北京城市雨水利用工程：涵养地下水源、改善水资源、抑制水体污染

一、概述

由于水资源的主要储存形式--地表水和地下水都是由雨水转化而来的，所以从广义上讲，一切对水资源的开发利用活动，都是对雨水的利用活动。例如兴建水库、修筑堤坝及灌渠系统等开发利用地表水以及打井开采地下水的活动等。狭义的雨水利用是指雨水的直接利用活动，不包括对雨水转化形式的利用，例如直接收集屋面和道路雨水，回灌地下或用于饮用、城市清洁和景观用水等。

在我国一直将雨水作为污水的一种形式，并将其尽快排至水体。由于雨水量相对集中，特别是我国北方地区虽然全年降雨量并不大，但雨水集中在7～9月份，因此所修建的雨水管渠庞大，造价也很高。同时这种方法不仅造成雨水资源的流失，而且在暴雨季节常会引起河水上涨，河道受到侵蚀，使城市的防洪工作面临巨大的压力，特别是遇到特大洪水时，人民群众的生命财产受到巨大威胁，政府不得不投入大量人力、物力和财力到抗洪抢险工作中，从而影响了我国经济的持续快速发展。此外，雨水排至水体，也造成对水体的污染和对生态环境的破坏。已有研究表明，城区雨水的污染非常严重，尤其是初期雨水，从被污染的大气层、地面和屋面直接带来大量的污染物。

因此雨水利用对减轻市政雨水管网的压力、减轻雨水对河流的污染，减轻河流下游的洪涝灾害具有重要的意义。同时通过雨水利用还可以缓解水资源的短缺，是开源节流的有效途径。尤其是随着我国城市化进程的加快，不透水面积不断增加，雨水的径流量进一步增加，地下水的补给随之减少。这样会进一步导致地下水渗透量减少、地下水位下降、气候干燥、城市洪涝风险增大等一系列不良后果。因此，城市雨水的合理利用有助于涵养地下水源，改善水资源状况，也有助于抑制水体污染。

其实雨水利用是世界各国沿用已久的传统技术，尤其在严重缺水的地区，如我国黄土高原地区蓄水窖仍是一些山区农业生产和家庭供水的主要方式。自20世纪80年代以来，雨水利用的技术和方法不断发展，许多西方国家如日本、德国、澳大利亚、美国等也很关注雨水的利用，日本雨水利用工程逐步规范化和标准化，要求新建和改建的大型公共建筑必须设置雨水就地下渗设施，强化雨水入渗；同时结合已有的中水工程，在城市屋顶修建用雨水浇灌的“空中花园”，在楼房中设置雨水收集装置与中水系统共同发挥作用；德国在20世纪80年代末就把雨水的管理与利用列为90年代水污染控制的3大课题之一，修建了大量的雨水池来截留、处理及利用雨水，并尽可能利用天然地形地貌及人工设施来截留、渗透雨水，削减雨水的地面径流；英国伦敦世纪圆顶的雨水收集利用系统每天回收100m3雨水作冲洗厕所用水；美国加州富雷斯诺市10年间的地下水回灌总量为1.338亿m3，年回灌量占该市年用水量的20%。

我国也逐步转变了观念，认识到雨水作为一种水资源对城市发展的重要性，并已展开雨水利用工程的尝试。如甘肃、河北等省自20世纪80年代以来，积极开展了屋顶和庭院雨水集蓄利用的系统研究。目前北京也正在进行有关城市雨水利用的研究工作及示范工程的建设。如北京市城区雨洪最大可利用量多年平均为1.93亿t。2000年北京市与德国开展了雨洪利用合作项目，并建设3个示范小区，同时雨水利用技术设备也在研制之中。当然在我国推广雨水利用技术，尚需制定相关法规，加以引导和鼓励。

二、雨水利用的方法

根据雨水利用的目的不同，雨水利用方法有以下几种。

1.作饮用水水源

对于一些干旱地区，由于地表、地下水资源匮乏，雨水成了重要的饮用水水源，如在非洲的肯尼亚，就有大量的雨水收集系统。在我国的西北部也有这样的情况，当然主要以屋面和庭院雨水收集与利用为主。

