張艷娟，徐向舟?，舒利明，劉璐

(1.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，116024，遼寧大連;2.大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部，116024，遼寧大連)

隨著我國(guó)城市化的進(jìn)程，居民汽車(chē)保有量不斷上升。據(jù)調(diào)查，我國(guó)民用汽車(chē)保有量已從2000 年的1 600 萬(wàn)輛，提升至2011 年末的1 億6 000 萬(wàn)輛，位居世界第2 位［1］。機(jī)動(dòng)車(chē)輛的增加帶動(dòng)了洗車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，洗車(chē)行業(yè)的用水、節(jié)水問(wèn)題也因此成為公共生活用水管理的重要部分。將城市雨水利用與停車(chē)場(chǎng)建設(shè)相結(jié)合，既能節(jié)約有限的水資源、緩解城市化造成的城市雨洪問(wèn)題，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)收益，從而提高雨水利用投資者的積極性;然而，目前國(guó)內(nèi)外的停車(chē)場(chǎng)生態(tài)建設(shè)中，多集中在透水路面的鋪裝、綠化植被的種植、排水設(shè)施的通暢等方面，關(guān)于雨水集蓄利用規(guī)劃設(shè)計(jì)較少。日本、澳大利亞一些建筑物的雨水利用設(shè)施［2-3］均是以家庭為單位將收集到的雨水作為生活雜用水，包括洗車(chē)。德國(guó)Ludwigshafen 市［4］、我國(guó)北京市曾出現(xiàn)過(guò)專(zhuān)門(mén)使用集蓄雨水的洗車(chē)點(diǎn)［5］。如何將雨水集蓄利用技術(shù)與停車(chē)場(chǎng)的建設(shè)發(fā)展相結(jié)合，提高雨水利用的綜合效益，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)洗車(chē)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)，獲得洗車(chē)用水的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，可以為加強(qiáng)洗車(chē)業(yè)的定額管理提供科學(xué)依據(jù);但是商業(yè)洗車(chē)點(diǎn)主要面向經(jīng)濟(jì)經(jīng)營(yíng)，計(jì)量系統(tǒng)不健全、用水?dāng)?shù)據(jù)不完備，很難獲得其年內(nèi)或月內(nèi)各項(xiàng)用水?dāng)?shù)據(jù)［6］。另外，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)城市雨水利用最大的難題之一是雨水水質(zhì)較差［7-8］，因此，建立集雨洗車(chē)示范點(diǎn)，對(duì)雨水水質(zhì)和用量進(jìn)行深入細(xì)致分析，并探索雨水水質(zhì)處理的方法，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

大連市是我國(guó)缺水嚴(yán)重的城市之一，人均水資源占有量?jī)H為全國(guó)平均占有量的1/4，水資源短缺已經(jīng)成為制約大連市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。該市多年平均降水量606.2 mm，并且70%～80%集中在6—9 月，雨水利用有較大潛力，另一方面，近年來(lái)大連市的汽車(chē)保有量和洗車(chē)場(chǎng)一直在持續(xù)增加。截至2012 年，大連市機(jī)動(dòng)車(chē)已達(dá)100 萬(wàn)輛?！洞筮B市綜合交通體系規(guī)劃》中提出加大路外公共泊位供給、加快停車(chē)場(chǎng)建設(shè)，力爭(zhēng)在2020 年，小汽車(chē)車(chē)均停車(chē)泊位由現(xiàn)狀的0.48 個(gè)提高到0.7 個(gè)左右［9］。筆者旨在通過(guò)對(duì)示范區(qū)集雨洗車(chē)裝置的研究和實(shí)踐，探索一種適用于大連市，并可供我國(guó)其他北方城市借鑒的停車(chē)場(chǎng)集雨洗車(chē)方法。

