程 涛
苏洪涛
[摘 要] 雨水资源化利用是应对城市内涝、补充地下水资源、缓解干旱的重要技术保障，是海绵型城市的建设、LID理念实践应用的关键途径。该文分析了雨水渗透技术、贮存技术、水质控制技术、净化技术和回用系统的概念、适用场所；比较了多种雨水资源化技术的建造要点、主要功能。最后根据目前雨水利用的现状对城市雨洪控制提出了建议。
[关键词] 海绵城市 低影响开发 雨水资源化技术
2014年10月，住建部颁布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》。它指导各地在新型城镇化建设过程中，推广和应用低影响开发建设模式，加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，优先利用自然排水系统，建设生态排水设施，充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，使城市开发建设后的水文特征接近开发前，有效缓解城市内涝，削减城市径流污染负荷，节约水资源，保护和改善城市生态环境[1]。建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市有着深远的历史意义和现实意义。随着城市化的进程发展，造成城区地面硬化，改变了原地面的水文特性，干预了自然的水文循环，造成洪涝灾害时有发生。雨水资源作为一种重要的可再生能源，通过雨水资源化技术将其变废为宝，在水资源日益紧张的今天具有不可替代的作用。
图1 低影响开发水文原理示意图
图2 城市雨水资源化途径及利用
海绵城市建设是在城市建设过程中兴起的关于城市建设的新概念。它颠覆了传统的“以排为主”的城市雨水管理理念，依托建筑、绿地、广场、道路、水系等基础设施，并以之为载体，充分考虑到城市基础设施运行安全和城市水安全，综合利用渗透、滞留、蓄存、净化、回用、外排等多种生态化技术，起到补充地下水、调节水循环的作用，并构建起新型的城市低影响开发雨水系统，在遇到降雨时能够最大限度地留住雨水。被充分吸收的雨水可被再次利用，如绿化、景观用水等，可在一定程度上减轻目前城市水资源的供给压力。
雨水LID是基于城市低影响开发（Low Impact Development）理念，通过对城市雨水低影响开发利用技术的选择和组合，指标化定量落地布局各类雨水开发利用技术，通过分散的、小规模的源头控制机制和设计达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，实现开发后水文特征接近于开发前的目标，构建复合的城市雨水“海绵系统”（图1）。
雨水资源化途径可分为两大类：下渗工程和贮存工程（图2）。
城市雨水资源化系统由集流区、输水系统、截污净化系统、贮存系统以及配水系统等组成。有时还设有渗透设施，并与贮水池溢流管相连，当集雨量较多或降雨频繁时，部分雨水可以进行渗透[2]。
3.1 雨水渗透技术
雨水渗透是雨水利用的重要技术之一，它能促进雨水、地表水、土壤水及地下水“四水”之间的转化，维持城市水循环系统的平衡。雨水渗透设施有许多类型，不同的雨水渗透适合于不同的场所。
对于新建小区，在高程和平面设计中，应综合考虑雨水渗透利用。如使道路高于绿地高度，道路径流经过绿地初步净化后进入渗透装置。对于已建小区，绿地面积有限，地下渗透沟、管、渠是首选的雨水渗透设施。雨水渗透设施有渗透管、渗透井、渗透排水沟，除具有使雨水渗透到地下抑制雨水流出外，还具有增强再生水的自然循环机能[3]。雨水径流渗透类型主要有以下几类。
（1）利用花坛和绿地渗透
花坛和绿地渗透能力强，植物根系能对雨水径流中的悬浮物、杂质等起到一定的净化作用，还能防止冲刷引起的水土流失，美化环境。故城区应加大绿地覆盖率，加强雨水利用和管理，使屋面径流和地面径流进入花坛或绿地自然渗透。在设计时应尽量降低绿地高程以使之兼有一定贮水能力。如有条件，还可在绿地中设置顶宽1～2m的截面呈倒三角形的土质浅沟，沟中种草，用于贮存和滞留屋面径流、地面径流。
（2）利用地下渗透沟与管（渠）
