目前我國城市的雨水收集利用系統尚處在初期階段 ，城市雨水缺乏綜合利用、雨水利用技術還較落后，缺乏系統性。文章分析了雨水利用的內涵、特點及其應用前景，闡述了目前國內外雨水資源化的理論與實踐進展情況．結合我國實際情況，對雨水資源利用今后的工作提出合理化建議。研究表明，雨水資源利用不僅是開源節(jié)流的良策，也是改善生態(tài)環(huán)境、形成區(qū)域健康循環(huán)的有效措施。
針對雨水利用現狀以及經濟狀況 ,提出了適用于我國國情的雨水生態(tài)利用技術、雨水徑流傳輸與收集技術、水滲透—涵養(yǎng)地下水技術、節(jié)能型雨水利用技術。并就我國城市雨水收集利用 ,提出了建議及對策。
關鍵詞：雨水收集利用、資源化、適用技術、對策
0. 引言
城市雨水利用是一項涉及面很廣的系統工程 , 涉及到城市雨水資源的科學管理、雨水徑流的污染控制、雨水作中水等雜用水源的直接收集利用、用各種滲透設施將雨水回灌地下的間接利用、城市生活小區(qū)水系統的合理設計及其生態(tài)環(huán)境建設等方面。雨水收集利用對于水資源的優(yōu)化配置 ,促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展具有十分積極的意義 ,在用水日趨緊張的今天 ,已越來越受到人們的關注。【1】
1.我國城市水資源的現狀
我國是一個水資源相對貧乏、時空分布又極不均勻的國家。水資源年內年際變化大，降水及徑流的年內分配集中在夏季的幾個月中；連豐、連枯年份交替出現，造成一些地區(qū)干旱災害出現頻繁和水資源供需矛盾突出等問題。我國水資源總量 28000 多億立方米，居世界第 6 位，但人均水資源占有量只有 2300 立方米，約為世界人均水平的 1/4。全國水資源的 81％集中分布在長江及其以南地區(qū)，而淮河及其以北地區(qū)，水資源量僅占全國的 19％。因而，總體來說：水資源的分布是南方多于北方，東部地區(qū)多于西部地區(qū)。由于水資源分布的差異以及我國水資源污染的日益加重，我國城市的水資源正在面臨著不足和短缺等問題。造成城市水資源不足和短缺的主要原因：一是水資源總量先天不足，人口多，人均水資源少。二是水源水質日趨惡化，不能滿足水體正常循環(huán)使用的功能要求，大大減少了有效水資源的利用狀況。【2】
2.城市雨水收集利用現狀
在國外，德國和日本等一些發(fā)達國家，城市雨水的資源化和雨水的收集利用已有較長的歷史。其經驗和方法，對我國大部分城市特別是對那些嚴重缺水的城市很有借鑒意義。我國城市雨水利用起步較晚，目前主要在缺水地區(qū)有一些小型、局部的非標準性應用。
2.1 國外城市雨水收集利用情況
雨水作為一種極有價值的水資源，早已引起德國、日本等國家的重視。國際雨水收集利用協會（IRCSA）自成立以來，不斷地促進國際間的交流與合作，兩年一度的交流大會使各國之間的雨水利用技術和信息能夠很快地傳播。網絡技術的發(fā)展也為雨水利用技術的國際化提供了很好的平臺。其中，發(fā)展較快的是德國和日本等國家，德國雨水利用技術已經從第二代向第三代過渡，其第三代雨水利用技術的特征就是設備的集成化，各項雨水利用技術已達到了世界領先水平。
目前，在世界各大洲，都有收集雨水解決生活和生產用水的成功做法。國外一些發(fā)達國家在城市雨水資源化和雨水的收集利用方面的經驗和方法，對解決我國缺水問題很有借鑒意義。【3】
(1)美國的雨水利用。