2.雨水渗透以回灌地下水

大气降水、地表水、土壤水和地下水，都是地球水循环的重要组成部分，它们相互转化，相互影响。大气降水是地表水、土壤水和地下水的主要补给来源，对满足植被和农作物生长需要来说，由大气降水补给的土壤水具有不可低估的作用。同时通过雨水渗透可直接回灌地下，补充地下水。

3.作为中水补充水源

将雨水作为中水补充水源，用于城市清洁、绿地浇灌和维持城市水体景观等，可有效地缓解城市供水压力。

中水工程作为一种污水再生回用技术，随着工业发展和人口膨胀，淡水资源日益紧缺，水量不足和水质恶化已成为当今世界上许多城市普遍存在的问题，污水资源化势在必行，而且中水工程在国内外已得到普遍发展。但应根据我国各地的雨水水量、水质情况、当地的中水系统设置与否以及中水运行情况，而且尤其要确切地估计中水的适用范围、种类、水量、水质等，才能进行中水工程的设计和应用。目前在中水设施设计运行中存在的主要问题有水量平衡计算问题、水质不达标、调节池容积偏小等，其中水量平衡是目前中水系统的一个主要问题。由于目前中水工程的使用对象主要是宾馆、饭店等大型公共建筑，中水的原水量随着客流量和时间分布不同而明显不同，常有集中来水和明显断流的情况，流量难于把握控制，而雨水恰好也有这个特点，降雨量的季节波动性和随机性很大，包含有许多不确定因素。如将雨水与建筑中水系统联合运行，将会增大中水系统的波动。在这种情况下，要使系统正常运行，必须增大调蓄设施。否则对有些雨量比较少且相对集中的地区，扩容后的系统通常不能满负荷运行，而当降雨后，系统又不一定能把所有的雨水收集处理，即使可以把雨水全部收集处理，但在这期间也会阻止原中水进入系统，即出现以雨水代替中水的现象，并未真正增加水资源量，中水的溢流和自来水的补充同样难于避免。另外，对于一些高档宾馆或饭店，其地价昂贵，主体建筑多为高层塔楼，中水系统常建在拥挤的地下设备层，采用庞大的调蓄和处理设备通常是不可行的。其次，对于宾馆或饭店，其有效的建筑屋顶面积通常非常有限，因此可以收集的雨水量也是有限的，与建筑中水系统的实际处理能力相比，所占的比例较小。但对占地面积相对较大、尤其是建筑屋面较为集中的住宅小区或学校，屋面较为洁净的雨量可以保证，但雨量较为集中，也会给中水系统的正常运行造成冲击和破坏。所以雨水利用系统和中水系统应相互协调，结合当地气象、建筑物分布状况等，经技术经济比较综合确定。

三、雨水水质分析

雨水水质取决于各城市的发展状况、工业构成情况、卫生状况等。根据对北京地区的屋面及道路雨水水质的分析表明：

（1）屋面径流水质的变化比较复杂，受气温、屋面材料、降雨时间间隔和降雨强度等多种因素影响。其中初期雨水径流污染最为严重，水质浑浊，色度大，COD约为300～3000mg/L，SS约为100～2000mg/L。随降雨过程的进行，COD逐渐稳定在100～200mg/L，SS稳定在20～100mg/L。且屋面雨水可生化性不高，BOD5/COD约为0.1～0.15，表明该水质可生化性差。

（2）道路径流水质特别是城市道路水质较差，初期雨水径流中的许多成分如石油类、总氰、部分重金属都是超标的。初期降雨COD为100～2000mg/L，SS为300～2000mg/L。随着降雨过程的进行，COD逐渐稳定在100～200mg/L，SS稳定在50～100mg/L。与屋面雨水相比，最为突出的是SS含量较高，这是由于道路来往车辆和行人较多、受人为影响因素较大及路面较脏等原因。

四、雨水利用设计要点

1.可利用雨量的确定

可利用雨量小于雨水资源总量，雨水的收集利用要受到许多因素的制约，如气候条件、降雨季节分配、雨水水质情况、地质条件、建筑的布局和结构等。雨水利用主要是根据利用的目的，通过合理的规划，在技术合理和经济可行的条件下对可利用雨量加以收集利用。

