浅析城市雨水利用

张 静

(黑龙江省水文水资源中心 大庆分中心,黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

雨水利用是指将自然降水收集和储存起来,并加以使用。从广义上讲,雨水利用还包含利用空气中的水分,如人工增雨、露水利用等。雨水利用的常见方式:①直接设置收集雨水的集流面,把集流面上的雨水通过集水槽、管收入蓄水器(置于地上或地下的罐或窖)中,进行储存以备利用;②采取措施促进雨水的渗透,回灌、补充地下水,调节地下水的采补平衡。雨水利用包含的内容广泛,涉及多个学科领域。如利用雨水养育农作物是农业栽培的内容;考虑降水量的农田灌溉属于农田水利的范畴;城市雨洪利用涉及给排水工程、水利工程等领域;人工增雨与大气水分的凝聚则主要与大气科学技术有关。

1 城市雨水利用的必要性和可行性

1.1 必要性

随着我国社会经济的不断发展,城镇化进程也在不断加速,城市规模不断扩大,城市生活用水、生态用水、产业用水量不断增长。近年来,随着城市地下水资源的不断开发,地下水位呈下降趋势,导致区域地下水深度降低,并在城市范围内形成“漏斗”状区域,给城市供水带来了较大压力。同时,由于城市道路不断扩展,居民区不断扩大,使得城市地面的渗透性不断下降。特别是汛期时,雨水难以渗透到地下,极易造成洪涝灾害。

城市雨水具有利害双重性,城市雨水利用兼有兴利除害的作用。因此,从保障城市水安全出发,加强城市雨水利用的理论和实践研究是十分必要的。

1.2 可行性

在水资源总量上,降雨资源化具有很大潜力。城市建筑物表面、混凝土和沥青路面等的径流系数可以达到0.85～0.95,是城市降雨的一个重要产流区,可以充分利用绿地、透水地面、渗地,通过渗井等将其渗透到地下来补充地下水,或者通过水库等工程将其收集起来进行综合使用,从而缓解对城市的排水压力。

在水质方面,雨水的矿化度较低,相对于污水来说,其污染水平也较低。在降雨的最初阶段,雨水中的COD值有可能超过400mg/L,但在降雨持续时间较长的情况下,COD值会逐渐保持在50～100mg/L,经过简易的水质处理之后,即可满足杂用水或环境用水的要求。

在技术上,依据城市气象、水文地质及下垫面状况,可采取屋顶雨水利用、下凹式绿地雨水利用、土壤渗入等措施,并通过对街巷、广场雨水利用、雨水回收利用等多种方式的研究,验证了其可行性。

目前,日本、德国、美国等国家的雨水资源化技术比较完善,并已步入规范化、工业化的发展时期。我国城市雨水利用虽然起步晚,但已经研制开发了透水型地面砖、环保型雨水口、填料式蓄水池、屋顶雨水过滤器等雨洪利用关键设备,并取得了良好的效果[1]。

2 城市雨水水质及其影响因素

2.1 降水的水质特征

雨水中含有多种离子和气体(O2、CO2、N2及惰性气体等),化学组分较为复杂,见表1。

表1 雨水的化学成分 /μmol·L-1

雨水中的离子成分主要来源于:

1)由海面飞溅的浪花蒸发后形成的盐晶,在大气对流作用下,使其上升至较高的高度,并溶于雨水中。

2)含有盐晶的陆地扬尘矿物微粒的溶解。

3)喷发至大气中的含有易溶物质的火山喷发物,包括气体与尘埃。

4)人类释放的各类大气污染物质[2]。

2.2 城市路面雨水径流的水质及其影响因素

2.2.1 路面雨水径流的本质特征

城市路面雨水径流的水质经常受到汽车尾气、轮胎磨损、燃油和润滑油、铁锈以及路面磨损的影响,而受到污染。表2为某城市路面雨水径流水质的实测结果。雨水中主要污染物的范围CODCr为295～1 230mg/L,BOD5为50～204mg/L,SS为1 045～22 88mg/L,石油类为78～161mg/L,Zn为0.09～0.2mg/L。其中,BOD/COD约为0.17,表明有机污染物的可生化降解性较差。

