城市雨洪利用是針對城市開發(fā)建設區(qū)域內的屋頂、道路、庭院、廣場、綠地等不同下墊面降水所產生的徑流, 采取相應的集、蓄、滲、用、調等措施, 以達到充分利用資源、改善生態(tài)環(huán)境、減少外排徑流量、減輕區(qū)域防洪壓力的目的, 系寓資源利用于災害防范之中的系統(tǒng)工程。與缺水地區(qū)農村雨水收集利用不同, 城市雨洪利用不是狹義的利用雨水資源和節(jié)約用水, 它還包括減緩城區(qū)雨水洪澇, 回補地下水減緩地下水位下降趨勢,控制雨水徑流污染、改善城市生態(tài)環(huán)境等廣泛的意義。因此, 城市雨洪利用是一項多目標綜合性技術, 我國在這方面的研究和應用尚處在起步階段, 需要在全面把握國內外現(xiàn)狀的基礎上明確方向, 更加深入、系統(tǒng)地開展研究, 為進一步推廣應用奠定基礎。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外雨洪利用研究和應用現(xiàn)狀

國外對雨洪利用技術的研究已經較為成熟, 基本形成了相應的理論體系和完善的技術措施, 并開發(fā)生產出了系列化的設備。特別是在雨洪利用的水文計算方面國外已有一些成熟的模型。雨洪利用管道的計算一般有推理公式法和過程線法。推理公式法的計算精度不易準確把握, 有時計算結果比實測值大1倍。過程線方法計算結果比較準確, 但計算過程復雜, 往往需要借助于計算機完成。英、美等國家較大流域的雨水管渠設計自70年代就使用基于計算機的過程線方法, 開發(fā)出了一些適用的計算機模型, 如英國環(huán)境部及全國水資源委員會的沃林福特程序(Wallingford Procedure)、美國環(huán)境保護署編制的暴雨雨水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)、美國陸軍工程兵團水文工程中心提出并應用于城市和非城市集水區(qū)域的降雨-匯流-水質模型STORM、丹麥水利研究所開發(fā)的MOUSE模型、Beven和Kirkby于1979年開發(fā)的MOUSE、美國農業(yè)部(USDA)開發(fā)的SWAT(Soil and Water Assessment)模型、德國DORSCH CONSULT公司設計開發(fā)的HydroCAD等等。這些模型為雨洪利用系統(tǒng)的計算和設計提供了有效的工具。德國Geiger教授在《Neue Wege Fur Das Regenwasser》中詳細論述雨水滲透方面的技術。

國外很重視雨洪利用相關技術標準和政策措施的配套, 許多國家和地區(qū)已經出臺了相應的技術手冊、規(guī)范和標準。如美國STAFFORD郡的《雨水管理設計手冊》、喬治亞州的《雨水管理手冊》、北卡羅萊納州《雨水設計手冊》, 維吉尼亞州的《維吉尼亞雨水管理模式條例》等。此外, 國外還制定相應的立法對雨洪利用給予支持, 如美國的克羅拉多州(1974年)、佛羅里達州(1974年)、賓西法尼亞州(1978年)和維吉尼亞(1999年)分別制定了雨洪管理條例。這些條例規(guī)定新開發(fā)區(qū)的暴雨洪水洪峰流量必須保持在開發(fā)前的水平。所有新開發(fā)區(qū)(不包括獨戶住家)必須實行強制的“就地”滯洪蓄水。滯洪設施的最低容量均能控制5a一遇的暴雨徑流。除制定雨洪管理條例外, 聯(lián)邦和各州還采取了一系列政策, 如使用總稅收、發(fā)行義務債券、聯(lián)邦和州給予補貼、聯(lián)邦貸款和投資分扣方式鼓勵人們采用新的雨水處理方法。

由于大面積的應用需求, 國外已經有許多專門的公司研發(fā)并生產雨洪利用的專用設備。如德國GEP公司生產雨水利用的存儲罐、過濾器和單戶雨水利用的集成設備, 荷蘭WAVIN公司生產專用雨水口、雨水連接管道、雨水檢查井、雨水儲存填料, 德國UFT公司生產雨洪利用系統(tǒng)的各種溢流堰和流量控制器。

