城市雨洪利用的研究现状与发展方向
城市雨洪利用是针对城市开发建设区域内的屋顶、道路、庭院、广场、绿地等不同下垫面降水所产生的径流, 采取相应的集、蓄、渗、用、调等措施, 以达到充分利用资源、改善生态环境、减少外排径流量、减轻区域防洪压力的目的, 系寓资源利用于灾害防范之中的系统工程。与缺水地区农村雨水收集利用不同, 城市雨洪利用不是狭义的利用雨水资源和节约用水, 它还包括减缓城区雨水洪涝, 回补地下水减缓地下水位下降趋势,控制雨水径流污染、改善城市生态环境等广泛的意义。因此, 城市雨洪利用是一项多目标综合性技术, 我国在这方面的研究和应用尚处在起步阶段, 需要在全面把握国内外现状的基础上明确方向, 更加深入、系统地开展研究, 为进一步推广应用奠定基础。
1 研究现状
1.1 国外雨洪利用研究和应用现状
国外对雨洪利用技术的研究已经较为成熟, 基本形成了相应的理论体系和完善的技术措施, 并开发生产出了系列化的设备。特别是在雨洪利用的水文计算方面国外已有一些成熟的模型。雨洪利用管道的计算一般有推理公式法和过程线法。推理公式法的计算精度不易准确把握, 有时计算结果比实测值大1倍。过程线方法计算结果比较准确, 但计算过程复杂, 往往需要借助于计算机完成。英、美等国家较大流域的雨水管渠设计自70年代就使用基于计算机的过程线方法, 开发出了一些适用的计算机模型, 如英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特程序(Wallingford Procedure)、美国环境保护署编制的暴雨雨水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)、美国陆军工程兵团水文工程中心提出并应用于城市和非城市集水区域的降雨-汇流-水质模型STORM、丹麦水利研究所开发的MOUSE模型、Beven和Kirkby于1979年开发的MOUSE、美国农业部(USDA)开发的SWAT(Soil and Water Assessment)模型、德国DORSCH CONSULT公司设计开发的HydroCAD等等。这些模型为雨洪利用系统的计算和设计提供了有效的工具。德国Geiger教授在《Neue Wege Fur Das Regenwasser》中详细论述雨水渗透方面的技术。
国外很重视雨洪利用相关技术标准和政策措施的配套, 许多国家和地区已经出台了相应的技术手册、规范和标准。如美国STAFFORD郡的《雨水管理设计手册》、乔治亚州的《雨水管理手册》、北卡罗莱纳州《雨水设计手册》, 维吉尼亚州的《维吉尼亚雨水管理模式条例》等。此外, 国外还制定相应的立法对雨洪利用给予支持, 如美国的克罗拉多州(1974年)、佛罗里达州(1974年)、宾西法尼亚州(1978年)和维吉尼亚(1999年)分别制定了雨洪管理条例。这些条例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量必须保持在开发前的水平。所有新开发区(不包括独户住家)必须实行强制的“就地”滞洪蓄水。滞洪设施的最低容量均能控制5a一遇的暴雨径流。除制定雨洪管理条例外, 联邦和各州还采取了一系列政策, 如使用总税收、发行义务债券、联邦和州给予补贴、联邦贷款和投资分扣方式鼓励人们采用新的雨水处理方法。
由于大面积的应用需求, 国外已经有许多专门的公司研发并生产雨洪利用的专用设备。如德国GEP公司生产雨水利用的存储罐、过滤器和单户雨水利用的集成设备, 荷兰WAVIN公司生产专用雨水口、雨水连接管道、雨水检查井、雨水储存填料, 德国UFT公司生产雨洪利用系统的各种溢流堰和流量控制器。
1.2 我国雨洪利用的研究和应用现状
雨洪利用在我国西部干旱半干旱地区已有广泛的应用, 主要用于集雨灌溉农田和解决居民生活用水,如甘肃的“121雨水集流工程” 、宁南山区的“窑窖农业” 、陕西的“甘露工程”、山西的“123” 工程、内蒙古的“112集雨节水灌溉工程” 等。我国城市雨洪利用起步较晚, 在理论与技术方面尚不十分成熟。90年代初, 北京市水利科学研究所等单位在国家自然科学基金的资助下, 开展了“北京市水资源开发利用的关键问题之一——雨洪利用研究”课题的研究。对屋顶——渗井系统和草坪的拦蓄雨洪效果进行了初步研究,提出了一些北京城区雨洪利用的对策和技术措施。但由于技术和经济等方面的原因, 当时未能得到推广应用。从2000年开始, 在中德合作“北京城区雨洪控制与利用技术研究与示范”项目的支持下,北京市进一步开展了对城市雨洪利用的系统研究,初步形成了城市雨洪收集、滞蓄、处理、回用和回灌地下的技术系统, 并建设了总面积60hm2的雨洪利用示范区。在该项目的影响下, 掀起了雨洪利用的研究和应用高潮。2002年, 北京市节约用水办公室资助中国农业大学开展了城市雨洪利用的研究。北京建筑工程学院和北京市节约用水办公室也开展了“北京市城区雨水利用技术研究及雨水渗透扩大实验”项目的研究。天津、上海、深圳等城市也相继开展了雨洪利用的研究和应用。