美國的雨水利用常以提高天然入滲能力為目的。1993年大水之后，美國興建地下隧道蓄水系統，建立屋頂蓄水和由入滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統，讓洪水迂回滯留于曾經被堤防保護的土地中，既利用了洪水的生態(tài)環(huán)境功能，同時減輕了其他重要地區(qū)的防洪壓力。美國的關島、維爾金島廣泛利用雨水進行草地灌溉和沖洗。美國不但重視工程措施，而且制定了相應的法律法規(guī)對雨水收集利用給予支持，如制定了《雨水利用條例》。條例規(guī)定了新開發(fā)區(qū)的暴雨洪水洪峰流量不能超過開發(fā)前的水平，所有新開發(fā)區(qū)必須實行強制的“就地滯洪蓄水”。
(2)德國的雨水利用。
德國的雨洪收集利用技術是最先進的，基本形成了一套完整、實用的理論和技術體系。利用公共雨水管收集雨水，采用簡單的處理后，達到雜用水水質標準，便可用于街區(qū)公寓的廁所沖洗和庭院澆灑。另外德國還制訂了一系列有關雨水利用的法律法規(guī)。如目前德國在新建小區(qū)之前，無論是工業(yè)、商業(yè)還是居民小區(qū)，均要設計雨水收集利用設施，若無雨水利用措施，政府將征收雨水排放設施費和雨水排放費。[4][5][6]
(3)丹麥的雨水利用。
丹麥98 以上的供水是地下水，但是地下水開發(fā)利用率都比較低，一些地區(qū)的含水層已被過度開采。為此在丹麥開始尋找可替代的水源，以減少地下水的消耗。在城市地區(qū)從屋頂收集雨水，收集后的雨水經過收集管底部的預過濾設備，進入貯水池進行儲存。使用時利用泵經進水口的浮筒式過濾器過濾后用于沖洗廁所和洗衣服。
(4)日本的雨水利用。
日本于1963年開始興建滯洪和儲蓄雨水的蓄洪池，許多城市在屋頂修建用雨水澆灌的“空中花園”，有些大型建筑物如相撲館、大會場、機關大樓，建有數千立方米容積的地下水池來儲存雨水，以充分利用地下空間。而建在地上的也盡可能滿足多種用途，如在調洪池內修建運動場，雨季用來蓄洪，平時用作運動場。近年來，各種雨水人滲設施在日本得到迅速發(fā)展，包括滲井、滲溝、滲池等，這些設施占地面積小，可因地制宜地修建在樓前屋后。在日本，集蓄的雨水主要用于沖洗廁所、澆灌草坪，消防和應急用水。日本于1992年頒布了“第二代城市下水總體規(guī)劃”，正式將雨水滲溝、滲塘及透水地面作為城市總體規(guī)劃的組成部分；要求新建和改建的大型公共建筑群必須設置雨水就地下滲設施泰國在20世紀80年代，建造了0．12億多個2 m3的家庭集雨水缸，解決了300多萬農村人口的吃水問題。在澳大利亞、加拿大、瑞典、印度、以色列、巴西和墨西哥等國家，采取修建小型水池、水倉、塘壩、淤地壩等工程措施，攔蓄雨水進行灌溉，都取得了良好的效果。
綜上所述，國外發(fā)達國家城市雨水收集利用的主要經驗是：建立了完善的屋頂蓄水和由人滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統；制定了一系列有關雨水收集利用的法律法規(guī)；收集的雨水主要用于沖廁所、洗車、澆庭院、洗衣服和回灌地下水。[7]
2.2 我國雨水收集利用情況評述
我國的農民在長期的抗旱實踐中，積累了豐富的利用雨水的經驗，創(chuàng)造了水窖、水窯、水池等小型和微型蓄水工程形式，用于解決生活飲水問題。真正意義上的雨水利用研究與應用開始于20世紀80年代，發(fā)展于90年代。雨水集蓄利用工作從試點示范到規(guī)模發(fā)展，大致經歷了以下4個階段:
(1)試驗研究階段。2O世紀8O年代，通過對相關技術的試驗研究，論證了雨水集蓄利用工程的可行性和可持續(xù)性，提出雨水集蓄利用的理論與方法，取得了一批實用成果，為雨水集蓄利用工作的開展奠定了理論和技術基礎。
(2)試點示范階段。2O世紀9O年代，甘肅、寧夏省區(qū)在試驗研究的基礎上，進一步開展試點示范工作，使雨水集蓄利用從單項技術發(fā)展為農業(yè)綜合集成技術；從單一的利用模式走向高效綜合利用；從理論探討、技術攻關走向實用階段，找出了一條干旱山區(qū)農業(yè)和社會經濟發(fā)展的新路子。
