重了降雨径流的污染。1 1 国内外城市雨水利用概况1.1 国外城市雨水利用概况近20年来，城市雨水利用技术迅速发展。在以色列、非洲、印度等许多国家和地区，修建了数以万计的雨水收集利用系统；美国、加拿大、德国、澳大利亚、新西兰、新加坡和日本等许多发达国家也开展了不同规模、不同内容的雨水利用研究和实施计划。日本年降雨量高达1000-2000 mm，超过年蒸发量，但由于其特殊地理条件等自然因素和经济发展等社会因素，水资源也比较缺乏。为此，日本政府除了采取开源措施和提高水利用率、鼓励全社会利用循环水外，还十分重视雨水利用。日本雨水利用主要有三种方式：调蓄渗透；调蓄净化后利用；利用人工和天然水体调蓄雨水，提供环境用水和改善城市、住区和公园等场所的水生态环境。日本目前对城市雨水利用虽无硬性规定，但国家和地方政府都大力支持和鼓励雨水项目2,3 德国长期致力于雨水利用技术研究与开发，从规划、设计到应用，不但形成了完善的技术体系，而且制定了配套的法规和管理规定。本世纪初已形成“第三代”雨水利用技术及相关标准。其主要特征是设备集成化，其中以MR系统（水洼渗透渠组合系统）最为典型4 。该系统是德国近十年发展起来的雨水处理工艺，其上层种植草类植物的浅水沟，下层为渗透渠，详见图1。图1 MR系统构造1.2 国内城市雨水利用概况我国城市雨水利用虽具有悠久的历史，而真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却从20世纪90年代开始，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雨水集流利用工程。近年来，大中城市的雨水利用基本上处于探索与研究阶段，北京、天津、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展了雨水利用方面的项目研究。由于缺水形势严峻，北京的雨水利用产业率先进入了示范与实践阶段。通过一批示范工程，争取用较短的时间带动整个领域的发展，实现城市雨水利用的标准化和产业化，从而加快我国城市雨水利用的步伐。但总的来说，我国城市雨水利用技术同发达国家相比还较落后，缺乏系统性，更缺少法律、法规保障体系，需要更多的关注和深入研究，在应用中还需不断完善。1.3 太原市雨水利用现状太原市对于雨水利用还处于探索阶段，缺乏系统的规划研究，城市规模的工程措施基本处于空白。2007 年，太原市东山龙观天下居住小区内建成了一套新型雨水收集回用设备，是太原市居住小区首次尝试雨水收集回用。太原市年平均降雨量约为456.8 mm，但随着市区硬化面积的不断增加，全市每年有5500万m的雨水白白流失。因此，在太原市节水办的努力下，首次在东山新建的龙观天下小区内尝试建立收集雨水回用系统。该小区的屋顶及路面都设置了专门用于雨水收集的管道，将雨水汇集在小区最低点，同时在收集点新建了一个容积为150 m的集水井，收集从渗透管网、渗透井以及透水砖等路径汇集来的雨水。这套设备还新增了雨水入渗收集后的过滤设备，不仅可以使雨水得到更有效的收集，还可以使回收的雨水洁净程度明显提高。根据测算，该小区实施收集雨水回用工程后，每年可直接收集雨水量约5100 m，按现有水价计算，每年节约水费达2.04万元。这些水都可以直接用于绿化、洒扫、洗车以及景观用水等，不仅有效补充了自来水的不足，还减少了污水处理的费用和过程。2 太原市雨水利用潜力估算对于大多数地区，各城市年均可收集雨量估算可以采用以下公式5 ：Q = AH （1）式中：Q规划区年平均可收集雨量，m；平均径流系数，可通过对各汇流单元的径流系数加权平均求得，不同下垫面条件下的径流系数见表1；H年平均降雨量，m；季节折减系数， = H1/H；H1汛期平均降雨量，m； 初期弃流系数，=1-H0n/ H；H0初期雨量，m； n年平均降雨次数；A集雨面积，A=A0，km；A0建成区面积，km；不透水地面比率，=1-绿地率-水面覆盖率。