王 嵐，張其成，陳 星

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098)

目前我國(guó)城市的發(fā)展不同程度上受到干旱缺水、洪澇災(zāi)害、水環(huán)境惡化的影響［1］。水資源短缺是全國(guó)大多數(shù)城市存在的問(wèn)題［2］。所含污染物超標(biāo)的初期雨水直接排入城市河道、湖泊，影響了城市水環(huán)境質(zhì)量。雨水資源利用能緩解水資源緊張，減輕排水和防洪壓力，是保護(hù)水環(huán)境、實(shí)現(xiàn)宜居城市目標(biāo)的重要措施之一。

目前，世界五大洲約40 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)在雨洪資源利用方面進(jìn)行了大量實(shí)踐。德國(guó)是歐洲開(kāi)展雨水利用工程最好的國(guó)家之一，早在1995 年，其首都柏林市就設(shè)計(jì)安裝了許多雨水利用設(shè)施，如，貝爾斯-魯?shù)驴私謪^(qū)利用7 000 m2集水面積的屋頂和街道、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)收集雨水，雨水經(jīng)處理后用于花園灌溉和廁所沖洗，在源頭上保留了58%的雨水，每年節(jié)約飲用水大約2 430 m3，保護(hù)了相當(dāng)數(shù)量的柏林地下水，同時(shí)也減少了暴雨造成的污染［3］。

我國(guó)雨水充沛，雨水資源是我國(guó)可利用的淡水資源之一［4］，但降雨多集中在6—9 月份，且雨水隨徑流排走，使地下水補(bǔ)給不足。我國(guó)雨水資源化利用尚不普及，除部分地區(qū)建立了小型雨水收集利用系統(tǒng)外，大部分地區(qū)的雨水利用還處于研究階段。筆者認(rèn)為，在住宅小區(qū)和公園的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮雨水資源的控制利用，要采用規(guī)?；挠晁孟到y(tǒng)，建設(shè)雨水利用示范工程，以展示城市雨水排放新概念，實(shí)現(xiàn)雨水資源化。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文氣象特征

研究區(qū)福州萬(wàn)科大樟溪住宅小區(qū)位于大樟溪西側(cè)。大樟溪是閩江下游最大的河流，河床比降大，在福建省永泰縣境內(nèi)長(zhǎng)121 km，被譽(yù)為“永泰的母親河”。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖多雨，多年平均降水量為1 723 mm。雖然研究區(qū)水資源相對(duì)豐富，但降水量年內(nèi)分布不均，主要集中于4—9 月，4—9 月的降水量約占全年降水量的83.4%。根據(jù)相關(guān)水文資料，規(guī)劃區(qū)五十年一遇最大降雨量為100 mm/h，二十年一遇最大降雨量為88 mm/h。由于降水季節(jié)不均，研究區(qū)季節(jié)性和結(jié)構(gòu)性缺水的問(wèn)題比較突出，一方面半年時(shí)間處于枯水、缺水季節(jié);另一方面山區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害對(duì)居民安全造成影響。

1.2 產(chǎn)匯流特征

規(guī)劃在研究區(qū)建設(shè)總面積為0.45 km2的生態(tài)化居住區(qū)。研究區(qū)位于福建省福州市永泰縣赤壁村，距離福州市中心32 km，地貌以丘陵為主，最高點(diǎn)高程為66 m，最低點(diǎn)高程為16 m，地勢(shì)自西南向東北逐漸降低。研究區(qū)所在流域集水面積只有0.591 km2，且河道短，坡降陡，產(chǎn)匯流快。研究區(qū)地塊大部分為未經(jīng)開(kāi)發(fā)的天然農(nóng)田與丘陵林地，區(qū)域內(nèi)小河流、河溝基本為天然狀態(tài)，河流護(hù)岸大都為天然或簡(jiǎn)易生產(chǎn)岸坡。水流大多依地勢(shì)匯入洼地農(nóng)田或排入小區(qū)內(nèi)蓄水池塘，發(fā)生稍大洪水時(shí)，低洼處農(nóng)田甚至房屋等建筑物將被淹沒(méi)。研究區(qū)地形與集水區(qū)域示意見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)地形與集水區(qū)域示意圖

