低影響開(kāi)發(fā)下不同類(lèi)型區(qū)城市雨水利用模式研究

王軍 郭澤忠 魏颯

（河北師范大學(xué)匯華學(xué)院 河北石家莊 050091）

華北城市區(qū)域水資源嚴(yán)重短缺，一方面造成地下水過(guò)度開(kāi)采或四處調(diào)水補(bǔ)源，另一方面隨著城市大面積地表硬化，雨水徑流增加，城市建設(shè)每年斥巨資修建排水系統(tǒng)，而大量雨水卻白白排放，城市旱情愈加嚴(yán)重；以此同時(shí)，因汛期集中降雨造成積水成災(zāi)，嚴(yán)重影響了城市居民日常生活。合理開(kāi)發(fā)利用雨水資源，把城區(qū)雨水集蓄利用或入滲回補(bǔ)地下，既可增加可利用水資源量，又可減少排澇排污水量，是緩解城市水資源短缺、減輕內(nèi)澇災(zāi)害的有效措施。

近年來(lái)，城市雨水利用已成為國(guó)內(nèi)外水資源管理研究的熱門(mén)課題[1]。為全面落實(shí)新時(shí)期治水方針，實(shí)現(xiàn)城市節(jié)水節(jié)能減排的目標(biāo)，兼以全面推進(jìn)海綿城市建設(shè)進(jìn)程，河北省石家莊市、邯鄲市、唐山市等城區(qū)開(kāi)展了一系列城市雨水資源模式利用技術(shù)研究與示范[2-5]。

低影響開(kāi)發(fā)（LID）[6]即是低范圍內(nèi)影響水文特征，最大程度的減少雨水徑流、減少污染等，而實(shí)現(xiàn)雨水的利用。其重點(diǎn)是管理雨水[7]，利用一些低成本、小規(guī)模的雨水設(shè)施實(shí)現(xiàn)從源頭到終端整個(gè)過(guò)程的管理。鑒于此，本文在系統(tǒng)分析低影響開(kāi)發(fā)雨水利用措施基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類(lèi)型區(qū)城市下墊面、水文特征等建立了不同區(qū)域的城市雨水利用模式，以期為類(lèi)似地區(qū)城市雨水利用、海綿城市建設(shè)等提供借鑒意義。

1 低影響開(kāi)發(fā)理念下的雨水利用措施

低影響開(kāi)發(fā)理念下的雨水利用設(shè)施，是以生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，重在人與自然的和諧相處[8]。低影響開(kāi)發(fā)理念下的雨水利用措施主要有滲透滯留、雨水運(yùn)輸及調(diào)蓄凈化[9]。滲透滯留措施主要有雨水花園、綠色屋頂、透水材料鋪裝和下凹式綠地等；雨水運(yùn)輸設(shè)施主要有植被淺溝、生態(tài)樹(shù)池；調(diào)蓄凈化設(shè)施主要有人工濕地、蓄水池、植被過(guò)濾帶等。

多種低影響開(kāi)發(fā)雨水利用技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 低影響開(kāi)放雨水利用技術(shù)對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需結(jié)合區(qū)域下墊面條件因地制宜選擇低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)，遵循入滲-運(yùn)輸-凈化-存儲(chǔ)利用的原則，構(gòu)建完善的雨水利用體系。

2 城市雨水利用模式

2.1 山丘區(qū)城市雨水利用

2.1.1 示范地點(diǎn)

示范地點(diǎn)——石家莊市鹿泉區(qū)海山大街；類(lèi)型——機(jī)關(guān)事業(yè)單位。

2.1.2 示范區(qū)概況

鹿泉區(qū)位于河北省西部太行山東麓，城區(qū)面積49.52km2。地形特點(diǎn)是西高東低。

鹿泉站典型年降水量各月分配統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鹿泉站典型年降水量月分配

鹿泉市水務(wù)局總占地面積4110m2，東臨海山大街，南依新開(kāi)路，呈西高東低地勢(shì)。現(xiàn)單位內(nèi)大部分為水泥硬化地面，僅在東南角建有800m2的一綠化小區(qū)。雨水大部分通過(guò)地面散排至東側(cè)的海山大街排水溝內(nèi)。