1.2 我國雨洪利用的研究和應用現(xiàn)狀

雨洪利用在我國西部干旱半干旱地區(qū)已有廣泛的應用, 主要用于集雨灌溉農田和解決居民生活用水,如甘肅的“121雨水集流工程” 、寧南山區(qū)的“窯窖農業(yè)” 、陜西的“甘露工程”、山西的“123” 工程、內蒙古的“112集雨節(jié)水灌溉工程” 等。我國城市雨洪利用起步較晚, 在理論與技術方面尚不十分成熟。90年代初, 北京市水利科學研究所等單位在國家自然科學基金的資助下, 開展了“北京市水資源開發(fā)利用的關鍵問題之一——雨洪利用研究”課題的研究。對屋頂——滲井系統(tǒng)和草坪的攔蓄雨洪效果進行了初步研究,提出了一些北京城區(qū)雨洪利用的對策和技術措施。但由于技術和經濟等方面的原因, 當時未能得到推廣應用。從2000年開始, 在中德合作“北京城區(qū)雨洪控制與利用技術研究與示范”項目的支持下,北京市進一步開展了對城市雨洪利用的系統(tǒng)研究,初步形成了城市雨洪收集、滯蓄、處理、回用和回灌地下的技術系統(tǒng), 并建設了總面積60hm2的雨洪利用示范區(qū)。在該項目的影響下, 掀起了雨洪利用的研究和應用高潮。2002年, 北京市節(jié)約用水辦公室資助中國農業(yè)大學開展了城市雨洪利用的研究。北京建筑工程學院和北京市節(jié)約用水辦公室也開展了“北京市城區(qū)雨水利用技術研究及雨水滲透擴大實驗”項目的研究。天津、上海、深圳等城市也相繼開展了雨洪利用的研究和應用。

在雨洪利用的水文模型方面, 國內已建立:①自然流域的水文模型;②城市雨水徑流模型(簡稱CSYJM),把徑流分為地表徑流和雨水管內匯流2個階段, 模型包括了降雨、扣損、凈雨過程線、雨水口流量過程線和管網匯流等方面, 主要服務于雨水管網的設計、模擬和工況分析;③基于雨水資源化的思想提出了城市雨水資源化徑流模型, 主要對其理論計算方法進行了研究。該模型按照徑流的形成過程可劃分為產流、匯流、調蓄和傳輸4部分, 通過對調蓄設施進行調蓄計算, 對管網傳輸系統(tǒng)進行傳輸計算, 演算出管網內任一斷面的水位過程線和流量過程線, 并可以計算出次降雨的雨水資源利用量。該模型可為設計、模擬等提供有效的參數(shù)。

在雨水利用的硬件設備方面, 目前透水磚的生產廠家較多, 全國已有1000多家, 但是透水性差別較大。自主研發(fā)和生產的其他專用設備極少, 僅少數(shù)公司生產一些雨水利用的初期徑流棄除器、收集溝槽、滲水雨水口、滲水檢查井等。

為促進雨洪利用技術的推廣應用, 在2000年12月1日頒布的北京市政府66號令、2003年3月北京市規(guī)劃委員會和北京市水務局共同制定并發(fā)布的《關于加強建設工程用地內雨水資源利用的暫行規(guī)定》、2005年發(fā)布的《北京市節(jié)約用水辦法》和《關于加強建設項目節(jié)約用水設施管理的通知》、北京奧運場館的《奧運工程設計大綱》等政策或文件中都明確提出了開展雨水利用的要求。

2 城市雨洪利用的研究和發(fā)展方向

通過近幾年的研究、探索和實踐, 人們已經逐漸認識到雨洪利用的重要性和所能得到的經濟、社會、生態(tài)和環(huán)境效益。如何更好、更全面、更深入地發(fā)揮它的效益, 還需要在以下方面進一步深入研究。

