徐航1,何品晶2,宗兵年1 (1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海200092;2.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海200092) 摘 要:隨著城市化進(jìn)程的加快和居住水平的提高,城市暴雨徑流產(chǎn)生洪澇災(zāi)害、惡化水體質(zhì)量的危害日益明顯;另一方面,雨水是重要的資源,適當(dāng)回用可解 決城市發(fā)展過程中水資源短缺的問題。提出了以雨水綜合池作為平抑洪峰、削減污染和回用雨水的綜合性構(gòu)筑物,建立城市雨水“防洪、減污、回用”綜合控制系統(tǒng),這既削減了暴雨徑流給城市生活帶來的不利因素,又發(fā)揮了其潛在的水資源價值。 關(guān)鍵詞:城市雨水;雨水綜合池;防洪;減污;回用 中圖分類號:X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C 文章編號: 1000-4602(2001)02-0061-04 城市降雨及徑流與城市生活緊密相關(guān),特殊的地理環(huán)境使其同時具有危害性與資源性。例如 :①強(qiáng)度大、頻率高的降雨易形成洪澇災(zāi)害,在城市發(fā)展過程中,不透水地表鋪砌面積的不斷擴(kuò)大和建筑密度的提高,使地面徑流形成時間縮短,峰值流量不斷加大,排水系 統(tǒng)的雨季流量與旱季流量的比值上升,產(chǎn)生洪澇災(zāi)害的機(jī)會增加、危害加?。虎趽?jù)國外有關(guān)資料報導(dǎo),在一些污水點源得到二級處理的城市水體中,BOD5負(fù)荷約有40%~80%來自于降雨產(chǎn)生的徑流,它是主要的城市水體污染面源之一。③將經(jīng)過簡單處理的雨水回用作城市綠化、街道灑掃和景觀等處的生態(tài)型用水是重要的開源措施,而在貧水、缺水地區(qū),雨水是一種重要的甚至是主要的水資源。 從20世紀(jì)70年代起,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家從保護(hù)水環(huán)境及充分利用水資源的角度出發(fā),開始研究適合治理雨水污染及回用的處理工藝(如在雨水調(diào)節(jié)池后設(shè)簡單的沉淀及砂濾裝置)及相關(guān)的管 理模型(如:SWMM暴雨雨水管理模型;STORM儲存處理與漫流模型;Battelle徑流管理模型等)。在我國,許多城市面臨著水量型或水質(zhì)型缺水的問題,如何更有效地使用、管理雨水資源已開始受到普遍關(guān)注。部分大中城市(北京、上海、杭州等)已著手監(jiān)測降雨及其徑流的水量和水質(zhì)變化規(guī)律,逐步積累供雨水回用及治理污染所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 筆者基于對城市降雨徑流雙重屬性的認(rèn)識,認(rèn)為對城市降雨的管理應(yīng)從綜合削減暴雨徑流的不利因素和發(fā)揮其潛在水資源價值的正反兩方面出發(fā),找到兼顧兩者的平衡點,并提出了;“ 防洪、減污、回用”的雨水管理綜合系統(tǒng)邏輯模型(見圖1)。 
1 分區(qū)規(guī)劃 城市集商業(yè)、交通、居住、工業(yè)等功能區(qū)域于一體,各區(qū)域?qū)Ψ篮榕艥臣八Y源的需求差別較大。城市綠化及居住區(qū)域的地表情況接近于自然土地,能有效地截留暴雨徑流和削減 其量,同時也允許有一定的積水量;而在重要的商業(yè)、交通地帶,大規(guī)模的地面鋪砌與建筑使暴雨形成徑流的時間大大縮短,洪峰流量增大,一旦受害,損失巨大。因此必須根據(jù)各區(qū)域的不同要求實施分區(qū)規(guī)劃,對徑流密集的區(qū)域采取集中收集導(dǎo)排,進(jìn)而提高城市重要社區(qū)的防洪水準(zhǔn)。此外,針對不同水質(zhì)進(jìn)行分區(qū)收集對于削減污水處理量和降低回用水處理成本 是極為有利的,根據(jù)國外的研究及我國的實際情況,可以按照以下方法進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃:①根據(jù)區(qū)域防洪治澇規(guī)劃,提高重要區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模雨水產(chǎn)流區(qū)域(大型綠地、主要交通干道)與其他區(qū)域分開設(shè)計,減輕排水管系負(fù)擔(dān)。②地表徑流水質(zhì)相差較大的區(qū)域,雨水回用時應(yīng)分區(qū)收集與處理。