天津市城市雨水利用前景建议

邵兆凤，邢国平†，周建芝，唐宗，王伟

(1.天津大学环境科学与工程学院，300072，天津;2.天津市节约用水事务管理中心，300074，天津)

随着城市化进程的不断加快，城市水供需矛盾日益突出，水资源短缺已成为制约我国城市可持续发展的重要因素之一。天津作为拥有1 000 万以上人口的资源型缺水的特大城市，人均水资源占有量仅160 m3，为全国人均水平的1/5，加上引滦入津等入境及外调水量，人均水资源占有量也仅为370 m3，远远低于国际人均1 000 m3的缺水警戒线。雨水的收集和利用方便、污染少、处理简单，是一种优质的淡水资源，正逐步成为解决21 世纪水资源短缺问题的重要途径。

1 国内外雨水利用情况

近20 年来，城市雨水利用技术发展迅速，德国、美国、日本等许多国家开展了不同规模、不同内容的雨水利用的研究和工程项目。

德国的雨水利用技术已经很成熟，有很多的成功实例。德国的雨水利用主要有3 种形式［1］，分别是屋面雨水积蓄、雨水渗透和生态小区内雨水利用。这些利用方式为德国节约了大量的饮水用量。日本在1963 年开始推行滞洪和储蓄雨水的蓄水池［2］，还将蓄水池收集到的雨水用于喷洒道路、灌溉绿地等，这些设施大部分都建于地下，从而充分利用了地下空间，而建在地上的蓄水池也尽最大地满足多种用途，如在调洪池内修建体育场，雨季用来蓄洪，平时作为运动场等。美国雨水利用的宗旨是提高天然入渗，补充地下水［3］，对于城市化进程加快引起河道下游雨洪水泛滥问题，美国的科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州分别制定了严格的雨水管理条例，各州普遍推广实行屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水路面组成的地表回灌系统。澳大利亚从1999 年开始利用雨水集水槽收集雨水［4］，截至2007年初，澳大利亚平均有超过150 万户人家安装了雨水集水槽，收集雨水处理后加以利用。新加坡的高层建筑屋顶几乎都是一个大的集水槽，收集到的雨水分别储存在2 个集水槽中作为非饮用水水源。

国际上还比较重视城市雨水利用技术领域的研究，如蓄水池容积设计、雨水的处理技术、与中水联合利用、屋顶材质的选择、绿色屋顶等。研究方法大都是通过实验、数理统计结合计算机技术建立数学模型进行定量分析和评价。E.Ghisi 等［5］对巴西东南部195 个城市的节水潜力进行了评估，得出雨水利用可为这些城市平均节省41%饮用水需求量的结论，并给出了储蓄池的规模范围:对于饮用水需求量不高的城市，蓄水池的体积在2 000 ～20 000 L 之间，而对于饮用水需求量要求高的蓄水池的体积在700 ～3 000 L 之间。M.A.Imteaza 等［6］通过收集澳大利亚墨尔本地区3 个具有代表性的丰水年、平水年和枯水年的降雨资料，研发了日雨水平衡计算机模型，通过该模型总结出对于要满足一户房屋屋顶面积为150 ～300 m2的2 口人家庭来说，建造10 000 L 的蓄水池即可满足其每日用水量需求。2005 年，R.H.Kim 等［7］提出采用完全浸入式金属膜对雨水进行处理的技术，在25 ℃膜通量为2 000 L/(m2·h)时，孔径为1 和5 μm 的不锈钢金属膜对细菌的灭活率分别为97%和78%。2007 年，R.H.Kim 等［8］采用木质纤维膜处理雨水，TN、TP 和NTU 等的去除率可分别达22%、32%和33%;分别采用孔径为0.5 ～5 μm的金属膜过滤雨水，测得COD 的去除率可达到60%左右，另外还可通过调节金属膜孔径满足不同水质 处 理 要 求。E.Ghisi 等［9］对 巴 西 南 部Florianópolis 地区3 个多层住宅区分别采用雨水利用、中水回用、雨水－中水联合利用3 种方案对当地节水潜力进行了预测，假设冲厕、洗衣、清洁均采用非饮用水，则可节省39.2%～42.7%的饮用水量，对该区采用单独雨水利用、单独中水回用、雨水－中水联合利用则分别可平均节省16.2%、31.7%、39.4%的可饮用水量，成本效益分析结果还表明，3种方法的投资回收期均小于8 年。同样，试验［10］证实，爱尔兰由于其丰沛的降雨量，雨水与中水联用可为当地节省94%的生活用水量。B.Carolina 等［11］分别从传统材料屋面(玻纤瓦，镀铝锌金属，混凝土瓦)和新型屋面(冷屋面和绿色屋面)上收集雨水，结果显示，收集到的这些雨水要想达到美国环境保护局饮用水标准或非饮用水回用标准，至少需要冲洗过滤消毒等处理，而从金属材质的屋面上收集到的雨水，其粪便指示菌含量均低于其他材料的屋顶。C.Despins 等［12］认为，钢质材料屋顶雨水水质均高于其他材质屋顶。虽然绿化屋顶雨水水质在很多方面和其他材料屋顶相差不大，但是它的可溶性有机碳和金属砷含量非常高。这项研究对屋面雨水收集利用具有很高的参考价值。

