陳 醇，韓瑞霞，尹 華

（西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127）

西安市雨水資源化利用策略研究

陳 醇，韓瑞霞，尹 華

（西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127）

在水資源短缺、水污染嚴(yán)重的背景下，城市防洪減排、地下水補(bǔ)給和工業(yè)生活用水緊張等問(wèn)題出現(xiàn)，使雨水資源化利用的必要性日益凸顯。在對(duì)西安市水資源現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同匯流介質(zhì)上雨水利用可行性的分析，提出了相對(duì)應(yīng)的利用措施。

雨水資源化；雨水收集；雨水利用

《世界水資源發(fā)展報(bào)告》顯示，地球表面約有70%以上的面積是被水覆蓋，水資源總量為1.386× 1018m3，其中淡水總水量為3.5×1016m3。占總儲(chǔ)量的2.525%。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的限制，目前在人類生活生產(chǎn)方面應(yīng)用最多的仍舊是河流湖泊和淺層地下水 ，總可用量約為1.046×1014m3，僅占淡水總儲(chǔ)量的0.3% ，而海水、冰川水、深層地下水還未得到廣泛利用。

我國(guó)由于地廣人密，位列全球用水量最多國(guó)家的前十位。我國(guó)水資源總量據(jù)統(tǒng)計(jì)約為2.8×1012m3，位列世界第6位，人均占有量為2 340 m3，僅為世界人均占有量的1／4，居世界總排名109位，已被列為全球13個(gè)貧水國(guó)家之一。到20世紀(jì)末，我國(guó)500多個(gè)城市中仍有300多個(gè)城市存在供水不足的問(wèn)題。

我國(guó)水資源基本水情是人多水少、水資源時(shí)空分布不均，面臨水資源供需矛盾突出，污染嚴(yán)重等問(wèn)題［1］。隨著城市化進(jìn)程的加快，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)水環(huán)境所造成的壓力日益明顯。在這種情況下，為協(xié)調(diào)供需水矛盾，減輕水資源壓力，城市雨水資源收集利用的價(jià)值日益明顯。其不僅能夠緩解用水緊張，同時(shí)在一定程度上能夠改善城市的局部小氣候。

雨水資源的利用在距今4 000多年前的中東地區(qū)就已經(jīng)開(kāi)始。20世紀(jì)60年代，日本開(kāi)始收集路面雨水并同時(shí)研究雨水回灌地下水技術(shù)［2］。到1982年，國(guó)際雨水集流會(huì)議召開(kāi)后，成立了國(guó)際雨水集流系統(tǒng)協(xié)會(huì)（International Rainwater Catchment Systems Assiociation，IRCSA）。我國(guó)在雨水的收集和利用方面雖然具有較長(zhǎng)的歷史，但多在干旱缺水的農(nóng)村地區(qū)。20世紀(jì)90年代，多個(gè)缺水地區(qū)展開(kāi)了雨水利用試驗(yàn)示范研究，如甘肅省開(kāi)展的“121雨水集流灌溉工程”、內(nèi)蒙古開(kāi)展的“112集雨節(jié)水灌溉工程”等，但總體上我國(guó)城市雨水資源化的研究和利用仍處于起步階段。

1 西安市水資源概況及開(kāi)發(fā)雨水資源的必要性

西安市地處中國(guó)腹地渭河流域中部關(guān)中盆地，是我國(guó)水資源最為缺乏的14個(gè)城市之一，水資源的匱乏已成為限制西安市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西安市主要的七條一級(jí)河流中只有兩條水質(zhì)合格，其中渭河、皂河、澇河、灃河、河由于多年來(lái)工業(yè)、城市和農(nóng)業(yè)廢污水的排放，污染嚴(yán)重，現(xiàn)均屬于V類水質(zhì)，難以利用。由于城市化進(jìn)程的加快，各方面用水需求量逐年增加，地下水的開(kāi)采力度也不斷增加，地下水位下降，地面沉降、塌陷等危害顯現(xiàn)。在地下水開(kāi)采受到限制，地表水受污嚴(yán)重的情況下，開(kāi)發(fā)新的水資源是當(dāng)前保證社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的最佳方案。城市雨水資源的有效利用，對(duì)補(bǔ)給地下水，緩解當(dāng)下水資源供需矛盾有相當(dāng)大的幫助。