渗透管一般采用穿孔PVC管，或用透水材料制成。汇集的雨水通过透水性管渠进入四周的碎石层，再进一步向四周土壤渗透，碎石层具有一定的贮水、调节作用。相对渗透池而言，渗透管沟占地较少，便于在城区及生活小区设置，它可以与雨水管系、渗透池、渗透井等综合使用，也可以单独使用。主要设置在建筑物的周围、绿地及广场的地下。
当土壤渗透性良好时，可直接在地面上布渗透浅沟，即覆盖植被的渗透明渠。也可在传统雨水排放方案的基础上，将非渗透管或明渠改为渗透管（穿孔管）或渗透渠，周围回填砾石（图3）。
对绿地面积小或有种植限制的已建区，可使用地下渗透管沟。它们由无砂混凝土或穿孔混凝土管等透水材料制成，四周填有粒径10～20mm的砾石贮水。屋面径流可直接进入渗透管沟再进入渗透管系，渗透管沟的长、宽、高根据所选用的暴雨重现期、屋面面积等通过计算确定。
（3）渗透路（地）面
渗透性路面是满足停车场、住宅区域内道路等土地原有用途要求的前提下，用透水性沥青混凝土、透水性地砖等有透水性空隙的材料施工，通过路面和缝隙将雨水由地面渗透到地下的设施。主要分为两类，一类是渗透性多孔沥青混凝土路面或渗透性多孔混凝土地面；另一类是用草皮砖铺砌的路面，它们可用于停车场、交通较少的道路及人行道，特别适用于居民小区。为减少入渗雨水在岩石介质中的水平流动，常设置连续混凝土墙阻止入渗雨水水平流动，从而有利于雨水向下入渗。
图3 渗透渠、管构造图
图4 典型多孔沥青地面示意图
·多孔沥青及混凝土地面
典型的多孔沥青地面构造参看图4。表面沥青层避免使用细小骨料，沥青质量比为5.5%～6.0%，空隙率为12%～16%，厚60～70mm。沥青层下设两层碎石，上层碎石粒径13mm，厚50mm，下层碎石粒径25～50mm，空隙率为38%～40%，其厚度视所需蓄水量定。
多孔混凝土地面构造与多孔沥青地面类似，只是将表层改换为无砂混凝土，厚度约为125mm，空隙率15%～25%。多孔沥青及多孔混凝土地面自1973年在美国使用以来，得到EPA（美国环境保护局）的支持，至今已广泛应用于发达国家。
·草皮砖
草皮砖是有各种形状空隙的混凝土块，开孔率达20%～30%。多用于城区各类停车场、生活小区及道路边。它除有渗透雨水的作用外，同时还可美化环境。草皮砖地面因有草类植物生长，与多孔沥青及混凝土地面相比，能更有效地净化雨水径流及调节大气温度和湿度。实验证明它对于重金属如铅、锌、铬等有一定去除效果；植物的叶、茎、根系能延缓径流时间。渗透地面的成本虽然比传统不透水地面高出10%左右，但综合考虑，因其径流量减少、地面集流时间延长而导致雨水管道长度缩短及管径减小，雨水系统的总投资可减少12%～38%，还可产生较大的环境及社会效益。
（4）渗透池（井）
渗透井是在集水井的底面用碎石充填，使集中起来的雨水直接渗透到地下的设施。地下渗透井一般是井内填砾石或砂砾，空隙体积贮留雨水，然后在一段时间内慢慢入渗。
当有一定可利用的土地面积，而且土壤渗透性能良好时，可采用地面渗透池。它可大可小，也可几个小池综合使用，视地形条件而定。季节性池中所种的植物应既能抗洪又能抗旱，并视池中水位而定。长年存水的地面渗透池与土地处理系统中的“湿地”相似，宜种植耐水植物及浮游性植物，还可作为野生动物的栖居地，有利于改善生态环境。利用天然低洼地做地面渗透池是最经济的。若对池底再作一些简单处理，如铺设鹅卵石等透水性材料，其渗透性能将会大大提高。
当地面土地紧缺时，可设置地下渗透池，实际上它是一种地下贮水装置，利用碎石空隙、穿孔管、渗透渠等贮存雨水。地下渗透池种类多样，形状各异。
对于渗透装置，要注意的有以下两个问题。
①堵塞问题：初期雨水径流带有一定量的悬浮颗粒和杂质，可能堵塞渗透装置或土壤层。因此在雨水进入渗透装置之前，应先将初期雨水弃流火进行必要的截污、过滤等处理。有效改善屋面径流水质的途径是控制屋面径流的污染源，即使用污染性小的屋面材料。如新建建筑物建议使用板式、瓦质屋面及环保性涂料，并建议对已有的沥青油毡平屋面进行平改坡工程，使用轻钢压型屋面。对于沥青多空地面来说，经吸尘抽吸（每年吸3次）或高压水冲洗后，其空隙率基本能完全恢复。多孔混凝土地面不易堵塞，但为安全起见，应尽量去除径流中易造成堵塞的杂质，并对渗透装置加强管理，定期清理。
