從“資源視角”論城市雨水利用

　　一、前言  

　　傳統(tǒng)的城市規(guī)劃及建筑設(shè)計(jì)習(xí)慣于將雨水當(dāng)作“洪水猛獸”惟恐避之不及，場地規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)(包括屋頂構(gòu)造及排水設(shè)計(jì))都是將地面降雨盡快排入城市雨水管網(wǎng)和市郊區(qū)、河水體中為首要原則，貫徹的是“使雨水盡快遠(yuǎn)離城市”這一傳統(tǒng)的防水思路。隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，市區(qū)原有的自然環(huán)境如森林、農(nóng)田、牧場等被建筑物、構(gòu)筑物及硬化地面取代，原有疏松透氣的地表被混凝土、瀝青、磚石等堅(jiān)硬密實(shí)的不透水材料所取代。在現(xiàn)代城市中，除了散布于市區(qū)的公園綠地及天然水體以外，整個市區(qū)幾乎被一張不透水的大網(wǎng)所籠罩，它阻隔了雨水向市區(qū)下部土壤的滲透，嚴(yán)重影響了雨水資源的利用。城市作為非農(nóng)業(yè)人口高密度聚居的區(qū)域，它同時又是高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動區(qū)域，這兩方面都注定城市需要大量的淡水資源供應(yīng)，水資源的壓力時刻威脅著城市的發(fā)展。從地球系統(tǒng)的水資源環(huán)境循環(huán)與水量平衡來看，天然降水是維持整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，我國絕大多數(shù)城市是以地下水資源和天然降水資源作為城市水資源供應(yīng)的主渠道，而地下水資源主要借助包括雨水在內(nèi)的天然降水加以補(bǔ)充。目前城市地下水的過量開采造成城市市區(qū)下層地下水位線呈漏斗狀分析，越靠市區(qū)中心漏斗越深。 