由于降雨相对集中的特点，应以汛期雨量收集为主，考虑气候、季节等因素引入季节折减系数α。同时根据雨水水质分析可知，初期降雨雨水水质较差，污染严重，应考虑弃流与污水合并收集处理，因此需引入初期弃流折减系数β。考虑以上雨量和水质的影响因素后，可利用雨量计算公式如下：

式中：Q为年平均可利用雨量，m3；H为年平均降雨量，mm；A为汇水面积，m2；若计算屋面年平均可利用雨量，A为屋顶水平投影面积；Ψ为平均径流系数；α为季节折减系数。北京地区建议取0.85；β为初期弃流系数。北京地区，对屋面雨水建议取0.87。

2.雨水利用的高程控制

进行雨水利用时尤其是以渗透利用为主的地区，应将高程设计和平面设计、绿化、停车场、水景布置等统一考虑，如使道路高程高于绿地高程，道路径流先进入绿地再通过渗透明渠经初步净化后进入后续渗透装置或排水系统。屋面径流经初期弃流装置后，通过花坛、绿地、渗透明渠等进入地下渗透池和地下渗透管沟等渗透设施。在有条件的地区，通过水量平衡计算也可结合水景设计综合考虑。

对任何种类的渗透装置，均要求地下水最高水位或地下不透水岩层至少低于渗透表面1.2m，土壤渗透系数不小于2×10-5，地面坡度不大于15%，离房屋基础至少3m以外，同时还应综合考虑表层以下土壤结构、土壤含水率、道路上行人及车辆交通密度等。

3.渗透设施的计算方法

雨水渗透设施有多种计算方法。目前美洲多用瑞典Sjoberg和Martensson提出的计算法，欧洲多用德国Geiger提出的计算法。

（1）Sjoberg-Martensson法：

1）设计径流量：对某一渗透设施，首先要确定其服务面积的大小和组成，再根据各组成面积的径流系数计算出服务面积的平均径流系数。此外还应确定设计重现期，对大于此重现期的降雨，渗透设施会发生溢流。设计径流量即在设计重现期条件下进入渗透设施的径流量，亦即渗透设施的设计进水量。

对某一设计重现期P，结合所在地区的暴雨强度公式，根据式（22-1）可以求出与不同降雨历时相应的设计径流量，并可得到径流量-降雨历时曲线如图22-7所示。此曲线与坐标轴所围成的面积即为降雨总径流量VT。

图22-7　不同重现期的径流量-降雨历时曲线

式（22-22）与式（22-20）有一定的差距。瑞典的Sjoberg和Martensson于1982年提出了一个值为1.25的系数，他们经大量资料的统计，将式（22-22）演变为式（22-23）后，简化计算的结果与实际较符合：

2）设计渗透量：渗透设施在降雨历时t时段内的设计渗透量Vp可按式（22-24）计算：

式中：Vp为降雨历时t时段内的设计渗透量，m3；K为土壤渗透系数，m/s，为安全起见，乘以0.3～0.5的安全系数；J为水力坡度（在地下水水位较深，远低于渗透装置底面的情况下J=1）；AS为有效渗透面积，m2；t为降雨历时，h。

图22-8　渗透设施存储空间变化曲线

设计渗透量Vp与降雨历时t之间呈线性关系。

3）设计存储空间：渗透设施的存储空间为其设计径流量与设计渗透量之差。即对于某一重现期，要提供一定量的空间以将未及时渗透的进水量暂时存储。图22-8为进水量VT-t和渗透量Vp-t曲线，所需存储空间V，即VT和Vp之差的最大值：

V=max[VT-Vp](22-25)

