韩国古吉岛雨水收集可持续供水系统研究

［韩国］ 韩慕雨等

韩国古吉岛雨水收集可持续供水系统研究

［韩国］ 韩慕雨等

韩国的很多岛屿面临着水源安全和供水问题，特别是那些远离大陆的小岛供水条件更差。为了向小岛供水，开发了两套涉及运水、地下水开采和淡化咸水的替代方案，但这些方案耗能多且成本高，需关注其安装和运行过程。雨水收集(RWH)耗能少成本低，是一种可持续性的方案，但目前对这些地区内的雨水收集系统缺乏实践或综合研究，从而阻碍了系统的推广。探讨了古吉(Guja)岛现有RWH系统存在的问题，从水量和水质方面提出了技术改进建议。系统设计经过修改，并通过使用如码头建筑物这样的真空区对系统进行扩容后，可从水量和水质方面满足该岛的用水需求。据估计，RWH在韩国这样的不利于雨水收集的气候条件下是可行的供水方案，这就意味着对于世界上面临缺水的其他地区，RWH技术具有更大的应用潜力。

雨水收集;供水系统;系统研究;韩国

韩国是一个三面环海的半岛国家，沿该国的海岸线分布有很多岛屿，特别是西部和南部。正式登记的岛屿大约为3 200个，其中约500个有人居住，这些岛上的总人口约80万人。

很多岛屿均面临水源安全和水源供应问题。这些岛屿人口只有38.2%的居民由自来水厂供水，而韩国由水厂供水的居民占全国总人口的91.3%。较大的岛屿人口多，与大陆相通，多数配有水厂，其水源来自岛内的水库或依靠从内地输送地表水。然而，对于人口不足100人的小岛，其中50%以上的岛屿，供水条件较差。较小的土地面积，加上陡峭的地形及岩石地质，导致降雨径流直接汇入环绕岛屿的大海，这种特性使小岛无法储存地表水，从而引起水源安全问题。

地下水是没有水厂的小岛上常见的水源，这种供水方式仅限于有含水层的岛屿，还有很多岛屿没有地下水体。此外地下水超采引起地下水位下降，导致海水渗入含水层，引起地下水含盐量增高，在许多岛上常常观测到这种现象。其他供水方案包括从内地运送淡水和利用屋面雨水径流，即RWH。近来这些地区关注淡化海水，将其作为有潜力的供水替代方案。虽然目前有许多针对岛屿的供水替代方案，并正在开发，但其建设和运行需要较高的成本和能耗，阻碍了这些技术的应用。岛上人口少降低了供水设施的经济效益，居民无力支付生产的水。因此，强烈建议创建一种低成本和低能耗的供水系统。

雨水历来是小岛最重要的水源之一，很多小岛仍然主要依靠它提供生活用水。这种水源价廉，其RWH系统利用简单，居民可亲自安装和操作。其优点是应用规模小，水源容易获得，能耗和成本低，是一个可持续的供水方法。然而，目前对小岛RWH系统缺乏推广研究，甚至现状调查也少见。现在已安装和运行的RWH系统只能维持生活用水，需要改进技术，确保供水安全和稳定。首要问题是确定当前RWH系统水量和水质方面的缺陷，并提出恰当的技术改进措施。因此，本研究首先是通过对古吉岛现有RWH系统的现状调查，找出存在的问题，然后提出技术建议，以改善现有的雨水供应系统，最后讨论在古吉岛推广RWH的战略。

1 古吉岛研究区域概况

古吉岛位于韩国西南部，面积约0.7 hm2，住着11户共80个居民。多数居民以捕鱼和水产业为生活来源。该岛历来以雨水为生活用水，而且现在岛上每户居民仍然主要依靠雨水作为供水，当雨水不足时便从内陆运水。岛内每人每天平均用水量估计为200 L/d。根据2008年日降雨资料的分析，年降雨量和日降雨方差分别为1 302.5 mm和164.11 mm2。通过采访和直接观察，对现有 RWH系统进行了研究。

2 RWH系统水量模拟计算分析

采用计算机模拟方法对小岛RWH系统进行水量分析。图1描述了用于模拟的RWH系统的各组成部分。RWH系统性能评估采用2种运算法，即YAS(溢后产量)和YBS(溢前产量)。采纳YAS算法，得出的系统的运作效能比较保守。本文采用YBS算法进行估计。借助这一算法，通过下列公式模拟RWH系统的运行:

式中 Yt为在第t时段内蓄水箱内的产水量，m3;Dt为在第t时段内雨水需求量(Dt=Yt+Mt)，m3;Vt－1为在第t－1时段内储存的雨水量，m3;Vt为在第t时段内储存的雨水量，m3;Qt为在第t时段内径流量(Qt=Rt×A)，m3;St为在第t时段内水箱蓄水量，m3。