②渗透设施的选址：在渗透设施的选址要求中，强调渗透表面距最高地下水位或不透水岩层1.2m以上，这是为了保证有一定土壤厚度以净化径流，是控制地下水污染的一种措施。并在渗透装置中多使用过滤纤维层，它对细小颗粒杂质有较强的阻隔作用。应提倡径流先进入绿地、花坛，再进入渗透设施，以充分利用植被和土壤表面的净化能力。
3.2 雨水贮存技术
雨水储存设施大致分为设置在公园、校园、住宅楼栋之间的空地部位（在不影响土地原来的利用机能的条件下）的短时间储存雨水的储水设施（池或洼地）和设置在建筑物地下储存雨水抑制雨水流出的储存槽、储存池等设施。
（1）屋顶（面）集流
用屋顶（面）来收集雨水，是最常用的雨水收集方式。屋顶材料多以瓦质屋面和水泥混凝土为主。屋顶集流系统由四部分组成：屋顶集流面、汇流槽、下水管和蓄水缸。
屋顶集流的另一利用形式是屋顶花园雨水利用系统。它是消减城市暴雨径流量、控制非点源污染和美化城市的重要途径之一，也可作为雨水集蓄利用的预处理措施。屋顶花园系统可使屋面径流系数减少到0.3，有效地消减了雨水流失量，同时改善了城市环境（图5）。
（2）地面和路面汇集雨水集流系统
地面集水系统比屋顶集水系统简单、经济。其优点是能够从一个较大的区域收集雨水，这在降雨量小的地区尤其有利。地面汇集雨水主要用于路旁植树。硬化路面集水是在硬化路面适当位置上设置集水沟，通过管道或渠道将水引入地下蓄水池，贮存备用。
雨水调节池在高强度降雨后，不是将其雨水一次性地排出，而是按设计调节容积将雨水慢慢排出。使流入渠道、河流的雨水量小于设计确定的最大排水量，能够有效地防止道路漫水现象等。其调节容积的计算主要依据是调节区域面积的大小及当地降雨强度统计资料。
3.3 雨水径流水质控制技术
大量的调查分析发现，初期雨水污染严重，积聚了大量的垃圾和污水，因此需要进行雨水源头水质控制。主要可以采取以下措施：
①加强地面环境卫生管理，经常打扫路面，最大限度地减少地面的垃圾等污染物；
图5 屋顶花园下部集水管布置示意图
②屋面表层采用水泥砖等非污染性材料，避免用沥青油毡类污染性表面铺装防水材料。路面则多采用透水性好的材料，减小路面径流。
地面的污染物则主要是通过雨水径流带入水体中，对于雨水进行过滤是雨水径流水质控制的主要方法。为除去这些杂质，已经有许多国家研究和开发了不同形式的径流过滤器等径流水质控制设备。如德国的WISY公司研制的金属筛网或立管选留过滤器，安装在雨水立管上能有效地改善水质，过滤能力可满足100～300m2屋面雨水径流。还有许多公司研制的硬塑料贮水池中，使用浮动式过滤取水器可以保证出水水质洁净。有条件的地区还可以建造人工湿地净化系统以满足更高的水质要求。
3.4 雨水径流的净化技术和回用系统
雨水净化是将雨水收集到管网末端或者贮存池中，再集中进行物理化学或者生物处理，去除雨水中污染物。给水与污水处理许多工艺可以应用于雨水处理中，但由于雨水的水量和水质变化大，而且雨水的可生化性比较差，多采用物理处理法。利用生物处理雨水的效率一般比较低，投资和运行费用也比较大，所以只在雨水负荷较大时才采用。
城市雨水净化一般包括：预处理、二级处理、深度处理和贮存。雨水的净化程度取决于雨水回用的目的，如回用于灌溉时，只需简单的处理；而作为锅炉水回用时，要求处理程度较高；又如用于各种清洁用途时，可在压力泵出口处的两个闸门之间安装一个初级过滤器，清除水中的悬浮物，即可使用。
二级处理多采用生物处理，有生物转盘、生物接触稳定池、滴滤池和氧化塘等工艺。生物处理在处理生活污水时可去除80%～95%BOD5和SS，但是当它用于雨水处理时，前面已叙述过其去除率较低，因此贮存措施往往是跟在其后的。
一般说来，雨水要进入调节池后进行净化处理，再进入贮存池。若把调节池和净化处理二合为一，形成了雨水综合池，具有调节雨水水量和对雨水进行简单处理的能力，是实现雨水回用系统多重效益的重要保障。与传统的调节池相比，它不仅具有平抑洪峰值、减少下游管段容量的功能，还是雨水回用、减污等多种功能的载体，去除雨水中的部分污染物，提高出水水质，同时还节省了建设费用和设备费用。综合池可长时间截流雨水，提供沉淀、过滤、渗透等净化处理。利用带砂滤装置的综合池，可消减85%的颗粒污染物，实现非饮用水的直接回用。