假设地下水位远低于渗透装置的底面，J=1，并简化计算径流量，则有

式中：各参数意义同前。

为简化计算，设B=Ψ-A+A0

将式（22-26）整理后得

式中：D为单位有效径流面积所需的存储空间，m3/ha；E为单位有效径流面积所需的渗透流量，L/（s·ha）。

4）图解法确定渗透设施尺寸：工程上多使用简单方便的图解法，步骤如下。

a.确定设计重现期P后，据暴雨强度公式或曲线绘制4.5qPt-t曲线（见图22-9），此曲线表现的是径流量随降雨历时变化的规律。

b.画出不同斜率（即不同E值）的3.6Eit-t直线若干条（见图22-10）直线的斜率反映渗透量的大小。

c.4.5qPt-t曲线与每一条3.6Eit-t直线间有一最大的差值Di，作Ei-Di曲线如图22-10所示。

d.拟定渗透设施的尺寸，据式（22-28）计算得E值。从图22-10查得相应D值，再据式（22-27）计得V值（所需最大存储空间）。

e.据拟定渗透设施的尺寸，计算其实际存储空间V′，并与上一步骤中计得的V值比较，若相差较大，则需调整拟定尺寸重新试算，直至V′与V值相等或略大。

（2）Geiger计算法：Geiger计算法用于渗透管沟的计算公式如下：

图22-9　t、qP、E、D关系图(www.xing528.com)

图22-10　重现期为P时的E-D关系图

式中：L为渗透沟长，m；A为汇水面积，m2；qP为对应于重现期为P的暴雨强度，L/（ha·s）；t为降雨历时，min；b为渗透沟宽，m；h为渗透沟有效高度，m；S为存储系数，即沟内存储空间与沟有效总容积之比；K为土壤渗透系数，m/s；d为沟内渗透管内径，m；D为沟内渗透管外径，m；Sk为砾石填料的储存系数。

可将式（22-30）改写为

此式左边第一项为渗透沟的存储空间，第二项为t时段内渗透量，此式右边为t时段内的降雨量近似计算值。由此可看出Geiger公式与Sjoberg-Martensson公式的基本思路是一致的，均出于降雨量、渗透量和储水量等三者之间的水量平衡。

Geiger法的计算过程也是一试算过程，首先拟定渗透沟的宽、高及布置形式，再根据不同的降雨历时和相应的暴雨强度计算出一系列所需沟长，从中选取最大值Lmax。

（3）计算方法的比较：上述两种计算方法的出发点是一致的，均基于渗透设施的进、出水量的平衡，即进入设施的径流量等于其渗透量及储存量之和。但在一些参数的处理上有所不同，两种渗透设施计算方法比较见表22-7所示。

从表中可以看出无论是渗透系数还是渗透面积的计算，Sjoberg-Martensson法均更保守些。考虑到底面积堵塞的可能性，在计算时不计入底面积的渗透量。在德国Geiger计算法中，强调渗透设施的管理和维护，特别重视设施的防堵塞措施，因此在设计计算渗透设施时，仍将底面积列入渗透面积之内。但考虑到渗沟侧面及水平渗透的复杂性，减少侧面积的计算量，仅以其1/4量计算。

在计算渗透设施进水量时，采用Sjoberg-Martensson法更精细一些，它将近似计算式（qP·t）乘上修正系数1.25，使计算值更接近于实际降雨量。Geiger法较为简洁，也使用近似计算式（qP·t），但没有修正系数。实际上当Ψ-=0.8时，两种方法计算的进水量是一致的。

表22-7　渗透设施计算方法比较

注表中符号意义同式（22-22）和式（22-30）。

（4）计算实例：

【例】已知北京某小区汇水面积A=270m2，由径流系数0.9的不透水地面组成，渗透系数K=5×10-5m/s，渗透沟内设置内、外径各为0.3m和0.4m的渗透管，砾石填料的储存系数Sk=0.4。

解：若设重现期为0.33年，渗透沟宽1m，有效高0.8m。

1）按Geiger法计算：沟的储存系数为

表22-8　试算结果

Lmax=12.9m，即所需渗透沟长约13m。

2）按Sjoberg-Martensson法计算：

设渗透沟长L=15m，则

据E-D图查得D=257m3/ha，所需V=D·B=257×（270×0.9）=6.24m3，但所拟长度渗透沟的有效存储空间为

重新设定L=17m，则

此时V′=5.80m3，接近于V值，所以

由此可见，两种计算方法有一定的差距。

另设重现期0.33年，渗透沟宽1m，有效高1.5m。经同样的计算过程，由Geiger法得L=8m，由Sjoberg-Martensson法得L=9m，两者的差距较小。详见表22-9。

