韓國古吉島雨水收集可持續供水系統研究

［韓國］ 韓慕雨等

韓國古吉島雨水收集可持續供水系統研究

［韓國］ 韓慕雨等

韓國的很多島嶼面臨著水源安全和供水問題，特別是那些遠離大陸的小島供水條件更差。為了向小島供水，開發了兩套涉及運水、地下水開采和淡化咸水的替代方案，但這些方案耗能多且成本高，需關注其安裝和運行過程。雨水收集(RWH)耗能少成本低，是一種可持續性的方案，但目前對這些地區內的雨水收集系統缺乏實踐或綜合研究，從而阻礙了系統的推廣。探討了古吉(Guja)島現有RWH系統存在的問題，從水量和水質方面提出了技術改進建議。系統設計經過修改，并通過使用如碼頭建筑物這樣的真空區對系統進行擴容后，可從水量和水質方面滿足該島的用水需求。據估計，RWH在韓國這樣的不利于雨水收集的氣候條件下是可行的供水方案，這就意味著對于世界上面臨缺水的其他地區，RWH技術具有更大的應用潛力。

雨水收集;供水系統;系統研究;韓國

韓國是一個三面環海的半島國家，沿該國的海岸線分布有很多島嶼，特別是西部和南部。正式登記的島嶼大約為3 200個，其中約500個有人居住，這些島上的總人口約80萬人。

很多島嶼均面臨水源安全和水源供應問題。這些島嶼人口只有38.2%的居民由自來水廠供水，而韓國由水廠供水的居民占全國總人口的91.3%。較大的島嶼人口多，與大陸相通，多數配有水廠，其水源來自島內的水庫或依靠從內地輸送地表水。然而，對于人口不足100人的小島，其中50%以上的島嶼，供水條件較差。較小的土地面積，加上陡峭的地形及巖石地質，導致降雨徑流直接匯入環繞島嶼的大海，這種特性使小島無法儲存地表水，從而引起水源安全問題。

地下水是沒有水廠的小島上常見的水源，這種供水方式僅限于有含水層的島嶼，還有很多島嶼沒有地下水體。此外地下水超采引起地下水位下降，導致海水滲入含水層，引起地下水含鹽量增高，在許多島上常常觀測到這種現象。其他供水方案包括從內地運送淡水和利用屋面雨水徑流，即RWH。近來這些地區關注淡化海水，將其作為有潛力的供水替代方案。雖然目前有許多針對島嶼的供水替代方案，并正在開發，但其建設和運行需要較高的成本和能耗，阻礙了這些技術的應用。島上人口少降低了供水設施的經濟效益，居民無力支付生產的水。因此，強烈建議創建一種低成本和低能耗的供水系統。

雨水歷來是小島最重要的水源之一，很多小島仍然主要依靠它提供生活用水。這種水源價廉，其RWH系統利用簡單，居民可親自安裝和操作。其優點是應用規模小，水源容易獲得，能耗和成本低，是一個可持續的供水方法。然而，目前對小島RWH系統缺乏推廣研究，甚至現狀調查也少見?，F在已安裝和運行的RWH系統只能維持生活用水，需要改進技術，確保供水安全和穩定。首要問題是確定當前RWH系統水量和水質方面的缺陷，并提出恰當的技術改進措施。因此，本研究首先是通過對古吉島現有RWH系統的現狀調查，找出存在的問題，然后提出技術建議，以改善現有的雨水供應系統，最后討論在古吉島推廣RWH的戰略。

1 古吉島研究區域概況

古吉島位于韓國西南部，面積約0.7 hm2，住著11戶共80個居民。多數居民以捕魚和水產業為生活來源。該島歷來以雨水為生活用水，而且現在島上每戶居民仍然主要依靠雨水作為供水，當雨水不足時便從內陸運水。島內每人每天平均用水量估計為200 L/d。根據2008年日降雨資料的分析，年降雨量和日降雨方差分別為1 302.5 mm和164.11 mm2。通過采訪和直接觀察，對現有 RWH系統進行了研究。

2 RWH系統水量模擬計算分析

采用計算機模擬方法對小島RWH系統進行水量分析。圖1描述了用于模擬的RWH系統的各組成部分。RWH系統性能評估采用2種運算法，即YAS(溢后產量)和YBS(溢前產量)。采納YAS算法，得出的系統的運作效能比較保守。本文采用YBS算法進行估計。借助這一算法，通過下列公式模擬RWH系統的運行:

式中 Yt為在第t時段內蓄水箱內的產水量，m3;Dt為在第t時段內雨水需求量(Dt=Yt+Mt)，m3;Vt－1為在第t－1時段內儲存的雨水量，m3;Vt為在第t時段內儲存的雨水量，m3;Qt為在第t時段內徑流量(Qt=Rt×A)，m3;St為在第t時段內水箱蓄水量，m3。