模拟计算每一连续时段内流进系统内的雨水产量(供应量)和水池内剩余量。本研究中时间间隔设为1 d，选择2008年的逐日降雨量资料来模拟该岛RWH系统的运行状况。

3 问题确认

本节从水量和水质2个方面确认古吉岛上现有RWH系统运行退化的技术因素。

3.1 水 量

图1 RWH系统结构

古吉岛上每户人家都有自己的RWH系统。但不管是个人的还是整个系统，都没有测量用水量的计量装置。因此，通过计算模拟来分析每户家庭现有系统的雨水供应量。众所周知，影响RWH运行的有几个变量，包括降雨强度、降雨形式、集水面积、径流效率、临界雨量、需水量、蓄水池容量。表1选择并列出了这一地区2004～2008年5 a年降雨量及各年日降雨量方差，根据0.2 m3/(人·d)计算需水量。假设径流效率和临界雨量分别为70%和1 mm，相比专家于2004年提供的实测径流效率和几个不透水地面的临界雨量资料，这是比较保守的值，因为大部分集水区(主要是屋顶)为不透水钢材或塑料。对每个系统的集水面积和蓄水容量进行了调查，平均分别达到200 m2和50 m3。模拟计算结果表明，当前系统仅能提供大约40%住户的需水量。这意味着当前RWH系统不能满足生活用水需求量。

表1 古吉岛2004～2008年降雨资料特征值

3.2 水 质

RWH系统运行的关键机制是雨水收集和蓄存，在这些过程中会出现水质问题。

首先发现现有RWH系统有与清水收集有关联的缺陷。古吉岛多数RWH系统利用屋顶径流收集雨水，雨水先由屋顶边缘的檐槽汇集，然后通过雨水管流到蓄水池。然而多数收集系统的屋顶檐槽没有得到很好维护，在檐槽内发现有灰尘、生长的植物及动物粪便，导致檐沟上的物质包括污染物有较大的机会利用径流冲洗掉。此外，在雨水收集过程中缺乏专用设备过滤这些物质，从而增加了污水流入蓄水池的风险。

即使雨水收集部件得到很好的维护，流进蓄水池的是干净的雨水，但在存水期间也可能出现水质恶化问题。首先，蓄水受到外来污染物入侵的污染。调查发现，古吉岛多数蓄水池没有密封盖子，蓄水容易受到外来污染物的入侵，发现蓄水池水面上有微小物质，包括昆虫、虫卵和树叶等。太阳光的照射也是水质恶化的主要因素。岛上大部分蓄水池位于地面，白天直接暴露在阳光下。通过蓄水池开口进入的太阳光促进藻类和微生物生长。其次阳光通过浅色墙(白色或黄色)的蓄水池，引起存水水质恶化。最后，需要控制蓄水池的沉淀物。流入蓄水池的水扰动蓄存的水，从而引起池内沉淀物再悬浮。而出水口位于水池底部，供水时沉积物随水流一起流出。

4 改善古吉岛上RWH系统的技术建议

本节中，从水量和水质两个方面，进行了技术分析，讨论了RWH运行系统改进的办法。

4.1 水 量

如前所述，目前古吉岛上RWH系统不能满足整个岛的用水需求。因此，需要讨论满足雨水供应需求的方法。

首先，采用3个变量(集水面积、需水量和蓄水池容量)通过计算机模拟计算RWH系统的存水效率(WSE)。通过以下过程可将变量减少到2个:将需水量(D，m3)除以集水面积 (A，m2)并加以参数化，成为D/A(m3/m2);将蓄水池容量(S，m3)除以集水面积(A，m2)并加以参数化，成为 S/A(m3/m2)。WSE概念于1999年首次被提出，并用下列方程进行了修正，本研究将WSE作为一个参数因素测定RWH设施的供水能力。如果参数值大于1，则表明雨水能满足整体用水需求。

式中T为最后时段。

图2描述了通过在D/A和S/A值范围内的模拟计算得到的修正的WSE值。垂直轴用对数尺度是为了得到更加清楚的表达。为了使雨水供应完全满足用水需求，WSE修正值应该大于1，图中横过坐标平面并有记号1的曲线确定RWH系统的设计标准。根据该曲线下方的D/A和S/A值设计的RWH系统可满足供水需求。

图2 D/A和S/A值范围内相应存水效率(降雨资料为金岛2004～2008年的日降雨量;径流效率为70%;临界降雨量为1 mm)

