雨水资源合理利用

雨水资源开发利用研究分析摘要：随着可利用水资源的日趋紧张，雨水以其处理成本低廉，处理方法简单等优点而成为一中新的可利用水资源。城市雨水利用是一个方兴未艾的广阔领域，具有良好的发展前景。它涉及到雨水的收集、处理、利用技术以及城市雨水资源的科学管理等方面。通过对国内外城市雨水利用情况的比较，为促进我国城市雨水利用的迅速发展，建立完善的雨水收集、处理和利用的综合系统，本文在城市水利学的基础上，通过国内外与浙江宁波雨水资源开发利用研究现状分析为对比。注重分析了浙江省雨水资源利用的现状，并简述了城市雨水资源化的提出及其内涵，提出了实现城市雨水资源化的基本途径，为城市进行雨水的高效利用提供了依据，同时也为水资源的长期可持续发展提供了一个有效途径关键词：水资源城市雨水利用雨水利用技术一、国内外、浙江雨水资源开发利用研究现状分析随着城市化进程的加快和国民经济的高速发展，水资源短缺和水环境污染日趋严重。对水资源进行合理开发、高效利用、全面节约、有效保护和综合治理，已成为一项重要的战略任务。加强水资源管理，控制水资源污染，从根本上解决水资源短缺问题，越来越成为制约经济和社会发展的重要因素。雨水作为一种极有价值的水资源，早已引起世界各个国家的重视。国际雨水收集利用协会(IRCSA)自成立以来，不断地促进国际间的交流与合作，两年一度的交流大会使各国之间的雨水利用技术和信息能够很快地传播。网络技术的发展也为雨水利用技术的国际化提供了很好的平台。其中，发展较快的是德国和日本等国家，德国雨水利用技术已经从第二代向第三代过渡，其“第三代”雨水利用技术的特征就是设备的集成化，各项雨水利用技术已达到了世界领先水平。[1][14]德国的城市雨水利用方式有三种:一是屋面雨水集蓄系统，集下来的雨水主要用于家庭、公共场所和企业的非饮用水。二是雨水截污与渗透系统。道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池或通过渗透补充地下水。德国城市街道雨水管道口均设有截污挂篮，以拦截雨水径流携带的污染物。三是生态小区雨水利用系统。小区沿着排水道建有渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。超过渗透能力的雨水则进入雨水池或人工湿地，作为水景或继续下渗。另外，德国还制订了一系列有关雨水利用的法律法规，对雨水利用给予支持。如目前德国在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水排放费等。⑵日本于1963年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，还将蓄洪池的雨水用作喷洒路面、灌溉绿地等城市杂用水。这些设施大多建在地下，以充分利用地下空间。而建在地上的也尽可能满足多种用途，如在调洪池内修建运动场，雨季用来蓄洪，平时用作运动场。近年来，各种雨水入渗设施在日本也得到迅速发展，包括渗井、渗沟、渗池等，这些设施占地面积小，可因地制宜地修建在楼前屋后。日本于1992年颁布了“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本“降雨蓄存及渗滤技术协会”经模拟试验得出：在使用合流制雨水管道系统的地区，合理配置各种入渗设施的设置密度，强化雨水入渗，使降雨以5mm/h的速率入渗地下，可使该地区每年排出的BOD总量减少50%。⑶我国对于雨水资源的利用和开发起步比较晚，还处在探索和研究阶段,目前在全国的许多地方已经开始了进行雨水利用的实践和研究。在我国干旱少雨的农村地区人们修建一些小型的“旱井”进行雨水的收集和存储，可作为人畜的饮水资源，同时还可以实施农作物的灌溉。对于城市雨水资源的利用，北京、上海、大连、哈尔滨等许多城市相继开展研究，特别是北京的步伐较快，北京的城市雨水利用工程已经走入了实施推广阶段一批雨水工程已经得到实施,2008年的北京奥运会的场馆建设中也将采取雨水利用技术。⑷U3]目前我省雨水资源的利用现状有多种方式，但归纳起来有3个方面:就地拦蓄人渗利用、覆盖抑制蒸发利用和雨水富集叠加利用。1.1就地拦蓄入渗利用研究利用水分的重力效应和土壤的水库效应，根据土壤的可渗透性，以及雨水通过下渗被土壤接纳后的可贮性，通过采用营造田问微集水面和改进耕作措施等水保耕作技术，使降雨就地拦蓄人渗，减少雨水径流流失，提高土壤的贮水量，延长土壤水分的有效供应时间，进而提高植物对雨水资源的利用效率。就地拦蓄人渗利用技术包括水保工程技术和耕作技术。水保工程技术：通过修筑水平梯田、水平沟、隔坡梯田、鱼鳞坑、丰产沟、反坡梯田、集水面整地等水保工程技术，对原地形特征进行改变，使降雨就地拦蓄人渗，提高雨水利用率。据试验观测，在年降雨量450〜500mid.