表2 城市路面雨水径流污染物浓度监测结果

2.2.2 影响路面雨水径流水质的因素

在城市道路上,其所产生的降雨量在时间上存在着较大差别,主要依赖于两个要素:

1)影响沥青混合料质量的数量因素。如机动车交通量、各种机动车组成比例、燃料类型、车况、路况、商载货状况等。

2)路面污染物积累的因素。包括两场降雨的时间间隔、风速、风向、大气稳定度、降雨强度、降雨历时等[3]。

2.3 屋面雨水径流的水质及其影响因素

2.3.1 屋面雨水径流的水质特征

初期的屋面雨水径流水质混浊、色度大。有机物和悬浮颗粒物的含量以有机物和悬浮颗粒物为主,总氮、总磷、重金属和无机盐含量偏低。通常情况下,在降雨初期所形成的径流中,污染物的浓度比较高。随着降雨持续时间的增加,污染物的浓度会逐渐降低,色度也随之降低。

2.3.2 影响屋面雨水水质的因素

1)降雨特征。雨强、持续时间对屋顶雨水质量有显著影响,因为雨水既是溶解污染物的溶剂,又是冲刷屋面污染物的动力源泉。天然雨水溶质含量较少,因而具有较高的溶解污染物的活性。雨水到达屋面时,形成对屋面的冲刷力,强化了污染物溶入雨水的过程。而且,降雨强度越大,冲刷力越强,污染物进入未饱和雨水的量越大。

2)屋面材料。屋面材料中的可溶物质在降雨过程中可进入屋面雨水径流中,通过对典型斜顶瓦房和平顶柏油毡房的降雨径流进行对比分析,结果表明,平顶柏油毡房在降雨径流中的污染较为严重,初期径流中COD含量可达到上千,并且具有较高的色度,有臭味,以可溶性有机物为主。

3)季节与气温。经研究发现,一年中4-5月份和夏季的降雨初期径流中COD浓度最高。但自然降水的COD、SS含量普遍偏低,表明每次降雨初始径流中的污染物含量较高。这是由于在漫长的冬春季干旱季节后,屋檐上堆积了大量的泥沙及污染物质,在雨水的冲刷下,逐渐溶解。而到了夏天,温度上升,光照加强,适于对某些屋顶材料进行加热处理。如黑沥青油毯,在阳光的照射下,容易吸收热量和软化,并且很容易发生老化和降解,从而导致雨水水质的恶化。总体来看,光照强度愈强,温度愈低,屋盖物质降解愈显著,屋盖雨水径流中COD含量愈高。

4)大气污染程度。屋面雨水中的污染物除了来源于屋面材料和屋面沉积物的溶解外,主要源自降水本身污染物。当大气严重污染后,降水的化学成分将十分复杂。一方面,降水中的污染物增多,使屋面雨水中的污染物起始值增大;另一方面,受污染的雨水(如酸雨)增强了对屋面材料的腐蚀,增大了其中污染物的溶出量[4]。

2.4 地面雨水径流的水质

2.4.1 地面雨水径流的形成过程

地面雨水径流是直接降落至地面的雨水径流和屋面、路面径流的混合水流。坡面径流过程主要包括降雨、蓄渗、产流和汇流4个基本过程。降雨的大小及其时间和空间上的分布,决定着径流的大小和变化过程。在蓄渗的过程中,所有的雨水都被截留、下渗、填洼以及蒸发。在降水的强度逐步增加至大于渗透的程度后,就会出现微小的流动,并开始了坡地漫流过程,然后雨水径流集于地形低洼处。

2.4.2 雨水径流水质及影响因素

在形成径流的过程中,雨水径流将冲刷屋面、路面、草地以及其他裸露的地面等,所以地面径流的水质受到降水水质、屋面水质、植物叶面沉积物、地面污染物等因素控制。特别是当径流流经地面固体和液体污染物时,其中的污染物被溶解于地面径流中,导致径流水受到污染[5]。

3 结 语

本文针对城市雨水资源的开发与利用进行了探讨。在城市雨水利用中,必须加大宣传力度,提高认识,改变观念,从集水、蓄水、排水3个方面来考虑,将城市雨水的使用与城市建设、水资源的优化配置以及生态建设相结合,同时污水回用、地下入渗和排水管网应纳入城市的建设计划。