李 躍，梁 英，楊 毅，李成樂(lè)，邢文雅

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610000)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程逐步推進(jìn)，水資源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯。我國(guó)有400多座城市供水不足，嚴(yán)重缺水的城市有110座；同時(shí)，流經(jīng)城市的河流普遍受到污染[1]。另一方面，2010年住建部對(duì)我國(guó)351個(gè)城市開(kāi)展調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在2008-2010年間有62%的城市發(fā)生了內(nèi)澇。

由此可見(jiàn)，我國(guó)城市普遍存在缺水與內(nèi)澇并存的問(wèn)題，而雨水利用是解決這一矛盾的可行之路[2-5]。發(fā)達(dá)國(guó)家在雨水利用領(lǐng)域的研究及技術(shù)已較為成熟，形成了一套完整的理論體系，并開(kāi)發(fā)出了系列的技術(shù)措施。美國(guó)國(guó)家污染物去除系統(tǒng)(National Pollutant Discharge Elimination Systems)，將暴雨徑流的水質(zhì)控制納入立法；同時(shí)提出了低影響開(kāi)發(fā)(Low-impact development)，強(qiáng)調(diào)從源頭控制降雨徑流[6]。加拿大推行了水源保護(hù)(source water protection (SWP))政策，要求雨洪控制設(shè)計(jì)不得改變下游地區(qū)的水質(zhì)與水量平衡[7,8]。德國(guó)針對(duì)雨水利用制定了配套的法規(guī)和管理方法，形成了完善的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)[9]。新加坡提出了“ABC”計(jì)劃(The Active Beautiful Clean Waters Program)，通過(guò)聯(lián)合傳統(tǒng)雨水設(shè)施與低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施，達(dá)到雨洪管理的目的[10]。日本推行了蓄排結(jié)合的雨水綜合管理理念，通過(guò)雨水儲(chǔ)存滲透計(jì)劃，加強(qiáng)雨水的儲(chǔ)蓄與下滲；同時(shí)日本還將雨水利用納入城市規(guī)劃中，制定了相關(guān)的雨水利用補(bǔ)助金制度[11,12]。

我國(guó)的雨水利用研究起步于20世紀(jì)末，在我國(guó)雨水利用初期，主要研究一些小型化非標(biāo)準(zhǔn)的雨水利用措施，技術(shù)還比較落后。隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，各城市都開(kāi)始重視雨水問(wèn)題，如北京、上海等城市先后開(kāi)展了雨水徑流污染控制、雨水資源化利用等示范工程。在2014年我國(guó)推出了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，提出了“海綿城市與低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)”，旨在轉(zhuǎn)變排水防澇思路，讓城市“彈性適應(yīng)”環(huán)境變化與自然災(zāi)害[13]，為我國(guó)的雨水利用邁出了實(shí)質(zhì)性的一步?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)雨水利用還是缺乏系統(tǒng)性，更為重要的是我國(guó)雨水利用還未正式納入城市規(guī)劃中。

降雨自身具有的隨機(jī)性及復(fù)雜性使得雨水利用依然是一個(gè)難點(diǎn)。如何使雨水得到高效的綜合利用，使城市的缺水、內(nèi)澇和面源污染問(wèn)題得到解決依然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文以位于成都市的四川大學(xué)江安校區(qū)為研究區(qū)域，通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)域內(nèi)的徑流水質(zhì)與水量平衡分析，探討城市雨水利用的可行性。

1 成都市水資源與用地狀況

成都地區(qū)多年平均降雨量為990 mm，并且降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]。根據(jù)《2015年成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》所述，成都市地表水水質(zhì)總體為輕度污染，主要污染指標(biāo)為總磷、氨氮和石油類。

在2000-2010年間中國(guó)城市總體土地城市化率由12.54%上升到24.43%，提高近一倍，成都作為特大型城市，在2010年土地城市化率已經(jīng)達(dá)到28.30%[15]，由此表明成都市區(qū)硬化地面積在十年間大幅增加。同時(shí)，我國(guó)城市化與生態(tài)環(huán)境在發(fā)展過(guò)程中存在交互耦合現(xiàn)象，成都所在的西部地區(qū)正處于低水平耦合到拮抗時(shí)期的轉(zhuǎn)型階段，若不加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)治理，城市發(fā)展與環(huán)境的協(xié)調(diào)性將受到破壞，可誘發(fā)環(huán)境危機(jī)，威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展與居民生存條件[16]。