表1 不同下垫面下的径流系数6地面类型径流系数各种屋面、混凝土和沥青地面0.90大块石铺砌路面和沥青表面处理的碎石路面0.60级配碎石路面0.45土砌砖石和碎石路面0.40非铺砌土路面0.30公园和绿地0.15根据太原市的相关资料，利用公式（1）计算太原市雨水资源化潜力（表2）。计算中，平均径流系数 可计为城市各类不透水面的径流系数加权平均，因为各城市建成区不透水面绝大部分是各种屋面、混凝土和沥青地面，因此一般城市平均径流系数在0.80.9 之间，根据太原市下垫面的实际情况，参考北京（0.9）、天津（0.8）等大城市的相应值，太原市地区平均径流系数估算为0.8。集雨面积A约等于城市不透水面积，其中建成区面积A0是指市行政区范围内经过征用的土地和实际建设发展起来的非农业生产建设地段，它包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系，具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地（如机场、铁路编组站、污水处理厂、通讯电台等）。初期弃流系数，由于城市雨水利用技术大同小异，因此可以统一采用车武5等人在计算北京的雨水资源收集利用方案中的值0.87。表2 我省典型城市的年均雨水资源化潜力城市建成区面积A0/km2不透水地面比率平均径流系数季节折减系数初期弃流系数集雨面积A/km2年均降雨量H/mm可收集雨量Q/万m3太原177.00.6390.80.800.87113.105003149注：表中年平均降雨量数据源自山西省水资源评价，建成区面积、绿地率等数据源自各自地市2005 年的统计年鉴，个别数据从网上收集。由表2可见太原市每年都有可观的可收集雨量，而目前利用率尚低，开发潜力巨大。若能把这些雨水利用起来，用于绿化、洗车、冲厕等，可以节省大量的自来水，这对我省城市来说，能带来重大的资源效益和经济效益。同时太原市属于温带大陆性季风气候。其气候特点是：春季干旱少雨；夏季气候干热，夏末雨量增多，多以暴雨出现；秋季降雨较多，气温下降快；冬季受西伯利亚冷气团影响，严寒而少雪。根据山西省气象站监测，太原市69月份的降水量约占全年降水量的70%80%，而且多以暴雨的形式降落。若能将城区汛期暴雨资源化，加以利用或回补地下水，可以减轻城市排水系统压力，防止城市洪涝灾害的发生；能减少或避免马路及庭院积水，改善小区水环境，提高居民生活质量。3 结语从国内外雨水利用情况分析、太原市现行水资源情况以及太原市雨水利用潜力估算来看，雨水利用在太原市切实可行而且极具必要性，主要有以下几方面：（1）国内雨水利用技术正处在初级研究阶段，而国外雨水利用技术较成熟，所以可以为雨水在太原市的利用提供技术支持保障。例如：太原“龙观天下”小区的雨水利用系统就为太原市雨水利用工程填补了空白。（2）太原市地处山西省中部，年均降雨量为500mm，而据研究表明，雨水利用工程适用于年降雨量400 mm的地区，所以太原市雨水利用工程还是基本具备自然条件的。（3）太原市的水资源情况一直比较紧张，面临资源性缺水及污染性缺水，而雨水的回收利用，可以有效的缓减这两方面的缺水问题。而对城市雨洪的控制及雨水初期弃流、雨污混接的管理，可有效的降低污染性水资源短缺问题。（4）据太原市规划局预算，太原市雨水利用工程一次性投资34073万元，按水价1元/m3计，每年太原市主城区雨水利用节约水费达13675.91万元。可见，在经济效益上也是切实可行的。雨水利用在太原市这样一个严重缺水的城市来说意义是非常明显的。今后要加强宣传，提高认识，转变观念，加强对城市雨水利用的系统性研究，制订符合当地条件及城镇生态建设要求的远、近期规划，尽快建立和完善城市雨水利用的管理的技术体系和法规体系。借鉴发达国家的经验与教训为鉴，实现太原市的社会、经济环境可持续发展。参考文献：1 张新燕，蔡焕杰 雨水集蓄利用研究进展J干旱区资源与环境，2001，15(3)：87-922 汪慧贞，李宪法 北京城区雨水径流的污染及控制J城市环境与城市生态，2002，15(2)：16-183 车 武，李俊奇 城市雨水利用技术与管理M北京：中国建筑工业出版社，2006：084 Matheson Z