城市雨洪利用的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向
城市雨洪利用是針對(duì)城市開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)域內(nèi)的屋頂、道路、庭院、廣場(chǎng)、綠地等不同下墊面降水所產(chǎn)生的徑流, 采取相應(yīng)的集、蓄、滲、用、調(diào)等措施, 以達(dá)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(zāi)害防范之中的系統(tǒng)工程。與缺水地區(qū)農(nóng)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(bǔ)地下水減緩地下水位下降趨勢(shì),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(xiàng)多目標(biāo)綜合性技術(shù), 我國(guó)在這方面的研究和應(yīng)用尚處在起步階段, 需要在全面把握國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上明確方向, 更加深入、系統(tǒng)地開(kāi)展研究, 為進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1 研究現(xiàn)狀
1.1 國(guó)外雨洪利用研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)雨洪利用技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟, 基本形成了相應(yīng)的理論體系和完善的技術(shù)措施, 并開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了系列化的設(shè)備。特別是在雨洪利用的水文計(jì)算方面國(guó)外已有一些成熟的模型。雨洪利用管道的計(jì)算一般有推理公式法和過(guò)程線法。推理公式法的計(jì)算精度不易準(zhǔn)確把握, 有時(shí)計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值大1倍。過(guò)程線方法計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確, 但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜, 往往需要借助于計(jì)算機(jī)完成。英、美等國(guó)家較大流域的雨水管渠設(shè)計(jì)自70年代就使用基于計(jì)算機(jī)的過(guò)程線方法, 開(kāi)發(fā)出了一些適用的計(jì)算機(jī)模型, 如英國(guó)環(huán)境部及全國(guó)水資源委員會(huì)的沃林福特程序(Wallingford Procedure)、美國(guó)環(huán)境保護(hù)署編制的暴雨雨水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)、美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心提出并應(yīng)用于城市和非城市集水區(qū)域的降雨-匯流-水質(zhì)模型STORM、丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)的MOUSE模型、Beven和Kirkby于1979年開(kāi)發(fā)的MOUSE、美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)開(kāi)發(fā)的SWAT(Soil and Water Assessment)模型、德國(guó)DORSCH CONSULT公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的HydroCAD等等。這些模型為雨洪利用系統(tǒng)的計(jì)算和設(shè)計(jì)提供了有效的工具。德國(guó)Geiger教授在《Neue Wege Fur Das Regenwasser》中詳細(xì)論述雨水滲透方面的技術(shù)。
國(guó)外很重視雨洪利用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策措施的配套, 許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的技術(shù)手冊(cè)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)STAFFORD郡的《雨水管理設(shè)計(jì)手冊(cè)》、喬治亞州的《雨水管理手冊(cè)》、北卡羅萊納州《雨水設(shè)計(jì)手冊(cè)》, 維吉尼亞州的《維吉尼亞雨水管理模式條例》等。此外, 國(guó)外還制定相應(yīng)的立法對(duì)雨洪利用給予支持, 如美國(guó)的克羅拉多州(1974年)、佛羅里達(dá)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?xiàng)l例。這些條例規(guī)定新開(kāi)發(fā)區(qū)的暴雨洪水洪峰流量必須保持在開(kāi)發(fā)前的水平。所有新開(kāi)發(fā)區(qū)(不包括獨(dú)戶住家)必須實(shí)行強(qiáng)制的“就地”滯洪蓄水。滯洪設(shè)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?xiàng)l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(wù)債券、聯(lián)邦和州給予補(bǔ)貼、聯(lián)邦貸款和投資分扣方式鼓勵(lì)人們采用新的雨水處理方法。
由于大面積的應(yīng)用需求, 國(guó)外已經(jīng)有許多專門(mén)的公司研發(fā)并生產(chǎn)雨洪利用的專用設(shè)備。如德國(guó)GEP公司生產(chǎn)雨水利用的存儲(chǔ)罐、過(guò)濾器和單戶雨水利用的集成設(shè)備, 荷蘭WAVIN公司生產(chǎn)專用雨水口、雨水連接管道、雨水檢查井、雨水儲(chǔ)存填料, 德國(guó)UFT公司生產(chǎn)雨洪利用系統(tǒng)的各種溢流堰和流量控制器。
1.2 我國(guó)雨洪利用的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