模擬計算每一連續時段內流進系統內的雨水產量(供應量)和水池內剩余量。本研究中時間間隔設為1 d，選擇2008年的逐日降雨量資料來模擬該島RWH系統的運行狀況。

3 問題確認

本節從水量和水質2個方面確認古吉島上現有RWH系統運行退化的技術因素。

3.1 水 量

圖1 RWH系統結構

古吉島上每戶人家都有自己的RWH系統。但不管是個人的還是整個系統，都沒有測量用水量的計量裝置。因此，通過計算模擬來分析每戶家庭現有系統的雨水供應量。眾所周知，影響RWH運行的有幾個變量，包括降雨強度、降雨形式、集水面積、徑流效率、臨界雨量、需水量、蓄水池容量。表1選擇并列出了這一地區2004～2008年5 a年降雨量及各年日降雨量方差，根據0.2 m3/(人·d)計算需水量。假設徑流效率和臨界雨量分別為70%和1 mm，相比專家于2004年提供的實測徑流效率和幾個不透水地面的臨界雨量資料，這是比較保守的值，因為大部分集水區(主要是屋頂)為不透水鋼材或塑料。對每個系統的集水面積和蓄水容量進行了調查，平均分別達到200 m2和50 m3。模擬計算結果表明，當前系統僅能提供大約40%住戶的需水量。這意味著當前RWH系統不能滿足生活用水需求量。

表1 古吉島2004～2008年降雨資料特征值

3.2 水 質

RWH系統運行的關鍵機制是雨水收集和蓄存，在這些過程中會出現水質問題。

首先發現現有RWH系統有與清水收集有關聯的缺陷。古吉島多數RWH系統利用屋頂徑流收集雨水，雨水先由屋頂邊緣的檐槽匯集，然后通過雨水管流到蓄水池。然而多數收集系統的屋頂檐槽沒有得到很好維護，在檐槽內發現有灰塵、生長的植物及動物糞便，導致檐溝上的物質包括污染物有較大的機會利用徑流沖洗掉。此外，在雨水收集過程中缺乏專用設備過濾這些物質，從而增加了污水流入蓄水池的風險。

即使雨水收集部件得到很好的維護，流進蓄水池的是干凈的雨水，但在存水期間也可能出現水質惡化問題。首先，蓄水受到外來污染物入侵的污染。調查發現，古吉島多數蓄水池沒有密封蓋子，蓄水容易受到外來污染物的入侵，發現蓄水池水面上有微小物質，包括昆蟲、蟲卵和樹葉等。太陽光的照射也是水質惡化的主要因素。島上大部分蓄水池位于地面，白天直接暴露在陽光下。通過蓄水池開口進入的太陽光促進藻類和微生物生長。其次陽光通過淺色墻(白色或黃色)的蓄水池，引起存水水質惡化。最后，需要控制蓄水池的沉淀物。流入蓄水池的水擾動蓄存的水，從而引起池內沉淀物再懸浮。而出水口位于水池底部，供水時沉積物隨水流一起流出。

4 改善古吉島上RWH系統的技術建議

本節中，從水量和水質兩個方面，進行了技術分析，討論了RWH運行系統改進的辦法。

4.1 水 量

如前所述，目前古吉島上RWH系統不能滿足整個島的用水需求。因此，需要討論滿足雨水供應需求的方法。

首先，采用3個變量(集水面積、需水量和蓄水池容量)通過計算機模擬計算RWH系統的存水效率(WSE)。通過以下過程可將變量減少到2個:將需水量(D，m3)除以集水面積 (A，m2)并加以參數化，成為D/A(m3/m2);將蓄水池容量(S，m3)除以集水面積(A，m2)并加以參數化，成為 S/A(m3/m2)。WSE概念于1999年首次被提出，并用下列方程進行了修正，本研究將WSE作為一個參數因素測定RWH設施的供水能力。如果參數值大于1，則表明雨水能滿足整體用水需求。

式中T為最后時段。

圖2描述了通過在D/A和S/A值范圍內的模擬計算得到的修正的WSE值。垂直軸用對數尺度是為了得到更加清楚的表達。為了使雨水供應完全滿足用水需求，WSE修正值應該大于1，圖中橫過坐標平面并有記號1的曲線確定RWH系統的設計標準。根據該曲線下方的D/A和S/A值設計的RWH系統可滿足供水需求。

圖2 D/A和S/A值范圍內相應存水效率(降雨資料為金島2004～2008年的日降雨量;徑流效率為70%;臨界降雨量為1 mm)