当前RWH系统按200 m2集水面积、50 m3蓄水容量、1.4 m3的每户日需水量进行设计，见图2(坐标点:D/A 值为0.007，S/A 值为0.25，图中用实线圆圈表示)，显然该系统不能满足整体用水需求。要让WSE大于1，首先考虑降低日需水量(从标记坐标点向下移动)，此方法具有无需系统扩容的优点，但此类情况几乎是不可能的，因为D/A需要大幅降低到0.002(而当前值为0.007)。另一个考虑是扩容(从标记的坐标点向右移动)。可以看出，这种考虑实际上也是不可接受的。扩大集水面积也有助于WSE达到1。因而，将上述2种方法联合应用，可以满足设计标准。

4.2 水 质

对系统进行小规模的改动有助于改善供水水质。首先可以在输水管道中安装一个过滤器，通过筛网过滤器可以去除屋顶径流中主要由颗粒物质组成的污染物，保证洁净的水流入蓄水池;还可用筛网盖住蓄水池的开口，防止外来污染物的进入;进口设计改动能有效控制沉淀物，U型进口改变了入流方向，以防止对蓄水池内存水的扰动，即所谓的“平静进水口”，能有效防止沉积物再悬浮;将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;为了隔绝阳光，地面蓄水池需要设密封盖，建议采用地下蓄水池(见图3)。

图3 RWH系统设计改进前后对比

5 促进古吉岛雨水供水系统开发的策略

在古吉岛，必须建立一套RWH系统，以提供数量充足、水质清洁的雨水。从水量方面考虑这种策略，需要另外建立RWH系统，以弥补现有供水系统不能覆盖的其他60%的供水需求(目前系统只满足40%的生活用水)。表2列出了需要额外建立的最小RWH系统的4个可能方案，这些方案是根据图2中标有虚线圆圈的4个点的坐标值计算得出的。可以看出，当全年雨水供水量相同时，较大的集水面积需要较小的存储容量，而较小的集水面积需要更大的存储容量。因此，系统设计师可以考虑系统安装所在地的具体条件，做出合理的设计。

表2 各方案需要的集水面积与蓄水容量

包括古吉岛在内的每个小岛，都有一个供船舶停靠的码头建筑物，这种建筑物通常体积巨大，相应表面也大，而内部是空的，这意味着建筑物可用于RWH系统，其表面可用作集水区，收集的雨水存进建筑物内。古吉岛的码头建筑物，表面积约4 200 m2，高度约3 m。在表2列出的4个设计容量当中，在该岛的码头建筑物上安装RWH系统，考虑到可用的集水面积(表面积)，显然，方案D是唯一可行的系统设计。

为了收集干净的雨水，将集水区域设置在位置相对较高的区域。雨水输送部件上的过滤设备和初级沉淀池有助于改善供水水质。为了防止阳光直射和外来污染物入侵，必须确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时间，通过沉淀可去除更小粒径的颗粒物，这有助于改善存水水质。

6 结语

韩国的很多岛屿面临着缺水问题，尤其是那些远离内陆的小岛，其水源安全和供水条件问题更严重。这些地区可将运送淡水或海水淡化作为供水替代方案，但需要耗费大量的电能且成本高。RWH在小规模应用中，所需电能和成本较少，适用性强，可将其作为基本供水方案，且必需加以推广。

RWH原来就是很多岛屿传统供水方案之一。然而，对RWH系统的水量方面缺少详细的研究，使得现有系统保持在经验设计的户级水平上，这种系统不仅设计上考虑不充分，而且供水量不足。本文分析了RWH系统当前的现状，通过调查确认岛屿现有雨水收集系统存在的问题，对现有系统提出了技术改进建议，使其在水量与水质方面满足RWH系统的设计标准。依照区域条件建立WRH系统的可行策略表明，在容许范围内，增建RWH系统能满足该岛屿用水量和更优水质需求。利用该岛的码头建筑物，可提供相当大的系统容量。

韩国的降雨类型不利于RWH系统的有效运行。降雨年内分布不均，降雨集中在夏季，要求RWH系统有很大的容量，以满足干旱的冬春季的供水需求，并有更长的蓄水期。在韩国这样的气候条件下，RWH系统是可行的，可以用作一个供水替代方案，这意味着在那些年内降雨分布更加均匀的地区，由于其贮水容量可更小，系统性会更加有效。因此RWH能成为世界上面临缺水的很多岛屿的一种可行的供水选择。这项研究中建议的方法还可望为需要雨水供水的区域提供一个RWH系统设计框架。

邱训平 译

赵树湘 校

(选译文献:2010年国际水协会出版物《水科学和技术》)

TU911.114

A

1006-0081(2011)09-0033-04

2011-04-20