随着生态环境保护与城市发展需求之间的矛盾日益凸显，城市雨洪调控已经成为了一个复杂的社会问题。建设海绵域市、发展绿色经济是大势所趋。建设海绵城市不仅要在技术层面上学习西方成熟的LID技术，结合地域性特点、气候因素、建筑规模等迸行项目设计，制定相应的技术指导规范，更应该积极学习发达国家相对成熟的城市雨洪管理框架、法制体系，并对低影响开发设施的建设予以支持[4]。低影响开发雨水系统不仅能够有效缓解雨水峰值径流的压力，还能够起到减轻雨水污染，补充地下水位，保护城市水系的作用，对我国的城市建设具有重要的意义。在城市发展过程中，应因地制宜，合理规划，灵活运用各种渗、滞、蓄、净等方法，把雨水变成资源，把生态保护和建设项目充分结合，以达到建设海绵城市，低影响开发的目的。 ■
资料来源：
文中图表均为作者自绘或自摄。
参考文献：
1 住房城乡建设部关于印发海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行) [S]. 2014：38．
2 钟春节，吕永鹏. 国内外城市雨水资源利用对上海的启示[J]. 给水排水，2009（35）：154-158.
3 乔纳森·帕金森. 发展中国家城市雨洪管理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：168.
4 张旺，庞靖鹏. 海绵城市建设应作为新时期城市治水的重要内容[J]. 水利发展研究，2014（9）：5-7．
Construction of Sponge City and the LID-based Analysis on the Technology of Rainwater Resource Utilization
Cheng Tao
Su Hongtao
[Abstract] The resource utilization of rainwater is the important technical support to deal with urban inland inundation, recharge groundwater resources and relieve drought. It is also a vital approach to the construction of sponge city and application of LID philosophy. We first analyze the concept and application of rainwater infiltration technology, storage technology, water quality control technology, purification technology and reuse system. Then the key points of construction and main functions of rainwater resource utilization technology are compared. Finally, according to the current situation of rainwater utilization, we put forward some suggestions on the control of urban rainwater.
[Key words] Sponge city, low impact development, Technology of rainwater resource utilization
中图分类号：TU984.18
文献标识码： A
文章编号：1003-739X（2016）12-0072-04
作者信息
程 涛，湖北省城建设计院有限公司给水排水工程师，国家注册设备工程师，496921114@qq.com
苏洪涛，湖北省城建设计院有限公司工程师
收稿日期：2016-06-08
联系客服