2 雨水收集利用方案

2.1 收集利用流程

本研究采用雨水收集—處理回用—調(diào)蓄排放模式，設(shè)置雨水收集管網(wǎng)系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)、雨水調(diào)蓄排放系統(tǒng)。整個(gè)雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置，結(jié)合了大樟溪小區(qū)內(nèi)的建筑物、道路、綠地的規(guī)劃布局和用水點(diǎn)的空間分布，并綜合考慮各類雨水類型的受污染程度及不同雨水利用點(diǎn)對(duì)水質(zhì)的要求，以充分合理利用雨水資源。在具體實(shí)施過(guò)程中，以人工湖為中心，把雨水收集系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)、雨水調(diào)蓄排放系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。研究區(qū)雨水收集利用流程見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)雨水收集利用流程

2.1.1 雨水收集

根據(jù)城市氣象、水文地質(zhì)和不同下墊面條件，雨水集蓄利用方式有多種［5］。本研究雨水收集途徑分為4 類:屋面雨水、路面雨水、綠地雨水和場(chǎng)地(廣場(chǎng)、停車場(chǎng)等)雨水。針對(duì)不同雨水收集面采取相應(yīng)的雨水收集技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)高效的雨水收集有機(jī)整體。

a. 屋面雨水。為避免管線太多，盡量選取雨水處理結(jié)構(gòu)附近的建筑物屋面為雨水收集源［6］。建筑物屋頂采用黏土、混凝土等材質(zhì)，以保證屋面雨水的水質(zhì)。對(duì)小區(qū)內(nèi)面積較小的屋面采用重力流的雨水收集方式，經(jīng)雨水斗→雨落管→雨水管，收集雨水;對(duì)面積較大的屋面采用虹吸式雨水收集方式，加設(shè)整流器，以減少雨水斗進(jìn)水時(shí)的摻氣量［7］。

b. 路面雨水。采用透水型路面，以削減地表徑流，補(bǔ)給地下水。在街道雨洪管道口設(shè)置截污掛籃，以攔截雨洪徑流攜帶的樹(shù)葉等較大污染物。

c. 綠地雨水。采用下凹式綠地面，使綠地低于路面5 ～10cm，同時(shí)沿著排水道路修建滲透淺溝，在淺溝表面植草皮，以便雨水下滲。雨水口設(shè)于路邊綠地內(nèi)，雨水排水口高于綠地面。采用雨水管渠方式收集綠地徑流，并用濾網(wǎng)掛籃方式攔截溢流雨水中的雜草和大顆粒等污染物，使綠地成為天然的雨洪匯水面和截污工具。

d. 場(chǎng)地雨水。停車場(chǎng)與廣場(chǎng)等場(chǎng)地盡量避免鋪硬化地面，要鋪設(shè)透氣透水的生態(tài)地面，增大地面透水性和透氣性，使雨水及時(shí)滲入土壤，以涵養(yǎng)地下水源，削弱城市熱島效應(yīng)，改善城區(qū)環(huán)境。

2.1.2 水質(zhì)處理

一般城市降雨的pH 值偏弱酸性(大約為5.6)，水中含有大量懸浮物、污染物和泥沙，需要經(jīng)過(guò)凈化處理達(dá)到水質(zhì)要求才能回收利用［8］。研究區(qū)收集的雨水主要用于綠化、水景、生活雜用等，對(duì)水質(zhì)的要求不高，因此可以不需過(guò)濾消毒處理。將雨水沉淀池和濕地沉降池串聯(lián)融合布置，收集的雨水首先經(jīng)小型雨水沉淀池(具體大小形狀根據(jù)場(chǎng)地因地制宜確定)初步篩選過(guò)濾去除懸浮物等雜質(zhì)，再流入配套濕地，經(jīng)植物沉降，達(dá)到凈化雨水的目的，最終匯入小區(qū)中心人工湖調(diào)蓄回用。研究區(qū)排水分區(qū)、中心人工調(diào)蓄湖、濕地工程布局圖見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)排水分區(qū)、中心人工調(diào)蓄湖、濕地工程布局圖示意圖