1 集雨洗車(chē)裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行。停車(chē)場(chǎng)總占地面積約2 000 m2，擁有停車(chē)位100個(gè)。該集雨洗車(chē)裝置由屋面收集系統(tǒng)、水質(zhì)處理裝置、集雨桶和洗車(chē)設(shè)備組成，如圖1 所示。屋面雨水通過(guò)落水管下落，通過(guò)初雨棄流和過(guò)濾后，收集到集雨桶7 中。降雨開(kāi)始時(shí)，初始2 mm 降雨排入初雨棄流器1 中，其余雨水經(jīng)U 型管凈水器和過(guò)濾袋式凈水器過(guò)濾后，進(jìn)入集雨桶。集雨桶為2 個(gè)互相連通的塑料桶，每個(gè)容量2 m3，當(dāng)集雨桶儲(chǔ)滿(mǎn)后，多余雨水可以通過(guò)溢流管11 排出。集雨桶有出口分別與洗車(chē)水泵12 和自來(lái)水連接。開(kāi)啟洗車(chē)水泵電源，便可用集雨桶內(nèi)雨水沖洗車(chē)輛。當(dāng)雨水降到一定水位時(shí)，可自動(dòng)補(bǔ)充自來(lái)水，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)供水。

另外，洗車(chē)場(chǎng)中設(shè)有洗手池，用于投洗抹布。洗手池所用水為自來(lái)水，集雨桶中雨水進(jìn)入洗手池中，保證了雨水不與人體直接接觸。U 型管凈水器直接安裝于落水管上(圖1)，利用U 型管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雨水?dāng)y帶泥沙進(jìn)入裝置后減速沉降，通過(guò)25 目的斜面篩網(wǎng)反滲過(guò)濾再進(jìn)一步凈化。每次降雨后，打開(kāi)U型管下部的排污口，對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行定期反沖洗，同時(shí)將管內(nèi)淤積的泥沙一并排出。過(guò)濾袋式凈水器放在集雨桶入口，采用孔徑1 μm 的PE 過(guò)濾袋制成，一個(gè)雨季中對(duì)過(guò)濾袋進(jìn)行2 ～3 次簡(jiǎn)單清洗。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究方法

根據(jù)大連市的氣溫情況，2011 年該集雨洗車(chē)裝置4 月15 日開(kāi)始運(yùn)行，11 月15 日結(jié)束，共運(yùn)行7 個(gè)月。試驗(yàn)場(chǎng)地周?chē)慕涤?、蒸散發(fā)量采用試驗(yàn)場(chǎng)附近大連理工大學(xué)水環(huán)境研究所氣象站的實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。運(yùn)行期間，觀測(cè)對(duì)雨水利用現(xiàn)場(chǎng)雨水集蓄量、補(bǔ)充自來(lái)水量、用電量、洗車(chē)次數(shù)等。為及時(shí)記錄雨水補(bǔ)充量和消耗量、水泵用電量，在集雨桶上安裝水位計(jì)，顯示桶內(nèi)水位;在連接洗車(chē)水泵出水口和自來(lái)水進(jìn)水口分別安裝水表，以顯示用水量和補(bǔ)充自來(lái)水量。安裝電表顯示水泵用電量。為了統(tǒng)計(jì)洗車(chē)數(shù)量分析洗車(chē)平均用水量，在設(shè)備旁邊安放洗車(chē)登記牌，記錄洗車(chē)次數(shù)。根據(jù)水泵前安裝的水表和洗車(chē)次數(shù)，估算每次洗車(chē)的平均用水量。

對(duì)典型降雨場(chǎng)次過(guò)濾前后雨水的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在降雨過(guò)程中，對(duì)通過(guò)凈水器前、后及集雨桶中的雨水取樣;降雨后每隔一定時(shí)間對(duì)集雨桶中存儲(chǔ)的雨水取樣。對(duì)所取樣品進(jìn)行水質(zhì)對(duì)比分析，定量評(píng)價(jià)各個(gè)裝置的水質(zhì)凈化性能、集雨桶內(nèi)水質(zhì)隨時(shí)間的變化情況。根據(jù)雨水污染情況、雨水利用工藝和雨水用途等對(duì)水質(zhì)的要求，選擇T、SS、COD、TP、TN、pH 這5 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析，具體的檢測(cè)方法和指標(biāo)所包含的意義見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)檢測(cè)方法Tab.1 Methods to test water quality