　　因此，充分利用天然降水特別是雨水是有效補(bǔ)充城市地下水及解決城市水資源短缺的重要途徑。 

　　二、國內(nèi)外雨水資源利用現(xiàn)狀  

　　為了喚起人類重視雨水資源的有效利用，上世紀(jì)80年代初成立了國際雨水集流利用系統(tǒng)協(xié)會(IWRA)。國際上已經(jīng)召開了多次國際雨水收集大會。1995年在北京舉辦的第七屆國際水資源大會將“惠澤全人類的雨水利用”作為大會主題，有來自32個國家的數(shù)百名科學(xué)家、工程師和政府官員出席了此次會議。會議通過大會報(bào)告、專題討論、實(shí)地考察、產(chǎn)品展覽等多種形式進(jìn)行交流，包括“飛機(jī)場雨水收集技術(shù)設(shè)計(jì)”、“太陽能利用與雨水利用結(jié)合”、“雷達(dá)遙感應(yīng)用于雨水集流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)”等多項(xiàng)雨水利用的最新技術(shù)及設(shè)計(jì)理念成為“北京會議”交流的重要內(nèi)容。雨水利用研究從應(yīng)用推廣逐漸向理論研究、學(xué)科建立方向發(fā)展，成為當(dāng)今生態(tài)保護(hù)水資源利用研究的前沿課題。雨水利用被認(rèn)為是一個協(xié)調(diào)人地關(guān)系、實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要措施，它在解決全球水資源緊缺以及生態(tài)環(huán)境問題方面的可行性和有效性得到認(rèn)可。第七屆國際水資源大會在北京召開，充分體現(xiàn)了我國政府對雨水資源利用事業(yè)的重視，會議推動了包括中國在內(nèi)的世界范圍雨水資源利用技術(shù)的迅速發(fā)展。日本為解決“因抽取地下水而引起地基下沉”等問題，于80年代初期推行“雨水滲透計(jì)劃”，采取了“雨水的地下還原對策”，先后開發(fā)應(yīng)用了透水性瀝青混凝土鋪裝和透水性水泥泥凝土鋪裝，日本透水性鋪裝主要應(yīng)用于公園廣場、停車場、運(yùn)動場及城市道路。1996年初，僅東京都就鋪設(shè)透水性鋪裝495000平方米。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東京透水性鋪裝市區(qū)雨水流出率由51.8%降低到5.4%。針對城市不透水地面對地下水資源的負(fù)面影響，德國提出了一項(xiàng)要把城市80%的地面改為透水地面的計(jì)劃。德國城市鋪設(shè)透水地面的區(qū)域包括：人行道、步行街、自行車道、郊區(qū)道路和郊游步行路、露天停車場、房舍周邊庭院和街巷地面、特殊車道及公共廣場等。德國新建小區(qū)(無論是工業(yè)、商業(yè)、居住區(qū))之前均要設(shè)計(jì)雨洪利用項(xiàng)目，若無雨洪利用措施，政府將征收雨洪排水設(shè)施費(fèi)和雨洪排放費(fèi)。90年代以來，國際上流行使用諸如透水瀝青路面、透水性混凝土路面、透水性地磚等透水路面覆蓋城市地面，此舉對于緩解城市熱島、減少噪聲、防止水災(zāi)和保護(hù)水資源等方面具有重要作用。 我國民間對于雨水的利用由來已久，新疆地區(qū)的坎兒井、西北地區(qū)的水窖及民居中的雨水天井滲池都是這方面的實(shí)例。但這種利用只是民間小范圍的自發(fā)行為，難以形成規(guī)模效應(yīng)。雨水利用作為公益事業(yè)，兼有良好的環(huán)境效益和社會效益，作為政府行為更能發(fā)揮其效能。北京是一個典型的缺水城市，人均水資源量很低，因此，水資源短缺問題顯得尤為嚴(yán)峻。北京市政府2000年頒布的《北京市節(jié)約用水若干規(guī)定》中規(guī)定“綠地道路應(yīng)當(dāng)建設(shè)低草坪、滲水地面，使用透水性能好的材料，城鎮(zhèn)機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位辦公建筑及附屬用地應(yīng)當(dāng)建設(shè)雨水收集利用的設(shè)施，鼓勵單位和居民屋頂及庭院建設(shè)雨水利用設(shè)施和滲水井”。目前，在北京市水利科學(xué)研究院的主持下，北京市正在開展“城市水資源可持續(xù)利用--雨洪控制與地下水回灌”項(xiàng)目。這個項(xiàng)目是中國和德國政府間的科技合作項(xiàng)目，目標(biāo)是通過引進(jìn)德國成熟的洪利用技術(shù)與設(shè)備，通過示范工程，建立北京的雨洪利用產(chǎn)業(yè)。這說明有效利用雨水資源正逐漸成為專家和政府官員的共識。我們有理由相信，通過各級政府部門的引導(dǎo)和專家學(xué)者的積極參與，“善待雨水、造福人類”這一生態(tài)理念一定會在我國發(fā)揚(yáng)光大。 