2 西安市雨水資源化利用的可行性

西安市城市雨水資源化的方式可以根據(jù)雨水匯流的介質(zhì)不同可分為三個(gè)方面，即屋面雨水的回收利用、道路雨水的資源化利用以及綠地雨水的利用。屋面雨水的利用方式主要方法是將初期水質(zhì)不穩(wěn)定且雜質(zhì)較多的雨水棄流之后，將水質(zhì)穩(wěn)定的雨水收集入先期建設(shè)的地下蓄水池，再進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃利用；道路雨水的資源化方式是將雨水通過(guò)管道收集入蓄水池或經(jīng)過(guò)透水路面或透水方磚直接下滲；綠地雨水主要的利用方式是建立生態(tài)滲濾池，生態(tài)溝或直接下滲。具體過(guò)程見(jiàn)圖1。

2.1 屋面雨水的利用

屋面作為城市建筑物的主要雨水匯流介質(zhì)，具有面積大，污染物相對(duì)較少且成分單一，雨水徑流量大、便于雨水收集等特點(diǎn)。

2.1.1 屋面中水估算

城市建筑屋面可用中水的用量可通過(guò)式（1）計(jì)算：

其中：Q為屋面年平均可利用雨量（m3）；Ψ為徑流系數(shù)；α為季節(jié)折減系數(shù)；β為初期棄流系數(shù)；A為屋面水平投影面積（m2）；H為年平均降雨量（mm）。

計(jì)算式（1）中，徑流系數(shù) Ψ的取值根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015－2009）中4.9.6規(guī)定屋面的徑流系數(shù)一般取0.90～1.00。季節(jié)折減系數(shù) α應(yīng)通過(guò)降雨集中時(shí)期的降雨量占全年總降雨量的比值。

圖1 雨水利用方式

表1 西安地區(qū)1951年以來(lái)年平均及各季降水量統(tǒng)計(jì)單位：mm

由表1可知［3］，西安市的雨水主要集中在夏秋兩季，則通過(guò)換算西安市季節(jié)折減系數(shù) α可確定為0.723。初期棄流系數(shù) β取0.86，β＝1－初期棄雨量×年利用降雨次數(shù)／年平均降雨量＝0.86［4］。西安市年平均降雨量約為573.704 mm。由上述計(jì)算公式和已確定的相關(guān)系數(shù)，再根據(jù)各斷面的徑流系數(shù)、與各屋面水平投影面積可確定出各個(gè)斷面的年平均可利用雨量。

2.1.2 西安市屋面雨水資源化擬采用的技術(shù)措施

屋面雨水回收利用中，由雨水的初期降落得到的匯流水質(zhì)較混濁，色度大，污染較為嚴(yán)重。雨水水質(zhì)除與降水強(qiáng)度密切相關(guān)外，也受屋面所用材料、當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量、氣溫、兩次降雨間隔時(shí)間等因素的影響［5］。因此要考慮初期棄流，將棄流的雨水排入城市污水管道，經(jīng)城市污水處理廠的處理達(dá)標(biāo)后排放。棄流結(jié)束后，雨水形成的匯流水質(zhì)基本穩(wěn)定，雜質(zhì)含量少，成分相對(duì)單一。將這部分雨水通過(guò)管道，水渠、水槽等輔助設(shè)施輸送至蓄水池進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)在蓄水池中加入混凝劑，使在初期棄流中未被除去的懸浮物、膠體等物質(zhì)再去除。蓄水池在蓄水的同時(shí)起到沉淀池的作用。之后再通過(guò)壓力泵提升到壓力濾池中，通過(guò)簡(jiǎn)單的直接過(guò)濾后添加消毒劑進(jìn)行消毒。最后進(jìn)入中水系統(tǒng)，以供城市市政消防、綠化、路面的噴灑、洗車、公共廁所的沖水的等方面的利用。西安市城市屋面雨水利用方式可采用圖2所示的工藝流程［6］。

圖2 城市屋面雨水利用方案工藝流程

2.2 道路雨水的利用

2.2.1 道路雨水的可利用性

城市的地表主要為路面，目前西安市主要道路均采用水泥瀝青等硬化材料鋪設(shè)，透水性較低，西安市城區(qū)內(nèi)近400 km2的交通用地路面都實(shí)現(xiàn)了硬化［7］。宋偉等研究認(rèn)為［8］以往可以通過(guò)土地地面滲入地下的雨水，超過(guò)80%都在硬化過(guò)的地面如水泥、瀝青等路面匯集，必須用排水系統(tǒng)排至河流等，不僅雨水未得到合理的利用，同時(shí)極大地增加了排水管道的壓力。雨水降至地面形成的徑流水質(zhì)總體較差，污染物除了在降水過(guò)程中吸收的空氣中的粉塵等污染物外，路面的泥土、灰塵、有機(jī)污染物也會(huì)被雨水沖刷而進(jìn)入雨水徑流中。