③區(qū)域劃分應(yīng)考慮水量平衡,減少雨水跨區(qū)回用,以降低管系造價、運(yùn)行費(fèi)用及管理難度。 2 暴雨及徑流的設(shè)計計算 為確定設(shè)計區(qū)域的降雨及其徑流特性,首先必須按區(qū)計算暴雨及其徑流量。近年來的研究表明,對于面積<2km2的城市小區(qū),可采用城市暴雨強(qiáng)度公式及流量公式來計算;而隨著計算區(qū)域的擴(kuò)大,采用排澇計算方法(如推理公式法)等更為適宜。設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)采用 2~5a,如果采用分區(qū)排水,則應(yīng)按不同的因素選取適合本區(qū)域的徑流系數(shù)并分別計算。 3 雨水綜合池—管系設(shè)計 雨水綜合池是雨水綜合系統(tǒng)中具有簡單處理能力的貯水構(gòu)筑物,是實現(xiàn)雨水綜合系統(tǒng)多重效益的重要保障。與傳統(tǒng)雨水調(diào)節(jié)池相比,它不僅具有平抑雨洪峰值、減少下游管段容量的功能,還是雨水回用、減污等多種功能的載體。在原有排水系統(tǒng)不變的情況下,利用綜合池的調(diào)洪容量可提高設(shè)計區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn);綜合池中的簡單處理設(shè)施可去除雨水中的部分污染物,提供符合要求的回用水;同時綜合池建造也可與周邊環(huán)境配合設(shè)計,成為區(qū)域水景觀的組成部分。為使雨水綜合系統(tǒng)充分發(fā)揮防洪、回用及減污功能,應(yīng)著重考慮三者的平衡,以取得最佳效益。 3.1 系統(tǒng)防洪能力計算 在雨水排除系統(tǒng)中,調(diào)洪構(gòu)筑物的防洪能力和排水管系的關(guān)系可依據(jù)水量平衡方程來推求。利用徑流過程圖,作設(shè)計超越流量切割暴雨徑流過程線,所切割的洪峰部分即為調(diào)洪設(shè)計容積,剩余部分即為下游管系排水能力。 水量平衡方程為: Q(t)-q(H)=Ω(H)(dH/dt) (1) 式中 H ——貯水池調(diào)節(jié)水深 t——調(diào)洪開始時間 Q(t) ——來水曲線 q(H)——泄水曲線 Ω(H)(dH/dt)——隨時間改變的貯水池水位變化過程線 假設(shè)泄水曲線不隨時間變化,則調(diào)洪體積為: W=∫t1t2Q(t)dt-q(t2-t1)=aQτ (2) 式中 t1 ——調(diào)洪開始時間 t2——調(diào)洪結(jié)束時間 a——貯水池容積系數(shù)(隨雨型、歷時、調(diào)節(jié)流量而變化) 研究認(rèn)為,當(dāng)雨峰位置r=0.5時具有相當(dāng)?shù)拇硇裕藭r: α=qmax/Q (3) 式中 Q ——計算暴雨最大徑流量 qmax——雨水管系最大輸水量 a=-[0.65/n0.12+(b/τ) ·0.5/(n+0.20)+1.10)·lg(α+0.30)+0.215 /n0.15 當(dāng)qmax確定以后,單場暴雨最大徑流量或最大暴雨設(shè)計流量Q與調(diào)洪體積W關(guān)系為(利用不同的Q值,對應(yīng)一定的調(diào)節(jié)池容量W): W=[-(0.65/n0.12+b/τ ·(0.5/n+0.20)+1.10)·lg(qmax/ Q+0.3)+0.215n0.15]Qτ 據(jù)此W=f(Q)方程,并圖示調(diào)洪容量—暴雨最大設(shè)計年限關(guān)系,可以快速查找(在既定的雨水管道及泵站基礎(chǔ)上)調(diào)節(jié)容量與“管道+綜合池”協(xié)同工作時所能提供的最大雨水排除量,從而圖解雨水綜合池提供的防洪排澇能力。 3.2 雨水回用需求計算 回用水量的確定必須考慮兩個因素:①當(dāng)?shù)亟涤陱搅魉芴峁┑臐撛谒?;②滿 足回用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的需水量。 3.2.1潛在水量計算 當(dāng)?shù)亟涤陱搅魉芴峁┑臐撛谒縍P可用水量平衡法、下滲公式法、經(jīng)驗相關(guān)圖法、初損后損法和徑流系數(shù)法等計算。當(dāng)城市區(qū)域缺少相關(guān)的水文資料時,利用降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)圖法可較方便準(zhǔn)確地計算單場暴雨總產(chǎn)流量。在計算潛在水量RP時,根據(jù)回用要求 按月、季或水文年作為單位,計算出單位時段潛在水量RP的直方圖,并作區(qū)域水量平衡計算。 