据计算实例可见：在选用同样重现期和同样沟宽的前提下，两种方法计算结果的差距随着渗透沟有效高度的增加而减小，此结果差异主要是由渗透面积计算方法不同所致。渗透面积由侧面积和底面积两部分组成。沟深增大时，侧面积在渗透面积中所占比例也上升，相反其底面积所占比例却下降，即底面积的影响减小。而Sjoberg-Martensson法在计算渗透面积时不计入底面积，因此沟深增大，底面积的影响减小。两种计算方法的结果相近。

我国城区雨水渗透利用尚在研究阶段，由于我国雨水径流中带有较多悬浮颗粒，易于造成渗透装置的堵塞，故推荐选用计算偏于安全的Sjoberg-Martensson法，并在应用时视具体情况作适当修正，如在渗透设施进水量计算时扣除初期弃流量及其上游渗透设施的渗透量。

4.雨水渗透装置

雨水渗透是通过一定的渗透装置来完成的，目前常用处理装置有如下几种：渗透浅沟、渗透渠、渗透池、渗透管沟、渗透路面等，每种渗透装置可单独使用也可联合使用。

（1）渗透浅沟即为用植被覆盖的低洼地，如图22-11所示，较适用于建筑庭院内。

表22-9　实例计算结果

图22-11　渗透浅沟示意图

（2）渗透渠为用不同渗透材料建成的渠，如图22-12所示。常布置于道路、高速公路两旁或停车场附近。图22-13为雨水渗透浅沟、渗透渠联合使用示意图。

（3）渗透池为用于雨水滞留并进行渗透的池子，在有良好天然池塘的地区，可以直接利用，以减少投资。也可人工挖掘一个池子，池中填满砂砾和碎石，再覆以回填土，碎石间空隙可储存雨水，被储藏的雨水可以在一段时间内慢慢入渗，比较适合于小区使用。

（4）渗透管沟为渗透装置的一种特殊形式，它不仅可以在碎石填料中储存雨水而且可以在渗透管中储存雨水。图22-14为渗透管断面示意图。

（5）渗透路面有3种，一是渗透性柏油路面，二是渗透性混凝土路面，三是框格状镂空地砖铺砌的地面。后者多用于布置在临近商业区、学校及办公楼等的停车场和广场。

图22-12　渗透渠断面示意图

图22-13　雨水渗透浅沟、渗透渠联合使用示意图

图22-14　渗透管断面示意图

雨水渗透受降雨和入渗等两方面的影响，渗透设施的设计类似于其他各种储留池的设计，也有存贮空间的概念。设计的主要目的是容纳来水并使其尽可能不发生溢流。在渗透过程中，如果进水量超过了渗透设施的渗透能力，为了保证不发生溢流，将多余的水量存储下来所需要的空间称为存储空间，对于大部分的渗透设施来说，其填料和管道部分的有效空间即是该设施的存储空间。渗透装置的设计进水量与设计渗透量之差为渗透装置的存储空间。

5.初期弃流装置

雨水初期弃流装置有很多种形式，但目前在国内主要处于研发阶段，在实施时要考虑其可操作性，便于运行管理。初期弃流量应根据当地情况确定，北京地区屋面雨水建议采用2mm。图22-15为雨水初期弃流装置的示意图。

图22-15　雨水初期弃流装置示意图

6.雨水收集装置容积的确定

如果雨水用作中水补充水源，首先需要设贮水池，以收集雨水并调节水量。为求出该贮水池容积，可通过绘制某一设计重现期下不同降雨历时流至贮水池的径流量曲线，并对曲线下的面积求和，该值即为贮水池的有效容积。

7.其他处理装置的设计计算

其他雨水收集处理装置如混凝、沉淀、过滤、消毒等设施的设计计算可参考《给水排水设计手册》。

8.雨水利用工程的顺利实施保障措施

雨水利用工程是一项大的系统工程，不仅要与城市或小区的总体规划设计同步进行，也要综合考虑本流域的水资源，进行合理安排；同时为确保雨水利用工程的顺利实施，还要采取积极措施，如协调安排小区建筑、道路、景观及绿地的高程，透水地面的推广使用，地面的清洁维护，环保屋面材料的开发和使用，雨水利用工程附属构筑物的研制开发等。此外，也应积极制定相关政策以促进城市雨水的收集利用，进一步改善城市生态环境。