在規(guī)劃的濕地沉降池內(nèi)種植蘆葦、香蒲、風(fēng)車草、香根草、美人蕉等兼具景觀和污染物去除功能的植物，使人工濕地具有獨(dú)特的綠化環(huán)境功能。人工濕地作為一種生態(tài)處理技術(shù)，管理維護(hù)簡(jiǎn)單。成規(guī)模的人工濕地能迅速增加綠地面積，消除城市熱島效應(yīng)，提供優(yōu)美的城市生態(tài)景觀。

為保證人工濕地內(nèi)植物的正常生長(zhǎng)，濕地有效水深一般為0.6 ～1.1 m?？紤]到用地限制，規(guī)劃區(qū)人工濕地的有效水深取0.8 m［9］。人工濕地多數(shù)采用潛流式，根據(jù)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式和濕地水力負(fù)荷來(lái)計(jì)算濕地面積。

暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式為

考慮到研究區(qū)濕地水力負(fù)荷條件和設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，總結(jié)出各排水分區(qū)徑流面積與所需濕地面積的關(guān)系公式:

式中:q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);ψm為徑流系數(shù);TE為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，取1 a;t 為降雨歷時(shí)，min;F 為匯水面積，hm2;A 為濕地面積，m2;Q 為濕地流量，m3/s;HL為濕地的水力負(fù)荷，可取0.8 ～1.2 m/d，為提高去污效果取0.8 m/d。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1.3 調(diào)蓄回用

小區(qū)中心開(kāi)挖的人工調(diào)蓄湖作為雨水利用系統(tǒng)的雨水調(diào)蓄池，兼具雨水儲(chǔ)存、沉淀、循環(huán)等作用?？紤]到小區(qū)整體規(guī)劃布局、景觀環(huán)境需求和區(qū)域集水區(qū)分布，人工湖形態(tài)規(guī)劃為狹長(zhǎng)形，河長(zhǎng)約400 m，河寬最大約90 m，面積約2.7 萬(wàn)m2，橫河方向左側(cè)高右側(cè)低，左側(cè)最高點(diǎn)高程19.0 m，右側(cè)最高點(diǎn)高程16.0 m?？紤]到人工湖還具有作為小區(qū)中心景觀點(diǎn)的功能，最終確定人工湖的庫(kù)容最大值為5.7 萬(wàn)m3。

儲(chǔ)存處理后的雨水為社區(qū)提供綠地澆灌、道路沖洗、跌水水景、廁所沖洗、車輛沖洗等用水，而雨水調(diào)蓄池與社區(qū)外圍河道連通，可向外排水和泄洪。汛期4—9 月，人工湖的溢流可以通過(guò)市政雨水管直接排入大樟溪，補(bǔ)充大樟溪水體，為福州市存儲(chǔ)優(yōu)質(zhì)水源，改善水生態(tài)環(huán)境;枯水期10 月至次年3 月，用自來(lái)水向人工湖輸送水源，保障人工湖基本的景觀水位。

2.2 效益分析

雨水收集利用工程需投資1 260 萬(wàn)元(不包括人工湖的景觀功能投資)，較直接排放系統(tǒng)多投資1 020萬(wàn)元，但雨水收集利用工程建成后，每年可直接集蓄利用雨水16 萬(wàn)～24 萬(wàn)m3，按照福州永泰縣1.5 元/m3的水價(jià)計(jì)算，每年可節(jié)約水費(fèi)24 萬(wàn)～36 萬(wàn)元。若考慮節(jié)水增加的國(guó)家財(cái)政收入，以及消除污染而減少的社會(huì)損失和節(jié)省城市排水設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)用等間接效益，每年可收益91.2 萬(wàn)～136.8 萬(wàn)元［10］，故雨水收集利用工程的靜態(tài)差額投資回收期為7.5 ～11.2 a。且水景社區(qū)是一類以景觀湖為核心的生態(tài)住宅小區(qū)，能滿足城市居民回歸自然的需求［11］。人工調(diào)蓄景觀湖岸設(shè)置的5 片結(jié)合沉淀池布置的人工濕地，有效保證了雨水水質(zhì)達(dá)到小區(qū)回用標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)了水環(huán)境。由此可見(jiàn)，雨水收集利用工程已是一種極有價(jià)值的水資源利用工程，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)前景。