　　三、透水性鋪裝對外補(bǔ)給地下水資源的作用  

　　城市大面積的不透水地面鋪裝取代了原有的森林、綠地和田野，形成了“城市荒漠”，地表土壤中原有的動植物及微生物的生存環(huán)境遭到破壞進(jìn)而逐漸消失，可以說城市不透水硬化地面鋪裝過程是一個破壞原有的自然生物環(huán)境、重新建立新的人工生物環(huán)境的過程。城市不透水硬化地面正是形成城市一系列環(huán)境危機(jī)的根源之一。聯(lián)合國環(huán)境計(jì)劃署(UnitedNationsEnvironmentProgram，簡稱UNEP)制定的《人類環(huán)境宣言》和《生物多樣性公約》正是針對上述危機(jī)而提出的生態(tài)保護(hù)法規(guī)。 透水性鋪裝是由一系列與外部空氣相連通的多孔結(jié)構(gòu)形成骨架，同時又能滿足路用及鋪地強(qiáng)度和耐久性要求的地面鋪裝形式。有些透水性鋪裝與綠化相結(jié)合，形成半綠化地面。透水性鋪裝由于自身一系列與外部空氣及下部透水墊層相連通的多孔構(gòu)造，其上的降水可以通過本身與鋪地下墊層相通的滲水路徑滲入下部土壤，因而對于地下水資源的補(bǔ)充具有重要的作用。透水性鋪裝兼有良好的滲水性及保濕性，它既兼顧了人類活動對于硬化地面的使用要求，又能通過自身性能接近天然草坪和土壤地面的生態(tài)優(yōu)勢減輕城市硬化地面對大自然的破壞程度。透水性地面鋪裝使地下動植物及微生物的生存空間可以得到有效的保護(hù)，體現(xiàn)了自然生物環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求，因而很好地體現(xiàn)了“與環(huán)境共生”的可持續(xù)發(fā)展理念。下滲雨水一方面通過透水性鋪裝及下部透水墊層的過濾作用而得到凈化，另一方面該透水鋪裝及下部土壤中豐富的微生物可以針對雨水中的有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)行生物凈化，可以保證滲透雨水的清潔要求。因此，透水性鋪裝的推廣及應(yīng)用有效利用雨水資源的重要途徑。 
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　　四、城市市區(qū)滯留雨水的系統(tǒng)設(shè)施　 
　　
　　利用和改造現(xiàn)有的城市基礎(chǔ)設(shè)施，配合應(yīng)用透水性鋪裝，在城市市區(qū)建立系統(tǒng)的滯留雨水設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)雨水回灌地下的關(guān)鍵措施。 
　　
　　1.因地制宜，推廣透水性鋪裝  
　　城市下墊面的排水性能直接影響雨水滲透的最終效果。因此根據(jù)城區(qū)下墊面的具體情況，因地制宜地選擇透水性鋪裝的適用范圍，是做好此項(xiàng)工作的關(guān)鍵。透水性能最好的墊層是礫石墊層，最差的是粘土。如果遇到西北地區(qū)常見的粘土層時，局部少量小范圍的可采用換土法解決；若下部粘土層范圍很大，這時可考慮利用其上部透水墊層中的透水孔隙作為雨水的儲存空間，也就是通過加大上部透水墊層厚度的方法來處理。我國北方尤其是西北地區(qū)年降雨量不大，這種方法還是切實(shí)可行的。但對于降雨量大的地區(qū)，單靠換土或加大透水墊層的儲水厚度形成的儲水量不能滿足要求，這就需要建立專門的地下滲水池用于解決雨水儲存問題。由是可知，透水性鋪裝適用于地面墊層下部土壤地質(zhì)透水性良好的地區(qū)。 

　　2.建立城區(qū)雨水收集及地下儲存系統(tǒng)  