3 結(jié)果與分析

3.1 可利用水量計(jì)算

次降雨可利用水量(mm)

式中:r 為徑流系數(shù)，混凝土屋面取0.9;α 為季節(jié)折減系數(shù)，要考慮當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)τ晁羯l(fā)的影響;H0為次降雨量，mm;h 為初期棄流量，一般為1 ～3 mm。

由2011 年的歷次降雨量，可以統(tǒng)計(jì)出試驗(yàn)場(chǎng)當(dāng)年逐月降雨量、可利用水量和實(shí)際收集水量，如圖2所示。示范區(qū)2011 年的年降水量為822.7 mm，其中5—9 月降雨量達(dá)到了722.3 mm，占全年降水量的87.8%;年內(nèi)可利用雨量為683.3 mm，本試驗(yàn)裝置實(shí)際已收集水量為102.3 mm。已收集水量?jī)H占年內(nèi)可收集徑流量的15.1%，說(shuō)明在該試驗(yàn)場(chǎng)中，雨水利用量還有很大潛力，可以通過(guò)加大集雨桶的容積等方法來(lái)擴(kuò)大雨量的利用率。

3.2 集雨量統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)屋面集水面積228.7 m2。2011 年本試驗(yàn)裝置實(shí)際已收集水量為102.3 mm，則實(shí)際收集雨水的體積為23.4 m3。6—9 月徑流收集率較低，這與降雨量集中，降雨時(shí)間間隔較短有關(guān)。例如7 月25、26、30 日連續(xù)降雨達(dá)到171.9 mm，但由于天氣陰沉，洗車(chē)用水量較少，裝置可收集利用量較少。表2 顯示了7 月下旬至9 月上旬間，次降雨量超過(guò)2 mm 或者洗車(chē)泵啟用時(shí)，集雨桶中水量變化情況。

3.3 洗車(chē)用水定額分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011 年洗車(chē)用水量為46.0 m3，補(bǔ)充自來(lái)水量為22.6 m3，則雨水替換生活雜用水比例為50.9%。4 月15 日至7 月31 日間，洗車(chē)414 次，期間總用水量24.8 m3，沒(méi)有循環(huán)用水，平均洗車(chē)用水量約為58 L/(輛·次)。李立群等［6，10］根據(jù)北京市西城區(qū)40 家洗車(chē)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，對(duì)沒(méi)有循環(huán)用水的洗車(chē)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行50%循環(huán)率的處理，估算出手工洗車(chē)(轎車(chē))的取水定額23 L/(輛·次)。李濤等［11］對(duì)西安市323 個(gè)洗車(chē)點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，在不考慮循環(huán)用水的情況下，認(rèn)為洗1 輛轎車(chē)平均用水量約為40 L，若用高壓水槍方式洗1 輛轎車(chē)，則最少需水50 L。本研究是在完全排除生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的干擾、接近實(shí)驗(yàn)室條件下得到的結(jié)果。試驗(yàn)中不考慮洗車(chē)經(jīng)營(yíng)者生活用水，且儀器觀測(cè)精確、數(shù)據(jù)完整，相當(dāng)可靠。研究得出的結(jié)果與上述文獻(xiàn)接近。由于該洗車(chē)點(diǎn)是面向?qū)W校內(nèi)部教職工的免費(fèi)自助洗車(chē)點(diǎn)，車(chē)主在洗車(chē)時(shí)可能用水比較寬松，而大連市內(nèi)洗車(chē)點(diǎn)都是經(jīng)營(yíng)性質(zhì)的，營(yíng)業(yè)者為了經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)自覺(jué)地盡可能節(jié)約用水;因此，在不考慮循環(huán)用水情況下，經(jīng)營(yíng)性質(zhì)的商業(yè)洗車(chē)用水定額可取55 L/(輛·次)。

表2 次降雨量超過(guò)2 mm 或者洗車(chē)泵啟用時(shí)集雨桶的雨水集蓄量Tab.2 Amount of rainwater collected by the water tank as the precipitation was more than 2 mm or the pumps were working