(3)推廣應用階段。1997~1998年，財政部、水利部聯合組織的雨水集蓄利用試點工作帶動了西北、西南、華北地區(qū)雨水集蓄利用工作迅速發(fā)展，工程建設開始從零散型向集中聯片型發(fā)展。
(4)蓬勃發(fā)展階段。2000年，水利部編制了《全國雨水集蓄利用“十五”計劃及2010年發(fā)展規(guī)劃》。2001年7月，中國水利學會雨水專業(yè)委員會成立大會暨雨水利用國際學術交流會在蘭州市隆重召開。2001年9月，水利部農村水利司在廣西百色市召開了全國雨水集蓄利用現場會。雨水集蓄利用工作進入一個嶄新的階段。[8][9]
3 城市雨水利用技術
城市雨水收集利用技術發(fā)展的一個突出特點就是它的國際化與集成化。各國的雨水利用技術發(fā)展的程度因重視程度不同而參差不齊。成熟的雨水利用技術從屋面雨水的收集、截污、儲存、過濾、滲透、提升、回用到控制都有一系列的定型產品和組裝式成套設備。
對于雨水的利用工程可分為三個部分：雨水的收集、雨水的處理和雨水的供應。
3.1 雨水的收集
雨水的收集利用，廣義的范圍內，包括了大型水庫的建設，河川徑流的取用等。雨水收集的方式有許多種型式，例如屋頂集水、地面徑流集水、截水網等。其收集效率會隨著收集面材質、氣象條件（日照、溫濕度等）以及降雨時間的長短等因素而有所差異。
建筑工程中的雨水收集有三種方式：如果建筑物屋頂硬化，雨水應該集中引入綠地、透水路面，或引入儲水設施蓄存；如果是地面硬化的庭院、廣場、人行道等，應該首先選用透水材料鋪裝或建設匯流設施，將雨水引入透水區(qū)域或儲水設施中；如果地面是城市主干道等基礎設施，應該結合沿線綠化灌溉建設雨水利用設施。此外，居民小區(qū)也將安裝簡單的雨水收集和利用設施，雨水通過這些設施收集到一起，經過簡單的過濾處理，就可以用來建設觀賞水景、澆灌小區(qū)內綠地、沖刷路面，或供小區(qū)居民洗車和沖洗馬桶，這樣不但節(jié)約了大量自來水，還可以為居民節(jié)省大量水費。
3.2 雨水的處理
雨水收集后的處理過程，與一般的水處理過程相似，唯一不同的是雨水的水質明顯的比一般回收水的水質好，依據試驗研究顯示，雨水除了 pH 值較低（平均約在 5.6 左右）以外，初期降雨所帶入的收集面污染物或泥砂，是最大的問題所在。而一般的污染物（如樹葉等）可經由篩網篩除，泥砂則可經由沉淀及過濾的處理過程加以去除。這些設備的組合與處理容量需在經濟與集水區(qū)條件考量下來調整其大小。處理方法與裝置則主要取決于：
1）集水方式；
2）雨水取用目的與處理水質的目標；
3）收集面積與雨水流量；
4）建設計劃與相關的條件；
5） 經濟能力與管理維護條件。
屋頂集水一般以下述程序來處理所收集的雨水：
集水→篩選→沉淀→砂濾→停留槽→消毒（視情況而定）→處理水槽（供水槽）
雨水的處理設備包括有篩網槽以及兩個沉淀槽。沉淀槽下方則設有清洗排泥管，用來方便槽底淤泥的清洗排除，維持沉淀槽的循環(huán)使用。【10】
3.3 雨水的供應
雨水的使用，在未經過妥善處理前（如消毒等），一般建議用于替代不與人體接觸的用水（如衛(wèi)生用水、澆灌花木等）為主。也可將所收集下來的雨水，經處理與儲存的過程后，用水泵將雨水提升至頂樓的水塔，供廁所的沖洗使用。另外，如與人接觸的用水，仍以自來水供應。【11】
4 我國城市雨水收集利用適用技術
4. 1 雨水生態(tài)利用技術
城市雨水生態(tài)處理技術依靠土壤、物、生物組成的生態(tài)系統凈化雨水 ,避免了人工處理雨水帶來的能源、源消耗 ,降低了城市發(fā)展對自然系統的破壞 ,保持了城市的自然生態(tài)性 ,構建的生態(tài)處理系統創(chuàng)造了良好的城市自然景觀。雨水生態(tài)處理技術可以很好地將雨水利用工程同城市已有或改造的水體系統相結合 ,在提高城市生態(tài)景觀建設的同時處理并利用雨水 ,從而促進生態(tài)城市的建設。