此外，国外对绿色屋顶截留能力的影响因素作了大量研究，如坡度、降雨量等。L.Kristin 等［13］的实验研究发现，绿色屋顶坡度对雨水径流截留能力有显著影响，其中坡度在2%～15%和2%～25%之间时，截留能力随坡度的增加而下降，绿色屋顶的CN(反映区域的土壤、土地利用/覆被和降雨前土壤湿润程度，通常，下垫面产流能力越强，CN值越大［14］)值较传统材料屋面要低。L.Timothy［15］研究发现，对于降雨量小于25.4 mm 的小雨，绿色屋顶的截留能力为88%，降雨量在25.4 ～76.2 mm 之间的中雨，截留能力为54%，降雨量大于76.2 mm 的大雨，截留能力为48%。同样，2008 年，M.T.Simmons 等［16］研究发现，降雨量小于10 mm 时，绿色屋顶可截留全部雨水，降雨量为12 mm 时，绿色屋顶截留能力在26%～88%之间，降雨量在28 ～49 mm时，截留能力在13%～44%之间，具体视种植层性质和排水系统而定。

我国雨水利用历史悠久，但真正意义上雨水利用是在20 世纪80 年代，发展于90 年代。以前主要在缺水地区有一些小型、局部的非标准性应用，近来随着城市化进程的不断加快，各地缺水问题愈加突出，城市雨水利用已经成为研究的热点问题。