雨洪利用在我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)已有廣泛的應(yīng)用, 主要用于集雨灌溉農(nóng)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(nóng)業(yè)” 、陜西的“甘露工程”、山西的“123” 工程、內(nèi)蒙古的“112集雨節(jié)水灌溉工程” 等。我國(guó)城市雨洪利用起步較晚, 在理論與技術(shù)方面尚不十分成熟。90年代初, 北京市水利科學(xué)研究所等單位在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下, 開(kāi)展了“北京市水資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵問(wèn)題之一——雨洪利用研究”課題的研究。對(duì)屋頂——滲井系統(tǒng)和草坪的攔蓄雨洪效果進(jìn)行了初步研究,提出了一些北京城區(qū)雨洪利用的對(duì)策和技術(shù)措施。但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的原因, 當(dāng)時(shí)未能得到推廣應(yīng)用。從2000年開(kāi)始, 在中德合作“北京城區(qū)雨洪控制與利用技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目的支持下,北京市進(jìn)一步開(kāi)展了對(duì)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(shù)系統(tǒng), 并建設(shè)了總面積60hm2的雨洪利用示范區(qū)。在該項(xiàng)目的影響下, 掀起了雨洪利用的研究和應(yīng)用高潮。2002年, 北京市節(jié)約用水辦公室資助中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)展了城市雨洪利用的研究。北京建筑工程學(xué)院和北京市節(jié)約用水辦公室也開(kāi)展了“北京市城區(qū)雨水利用技術(shù)研究及雨水滲透擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的研究。天津、上海、深圳等城市也相繼開(kāi)展了雨洪利用的研究和應(yīng)用。
在雨洪利用的水文模型方面, 國(guó)內(nèi)已建立:①自然流域的水文模型;②城市雨水徑流模型(簡(jiǎn)稱CSYJM),把徑流分為地表徑流和雨水管內(nèi)匯流2個(gè)階段, 模型包括了降雨、扣損、凈雨過(guò)程線、雨水口流量過(guò)程線和管網(wǎng)匯流等方面, 主要服務(wù)于雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、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(duì)其理論計(jì)算方法進(jìn)行了研究。該模型按照徑流的形成過(guò)程可劃分為產(chǎn)流、匯流、調(diào)蓄和傳輸4部分, 通過(guò)對(duì)調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算, 對(duì)管網(wǎng)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸計(jì)算, 演算出管網(wǎng)內(nèi)任一斷面的水位過(guò)程線和流量過(guò)程線, 并可以計(jì)算出次降雨的雨水資源利用量。該模型可為設(shè)計(jì)、模擬等提供有效的參數(shù)。
在雨水利用的硬件設(shè)備方面, 目前透水磚的生產(chǎn)廠家較多, 全國(guó)已有1000多家, 但是透水性差別較大。自主研發(fā)和生產(chǎn)的其他專用設(shè)備極少, 僅少數(shù)公司生產(chǎn)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(jìn)雨洪利用技術(shù)的推廣應(yīng)用, 在2000年12月1日頒布的北京市政府66號(hào)令、2003年3月北京市規(guī)劃委員會(huì)和北京市水務(wù)局共同制定并發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)建設(shè)工程用地內(nèi)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(guān)于加強(qiáng)建設(shè)項(xiàng)目節(jié)約用水設(shè)施管理的通知》、北京奧運(yùn)場(chǎng)館的《奧運(yùn)工程設(shè)計(jì)大綱》等政策或文件中都明確提出了開(kāi)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(guò)近幾年的研究、探索和實(shí)踐, 人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到雨洪利用的重要性和所能得到的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、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(jìn)一步深入研究。
2.1 不同比尺城市暴雨徑流關(guān)系模型的研究
現(xiàn)行雨水管道計(jì)算的推理公式不考慮下游受水河道水位變化過(guò)程及影響, 一般適應(yīng)于較小范圍, 難以從更大范圍研究整個(gè)城市的排水問(wèn)題, 因此需要研究不同尺度的城市暴雨徑流關(guān)系模型。主要研究?jī)?nèi)容應(yīng)當(dāng)包括:人工干預(yù)條件下城市不同下墊面的降雨徑流關(guān)系、不同水平城市化區(qū)域的降雨徑流關(guān)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(guān)系, 城市不同單元類型下墊面(如單個(gè)屋頂、小塊草坪、停車場(chǎng)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(chǎn)流和匯流特征, 并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;小區(qū)降雨徑流過(guò)程與城市河道雨洪過(guò)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(chǎn)生過(guò)程是上下游小區(qū)雨水過(guò)程、過(guò)境雨洪過(guò)程、河道調(diào)蓄過(guò)程的綜合結(jié)果。