表1 濕地面積計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

在住宅小區(qū)建立雨水收集利用工程，技術(shù)上是可行的，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益也很可觀。在地形條件和空間范圍允許的條件下，將雨水的收集傳輸和儲(chǔ)存利用與城市的景觀建設(shè)、環(huán)境改善相結(jié)合，不僅可有效利用雨水資源，補(bǔ)給涵養(yǎng)地下水，緩解用水矛盾，還可減輕污水處理廠的壓力，增添城市景觀。雨水收集利用工程值得推廣。

［1］方紹東，黃英，柏紹光.昆明城市發(fā)展進(jìn)程中的水資源演變分析［J］.水資源保護(hù)，2010，26(6):32-36.(FANG Shaodong，HUANG Ying，BAI Shaoguang. Analysis of water resources evolution with urban development in Kunming［J］. Water Resources Protection，2010，26(6):32-36.(in Chinese))

［2］魏杰.循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論與深圳市城區(qū)雨水利用規(guī)劃［J］.水資源保護(hù)，2010，26(4):80-83. (WEI Jie. Circular economy and urban rainwater utilization planning of Shenzhen［J］.Water Resources Protection，2010，26(4):80-83.(in Chinese))

［3］李紅梅. 多國(guó)雨水收集利用探索實(shí)踐［N］. 中國(guó)水利報(bào)，2011-09-22(07).

［4］曾子洋，曾玉彬.對(duì)武漢市城市雨水收集利用的現(xiàn)狀和趨勢(shì)的探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(34):121. ZENG Ziyang，ZENG Yubin. Probe to status and trends of collecting and utilizing to urban rainwater in Wuhan City［J］. Science and Technology Innovation Herald，2010(34):121.(in Chinese))

［5］鹿新高，龐清江，鄧愛(ài)麗，等.城市雨水資源化潛力及效益分析與利用模式探討［J］.水利經(jīng)濟(jì)，2010，28(1):1-5. (LU Xingao，PANG Qingjiang，DENG Aili，et al.Potential benefit analysis and utilization mode of urban rainwater resources［J］. Journal of Economics of Water Resources，2010，28(1):1-5.(in Chinese))

［6］林濤.某住宅小區(qū)雨水回用系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.給水排水，2008(S1):289-291. (LIN Tao. Brief introduction to system design of rainwater reuse to one of residential areas［J］. Water ＆ Wastewater Engineering，2008(S1):289-291.(in Chinese))

［7］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. (CAO Xiuqin，CHE Wu. Analysis of program design to system of collecting and utilizing of urban roof rainwater［J］.Water＆ Wastewater Engineering，2002，28 (1):13-15. (in Chinese))

［8］張迪瀚，陳永平.珠海十字門中央商務(wù)區(qū)雨水回用設(shè)計(jì)［J］. 給水排水，2011(S1):386-387. (ZHANG Dihan，CHEN Yongping. Design to rainwater reuse of central business area in Zhuhai City［J］. Water ＆ Wastewater Engineering，2011(S1):386-387.(in Chinese))

［9］張靜，張旭，李廣賀，等.潛流濕地中填料的理化作用及對(duì)植物生長(zhǎng)的影響［J］. 環(huán)境科學(xué)，2006(5):874-879.(ZHANG Jing，ZHANG Xu，LI Guanghe. Physical and chemical effects and plant growth suitability of substrates in subsurface flow wetland［J］. Environmental Science，2006(5):874-879.(in Chinese))

［10］李俊奇，車武，孟光輝.城市雨水利用方案設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析. 給水排水［J］2001，27(12):25-28. (LI Junqi，CHE Wu，MENG Guanghui. Program design and technical and economic analysis to urban rain water utilization［J］.Water ＆ Wastewater Engineering，2001，27(12):25-28.(in Chinese))

［11］陳小華.水景社區(qū)的雨水收集與綜合利用設(shè)計(jì)［J］.水資源保護(hù)，2010，26(5):78-82. (CHEN Xiaohua. Case study on collection and reuse of rainwater in waterscape community of Shanghai［J］. Water Resources Protection，2010，26(5):78-82.(in Chinese))