　　我國城市的全年雨量分布大都集中的夏季，如何收集儲存雨季充沛的雨水資源，調(diào)節(jié)少雨季節(jié)的雨水供給，以豐補(bǔ)歉，平衡全年雨水利用，是貫徹實(shí)施雨水利用計(jì)劃的重要方面。據(jù)介紹，北京市每年降水量80%以上集中在夏季汛期，市區(qū)雨洪徑流流失2.81億立方米。因此，對汛期雨水資源加以儲存利用，不僅可有效緩解北京市的水資源短缺狀況，該措施同時對于減輕城市排水和可道行洪壓力，保證防洪安全亦有重要意義。 城市市區(qū)范圍內(nèi)的建筑屋頂、城市廣場、運(yùn)動場、草坪、庭院、城市道路等都可以用作收集雨水的有效界面，其中占市區(qū)面積相當(dāng)比例的建筑屋頂對于雨水的收集起著至關(guān)重要的作用。城市屋頂除了少數(shù)自由落水屋面外，大部分屋頂均有專門的排水系統(tǒng)通道，除了初降雨水以外，屋頂收集的這一部分雨水相對比較干凈，西北地區(qū)居民用于飲用的水窖，儲水的主要來源就是依靠屋頂收集的雨水。城市雨水收集利用應(yīng)將屋頂水落管下引的雨水導(dǎo)入附近儲水池中，水質(zhì)的凈化可通過過濾、殺菌及沉淀等措施加以實(shí)現(xiàn)。 對于飲用水來說，屋頂最好避免使用類似石棉、含鉛塑料等有害物質(zhì)，應(yīng)鋪設(shè)環(huán)保濾水層以起到凈化初期雨水的作用。通過城市道路、庭院地面、運(yùn)動場、廣場等城市地表收集的雨水，因?yàn)閺搅鬟^程中容易混入有害雜質(zhì)，污染程度相對較高，這部分儲存雨水經(jīng)過處理宜用于灌溉、洗車、沖洗廁所等非飲用目的。雨水的收集儲存特別適用于下部土壤地質(zhì)構(gòu)造的透水性能不滿足透水性鋪裝要求的地段。 

　　3.利用城區(qū)凹地截流暫儲雨水  

　　城市利用市區(qū)天然地形地貌或人工凹地作為截流雨水的暫儲空間，可以削減雨水的地面徑流量，進(jìn)而減輕城市排水系統(tǒng)的壓力，并減少雨季合流制管網(wǎng)污水處理廠的負(fù)荷，它是解決夏季暴雨內(nèi)澇的一條有效途徑。這些凹地包括下沉式廣場、停車場、運(yùn)動場、露天內(nèi)庭院及景觀池塘等，在多雨季節(jié)它們可作為臨時儲存雨水的空間。 美國Denver市中心的Skyline下沉式廣場雨水可容納數(shù)英寸深的雨水，該廣場還專門設(shè)置雨天穿行廣場的架空通道。日本的東京、大阪等城市利用當(dāng)?shù)氐陌羟驁龊吞飶綀鰠R集截流雨水，匯集的雨水經(jīng)過處理可用于沖洗廁所和綠化灌溉。歐美、日本及我國臺灣省均將該措施列為城市泄洪分流的重要對策加以推廣。當(dāng)下部墊層地質(zhì)構(gòu)造透水性能良好時，儲水凹地底部還可以考慮鋪設(shè)透水性底面，蓄積的雨水可通過底部透水性鋪裝緩慢滲透到地下，補(bǔ)充地下水源。在儲水凹地適當(dāng)高度可設(shè)置溢流孔與相鄰排水管溝相連，以便排除過量的雨水。 

　　目前景觀規(guī)劃中水體的用水供應(yīng)及綠化植被的澆灌大都依靠城市自來水管網(wǎng)，這無疑會增加城市用水的壓力。應(yīng)從景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)入手，研究探索切實(shí)可行的綜合利用雨水資源的方法和措施，充分利用景觀用地周圍凹地匯集儲存雨水并用于景區(qū)水體用水、綠化灌溉及其他維護(hù)清洗。 