在雨洪利用的水文模型方面, 国内已建立:①自然流域的水文模型;②城市雨水径流模型(简称CSYJM),把径流分为地表径流和雨水管内汇流2个阶段, 模型包括了降雨、扣损、净雨过程线、雨水口流量过程线和管网汇流等方面, 主要服务于雨水管网的设计、模拟和工况分析;③基于雨水资源化的思想提出了城市雨水资源化径流模型, 主要对其理论计算方法进行了研究。该模型按照径流的形成过程可划分为产流、汇流、调蓄和传输4部分, 通过对调蓄设施进行调蓄计算, 对管网传输系统进行传输计算, 演算出管网内任一断面的水位过程线和流量过程线, 并可以计算出次降雨的雨水资源利用量。该模型可为设计、模拟等提供有效的参数。
在雨水利用的硬件设备方面, 目前透水砖的生产厂家较多, 全国已有1000多家, 但是透水性差别较大。自主研发和生产的其他专用设备极少, 仅少数公司生产一些雨水利用的初期径流弃除器、收集沟槽、渗水雨水口、渗水检查井等。
为促进雨洪利用技术的推广应用, 在2000年12月1日颁布的北京市政府66号令、2003年3月北京市规划委员会和北京市水务局共同制定并发布的《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》、2005年发布的《北京市节约用水办法》和《关于加强建设项目节约用水设施管理的通知》、北京奥运场馆的《奥运工程设计大纲》等政策或文件中都明确提出了开展雨水利用的要求。
2 城市雨洪利用的研究和发展方向
通过近几年的研究、探索和实践, 人们已经逐渐认识到雨洪利用的重要性和所能得到的经济、社会、生态和环境效益。如何更好、更全面、更深入地发挥它的效益, 还需要在以下方面进一步深入研究。
2.1 不同比尺城市暴雨径流关系模型的研究
现行雨水管道计算的推理公式不考虑下游受水河道水位变化过程及影响, 一般适应于较小范围, 难以从更大范围研究整个城市的排水问题, 因此需要研究不同尺度的城市暴雨径流关系模型。主要研究内容应当包括:人工干预条件下城市不同下垫面的降雨径流关系、不同水平城市化区域的降雨径流关系和采取不同雨洪利用措施后的不同下垫面和区域的降雨径流关系, 城市不同单元类型下垫面(如单个屋顶、小块草坪、停车场等)、不同类型区域(如住宅小区、工厂区、商业区等)的产流和汇流特征, 并建立相应的数学模型;小区降雨径流过程与城市河道雨洪过程的衔接等。
2.2 城市区域雨洪管理与利用系统模型的研究
城市雨洪的产生过程是上下游小区雨水过程、过境雨洪过程、河道调蓄过程的综合结果。进行城市雨洪的综合管理、以实现资源利用与灾害防治的双重目标, 必须研究建立城市区域雨洪管理与利用的系统模型。需要开展的主要研究内容包括:利用集中或分散式以及点、线和面等不同形式入渗设施下渗雨水回补地下水的计算模型;针对住宅小区、商业区、厂矿区等不同类型区域的雨洪收集、滞蓄、调控的数学模型;基于现状城市排水系统的雨洪调度与控制利用的仿真系统模型。
2.3 城市雨洪分散滞蓄与消纳的技术
城市雨洪分散滞蓄与消纳是减少城市河湖雨水排放量、减轻防洪压力的重要手段, 主要包括通过屋顶、透水铺装地面、绿地等滞蓄消纳雨洪。利用屋顶滞蓄和消纳雨洪的方法主要包括屋顶滞蓄和屋顶绿化。屋顶滞蓄是指, 适当增加平屋顶的防渗等级, 并在雨落管上安装限制流量的设备, 当雨水较大超过限制流量时, 可在屋顶滞蓄一段时间, 然后再逐渐排走。因此应当研究这种情况下所要求的屋顶防渗等级、防渗形式、限流方式等。屋顶绿化方面应当研究在满足景观效果的情况下, 屋顶绿化结构层形式对不同频率降雨的外排径流过程影响, 以及在较低屋顶进行绿化利用较高建筑屋顶雨水灌溉该绿地的养护技术。在透水地面方面应当研究在天然降雨情况下不同形式透水地面的入渗、产流规律;透水地面削减径流所需的最低透水性和铺装厚度要求;研究防止透水地面堵塞的技术和利用透水地面减轻城市道路面源污染的技术。
2.4 城市机动车道雨水的利用和清洁排放技术
城市中机动车道所占比例相当大, 但目前的研究都认为其雨水污染严重, 接近生活污水水平, 因此暂时不利用。但是, 当其他地面或屋顶的雨水被收集、截留和利用后, 排入城市河湖的雨水将主要是未经处理的机动车道路雨水, 从而会严重污染河道、影响环境、破坏生态平衡。因此, 必须研究相应的技术处理机动车道雨水, 使其能够清洁排放或加以利用。主要研究内容包括:机动车道雨水水质变化规律、机动车道雨水快速收集技术、环保型雨水口、利用绿地处理和消纳机动车道雨水技术、融雪剂对机动车道路雨水水质影响及处理技术、生态型入河口处理雨洪污染技术、机动车道雨水滞蓄技术等等。
2.5 雨洪利用配套设备的研发和产业化
目前推广应用雨洪利用技术的一个重要难点就是缺乏专门的配套设备, 因此必需研发并生产诸如雨水收集设备、初期径流弃除设备、雨水过滤设备、雨水净化设备、雨水下渗设备、雨水存储设备、流量控制设备、蓄水池的自动冲洗设备、雨水与再生水联合使用的自动转换设备等等。
2.6 雨洪利用推广应用配套政策研究
需要研究雨洪利用工程的效益计算和效果评估的方法;研究雨洪利用设施的评价方法;研究雨洪利用实施后防洪费减免的具体方法, 鼓励开发商或业主主动出资实施雨洪利用的政策等。
参考文献
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