當(dāng)前存在的主要問(wèn)題：①綠化灌溉水源除降雨外主要為自來(lái)水；②下墊面大部分為硬化地面，雨季積水較多，故實(shí)施雨水利用是當(dāng)務(wù)之急。

2.1.3 雨水利用方式及工程建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)鹿泉區(qū)山區(qū)城鎮(zhèn)特點(diǎn)，結(jié)合河北省水土保持生態(tài)建設(shè)工作，開(kāi)展雨水利用技術(shù)示范。雨水利用方式為：滲蓄結(jié)合，以滲透間接利用為主。示范面積共計(jì)2100m2，雨水入滲采取新建下凹式綠地+透水性地面鋪裝，面積計(jì)500m2；雨水存蓄采取院內(nèi)新建地下集雨池1座，蓄水容積100m3。

2.1.4 雨水利用效果監(jiān)測(cè)

2016年降雨量698.9mm，降水過(guò)程見(jiàn)圖1。由于鋪設(shè)了下凹式綠地和透水磚，雨水入滲率明顯提高；修建的地下蓄水池，年累計(jì)利用雨水量達(dá)到300m3以上，主要用于院區(qū)道路噴灑、綠化灌溉，大大節(jié)約了自來(lái)水。全年雨水徑流系數(shù)由65%降至21%，有效改善了院區(qū)生態(tài)環(huán)境。

圖1 鹿泉區(qū)2016年逐月降雨量

2.2 平原區(qū)城市雨水利用

2.2.1 示范地點(diǎn)及雨水利用方式

示范地點(diǎn)：石家莊市新華區(qū)泰華街310號(hào)。

類(lèi)型：機(jī)關(guān)事業(yè)單位。

雨水利用方式：蓄滲結(jié)合，以利用為主。

2.2.2 示范區(qū)概況

省水科院位于石家莊市新華區(qū)西北部，北、南、西鄰均有院墻或建筑物分隔，東臨泰華街。院內(nèi)辦公樓2座，總面積4133m2，主要有樓房建筑、綠地和地面鋪裝等三種土地類(lèi)型，占地面積比例分別為44.7%、6.7%、44.3%和4.3%。院區(qū)地面高程75.10m，地下水埋深大于45m。

底土性質(zhì)：試驗(yàn)區(qū)底土屬于中粉質(zhì)壤土，土壤干容重平均測(cè)定值為1.55g/cm3，土壤滲透系數(shù)測(cè)定值為1.05m/d。

2.2.3 雨水利用工程建設(shè)內(nèi)容

院區(qū)所用透水性鋪裝材料主要為透水面磚和空心草皮磚兩種材料。其中透水面磚為引進(jìn)環(huán)保型透水磚，鋪設(shè)面積54m2；空心草皮磚鋪設(shè)面積95m2。

雨水集蓄工程為地下蓄雨池，容積60m3，集雨面積為2010m2，采取攔污-沉淀-過(guò)濾的雨水處理技術(shù)。集蓄利用模式為：院區(qū)雨水經(jīng)簡(jiǎn)單水質(zhì)處理后經(jīng)蓄雨池收集，收集的雨水主要用于沖洗車(chē)輛、綠地灌溉和地面噴灑等。

2.2.4 雨水利用效果監(jiān)測(cè)

（1）雨水集蓄利用減少了院區(qū)地表徑流，提高了雨水利用率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下院區(qū)雨水的“零排放”。2014～2016年年降水量430.4mm、707.7mm 和698.9mm，集雨利用量為 612.0m3、884.1m3和796.4m3，入滲蒸發(fā)量為 192.0m3、421.7m3和 407.7m3，外排水量 24m3、100m3和 155m3，三年平均雨水蓄存利用率達(dá)64.5%，雨水排出率僅為7.1%。

（2）因地制宜地選擇透水性鋪裝材料，雨水入滲回補(bǔ)地下水，地表徑流系數(shù)減小，一般中小強(qiáng)度降雨（日降雨量20～30mm）不產(chǎn)流。同時(shí)雨水入滲有效涵養(yǎng)了地下水，對(duì)維持城市水循環(huán)系統(tǒng)平衡發(fā)揮了重要作用。