2 成都市雨水利用潛力及意義

統(tǒng)計(jì)成都地區(qū)近12年(2004-2015年)水資源總量及人均水資源量得出，成都市12年來(lái)平均水資源總量為79.04 億m3，人均水資源占有量為706.74 m3，約為全國(guó)人均水平的1/3、世界人均水平的1/10，屬于重度缺水城市。同時(shí)由于成都地區(qū)年內(nèi)降雨分配不均，降雨主要集中在夏季，這也加劇了成都市的缺水狀況。但是成都地區(qū)降雨豐富，多年平均降雨量達(dá)到990 mm，雨水可利用量大。若能有效地利用成都市的雨水，必將有效緩解成都市的缺水狀況。

此外，由于雨水對(duì)下墊面污染物的沖刷作用，雨水中的污染物含量較高。雨水一般都未經(jīng)處理直接排入河道，便會(huì)加重城市地表水的污染，如果對(duì)初期雨水進(jìn)行有效的截流及處理，那么將極大地改善成都地區(qū)的地表水污染狀況。

3 研究區(qū)域概況

3.1 研究區(qū)域土地參數(shù)

本文研究區(qū)域是位于成都市的四川大學(xué)江安校區(qū)，總面積2 km2，因?yàn)檠芯繀^(qū)域位于成都市內(nèi)，所以可以作為成都市雨水利用研究的一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域。具體土地參數(shù)如表1所示。

表1 用地類型、面積及徑流系數(shù)Tab.1 Type, area and runoff coefficient of the land

3.2 研究區(qū)域的徑流水質(zhì)

為了準(zhǔn)確測(cè)量研究區(qū)域的徑流水質(zhì)，選用了兩種用地類型的徑流，一種是屋面徑流，另一種是路面徑流。采樣地點(diǎn)均分別有兩處，一處位于教學(xué)區(qū)，另一處位于生活區(qū)。

各采樣點(diǎn)每間隔10 min收集一次，每種用地類型的徑流收集兩組，每組收集了6瓶水樣。水質(zhì)分析項(xiàng)目有SS、pH值、總氮、總磷、BOD、COD。各項(xiàng)目取兩組平均值，如表2、3所示。

通過(guò)對(duì)降雨徑流過(guò)程水質(zhì)的分析測(cè)定，發(fā)現(xiàn)主要污染物為COD和SS，總氮和總磷等污染物濃度則較低。隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，污染物濃度逐漸下降，色度也隨之降低。圖1、2分別為初期徑流的COD濃度和SS濃度隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可看出COD與SS的濃度在初期徑流中含量最高，隨降雨歷時(shí)的增加逐漸減小，總氮和總磷的變化規(guī)律也基本一致，這表明研究區(qū)域存在“降雨初期沖刷效應(yīng)”[17,18]。故考慮可以將初期徑流截留處理后排放，而利用余下徑流作為再生水。

圖1 COD變化曲線Fig.1 Variation curve of COD

圖2 SS變化曲線Fig.2 Variation curve of SS

4 雨水利用方案

4.1 雨水利用技術(shù)

隨著城市的發(fā)展，大量的可透水和蓄水的自然地表被改造成為不透水的建筑、道路、廣場(chǎng)等，打破了原有的水文循環(huán)，影響了地表水和地下水資源的質(zhì)和量[19]。因而雨水利用已成為城市未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。雨水利用主要分為直接利用和間接利用。雨水的直接利用主要通過(guò)收集、儲(chǔ)留、凈化等達(dá)到雨水利用的目的；雨水的間接利用主要加強(qiáng)雨水的下滲，補(bǔ)充地下水，修復(fù)城市的自然水循環(huán)。

4.2 雨水利用系統(tǒng)的選擇

雨水利用系統(tǒng)一般由土壤入滲系統(tǒng)、收集回用系統(tǒng)、蓄存排放系統(tǒng)3種基本系統(tǒng)組成。綜合考慮研究區(qū)域的實(shí)際情況，將污染較輕的綠地上的徑流就地下滲，而截留污染較重的屋面、道路和廣場(chǎng)上的初期徑流后再收集利用余下徑流，故選用土壤入滲+收集回用的雨水利用系統(tǒng)。

4.3 雨水利用水量平衡分析

水量平衡分析的目的是根據(jù)水量盈虧平衡情況對(duì)雨水收集利用、滲透、排放等進(jìn)行合理分配，從而確定各部分的設(shè)計(jì)規(guī)模。根據(jù)水量平衡分析，得出如下結(jié)果。

4.3.1 研究區(qū)域年降雨總量

年降雨總量計(jì)算公式為：

Qj=A×H×10-3

(1)