2.1 不同比尺城市暴雨徑流關系模型的研究

現(xiàn)行雨水管道計算的推理公式不考慮下游受水河道水位變化過程及影響, 一般適應于較小范圍, 難以從更大范圍研究整個城市的排水問題, 因此需要研究不同尺度的城市暴雨徑流關系模型。主要研究內容應當包括:人工干預條件下城市不同下墊面的降雨徑流關系、不同水平城市化區(qū)域的降雨徑流關系和采取不同雨洪利用措施后的不同下墊面和區(qū)域的降雨徑流關系, 城市不同單元類型下墊面(如單個屋頂、小塊草坪、停車場等)、不同類型區(qū)域(如住宅小區(qū)、工廠區(qū)、商業(yè)區(qū)等)的產流和匯流特征, 并建立相應的數(shù)學模型;小區(qū)降雨徑流過程與城市河道雨洪過程的銜接等。

2.2 城市區(qū)域雨洪管理與利用系統(tǒng)模型的研究

城市雨洪的產生過程是上下游小區(qū)雨水過程、過境雨洪過程、河道調蓄過程的綜合結果。進行城市雨洪的綜合管理、以實現(xiàn)資源利用與災害防治的雙重目標, 必須研究建立城市區(qū)域雨洪管理與利用的系統(tǒng)模型。需要開展的主要研究內容包括:利用集中或分散式以及點、線和面等不同形式入滲設施下滲雨水回補地下水的計算模型;針對住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)、廠礦區(qū)等不同類型區(qū)域的雨洪收集、滯蓄、調控的數(shù)學模型;基于現(xiàn)狀城市排水系統(tǒng)的雨洪調度與控制利用的仿真系統(tǒng)模型。

2.3 城市雨洪分散滯蓄與消納的技術

城市雨洪分散滯蓄與消納是減少城市河湖雨水排放量、減輕防洪壓力的重要手段, 主要包括通過屋頂、透水鋪裝地面、綠地等滯蓄消納雨洪。利用屋頂滯蓄和消納雨洪的方法主要包括屋頂滯蓄和屋頂綠化。屋頂滯蓄是指, 適當增加平屋頂?shù)姆罎B等級, 并在雨落管上安裝限制流量的設備, 當雨水較大超過限制流量時, 可在屋頂滯蓄一段時間, 然后再逐漸排走。因此應當研究這種情況下所要求的屋頂防滲等級、防滲形式、限流方式等。屋頂綠化方面應當研究在滿足景觀效果的情況下, 屋頂綠化結構層形式對不同頻率降雨的外排徑流過程影響, 以及在較低屋頂進行綠化利用較高建筑屋頂雨水灌溉該綠地的養(yǎng)護技術。在透水地面方面應當研究在天然降雨情況下不同形式透水地面的入滲、產流規(guī)律;透水地面削減徑流所需的最低透水性和鋪裝厚度要求;研究防止透水地面堵塞的技術和利用透水地面減輕城市道路面源污染的技術。

2.4 城市機動車道雨水的利用和清潔排放技術

城市中機動車道所占比例相當大, 但目前的研究都認為其雨水污染嚴重, 接近生活污水水平, 因此暫時不利用。但是, 當其他地面或屋頂?shù)挠晁皇占⒔亓艉屠煤? 排入城市河湖的雨水將主要是未經處理的機動車道路雨水, 從而會嚴重污染河道、影響環(huán)境、破壞生態(tài)平衡。因此, 必須研究相應的技術處理機動車道雨水, 使其能夠清潔排放或加以利用。主要研究內容包括:機動車道雨水水質變化規(guī)律、機動車道雨水快速收集技術、環(huán)保型雨水口、利用綠地處理和消納機動車道雨水技術、融雪劑對機動車道路雨水水質影響及處理技術、生態(tài)型入河口處理雨洪污染技術、機動車道雨水滯蓄技術等等。

2.5 雨洪利用配套設備的研發(fā)和產業(yè)化

目前推廣應用雨洪利用技術的一個重要難點就是缺乏專門的配套設備, 因此必需研發(fā)并生產諸如雨水收集設備、初期徑流棄除設備、雨水過濾設備、雨水凈化設備、雨水下滲設備、雨水存儲設備、流量控制設備、蓄水池的自動沖洗設備、雨水與再生水聯(lián)合使用的自動轉換設備等等。

2.6 雨洪利用推廣應用配套政策研究

需要研究雨洪利用工程的效益計算和效果評估的方法;研究雨洪利用設施的評價方法;研究雨洪利用實施后防洪費減免的具體方法, 鼓勵開發(fā)商或業(yè)主主動出資實施雨洪利用的政策等。

參考文獻
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