通過(guò)對(duì)西北大學(xué)南校區(qū)路面水質(zhì)指標(biāo)COD和SS進(jìn)行測(cè)量，路面水污染程度偏高。但隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，污染物濃度明顯下降。由圖3、圖4所示。

圖3 SS 隨降雨時(shí)間的濃度變化曲線

圖4 CODCr隨降雨時(shí)間濃度變化曲線

同時(shí)孫常磊［9］等對(duì)西安市降雨后路面徑流進(jìn)行了水質(zhì)分析，也得出相似結(jié)論，在降雨初期路面水質(zhì)很差，濁度大，隨著降雨時(shí)間的增加水體中的污染物濃度明顯降低?？梢?jiàn)路面徑流的污染物濃度變化方式基本一致。

將初期污染物濃度較高的路面徑流棄流之后，剩下的雨水形成的徑流建議采用以下方式利用，①將易收集到的雨水通過(guò)匯入地下蓄水池進(jìn)行處理后統(tǒng)一利用；②對(duì)于分散性較強(qiáng)，面積較小、收集雨水困難度大的路面，可將路面改設(shè)為透水路面，或在路面鋪設(shè)透水方磚。雨水通過(guò)下滲補(bǔ)給地下水，增加入滲量，不僅減小城市徑流量，同時(shí)還能在雨洪時(shí)期減少洪峰量，延遲雨水回流時(shí)間。③對(duì)于與綠化用地相鄰的路面可將綠化用地面修建的低于道路面，以利于路面的雨水流入綠地，減少綠化用水，同時(shí)通過(guò)綠地下滲，回補(bǔ)地下水。

2.2.2 道路可收集雨水水量估算

①地下蓄水池的蓄水量可通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：V為蓄水池容積（m3）；Ψ為徑流系數(shù)；α為初期棄流折減系數(shù)；D為路面寬度（m）；L為量蓄水池之間距離（m）；H為設(shè)計(jì)日降雨量（mm）。

計(jì)算式中，徑流系數(shù) Ψ的取值根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015－2009）中4.9.6規(guī)定混凝土和瀝青路面等不透水表面的徑流系數(shù)，一般取0.9；α一般取0.85。

滲水設(shè)施的滲水量可由式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ws為滲透能力（m3）；a為綜合安全系數(shù)，一般取0.5～0.8；K為土壤滲透系數(shù)（m／s）；J為水力坡降，垂直滲透一般可取J＝1.0；As為有效滲透面積（m2）；Ts為滲透時(shí)間（s）。

2.2.3 道路雨水利用的初步技術(shù)措施

道路雨水利用的初步技術(shù)措施可分為以下兩種模式：

（1）不透水路面的雨水收集利用。

不透水路面匯流的雨水，由于污染物難以擴(kuò)散導(dǎo)致水質(zhì)較差。因此在利用的時(shí)候工藝比較復(fù)雜，需在道路雨水口加設(shè)格柵、濾網(wǎng)等以過(guò)濾較大的污染物。雨水通過(guò)初期棄流裝置將初期難以利用的雨水棄掉后，進(jìn)入蓄水池，在蓄水池中經(jīng)過(guò)過(guò)濾消毒后進(jìn)入中水系統(tǒng)，進(jìn)行利用。具體流程可用圖5表示。

圖5 不透水路面的雨水收集利用流程圖

（2）透水路面的雨水收集利用。

透水路面的雨水利用方式主要是通過(guò)透水路面和透水方磚將雨水棄除初期徑流后，依靠土壤的凈化調(diào)節(jié)作用，直接下滲入地下的生態(tài)滲濾溝等，進(jìn)行地下水的補(bǔ)給。具體流程見(jiàn)圖6。