3.2.2回用需水量計算 建立回用分類需求表(見表1),可以按照不同回用目標(biāo)、回用水質(zhì)和匯流流域特性等要求, 確定滿足回用要求的不同需水量。 表1 雨水回用分類需求表排水分區(qū) | 不同水質(zhì)回用水需求量 | 總需水量 | 潛在水量 | 其他可能回用水 | 單位時段回用水需水量 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | X1 | Q1Ⅰ | Q1Ⅱ | Q1Ⅲ | Q1 | RP1 | T1 | W1 | X2 | Q2Ⅰ | Q2Ⅱ | Q2Ⅲ | Q2 | RP2 | T2 | W2 | X3 | Q3Ⅰ | Q3Ⅱ | Q3Ⅲ | Q3 | RP3 | T3 | W3 | 當(dāng)Qi<RPi,即潛在水量可滿足回用水需水量時,回用水量可按Qi來設(shè)計,同時亦可考慮用于其他區(qū)域回用的部分容量;反之,當(dāng)Qi>RPi,即回用水需水量大于潛在水量時,回用水量可按RPi來設(shè)計,但同時必須考慮其他的可回用水及雨水的跨區(qū)回用所帶來配水系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和管理上的要求。 4 系統(tǒng)的綜合效益比較 城市雨水綜合排除系統(tǒng)綜合效益的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。在德國等發(fā)達(dá)國家,為滿足城市防洪要求的提高及環(huán)境執(zhí)法上的日趨嚴(yán)格,正不斷尋求更為合理有效的設(shè)計方法以達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化目標(biāo)。系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會效益分析可用下式表示: E=E1+E2-E3-E4-E5-E6-E7 式中 E——系統(tǒng)綜合效益 E1——投入值,包括工程土建費(fèi)、設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)等 E2——運(yùn)行及回用水處理費(fèi)用(藥劑、人工和電費(fèi)等可比照的中水回用費(fèi)用 ) E3——節(jié)省城市引水和凈水的邊際費(fèi)用 E4——雨水回用帶來的國家財政收入(按因缺水而造成國家的財政損失計) E5——減少污染排放而產(chǎn)生的社會效益 E6——提高防洪水準(zhǔn)而減少的經(jīng)濟(jì)損失 E7——節(jié)省的城市排水設(shè)施建設(shè)費(fèi)用 E4~E7項為系統(tǒng)所產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)效益,因各地情況及雨水管理要求差異較大,數(shù)值會有差別,但對水質(zhì)劣于雨水的中水回用研究表明,當(dāng)E4=5.48元/m3,E5=2.03元/m3,E7=0.36元/m3時,其效益相當(dāng)明顯。 5 示例計算 上海浦東新區(qū)某新建居住區(qū)的規(guī)劃面積為189.4hm2,區(qū)域年均降雨量為1100mm,街坊內(nèi)雨水通過支管匯入小區(qū)中部的雨水干管,最后匯入小區(qū)外河道或回用于區(qū)內(nèi)綠地。 5.1 區(qū)域劃分 綜合小區(qū)用地情況、防洪要求及雨水綜合池建造要求,將該小區(qū)劃分成4個主要設(shè)計區(qū)域,其主要用地指標(biāo)計算見表2。 表2 小區(qū)用地類型分布 雨水回用區(qū)域 | 區(qū)域面積(m2) | 區(qū)域內(nèi)綠地面積(m2) | 區(qū)域內(nèi)道路面積(m2) | X1 | 408 840 | 135 199 | 81 768 | X2 | 437 708 | 70 656 | 87 542 | X3 | 642 201 | 113 942 | 128 440 | X4 | 425 353 | 102 084 | 85 071 |
5.2 設(shè)計暴雨強(qiáng)度及徑流計算 設(shè)計重現(xiàn)期TE=3a,t=t1+2t2=60min,計算暴雨強(qiáng)度公式為: i=(17.812+14.668lgTE)/(t+0.427)0.796=0.948mm/min 雨水設(shè)計流量公式為: q=iφF 式中 φ——徑流系數(shù)(綠地φ=0.2;道路φ=0.9;其他φ =0.8) F——匯水面積,hm2 計算得各分區(qū)排水管系最大設(shè)計流量為: q1max=3.55m3/s;q2max=5m3/s; q3max=7.24m3/s;q4max=4.55m3/s。 以X1區(qū)域為例,建立W=f(Q)方程并圖解得調(diào)洪容積(W)—設(shè)計年限(T)相關(guān)圖,見圖2、3。 

