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现代雨水综合利用的基本理论与技术: 海天渔歌 2012-1-16 10:40; 现代雨水综合利用的基本理论与技术文 / 闻迟雨水利用是一种古老的技术。早在公元前 6000 多年的阿兹泰克和玛雅文化时期，人类就开始将雨水收集起来作为生活和农业生产用水。我国周朝时期也已 ¾ 开始利用中耕（注：作物生育期中在株行间进行的表土耕作）等技术增加农业生产中雨水的利用率。现存于北京的北海团城（明代）是保留最为完整的雨水利用典型。近半个世纪以来，世界工业化和城市化带来的城市膨胀、环境恶化等种种问题，使各国不得不将目光重新投放在雨水利用技术之上，但此时的雨水利用已 ¾ 不是传统意义上的雨水利用了。我国现有的雨水利用研究被划分为了两大块，或者侧重于城市，或者侧重于农村，鉴于这种现实，笔者就分别从城市与农村两个方面来介绍我国现有的雨水利用技术。 1 城市雨水利用的主要技术城市的雨水利用是以一个系统的过程来实现的，它包括了雨水收集、初期弃流、雨水传输、雨水过滤、过滤水存储和再利用这六个主要环节，具体见流程图。雨水收集雨水收集是雨水集蓄利用的第一步，主要有三种形式：一是建筑物屋顶收集；二是地表径流收集；三是城市绿地滞蓄。建筑物屋顶的雨水收集依据建筑物的不同构造分为：平顶屋面收集和脊式屋面收集。平顶屋面收集比较简单，因为所有的建筑物都是有落水管的，直接将落水管接通汇水池或者集水沟就可以了；脊式屋面收集则还需在屋檐下安装一段半圆形的水平管，再将水平管接通到垂直的落水管上，也就可以实现雨水的初步收集了。在此值得一提的是，国外有些地方如德国，在进行屋顶的雨水收集时，是对屋顶本身进行设计改造，将瓦片设计为半蛋壳状，可以自动储存一定量的雨水，下雨时减少了地面径流的形成速度和径流量，减轻了排水管道的压力，不易成涝；无雨时任其蒸发，促进降雨的形成并调节小范围内的水生态平衡。地面径流的收集是依靠雨污分流和地面透水材料来实现的。在传统的城市规划中一般采取的都是将污水管网和雨水管网合并，雨水直接当做污水排掉，不仅浪费了大量的水资源，而且在雨季时，往往因为一套管道无法在排污的同时又承担排雨的负荷，造成内涝。雨污分流就是在城市规划或改建中设计两套管网，一套用来排污，另一套则专门用来排雨，让下雨时形成的地面径流通过雨水管网排到河湖或者雨水收集利用系统。地面透水材料是通过增加路面物质间的孔隙来实现雨水的下渗和汇集，在这一方面的利用上北京奥林匹克公园做得比较到位。根据车辆行驶和人行走的不同压力，奥林匹克公园内主干道一般采用透水混凝土路面，紧挨着主干道铺设木塑路面作为人行道，两者都可以使雨水直接下渗，在其它路面，即使采用的是花岗岩为主体，也会在路面外围铺设“ U ”型透水沟。绿地滞蓄一般借助城市中的景观湿地。在这些地区地势较一般路面低，容易汇集雨水，又因为植被覆盖率比较高，汇集到的雨水流动性比较弱，不会像地面径流一样很快流走，只要建立一些简单的明渠就可以直接将雨水汇入周围的景观湖，或者简单过滤后用于绿地灌溉和小喷泉等景观用水。郑州市郑东新区的湿地公园就是运用了碎石床和生物床，原地滞蓄、沉淀、过滤雨水，然后通过净水渠回灌如意湖。北京奥林匹克公园则在道路旁的绿地中散布了许多雨水渗滤井、生态排水沟和生态截水沟，直接将雨水排到清河或者下渗收集到集水系统中去。初期弃流不管是在建筑物顶部收集的雨水还是降雨形成的地表径流，由于雨水的冲刷作用比较明显，往往在开始降雨的几分钟里会携带大量的杂物和污染物质，水质较差，一般都会被直接排走或另作储存，不予收集利用，被排走的这一部分雨水就叫做初期径流，将之排走或另行储存的做法叫做弃流处理。初期弃流最常用的方法是“优先流法弃流”，也称为“容积法弃流”。雨水在进入集雨池前必须经过一个拥有一定容积的初雨池，当初雨池流满之后才能进入集雨池，这个初雨池的容量就是初期弃流的流量。这种方法比较简单实用，只要初期径流的流量不是很大，完全可以承担起初期截污的作用。自动翻板式初期径流分离器是一种比较实用的初期弃流装置，它直接安装在落雨管上，不需要再建造初雨池，比“优先流法弃流”更为简洁，成本也更为低廉，但是需要加装弃流管，用于初期径流的直接排放。此外，切换式弃流井、旋流分离式初雨弃流设备和雨落管弃流也能够做到初期弃流，但是没有以上两种做法便捷有效，所以用的范围并不广泛。