（3）屋面雨水經(jīng)過(guò)初期棄流后雨水水質(zhì)明顯變好，特別是SS明顯降低，一般小于15mg/L。院區(qū)雨水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理可以滿足綠地灌溉和地面噴灑水質(zhì)要求。雨水徑流處理前水質(zhì)較差，SS和COD分別為318mg/L和106mg/L，經(jīng)過(guò)多級(jí)攔污和沉淀處理后，雨水SS和COD分別降至48mg/L和42mg/L。再經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理和池內(nèi)沉淀，SS和COD分別降至26mg/L和20mg/L，基本符合城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于綠地灌溉和地面噴灑等用途。即使污染比較嚴(yán)重的道路雨水，通過(guò)初期雨水棄流或地面/綠地滲透可以基本滿足綠地灌溉和地面噴灑水質(zhì)要求。

2.3 濱海區(qū)城市雨水利用

2.3.1 示范地點(diǎn)及雨水利用方式

示范地點(diǎn)：秦皇島市和平大街。

類(lèi)型：城市居民小區(qū)。

雨水利用方式：蓄滲結(jié)合，以集蓄利用為主。

2.3.2 示范區(qū)概況

秦皇島市“在水一方”舊城改造項(xiàng)目位于秦皇島市海港區(qū)西部，是典型的居民小區(qū)。小區(qū)自有基礎(chǔ)設(shè)施健全，配套設(shè)施齊全。為改善小區(qū)居住環(huán)境，小區(qū)整體規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)積極引進(jìn)環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能的生態(tài)理念，力求實(shí)現(xiàn)高效利用雨水資源。

小區(qū)地面高程4.44～5.76m，地貌上場(chǎng)地屬于湯河河流沖積平原。在鉆探深度范圍表層0.70～3.00m為雜填土，夾層為粉質(zhì)粘土、中粗砂、粉質(zhì)粘土和粗砂等。地下水類(lèi)型為第四系松散沉積物空隙水，地下水水位年變幅約0.5～1.0m。

2.3.3 工程建設(shè)內(nèi)容

小區(qū)雨水利用技術(shù)包括：收集屋面雨水、修建地下蓄水池、建設(shè)下凹式綠地、鋪設(shè)透水性材料、修建人工湖等。

收集屋面雨水，用于室外綠化帶灌溉，面積約3.9萬(wàn)m2；地下蓄水池容積500m3，收集的雨水主要用于小區(qū)綠地灌溉、沖廁和景觀湖補(bǔ)充用水；建設(shè)下凹式綠地面積2000m2；小區(qū)人行道路鋪設(shè)透水磚，面積為4.57萬(wàn)m2；停車(chē)場(chǎng)地面鋪裝空心草皮磚，面積3000m2。修建人工湖收集小區(qū)中心區(qū)域雨水，面積6500m2。

2.3.4 雨水利用效果及監(jiān)測(cè)

（1）年度降水情況。

秦皇島市2014年總降雨量532.7mm，2015年總降雨量562.7mm。

（2）集雨利用量和增加雨水入滲量。

2014年雨水利用量5750m3，其中綠地澆灌1300m3，生活雜用450m3，補(bǔ)充水系4000m3。

2015年雨水利用量6014m3，其中綠地澆灌1334m3，生活雜用480m3，補(bǔ)充水系4200m3。

利用透水性地面鋪裝和綠地增滲系統(tǒng)，兩個(gè)年度增加雨水入滲量共計(jì) 3.4 萬(wàn) m3。

（3）生態(tài)環(huán)境改善情況。

小區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善，真正實(shí)現(xiàn)了“宜居”。同時(shí)雨季小區(qū)內(nèi)地表徑流減少，有效減緩了城市管網(wǎng)壓力。

3 結(jié)論

（1）對(duì)比分析多種低影響開(kāi)發(fā)雨水利用技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需結(jié)合區(qū)域下墊面條件因地制宜選擇低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)，遵循入滲—運(yùn)輸—凈化—存儲(chǔ)利用的原則，構(gòu)建完善的雨水利用體系。

（2）結(jié)合實(shí)踐工作，研究提出了不同類(lèi)型區(qū)城市雨水利用工程模式，其中山丘區(qū)雨水利用方式為滲蓄結(jié)合，以滲透間接利用為主；平原區(qū)雨水利用方式為蓄滲結(jié)合，以利用為主；濱海區(qū)雨水利用方式蓄滲結(jié)合，以集蓄利用為主。