李兴彩等［17］对调蓄池的容积计算方法进行了研究，指出了月水量平衡分析法、年水量平衡分析法、最高日水量法这3 种计算方法存在的不足之处，在此基础上提出了日水量平衡分析法，经对比分析得出这种方法最符合雨水利用实际情况。潘国庆等［18］对区域性雨水利用系统储存池规模的计算方法进行了探讨，给出了典型城市雨水收集储存池设计规模参数。卢金锁等［19］在分析了雨水管道设计极限强度理论和非满流管道空隙容积理论的基础上，假设雨水调蓄池上游管道设计流量全部持续进入调蓄池，以蓄水时间作为下游管道新增的雨水汇流时间，从而提出了适用于设有雨水调蓄池的雨水管道计算公式，并将其应用于某新规划的科技园的雨水集蓄利用系统设计中，使得雨水干管管径减小，节省了150 万元管道造价。王耀堂等［20］研究了在建筑与小区内实施渗透排放一体生态雨水系统，并将其应用于北京用友软件园，系统将渗透检查井出口高程高于进口高程，以将雨水贮存在井内实现最大限度的渗透，该系统应用于用友软件园，使得软件园综合径流系数不超过0.3，这项工程措施可大幅度减少雨水的排出量，在同等设计年限下，可适当减小城市雨水管网管径，对城市排水系统规划、设计产生了显著影响。盛丽敏等［21］提出采用雨水浅层蓄渗技术，在原有土地使用功能不改变和成本不增的情况下，可消减50%以上的雨水量。张丽等［22］分析了下凹绿地对雨水径流和汇流的影响，得出下凹绿地能有效地拦蓄雨水径流和补充地下水，使汇流明显滞后。任树海等［23］分析计算得出，在北京城区城市规划面积与不透水地面积之比为1 时，下凹绿地下凹深为150 mm，平均每年将有1.55 亿m3雨水转化为土壤水，3.66 亿m3雨水补给地下水，外溢水量仅有0.11 亿m3。Zhang 等［24］通过对郑州市3 个不同功能区(工业区、商业区、住宅区)的雨水收集测定分析，发现COD、TC 含量工业区最高、住宅区最低，并提出初期雨水(即住宅区屋顶最初的2 mm降雨，商业区最初的5 mm 降雨，工业区最初的10 mm 降雨)应与后期雨水分开处理。这些问题的研究应用为雨水的合理有效利用提供了有力的技术支持，很大程度上推动了我国雨水利用的发展。

2 关于天津市雨水利用的建议

随着城市化进程的加快和国民经济水平的提高，天津市水资源供需矛盾愈加突出。为解决这一问题，具有很高的社会、经济以及生态价值的雨水利用技术必将得到高度重视。

近几年来，天津已经加快了雨水利用的步伐，已建成天津科技大厦、梅江小学等雨水收集利用建筑，并且将它们作为示范点进行实验，取得了良好的效果，但是，还没有在更多的区域推广开来。总体来说，天津雨水的利用处于起步阶段，雨水利用只集中在农业灌溉上，另外对雨水利用的重要性认识还不够深刻，综合性的系统研究开发欠缺，还有很多问题需要进一步研究。

2.1 制订完善的法规政策和明确的技术标准

到目前为止，天津市雨水利用还没有相关的政策法规。美国早在1965 年，国会就提出了《水资源规划法》，纽约市有《安全饮用水法》《地表水处理法》等多项法规，2006 年，德克萨斯州州会就提出了11 项节水方案。德国1992 年黑森州开始征收地下水税，1993 年又颁布了新的建筑法规，给市政当局或地方团体以权利，用来强制性地推行雨水利用。2003 年3 月，北京市规划委员会和北京市水利局联合发布了《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》，明确“凡在本市行政区域内，新建、改建、扩建工程(含各类建筑物、广场、停车场、道路、桥梁和其他构筑物等建设工程设施)均应进行雨水利用工程设计和建设［25］”，这政策措施促进了北京地区城市雨水利用技术的应用与发展。对于雨水利用处于起步阶段的天津，制订相关法规政策对推进天津雨水利用技术的实施具有积极的指导作用。

德、日、美等经济发达、城市化进程较快的国家，将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施，已建立了完整的雨水收集利用体系及相关规范制度，并开始走向系统化、集成化和规范化。1989年，德国出台了雨水利用设施标准(DIN1989)［26］，对住宅、商业和工业领域雨水利用设施的设计、施工和运行管理、过滤、储存、控制、监测等方面制定了标准，到如今已发展了第3 代雨水利用技术。对于天津，根据实际情况，因地制宜地制定雨水利用技术指南、技术标准、设计规范是雨水利用在天津迅速发展、推广的依据和基础。

研究地位于甘肃省武威市凉州区黄羊镇农垦农场甘肃农业大学牧草试验站，地理位置N 37°52′20″，E 102°50′50″。地处甘肃河西走廊东端，属典型内陆荒漠气候区，海拔1 581 m；全年平均无霜期156 d，降水量164.4 mm，蒸发量1 919 mm，年均气温7.8℃，日照时数2 968.2 h，≥10℃年积温2 985.4℃；年太阳辐射总量504～630 kJ/cm2。供试土壤为灌漠土，耕层有机质15.71 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效磷13.38 mg/kg、速效钾248.63 mg/kg，土壤pH8.2。