另有一种兼顾了容积法和切换式弃流法的高效弃雨装置，但是使用也不广泛。雨水传输雨水传输主要通过地下管道或者明沟暗渠将弃流后的雨水传送到过滤系统。因为雨水在传输过程中很容易再次污染，所以明沟一般比较少见，只有在绿地滞蓄雨水且水质要求不高的的回灌中才能看到，比如上面所说的奥林匹克公园中的生态排水沟和生态截水渠。一般的雨水传输多用密封的输雨管和暗渠。最常见的输雨管有圆形、半椭圆形、马蹄形、矩形等，出于水力学的考虑，同一管网的不同流段常常采用不同截面的输雨管。而暗渠也就是覆有盖板的集雨沟。雨水过滤雨水过滤是雨水收集利用中最为重要的一环，它关系着再利用水的水质。雨水过滤由沉淀和过滤共同作用完成。沉淀是通过重力作用使雨水中的固体悬浮物沉降到水底的过程，是后续过滤的前奏，为之减轻负荷。一般沉淀池都会建在距离集雨池 3 米左右的地下，但是个别地区因为用途和水质的要求不高也会把沉淀与过滤过程合二为一，不再建立沉淀池。郑州郑东新区的如意湖雨水利用系统，雨水主要用于如意湖的回灌，水质要求不高，沉淀就是与过滤一同作为湿地公园景观的一部分在地表完成的。过滤有简单和复杂之分。简单的过滤就是污物的拦截，最常见的就是垂直落雨管下端的简易过滤管。过滤管本身和落雨管一样，只是在侧面连接了一个有一定角度倾斜的污物排出槽，槽上方同样安装了一个具有一定倾斜度的拦截网。当杂物和雨水一起流到落雨管底端就会被拦截网截留，受重力作用沿排出槽排出落雨管，雨水则顺着落雨管继续流入集雨池。复杂的过滤是通过介质截留或者吸附水中的残余固体悬浮物和其它杂质，是雨水净化的核心工艺。一般的过滤介质有粗砂、砾石、土工布、棕榈和粉煤灰等，不同的过滤介质相组合可以得到不同水质的过滤水。还是以如意湖为例，雨水过滤直接采用了粗砂和砾石的组合，收集的雨水以及在曝气池曝气的湖水依次流经按高低铺设的两级碎石床和生物床，其中的碎石和微生物分别截留水中的固体残留和悬浮物质，在地表就完成了过滤过程。过滤水存储除了个别地区在对少量的雨水进行处理后会直接输送给用户，一般过滤后的雨水都会先用储蓄池进行存储。传统的储蓄池形式各异，有水窖、水井、水池、积水罐和集水箱等，现在，为了避免二次污染和节省土地，一般都将储水池做成不透水且有盖板的地下池。也因为如此，除了工程图中的剖面图，我们很难看到储水池到底是什么样子。再利用再利用是雨水利用的最终环节。因为储水池多是在地下的，这里主要依靠水泵将储水池中的过滤水抽出地面，再通过输水管输送给不同的用户。利用的目的不同，对于处理水的水质要求也不同。作为生活用水的过滤水一般要求比较高，而且很少作为饮用水；除了一些特殊行业，工业生产用水的水质要求比生活用水稍低；生态用水主要是绿地灌溉和地下水回灌，水质要求也不似生活用水严格。 2 农村雨水利用的主要技术农村的雨水利用相较于城市比较简单，主要就是以水窖为主体进行的雨水收集存储和利用节灌技术提高水的使用率。水窖是农村雨水集流储蓄中最常用的设施，按窖体和材料可分为混凝土窖和土窖两类；按结构形式可以分为自然土拱盖窖、混凝土拱盖窖和窑窖，人们可以按照自己所有的材料与需求的不同来建立不同的水窖。混凝土窖窖体固化比较好，不会出现土窖因土体固化不够而导致土体散落到窖内的情况，但是对混凝土的用量大，不像土窖是就地取材，成本比较高。混凝土窖的下渗也比土窖少，过滤水的流失少，同时对地下水的回灌也少。因为降雨的不稳定性和农村条件的限制，水质保鲜是农村水窖存水的一大问题。为了达到在一定时间内水窖里水的质量基本上不发生变化的效果，一般都会对水窖密封（也叫沤水）并对水窖储存的水进行化学净化。水窖密封是在水窖储水量达到预期要求以后将窖口和进水道都密封，并在窖顶加厚覆盖的土层，将窖内的温度保持在一定的范围内，抑制微生物的繁殖。化学净化则是在“沤水”之后，给水窖中加入明矾，明矾会与水中的碱性物质生成絮状沉淀，使窖水更为清澈。此外，也可以通过添加适量的漂白粉来杀菌，净化水质。净化后的雨水在农村有两种最主要的用途：一是人畜饮水；一是灌溉用水。人畜饮水很简单，只要建立好上述所讲的高水质的水窖，村民就可以自行去水窖取水用水。当然，更方便的方法就是利用水泵和水管将水直接输送给用户，但是这就要求这个水窖的水量一定要充足，而且水量相对稳定，可以长时间的满足一户或者几户的用水需求。灌溉用水的使用相对来说就比较复杂一点，既涉及比较先进的喷灌、滴灌等科学技术，也有利用比较普遍的涌灌等地面灌水技术，以及抗旱补充灌水技术。