滲透渠組合系統”,是德國近十年發(fā)展起來的雨水處理技術。該系統多安裝于公共建筑場所及道路附近 ,通過雨水的分散控制來緩解城市排水管網的負擔 ,并涵養(yǎng)地下水資源。系統由上至下可分為兩層 ,上層為種植草類植物的淺水洼 ,下層為滲透渠。通常 ,水洼層鋪設活土 ,深度不超過 0. 3m ,通過土壤與植物的處理作用凈化雨水 ,同時種植的植被綠色可以很好融入到建筑周圍的生態(tài)景觀當中。下層滲透渠一般填充高滲透性的棱柱狀顆粒 ,例如礫石或熔巖顆粒等 ,可儲存大量雨水 ,并逐漸將雨水釋放以補充地下水 ,多余的雨水通過排空管排走。漢諾威世博會Kronsberg城區(qū)的雨水利用工程中成功應用了該系統。通過恰當的設計 ,MR系統與各種水環(huán)境共同創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境及高質量的開放空間。生態(tài)處理系統創(chuàng)造了良好的城市自然景觀。在德國柏林 Polsdamer廣場 Daimlerchrysler區(qū)域的生態(tài)小區(qū)雨水綜合利用系統就取得了良好的經濟、生態(tài)與社會效益。該技術較符合我國實際情況 ,可廣泛應用于以生態(tài)建設為目標的城市。但是 ,這種技術完全依賴自然的凈化機理處理雨水 ,它需要占用較多的城市空間 ,無法適應建筑密度高且改建困難的城市 ;另一方面 ,由于該技術對雨水的凈化效果有限 ,所以當地雨水回用水質要求較高時 ,就必須經過進一步的深度處理才能使用。【12】
4. 2 雨水徑流傳輸與收集技術
雨水徑流傳輸與收集技術是將來對來自屋頂、道路等的降水徑流分別傳輸、集 ,稍加處理或不經處理即直接用于沖洗廁所、澆灑綠地等。來自屋頂上和較清潔路面上的降水徑流除初期受到輕度污染外 ,后期徑流一般水質良好 ,可以收集經簡單處理后也可利用。
來自屋頂等的徑流 ,安裝分散式過濾器于房屋的每個漏雨管的下端 ,過濾處理后即直接用于沖洗廁所、溉綠地或構造水景觀等 ,如圖 1所示對于較清潔路面 ,設置蓄水池、中式過濾器 ,它是將來自不同面積上的徑流匯集到一起 ,然后進行集中過濾 ,流程如圖2所示這樣 ,一方面減輕了污水處理的壓力 ,又通過利用雨水減少了大量的自來水供應。
家庭利用雨水可采用預制混凝上或塑料蓄水池等 ;社區(qū)環(huán)境也可利用雨水等采用的構造景觀或人工湖等 ;還有為增加雨水入滲將綠地或花園做成起伏的地形或采用人工濕地等。學校、企業(yè)、小區(qū)、大型公共場所或道路兩側修建蓄水池 ,減少地面徑流量 ,把集蓄的雨水用于沖廁、洗車、消防、澆花、灑路、面景觀等 ,還可回灌補充地下水 ,實現雨水少排放 ,道路建設時在下面鋪設雨水管道 ,并采用滲水管道 ,人行道采用透水磚、皮磚 ,既補充地下水 ,又減少雨洪徑流。【13】
4. 3 雨水滲透———涵養(yǎng)地下水技術
地下入滲技術是在土地有限的情況下 ,或者表層有較淺的不透水層時 ,挖穿不透水層在透水層開挖入滲溝 ,溝內鋪設帶孔的透水管 ,周圍填裝直徑 8～32mm的礫石 ,將收集到的屋頂或道路等不透水地面所產的雨水用管道輸送到入滲溝內的透水管 ,溝內充填的礫石和管道有一定的蓄水空間 ,可存儲一部分雨水 ,并使雨水通過周圍的土壤下滲。地下入滲法占地較少 ,便于在城區(qū)及生活小區(qū)設置 ,如圖3所示。
對于我國有些地區(qū) ,由于地下水開采過度而導致地下水水位下降 ,如能將雨水處理后回注地下 ,補充、養(yǎng)地下水,同時還能對暴雨洪水的水量起到調蓄作用 ,削減洪澇災害。雨水的利用將緩解水資源的短缺 ,促進當地經濟的可持續(xù)發(fā)展。