　　4.改造現(xiàn)有非透水性排水管溝為透水性排水管溝，增加雨水滲透途徑  

　　借鑒透水性鋪裝的構(gòu)造做法，城市現(xiàn)有的不透水雨水管溝通過改造也能起到類似透水性鋪裝的作用。英國、日本等發(fā)達(dá)國家80年代提出“滲秀型雨水管道”設(shè)想，采取各種措施利用滲透型雨水系統(tǒng)截流滲透雨水，并將此納入國家下水道推進(jìn)計(jì)劃。該做法是將傳統(tǒng)的非透水性排水管道或溝槽改造成類似于打孔PVC管的可透水結(jié)構(gòu)，雨水通過滲透型管道同樣可以下滲到底部土壤層。為了防止雜物沉淀堵塞滲孔，可附加不織布(土工布)過濾。滲透型雨水管道下部墊層亦可采用透水性墊層的做法。 我國臺灣地區(qū)采用的雨水滲透井是由兩個相鄰的儲水井組成，中間由管道連接。滲透井類似于西北地區(qū)畜水窖井，所不同的只是一側(cè)滲透井底部透水，并不織布過濾層，以便凈化下滲的初期雨水；并將此納入國家下水道推進(jìn)計(jì)劃。該做法是將傳統(tǒng)的非透水性排水管道或溝槽改造成類似于打孔PVC管的可透水結(jié)構(gòu)，雨水通過滲透型管道同樣可以下滲到底部土壤層。為了防止雜物沉淀堵塞滲孔，可附中不織布(土工布)過濾。滲透型雨水管道下部墊層亦可采用透水性墊層的做法。 我國臺灣地區(qū)采用的雨水滲透井是由兩個相鄰的儲水井組成，中間由管道連接。滲透井類似于西北地區(qū)畜水窖井，所不同的只是一側(cè)滲透井底部透水，并附加不織布過濾層，以便凈化下滲的初期雨水；初期雨水經(jīng)過沉淀和過濾，流過中間透水性管道(內(nèi)側(cè)附加過濾纖維層--不織布)輸送到另一側(cè)井壁和底板均不透水的儲水井里，該儲水井中儲存的相對清潔和雨水可作為沖洗或灌溉用水。該滲透井設(shè)計(jì)有效地解決了雨水收集、下滲及儲存的問題，儲水井的透水底面和透水性管道有助于調(diào)節(jié)雨季滲透井的水量，開辟了雨水對地下水回灌的新途徑，值得借鑒。 滲透裝置中使用的不織布(土工布)是一種良好的過濾纖維材料，對細(xì)小顆粒、雜質(zhì)有較強(qiáng)的阻隔作用。為了安全起見，專家建議提倡雨水徑流先進(jìn)入綠地花壇，再進(jìn)入滲透設(shè)施，以充分利用植被和土壤表面的凈化能力。加強(qiáng)裸露土地面的治理，種植適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的地被植物或小型灌木，從而加大地表的粗糙度，減緩雨水徑流的速度，使雨水停留地面的時間延長，此舉也不失為增加雨水滲透的有效方法。 

　　5.透水性鋪裝及管溝的維護(hù)與保養(yǎng)  

　　通常透水性鋪裝及管溝的透水性能隨使用年限的增加呈遞減趨勢。為確保該構(gòu)造體系的透水要求，日常維護(hù)和保養(yǎng)工作很重要。通常做法是定期使用噴射水槍或強(qiáng)力吸塵器等對透水性鋪裝進(jìn)行清理，與植草結(jié)合的透水鋪裝也可采用手工清理。對于透水管溝的維護(hù)主要是解決不織布過濾層和下墊層的堵塞現(xiàn)象，德國、日本等發(fā)達(dá)國家結(jié)合自身特點(diǎn)及各自的透水性鋪裝及管溝的應(yīng)用情況，已經(jīng)研制出相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)專用設(shè)備及產(chǎn)品。我國的透水性鋪裝及管溝的維護(hù)與保養(yǎng)的研究及應(yīng)用正處于起步階段，借鑒發(fā)達(dá)國家及地區(qū)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)是推動此項(xiàng)工作的重要方面。 

　　五、結(jié)語  

　　環(huán)境資源保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展是新世紀(jì)人類面臨的共同課題。雨水資源的有效利用是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。如下圖所示，城市雨水利用體系的建立和完善是個系統(tǒng)工程，它需要政府政策法規(guī)的引導(dǎo)，需要規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的技術(shù)支持，需要城市市政管理部門的維護(hù)管理。其中，政府職能部門起著關(guān)鍵的、不可替代的作用。