進(jìn)行城市雨洪的綜合管理、以實(shí)現(xiàn)資源利用與災(zāi)害防治的雙重目標(biāo), 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(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容包括:利用集中或分散式以及點(diǎn)、線和面等不同形式入滲設(shè)施下滲雨水回補(bǔ)地下水的計(jì)算模型;針對(duì)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(diào)控的數(shù)學(xué)模型;基于現(xiàn)狀城市排水系統(tǒng)的雨洪調(diào)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(shù)
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(guò)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(dāng)增加平屋頂?shù)姆罎B等級(jí), 并在雨落管上安裝限制流量的設(shè)備, 當(dāng)雨水較大超過(guò)限制流量時(shí), 可在屋頂滯蓄一段時(shí)間, 然后再逐漸排走。因此應(yīng)當(dāng)研究這種情況下所要求的屋頂防滲等級(jí)、防滲形式、限流方式等。屋頂綠化方面應(yīng)當(dāng)研究在滿足景觀效果的情況下, 屋頂綠化結(jié)構(gòu)層形式對(duì)不同頻率降雨的外排徑流過(guò)程影響, 以及在較低屋頂進(jìn)行綠化利用較高建筑屋頂雨水灌溉該綠地的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。在透水地面方面應(yīng)當(dāng)研究在天然降雨情況下不同形式透水地面的入滲、產(chǎn)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(shù)和利用透水地面減輕城市道路面源污染的技術(shù)。
2.4 城市機(jī)動(dòng)車道雨水的利用和清潔排放技術(shù)
城市中機(jī)動(dòng)車道所占比例相當(dāng)大, 但目前的研究都認(rèn)為其雨水污染嚴(yán)重, 接近生活污水水平, 因此暫時(shí)不利用。但是, 當(dāng)其他地面或屋頂?shù)挠晁皇占、截留和利用? 排入城市河湖的雨水將主要是未經(jīng)處理的機(jī)動(dòng)車道路雨水, 從而會(huì)嚴(yán)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(yīng)的技術(shù)處理機(jī)動(dòng)車道雨水, 使其能夠清潔排放或加以利用。主要研究?jī)?nèi)容包括:機(jī)動(dòng)車道雨水水質(zhì)變化規(guī)律、機(jī)動(dòng)車道雨水快速收集技術(shù)、環(huán)保型雨水口、利用綠地處理和消納機(jī)動(dòng)車道雨水技術(shù)、融雪劑對(duì)機(jī)動(dòng)車道路雨水水質(zhì)影響及處理技術(shù)、生態(tài)型入河口處理雨洪污染技術(shù)、機(jī)動(dòng)車道雨水滯蓄技術(shù)等等。
2.5 雨洪利用配套設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化
目前推廣應(yīng)用雨洪利用技術(shù)的一個(gè)重要難點(diǎn)就是缺乏專門(mén)的配套設(shè)備, 因此必需研發(fā)并生產(chǎn)諸如雨水收集設(shè)備、初期徑流棄除設(shè)備、雨水過(guò)濾設(shè)備、雨水凈化設(shè)備、雨水下滲設(shè)備、雨水存儲(chǔ)設(shè)備、流量控制設(shè)備、蓄水池的自動(dòng)沖洗設(shè)備、雨水與再生水聯(lián)合使用的自動(dòng)轉(zhuǎn)換設(shè)備等等。
2.6 雨洪利用推廣應(yīng)用配套政策研究
需要研究雨洪利用工程的效益計(jì)算和效果評(píng)估的方法;研究雨洪利用設(shè)施的評(píng)價(jià)方法;研究雨洪利用實(shí)施后防洪費(fèi)減免的具體方法, 鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)商或業(yè)主主動(dòng)出資實(shí)施雨洪利用的政策等。
參考文獻(xiàn)
[1]W.Geiger,H.Deriseitl,Neue Wege Fur Das Regenwasser,Oldenbourg Verlag,Girmany.
[2]李蘭, 等.流域水文數(shù)學(xué)物理藕合模型[A].朱爾明.中國(guó)水利學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文集[C].北京：中國(guó)三峽出版社,2000,322-329.
[3]李蘭, 等.流域水文分布動(dòng)態(tài)參數(shù)反問(wèn)題模型[A].朱爾明.中國(guó)水利學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文集[C].北京：中國(guó)三峽出版社,2000,48-54.
[4]郭生練, 等.分布式流域水文物理模型的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[A].劉昌明, 等.黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機(jī)理研究和進(jìn)展[C].鄭州：黃河水利出版社,2001,51-57.
[5]張建云, 等.氣候異常對(duì)我國(guó)水資源及水分循環(huán)影響的評(píng)估模型研究[D].國(guó)家“九五”重中之重科技攻關(guān)項(xiàng)目,2000.
[6]郭生練, 等.基于DEM的分布式流域水文物理模型[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2000,33（6）.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