利用帶砂濾裝置的綜合池,可以削減85%的顆粒污染物,實現(xiàn)非飲用水的回用,其潛在可回用水量取年平均降雨量的50%加以計算。區(qū)域雨水回用主要用于綠化用水[4L/(m2·次)]、街道灑掃用水[2L/(m2·次)]和洗車用水[400L/(輛·d)],回用水需求見表3。 表3 小區(qū)雨水回用需求表排水分區(qū) | 潛在水量(m3/a) | 回用需水量(m3/a) | 回用水水量比例(%) | 單位時段需水量(m3/月) | X1 | 269 834 | 121 118 | 45 | 10 093 | X2 | 288 887 | 102 998 | 37 | 8 583 | X3 | 423 852 | 154 817 | 37 | 12 900 | X4 | 280 734 | 112 122 | 40 | 9 394 | 5.4 系統(tǒng)分析 在原雨水排除體系的基礎(chǔ)上,綜合池設(shè)計將決定雨水綜合排除系統(tǒng)的防洪能力、污染物去除率和回用保證率,以X1區(qū)域為例,系統(tǒng)綜合效益見圖4。 從計算結(jié)果來看,調(diào)節(jié)池容量與回用水利用率及污染物去除率呈線性關(guān)系,而與系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期呈指數(shù)關(guān)系。對系統(tǒng)作綜合效益比較,30a暴雨設(shè)計重現(xiàn)期可達(dá)到較好的洪防、治污及回用目標(biāo)(見表4)。 
表4 設(shè)計方案效益比較設(shè)計重現(xiàn)期(a) | 顆粒物總量去除(%) | 回用水利用率(%) | 綜合池體積(m3) | 20 | 34 | 45 | 4 800 | 30 | 40 | 55 | 5 800 | 40 | 48 | 65 | 6 500 | 6 結(jié) 論 ?、儆晁C合排除系統(tǒng)為多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng),在確定綜合池容積在排水體系中的比例時,應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)赜盟F(xiàn)狀、防洪要求、經(jīng)濟(jì)條件、供水水源情況及水污染現(xiàn)狀在系統(tǒng)決策中的重要性,從而有所側(cè)重地確定主要決定因素,提高綜合池的利用率,充分發(fā)揮其社會及經(jīng)濟(jì)效益。 ?、趶钠謻|規(guī)劃新建居住區(qū)示例的計算結(jié)果可以認(rèn)為,城市雨水綜合排除系統(tǒng)起到了調(diào)洪、減污和回用等多重功能,可以對城市生活起顯著的改善作用。 參考文獻(xiàn): [1]陳斌.城市排澇與排水研究[J].給水排水,1996,22(9):17-20. [2]Mitcnell V G,Mein R G,McMahon T A.Modelling the possible utilizati on of stormwater and wastewater within an urban catchment[A].AWWA 17th f ederal convertion[C].1997:65-72. ?。?]Ben R Urbonas.Design of a sand filter for stormwater quality enhan cement[J].Water Environ Res,1999,71(1):102-113. ?。?]Takashi Asano,Audrey D Levine.Wastewater reclamation,recycling and reuse[M].Water quality management library.1998,10. ?。?]Grotter M,Otterpolh R.Intergated urban water concept[A].Proceedi n gs of the 7th international conference on urban storm drainage[C].1996,1 801-1806.
電話:(021)65981383(O) E-mail:xhch711@online.sh.cn 收稿日期:2000-10-11 |