式中：Qj為年降雨總量，計(jì)算得198 萬(wàn)m3；A為研究區(qū)域占地面積，為200 萬(wàn)m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

4.3.2 研究區(qū)域收集雨水量

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(2)

式中：Qh為年均可收集雨水量，計(jì)算得456 392 m3；ψi為徑流系數(shù)，水域取1，屋面、道路和廣場(chǎng)取0.9；α為季節(jié)折減系數(shù)，成都為0.89[20]；β為初期棄流系數(shù)，人工湖為1，屋面、道路和廣場(chǎng)為0.67[21]；Ai為集水面積，其中人工湖面積120 000 m2，屋面面積170 000 m2，道路與廣場(chǎng)面積490 000 m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

4.3.3 用水量分析：

(1)雜用水。根據(jù)定額，綠化用水取2.0 L/(m2·次)，澆灑道路用水取1.0 L/(m2·次)。其中道路面積400 000 m2，需澆灑的綠化用地面積416 000 m2。

表4 用水量計(jì)算Tab.4 Water consumption calculation

(2)景觀用水。研究區(qū)域內(nèi)的景觀用水按300 m3/d計(jì)算，則年景觀用水量為109 500 m3。

4.3.4 水量平衡分析

由表5可以看出，研究區(qū)域雜用水及景觀用水總量小于總收集雨水量，收集雨水量滿足需求。

表5 水量平衡分析 m3

4.4 “夏雨冬用”的雨水利用方案

4.4.1 雨水利用方案設(shè)計(jì)

前文已述成都市降雨主要集中在6-9月，占全年降雨量的73%左右[14]。可見(jiàn)成都市降雨在年內(nèi)分布不均，在夏天時(shí)屬于豐雨期，冬季屬于枯雨期。這樣集中的降雨模式對(duì)雨水利用特別不利，會(huì)造成豐雨期雨水收集過(guò)多而浪費(fèi)，在枯雨期雨水收集不足而讓雨水回用設(shè)施閑置。因此可以將海綿城市“蓄、用”的觀念從一場(chǎng)降雨的蓄積再利用，進(jìn)一步宏觀化到年內(nèi)的蓄積再利用；利用現(xiàn)有的集水容積將豐雨期多余的雨水儲(chǔ)蓄起來(lái)，等到枯雨期再利用儲(chǔ)蓄的雨水，形成“夏雨冬用”的雨水利用方案。

在討論轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品標(biāo)識(shí)制度時(shí)，各個(gè)學(xué)者提到不同的關(guān)于轉(zhuǎn)基因的概念，有農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物、轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品、轉(zhuǎn)基因食品等多種概念，我們首先來(lái)明確一下轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品中涉及的幾個(gè)重要概念。

4.4.2 雨水利用方案的實(shí)施

為了實(shí)現(xiàn)年內(nèi)的雨水蓄積再利用，將研究區(qū)域內(nèi)的人工湖作為蓄水設(shè)施。人工湖的設(shè)計(jì)水深為1～3 m，將豐雨期的湖水水深保持為3 m，定期引流江安河河水進(jìn)行換水，以保證湖水的水質(zhì)；到枯雨期時(shí)再收集利用這部分湖水，直至1 m的水深。

將降雨豐沛的6-9月作為人工湖的蓄水期，4月、5月、10月和11月作為水量供需平衡期，降雨量少的1月、2月、3月和12月作為人工湖的取水期。通過(guò)計(jì)算可知人工湖可蓄水240 000 m3，在取水期的4個(gè)月需取水量為總需水量的1/3，為111 652 m3，因此人工湖的蓄水量完全可以滿足取水期的用水需求(見(jiàn)圖3)。通過(guò)這種“夏雨冬用”的雨水管理模式，即解決了枯雨期的水源不足的困境，也蓄留了豐雨期的地表徑流，降低了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 蓄水量與需水量對(duì)比Fig.3 Comparison between water storage volume and water withdrawal

5 雨水利用效益分析

依據(jù)上文的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出年均截留初期徑流量、年均雨水利用量和年均污染物減排量。最后結(jié)果如表6所示。

表6 雨水利用效益Tab.6 Rainwater utilization benefit

截留的初期徑流來(lái)自污染較重的屋面、道路和廣場(chǎng)，利用上文中的公式：

Qh=∑ψi×α×β×Ai×H×10-3

(3)