2.2 对雨水利用进行合理规划

雨水的具体应用，应根据城市发展目标、城市具有的水文地质条件、市政设施以及城市雨水资源化原则，系统综合地运用各种方式和途径，使其产生最优的环境、经济和生态效应［27］。结合天津市自身的特点，雨水利用规划具体应包括以下方面。

1)根据城市密度分区，划定雨水利用分区:天津市降雨、汇流和水文地质条件等空间差异性较大，划分城市密度分区可作为雨水利用分区的重要手段。

2)根据土地利用类型，实施分级指引:根据不同的土地利用类型，可将其划分为道路、商业区、住宅区、工业区、公园景观等类型，根据土地利用类型的不同，对雨水实行不同的收集处理利用方式。

3)结合城市更新改造，确定适宜实施时序:一方面对于新增建筑用地推进雨水利用工程;另一方面在城市改造建设时应充分考虑雨水利用。

2.3 建立灵活的雨水利用市场机制

从天津市雨水利用的驱动力来看，政策推动要大于市场调节。全面推广雨水利用技术应建立灵活的雨水利用市场机制，形成专业化、标准化、商业化的市场运作模式。对于个人或企业而言，雨水利用投入要远大于节水费，因此，在个人和企业中很难推进雨水利用工程，这就需要政府出资调节，使得个人或企业在雨水利用工程中得到真正的实惠。政府的具体措施可以包括:设立专项资金，用于鼓励实施雨水利用的个人或企业;对实施雨水利用的个人或企业减免防洪费和水环境治理费;对于未实行雨水利用的企业或个人征收高额城市防洪费和水环境治理费;政府投资组建公益性雨水利用企业等。

2.4 寻求最佳的雨水利用方式

雨水利用方式多种多样，天津市应在推行雨水利用进程中寻求适合自己的方式，因地制宜，达到事半功倍的效果。下凹绿地、铺设透水砖、构建渗水渠等雨水利用手段投资少、效果显著，应成为天津市雨水利用的主要途径。建造储存池集蓄雨水这种手段受降雨均匀性影响较大，对于降水非常不均的天津市应作为一种雨水利用辅助手段，而雨水综合利用技术环境效益最佳，应积极研究并推广。

2.5 加强雨水水质监测与管理

天津市雨水水质监测还处于起步阶段，研究大多偏重于降雨径流污染负荷评价，研究方法也主要是套用国外模式，缺乏针对天津市雨水环境的水质模型研究。雨水水质的监测工作应注重应用先进的科学技术，如GIS、遥感技术等对雨水水质进行实时监测，为建立符合天津城市环境的径流管理控制体系提供可靠全面的水质监测数据。

3 结束语

城市雨水利用的快速发展对雨水利用技术的科学性、系统性也提出了更迫切的高要求。随着该领域科学研究和工程技术的深入发展，城市雨水利用将走与城市防涝减灾、城市非点源污染控制和生态环境保护相结合的雨水利用可持续发展道路。天津市雨水利用的近期重点应该是:

1)尽快制订完善的法规政策，加强政策和市场引导，将雨水利用技术规范标准化;

2)优化雨水系统，包括采用先进的技术手段加强雨水水质监测与管理，为径流管理控制体系提供可靠全面的水质监测数据;

3)对雨水利用进行全面合理规划，寻求雨水利用最佳模式，使其产生最优的环境、经济和生态效应。

在城市用水紧张的当今，雨水资源的开发利用无疑是开辟新水源的一个有效途径。尽管雨水利用作为一个新兴领域还有许多技术问题有待深究，但从国内外实践来看，已经显示了良好的发展势头;因此，我们可以借鉴发达国家雨水利用的管理经验和实用技术，结合天津市具体实际情况，因地制宜，实施适当的雨水利用技术，充分利用雨水战胜天津的用水危机。

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