當前RWH系統按200 m2集水面積、50 m3蓄水容量、1.4 m3的每戶日需水量進行設計，見圖2(坐標點:D/A 值為0.007，S/A 值為0.25，圖中用實線圓圈表示)，顯然該系統不能滿足整體用水需求。要讓WSE大于1，首先考慮降低日需水量(從標記坐標點向下移動)，此方法具有無需系統擴容的優點，但此類情況幾乎是不可能的，因為D/A需要大幅降低到0.002(而當前值為0.007)。另一個考慮是擴容(從標記的坐標點向右移動)。可以看出，這種考慮實際上也是不可接受的。擴大集水面積也有助于WSE達到1。因而，將上述2種方法聯合應用，可以滿足設計標準。

4.2 水 質

對系統進行小規模的改動有助于改善供水水質。首先可以在輸水管道中安裝一個過濾器，通過篩網過濾器可以去除屋頂徑流中主要由顆粒物質組成的污染物，保證潔凈的水流入蓄水池;還可用篩網蓋住蓄水池的開口，防止外來污染物的進入;進口設計改動能有效控制沉淀物，U型進口改變了入流方向，以防止對蓄水池內存水的擾動，即所謂的“平靜進水口”，能有效防止沉積物再懸浮;將出水口提升到距池底有一定的高度的位置，可有效防止泥沙排出;為了隔絕陽光，地面蓄水池需要設密封蓋，建議采用地下蓄水池(見圖3)。

圖3 RWH系統設計改進前后對比

5 促進古吉島雨水供水系統開發的策略

在古吉島，必須建立一套RWH系統，以提供數量充足、水質清潔的雨水。從水量方面考慮這種策略，需要另外建立RWH系統，以彌補現有供水系統不能覆蓋的其他60%的供水需求(目前系統只滿足40%的生活用水)。表2列出了需要額外建立的最小RWH系統的4個可能方案，這些方案是根據圖2中標有虛線圓圈的4個點的坐標值計算得出的?？梢钥闯觯斎暧晁┧肯嗤瑫r，較大的集水面積需要較小的存儲容量，而較小的集水面積需要更大的存儲容量。因此，系統設計師可以考慮系統安裝所在地的具體條件，做出合理的設計。

表2 各方案需要的集水面積與蓄水容量

包括古吉島在內的每個小島，都有一個供船舶?？康拇a頭建筑物，這種建筑物通常體積巨大，相應表面也大，而內部是空的，這意味著建筑物可用于RWH系統，其表面可用作集水區，收集的雨水存進建筑物內。古吉島的碼頭建筑物，表面積約4 200 m2，高度約3 m。在表2列出的4個設計容量當中，在該島的碼頭建筑物上安裝RWH系統，考慮到可用的集水面積(表面積)，顯然，方案D是唯一可行的系統設計。

為了收集干凈的雨水，將集水區域設置在位置相對較高的區域。雨水輸送部件上的過濾設備和初級沉淀池有助于改善供水水質。為了防止陽光直射和外來污染物入侵，必須確保蓄水池四周有妥善密封。1 500 m3大小的蓄水容量增加了水力停留時間，通過沉淀可去除更小粒徑的顆粒物，這有助于改善存水水質。

6 結語

韓國的很多島嶼面臨著缺水問題，尤其是那些遠離內陸的小島，其水源安全和供水條件問題更嚴重。這些地區可將運送淡水或海水淡化作為供水替代方案，但需要耗費大量的電能且成本高。RWH在小規模應用中，所需電能和成本較少，適用性強，可將其作為基本供水方案，且必需加以推廣。

RWH原來就是很多島嶼傳統供水方案之一。然而，對RWH系統的水量方面缺少詳細的研究，使得現有系統保持在經驗設計的戶級水平上，這種系統不僅設計上考慮不充分，而且供水量不足。本文分析了RWH系統當前的現狀，通過調查確認島嶼現有雨水收集系統存在的問題，對現有系統提出了技術改進建議，使其在水量與水質方面滿足RWH系統的設計標準。依照區域條件建立WRH系統的可行策略表明，在容許范圍內，增建RWH系統能滿足該島嶼用水量和更優水質需求。利用該島的碼頭建筑物，可提供相當大的系統容量。

韓國的降雨類型不利于RWH系統的有效運行。降雨年內分布不均，降雨集中在夏季，要求RWH系統有很大的容量，以滿足干旱的冬春季的供水需求，并有更長的蓄水期。在韓國這樣的氣候條件下，RWH系統是可行的，可以用作一個供水替代方案，這意味著在那些年內降雨分布更加均勻的地區，由于其貯水容量可更小，系統性會更加有效。因此RWH能成為世界上面臨缺水的很多島嶼的一種可行的供水選擇。這項研究中建議的方法還可望為需要雨水供水的區域提供一個RWH系統設計框架。

邱訓平 譯

趙樹湘 校

(選譯文獻:2010年國際水協會出版物《水科學和技術》)

TU911.114

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1006-0081(2011)09-0033-04

2011-04-20