雨水滲透技術是一種投資少、效快、發(fā)揮綜合效益的節(jié)水型排水設施。對必須改造和新建的下水道工程 ,一次性采用滲透設施 ,更能達到節(jié)省投資一舉多得的目的。滲透設施的構造、計參數、工管理應根據當地具體條件 (如地質條件、下水位等)試驗確定 ,還應考慮大氣、面污染對雨水水質的影響。【14】
4. 4 節(jié)能型雨水利用技術
目前 ,能源日益緊張 ,節(jié)能型雨水技術必將有很大的發(fā)展空間。在建筑中采用節(jié)能型雨水收集利用技術 ,可以降低雨水處理系統以及建筑能源消耗 ,構建可持續(xù)發(fā)展的低能耗生態(tài)建筑。
英國的 Barclaycard HQ是當代低能耗辦公建筑中的優(yōu)秀作品之一 ,如圖4所示。其利用了雨水的多種特性 ,并配合建筑的恰當設計 ,使得該建筑有效降低了能耗 ,同時也營造了良好的生態(tài)環(huán)境 ,成為可持續(xù)發(fā)展節(jié)能生態(tài)建筑的典范 ,使人們看到了雨水利用的新方向。
5 幾點建議
借鑒發(fā)達國家的經驗，為了合理、充分地利用雨水資源，實現西部干旱缺水地區(qū)水資源的可持續(xù)利用，使雨水資源化，特提出如下建議：
(1)建立良性的雨水利用運行機制。各級政府要深化產權制度改革，對于戶建工程，按照“誰建設，誰所有，誰受益”的原則，由政府頒發(fā)產權證；對于聯戶興建的工程，則由受益戶共同制定管理公約，推舉責任心強、懂技術、會管理的受益戶進行管理。各級政府應盡早制定《雨水利用條例》。在《雨水利用條例》中規(guī)定新建小區(qū)，無論是工業(yè)、商業(yè)還是居民小區(qū)，均要設計雨水利用設施等內容。
(2)加強雨水利用的理論研究。盡管雨水利用歷史悠久但實踐超前理論，雨水收集利用的科學研究還很滯后，不能滿足雨水利用的客觀需求，今后應予以加強。
(3)提高雨水的利用率。只有雨水收集系統而沒有雨水處理和回用系統是無法實現雨水資源的合理利用的，應將雨水集蓄利用工程與節(jié)水灌溉、水土保持及生態(tài)環(huán)境建設相結合，提倡一水多用，促進水資源的高效利用，使有限的水資源盡可能發(fā)揮最大的作用。要根據當地實際情況，采取不同形式雨水集蓄利用技術，能蓄則蓄，能攔則攔，以小、微型水利工程為主，充分利用當地的雨水資源。收集的雨水可以直接或經適當處理后用于沖廁所、洗車、澆庭院、洗衣服、澆綠地、消防和回灌地下水。 【15】
中國是一個城市化快速發(fā)展的國家，城市雨水綜合利用是解決城市水資源短缺、減少城市洪災的有效途徑，并且可以促進城市水資源和水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，城市雨水綜合利用應納入雨水規(guī)劃。城市雨水綜合利用是一項涉及多學科的、復雜的系統工程，在選擇雨水收集利用系統方案時，要特別注意地域及現場各種條件的差異，考慮城市和小區(qū)環(huán)境、生態(tài)和美學、人和自然的統一和諧，力求最佳效果。
就目前情況看，城市雨水收集利用系統建設在全國尚處在起步階段。但隨著全國人民環(huán)保意識的增強，城市雨水利用會逐步發(fā)展起來，這一點已被西方發(fā)達國家所證實。城市雨水利用不僅可以解決部分城市的水資源短缺問題，也為水資源的長期可持續(xù)發(fā)展提供了一個有效途徑。如果能在雨水收集利用、設備生產、設施建設、運行管理、中水利用等方面形成一個成熟的產業(yè)鏈，必將在全國產業(yè)發(fā)展多頭并進的情況下，引出一個利潤豐厚的朝陽產業(yè)。
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