將其中的初期棄流系數(shù)β改為(1-β)，其他參數(shù)與上文相同，計(jì)算得年均截留初期徑流量為172 713 m3。

年均雨水利用量與上文中4.3.2節(jié)計(jì)算的研究區(qū)域收集雨水量相同，為456 392 m3。

減排的污染物來(lái)自截留的初期徑流中的污染物，計(jì)算公式為：

Li=0.001×EMC×Qhi

(4)

式中:Li為年均污染物減排量，t；0.001為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；EMC為前30 min初期徑流中某污染物的平均濃度，屋面徑流COD為559.3 mg/L，SS為936.1 mg/L，道路及廣場(chǎng)徑流COD為647.8 mg/L，SS為1 048.9 mg/L；Qhi為各類土地的徑流初期截留量，屋面為44 487 m3，道路與廣場(chǎng)為128 226 m3。

6 成都市雨水利用總體分析

根據(jù)上文對(duì)研究區(qū)域雨水徑流的計(jì)算與分析，可知成都市的雨水徑流在水量上存在滿足雜用水和景觀用水需求的潛力，水質(zhì)上可以通過(guò)截留和處理初期徑流達(dá)到減少年污染負(fù)荷的目的。以下將從總體上分析成都中心城區(qū)的雨水利用。

成都中心城區(qū)面積約為630 km2，依據(jù)《成都市城市總體規(guī)劃2011-2020》，以2020年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，建筑、道路和廣場(chǎng)等不透水建設(shè)用地率為69%，即435 km2。考慮只收集不透水用地上的徑流，按照年均可收集雨量公式：

Qh=ψ×α×β×A×H×10-3

(5)

式中：Qh為年均可收集雨水量，計(jì)算得2.31 億m3；ψi為徑流系數(shù)，取0.9；α為季節(jié)折減系數(shù)，成都為0.89[20]；β為初期棄流系數(shù)，取0.67[21]；A為集水面積，4.35 億m2；H為年平均降雨量，成都為990 mm。

依據(jù)4.4節(jié)中的“夏雨冬用”的雨水管理模式，計(jì)算得知成都市如要達(dá)到使用降雨徑流來(lái)滿足雜用水與景觀用水的目標(biāo)，需要的雨水儲(chǔ)水量為0.77 億m3。而成都市規(guī)劃的環(huán)城生態(tài)湖泊和濕地蓄水總庫(kù)容約為0.427 億m3[22]，占總需儲(chǔ)水量的55.45%。因此，成都中心城區(qū)目前還不具備使用降雨徑流來(lái)完全滿足雜用水與景觀用水的儲(chǔ)水庫(kù)容條件。

7 結(jié) 論

雨水利用要以“雨水是資源，先利用后排放，利用與城市蓄洪減澇相結(jié)合，利用與控制徑流污染相結(jié)合，利用與改善生態(tài)環(huán)境相結(jié)合”為指導(dǎo)思想。將位處成都市的四川大學(xué)江安校區(qū)作為研究區(qū)域，使用“夏雨冬用”的雨水利用方案，利用現(xiàn)有蓄水設(shè)施蓄積豐雨期的雨水，然后在枯雨期使用蓄積的雨水，這樣不僅節(jié)省了水資源，更有利于改善生態(tài)環(huán)境，與城市蓄洪減澇相結(jié)合?？偨Y(jié)本文，有以下5點(diǎn)結(jié)論：

(1)成都市存在“降雨初期沖刷效應(yīng)”，因此在利用雨水徑流之前，應(yīng)該截留初期徑流并進(jìn)行凈化處理。

(2)通過(guò)收集、處理研究區(qū)域內(nèi)人工湖、屋面、路面與廣場(chǎng)上的雨水徑流就可以滿足研究區(qū)域內(nèi)的雜用水以及景觀用水的需求。

(3)通過(guò)收集、處理研究區(qū)域內(nèi)屋面、路面與廣場(chǎng)的雨水徑流，可以減少年污染負(fù)荷，減輕區(qū)域內(nèi)的地表水污染狀況。

(4)通過(guò)蓄水設(shè)施在年內(nèi)合理調(diào)配雨水資源，使雨水資源得到優(yōu)化利用的同時(shí)也能降低城市內(nèi)澇發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)成都市中心城區(qū)目前尚不具有足夠的儲(chǔ)水庫(kù)容，以達(dá)到完全使用雨水徑流來(lái)滿足雜用水與景觀用水的目標(biāo)。

此外，進(jìn)一步的研究應(yīng)該著眼于適用于雨水徑流的處理技術(shù)，以及雨水徑流利用的經(jīng)濟(jì)效益分析。

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