3.4 水質(zhì)分析

3.4.1 凈水器效果 通過(guò)凈水器過(guò)濾前后的水質(zhì)結(jié)果分析得知，過(guò)濾器對(duì)雨水的濁度T 和懸浮物濃度SS 改變較大，對(duì)COD、TP、TN、pH 等指標(biāo)沒(méi)有顯著影響;因此，下文將分析、比較經(jīng)凈水裝置過(guò)濾前后濁度和懸浮物的改變。

經(jīng)過(guò)U 型管凈水器和過(guò)濾袋式凈化器過(guò)濾后，雨水水質(zhì)有較大的改善。圖3 和圖4 顯示經(jīng)凈水裝置過(guò)濾前后雨水的懸浮物測(cè)定結(jié)果。如6 月23 日，初始濁度T 為45 FTU 的雨水，經(jīng)U 型管凈水器過(guò)濾后，減小為25 FTU;經(jīng)過(guò)濾袋式凈水器過(guò)濾后則減小到13 FTU;4 月17 日，初始懸浮物質(zhì)量濃度250 mg/L 的雨水，經(jīng)U 型管凈水器過(guò)濾后，減小為90 mg/L，經(jīng)過(guò)濾袋式凈水器過(guò)濾后則減小到50 mg/L。二者比較，過(guò)濾袋式凈水器較U 型管凈化器的過(guò)濾效果更為顯著。

圖3 過(guò)濾前后濁度的變化Fig.3 Variation of the turbidity before and after filtration

圖4 過(guò)濾前后懸浮物濃度的變化Fig.4 Variation of the suspended substance concentration before and after filtration

3.4.2 集雨桶內(nèi)水質(zhì) 為保持雨水水質(zhì)，定期在集雨桶內(nèi)按照0.1 ～0.6 mg/L 的質(zhì)量濃度加入次氯酸鈉消解液進(jìn)行雨水消毒和水質(zhì)維護(hù)。每次降雨當(dāng)天，雖然經(jīng)過(guò)過(guò)濾，桶中雨水仍含有一定的雜質(zhì);從降雨的第2 天開(kāi)始，雨水經(jīng)過(guò)沉淀，水中懸浮物明顯減小，尤其是當(dāng)加入氯酸鈉消解液后，雨水中的COD 明顯降低。圖5 為集雨桶內(nèi)COD 和懸浮物質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)。以7 月20 日為例，當(dāng)日降雨量5.7 mm。降雨后第2 天(7 月21 日)至7 月25 日再次降雨前這段時(shí)間內(nèi)，桶中所存儲(chǔ)雨水的COD 和懸浮物質(zhì)量濃度很小，說(shuō)明試驗(yàn)裝置在使用過(guò)程中雨水水質(zhì)保持良好。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種雨水處理效果好、雨水不與人體直接接觸、可持續(xù)供水、可定量觀測(cè)的雨水集蓄利用系統(tǒng)，通過(guò)1 年的運(yùn)行實(shí)踐，效果良好。

2)不考慮循環(huán)用水時(shí)的洗車(chē)用水定額，免費(fèi)自助洗車(chē)時(shí)實(shí)測(cè)值為58 L/(輛·次)，商業(yè)洗車(chē)時(shí)可取55 L/(輛·次)。

3)過(guò)濾器對(duì)雨水的濁度和懸浮物質(zhì)量濃度改變較大，對(duì)COD、TP、TN 等沒(méi)有顯著影響，過(guò)濾袋式凈水器較U 型管凈水器的過(guò)濾效果更為顯著。

圖5 集雨桶內(nèi)COD 和懸浮物隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 COD and suspended substance varying over time in the rainwater bucket

4)本試驗(yàn)場(chǎng)年內(nèi)可收集徑流量為683.3 mm，裝置實(shí)際已收集水量102.3 mm;已收集水量?jī)H占年內(nèi)可收集徑流量的15.1%，雨水利用量還有很大潛力。

項(xiàng)目的研究過(guò)程中得到邵龍?zhí)督淌诘闹笇?dǎo)和幫助，楊筱恬、劉艷青、呂自薈等同學(xué)參加了項(xiàng)目的試驗(yàn)工作，特此致謝。