从适用性和灵活性来说滴灌是最好的，它不受地表环境的影响，在干旱地区均可使用；由于水是直接输送到植物根部附近，水资源的利用效率最大；管道可以直接铺设在地表，可以随时移动和收放，整个系统的造价相对较低，比较经济。喷灌和涌灌都必须经过一定的下渗才能让水到达植物根部，属于渗灌，加上气候条件对于蒸发和下渗的影响，水的利用率相对较差，而且喷灌管道和下渗管道的可移动性差，造价相对较高，经济性也较滴灌差。综合考虑这些技术的优缺点和不同的地理条件，国内研究出了四种适合不同区域的小型提水补灌系统：（ 1 ）潜水泵加滴灌系统：适合电力供应较为充裕的大面积灌区作业；（ 2 ）手压泵和软管灌系统：适合庭院内和近村作业；（ 3 ）汽油泵配微灌系统：适合没有电力供给的田间作业；（ 4 ）自压灌溉系统：适合丘陵区有高位水池的农田灌溉。 3 雨水利用存在的问题及未来展望虽然近几十年来，我国的雨水利用取得了很多进步，研制出了不少实用的技术和相关材料，缓解了一些地区的水资源紧缺，但是不管是在思想理念上还是技术的实际运用中都存在不少问题。首先，在理念上，我国对于雨水利用方面的技术研究倒是有一些，比如雨水收集管网、雨水过滤体系、透水砖材研究等等，但是系统的理论研究很少。笔者看到的比较有价值的关于雨水利用的著作仅有寥寥几本，而且其中较多讲述的是技术问题，鲜有理论思想的阐述，一本十几章的书中，往往理论占不到十分之一，且篇幅短小，阐述的内容也是围绕着技术展开的。说明这方面的研究还是缺少整体的科学思考，基本上都是具体的技术探索。此外，我国的雨水利用研究分别形成了以城市和农村为核心的相互隔离的两大模块，要么只侧重于城市，要么只侧重于农村，缺乏“一体化”的思维，缺少统一的“城乡一体化”的研究和规划。作为城市的依托，农村的水状况是否良好对于城市水状况有着极大的影响，而作为农村的“上层建筑”，城市水状况的好坏也直接影响了农村的水状况，没有统一，很难治本。笔者走访过的水利专家也看到了这一点，认为我们现在的雨水利用目的性太强，为了哪一方面就只朝着那一个方向发展，忽略了全局的统筹思考。其次，在技术方面，技术的区域适应性和标准化都有待思考。区域适应性，也就是可行性，是说技术在区域环境中是否真的能够达到预期的效果。很多好的技术不是对所有地区都是适合的，比如喷灌，同样是半干旱地区，常年大风的地方就不适合，蒸发太强。现在的雨水利用技术在这些方面的考虑还是比较薄弱的，没有为研究出的技术划定最适合最经济的使用范围，而使用方往往又没有能力在这方面进行较全面的专业分析，结果就是没有最大化地利用该地区的雨水资源。标准化顾名思义就是没有一个统一的规划标准，比如，雨水收集率达到多少才算有效收集？才有实际应用的意义？平均量多少才算稳定？另外，没有统一的标准，各个技术在整体的组合规划时难以相互匹配，即使想做一个大范围的雨水利用系统，也没有良好的组合来维持整个系统的正常运行。第三，在生态环境方面，我们缺乏雨水利用技术对区域内的生态特别是水生态是否会产生不良影响的研究。水是循环的，保证这种循环的水量在区域内也是一定的，而且绝大部分就是依靠雨水来维持的。我们将多数的雨水收集利用了，减少了蒸发和下渗，雨会不会越下越少？地面会不会越来越干燥，甚至出现大面积的龟裂和下陷？这种影响会不会形成“蝴蝶效应”？笔者认为，影响肯定是有的，这一点凡是有常识的人都必须承认，只是存在的影响有多大，会不会急速恶化的问题。生态无小事，因为生态一旦破坏恢复起来很难，而且后果十分严重，为了后代的生存，我们也必须开始思考或者更加重视对于这方面的思考才是。上述的三个问题是相互联系的，解决其中一个必然会推动另外两个问题的解决。城乡一体化思考必然需要建立一个相对较大的系统，这就需要一个一体化的思想来指导，否则无法进行综合；在系统建立时就必须考虑到大范围内的适应性和技术标准的统一，否则无法建立系统，或者即使建立也无法有效地运行；系统运行前，必然要考虑所建系统的可持续性，否则越利用越缺水，没有经济效益也没有生态效益。如果，我们能够在解决这些问题的基础上合理地推广这些雨水利用技术，我们的城市一定会更加清洁美丽，不会再忽旱忽涝，不会再需要大规模大范围的调水；我们的农村将绿树成荫、风调雨顺，不会再有成片的荒山秃石，不会再有因缺水而流露出的绝望。如果我们能做到，相信我国的雨水综合利用将会跨上一个新的台阶; 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