圖6 透水路面的雨水收集利用流程圖

2.3 綠地雨水的利用

綠地是城市中極好的滲透設(shè)施。綠地雨水的利用方案較前兩種方案簡(jiǎn)單。綠地雨水的主要利用途徑即回灌。雨水通過(guò)綠地下滲土壤，不僅可以補(bǔ)充地下水的儲(chǔ)量，還可以減少汛期時(shí)洪水的徑流量達(dá)到防洪減排的作用。建設(shè)綠地時(shí)，綠地面高度應(yīng)設(shè)計(jì)為低于路面高度，增大綠地的雨水徑流收集量。同時(shí)優(yōu)先考慮將其建設(shè)為下凹的方式，以增加其下蓄水能力和下滲能力。盡量減少拱形綠地，防治雨水徑流沿坡面流出，及綠地邊緣土壤含水量過(guò)快飽和，造成后續(xù)雨水的下滲減慢。同時(shí)在綠色植被與土壤之間宜增設(shè)貯水層、透水層等，從而減緩雨水的徑流速度，以增加土壤的相對(duì)含水量［10］。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西安市水資源現(xiàn)狀的分析，認(rèn)為雨水資源化是當(dāng)前解決水資源短缺，水資源污染嚴(yán)重的有效措施之一。為此根據(jù)雨水的匯流介質(zhì)提出了屋面、道路、綠地三種介質(zhì)上雨水資源化的利用方案。通過(guò)對(duì)其可行性的分析，針對(duì)不同匯流介質(zhì)提出了相應(yīng)的初步技術(shù)措施。

西安市雨水資源化過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)氣象、降雨、水文、洪澇災(zāi)害等方面的資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出其內(nèi)在關(guān)系及其規(guī)律，同時(shí)還應(yīng)加大城市路面的改造，增加綠地面積，提高雨水的入滲率，發(fā)揮土壤的調(diào)蓄功能，使地下水的儲(chǔ)量得到就地補(bǔ)給，最后，應(yīng)該全面合理的協(xié)調(diào)用水、蓄水與降雨的不同步關(guān)系，合理分配用水，也是實(shí)現(xiàn)西安市雨水資源化可持續(xù)利用的有效途徑之一。

［1］ 岳尚華.王 浩：中國(guó)水現(xiàn)狀不容樂(lè)觀——訪中國(guó)工程院院士、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所名譽(yù)所長(zhǎng)王浩［J］.地球，2013，（10）：15－19.

［2］ Shizuo shindo.Rainfall harvesting in Volcanic Islandsof Japan－Case studies of the Izu Island［C］／／Proceeding of International Symposium&2nd ChineseNationalConferenceon RainwaterUtilization.Xuzhou，Jiangsu Province，China，1998：131－133.

［3］ 黨碧玲，任志遠(yuǎn)，張 羽中.西安地區(qū)近50年降水量的統(tǒng)計(jì)分析［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41（1）：139－144.

［4］ 黃亞偉 .西安市城市小區(qū)雨水利用設(shè)計(jì)方案的探討［J］.陜西建筑，2006，（10）：7－9.

［5］ 車 武，歐 嵐，劉 紅，等.屋面雨水土壤層滲透凈化研究［J］.給水排水 ，2001，27（9）：38－41.

［6］ 曹秀芹 ，車 武.城市屋面雨水收集利用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析［J］.給水排水，2002，28（1）：13－15.

［7］ 張 迪.西安城市雨水資源化研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

［8］ 宋 偉，周慶華，郭永辰.著力開(kāi)展以雨洪利用為重點(diǎn)的城市水土保持生態(tài)建設(shè)工作［J］.河北水利，2006，（4）：13－14.

［9］ 孫常磊.西安城市雨水利用分區(qū)及不同下墊面雨水徑流水質(zhì)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2005.

［10］ 宋進(jìn)喜，李懷恩，王伯鐸，等.西安市雨水資源化及其利用的探索［J］.水土保持學(xué)報(bào) ，2002，16（3）：102－105.

Research on Utilization Strategies of Xi’an Rainwater Resources

CHEN Chun，HAN Rui－xia，YIN Hua
（College of Urban and Enviromental Science，Northwest University，Xi’an，Shaanxi710127，China）

Under the background ofwater shortagesandwater pollution，rainwater resources has become increasingly important in controlling flood，reducing drainage，recharging groundwater and solvingwater shortages.Based on the analysis ofwater resources situation in Xi’an，we analyzed the feasibility of rainwater utilization on different confluences，and put forward corresponding utilizingmeasures.

rainwater resources；rainwater collection；rainwater utilization

P426.6

A

1672—1144（2014）04—0204—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.041

2014－02－24

2014－04－21

陳 醇（1992—），女 ，陜西咸陽(yáng)人 ，本科生，所學(xué)專業(yè)為環(huán)境科學(xué)。