的半干旱地区，其拦蓄功能与坡地相比为：水平梯田35〜100121121/a，隔坡梯田25〜65mm/a，水平沟15~57mm/alll[16]。水保耕作技术：水保耕作技术主要包括t带状问作技术、粮草等高带状轮作技术、等高耕作技术、水平沟耕作技术、沟垄耕作技术、人渗坑渗水孔耕作技术、蓄水聚肥耕作技术等，这些技术的应用在不同程度上起到拦蓄径流、减少土壤冲刷、提高粮食产量的作用。1.2覆盖抑制蒸发利用雨水被土壤接纳成为土壤水分后，受光、热和风力作用具有可蒸发性。在干旱半干旱区，无效蒸发十分剧烈。研究资料表明：其中70〜80以径流和蒸发形式损失掉，仅有20〜30被作物利用。特别是一年中大部分时间处于裸露和半裸露状态的土地，由于忽略了减少地面蒸发，造成雨水资源的蒸发损失。因此，利用覆盖抑制蒸发，延长水在土壤水库中的集蓄时间，是提高雨水资源利用率的有效途径之一。目前，覆盖技术有以下6类。黑色覆盖技术：利用秸秆、干草、枯草等植物残余或各种物质燃烧后的灰分或畜禽粪便沤制的厩肥直接覆盖于土壤表面，可以增加温度，降低土壤水分蒸发速率，保蓄水分，避免板结，供给营养等作用。梅旭荣等详细报导了陕西永寿和山西屯留等地用秸杆覆盖小麦、玉米地等，水分利用率提高15.3〜57.6。据陈国良研究：黑色覆盖可减少蒸发12~42mm,使播前土壤水分增加27.5mm。厩肥覆盖和灰分覆盖虽有减少土壤水分蒸发的作用，但由于养分损失过多，其利用率远低于底肥使用，不宜于大面积推广应用。白色覆盖技术：白色覆盖技术即塑料薄膜覆盖技术，用工业生产的塑料薄膜覆盖地面，利用其透光性好、导热性差和不透气等特性，改善土壤生态环境，提高水分利用率。王斌瑞等通过塑料薄膜覆盖，林地土壤水分提高24.3。［17］绿色覆盖技术：绿色覆盖又称为生物覆盖，利用植物种植在地面，发挥其根系、叶的固定和遮盖作用，具有减少径流和抑制蒸发的双重作用，其中减少径流的作用主要表现在截留降雨和增加入渗两个方面。据王斌瑞应用低等植物石果衣覆盖地面，一般可以减少土面蒸发量30〜40。［17］化学覆盖技术：化学覆盖是利用化学方法，施用在土面后，形成一种连续性薄膜，切断土壤毛细管，阻止土壤水分通过，抑制水分蒸发，提高水分利用率。国外曾使用胶乳、石蜡、沥青、石油等喷洒在地面上，防止土壤水分蒸发，我国亦在一些地区试验应用，虽效果较佳，但成本太高，目前还不宜大面积推广。砾石覆盖技术：利用卵石、砾石、粗砂和细砂的混合体覆盖在土壤上，改变水分人渗方向，保持土壤水分，是“砂田结构的主要组成部分，在坎那利岛兰查洛特地区利用火山灰覆盖在葡萄园，成为一种极好的蒸发抑制剂［18］。砾石覆盖技术在我国新疆、甘肃河西地区应用较多。土壤覆盖技术：土壤覆盖技术是在农田土壤表层，人为地创造一层松紧适度的土壤覆盖层，以起到减少蒸发、保蓄水分的作用。它投资少、见效快、易操作，是我国干旱半干旱作物栽培的重要技术之一。1.3雨水富集叠加利用技术干早半干旱地区降雨偏少，分配不均，供需错位，由于自然降水具有再分配性和可移动性，利用自然和人工创造的集流面进行雨水资源的再叠加，即把多个地块的雨水径流叠加于一个地块上或把多个时段的雨水径流叠加在一个时段上，减少集流区水分的无效消耗，增加水分供应；减少作物非生育期的水分消耗，增加生育期的水分供应，提高雨水资源的利用率。主要包括集水、贮水、高效利用3个方面。集流技术：集流技术是利用自然和人工营造集流面把降雨径流收集到特定场所。目前采用村庄庭院集雨，硬化路面集雨，荒坡集水面集雨，塑料大棚棚面集雨等形式。集水面材料有：塑料棚膜、混凝土、混合土夯实、素土夯实、砖瓦面、喷沥青夯实地面等。据定西地区水保所测定:用塑料薄膜、混凝土混合土、原土处理集水面，集水效率平均59%，58%,13%,9%,单位面积年集流量分别为0.259,0.256,0.055,0.038m/m均高于自然状态下的集流面。(19)另据山西省临扮地区水保所测定，村庄道路、砖瓦屋顶、水泥砂浆抹面、塑料薄膜覆盖面、灰土夯实的集流效率分别为15.50%,30.30%,83.03%,89.63%,32.34%（2） 贮水技术：贮水技术是通过修筑小水库、塘坝、水窖等工程设施，把集流面所拦蓄雨水贮存起来，以备利用，小水库、塘坝、涝池等由于蒸发下渗等，贮水效率低，国外一些地方采用在水面上覆脂族醇等液态化学制剂，也有采用轻质水泥、聚苯乙烯、橡胶和塑料等制成板来抑制蒸发，但这些方法成本较高，目前许多国家正着手研究一些廉价而且绝热，浅色能避免太阳能过入水体的反射材料，以便能在水库等水面上覆盖抑制蒸发。水窖是一种相对较好的贮水施。水窖有红胶泥水窖，三合土或二合土抹面水窖，也有混凝土薄壳水窖。据定西水保所研究表明，红胶泥水窖年损9.35m，保存率75.4，投资少，贮水成本0.23元/（m。.a），但寿命短。混凝土薄壳水窖，年损1.08m，保存率97.1，虽一次性投资高，但寿命长，贮水成本0.41元/（m。.a）r。[20]（3） 雨水高效利用技术：雨水高效利用是一项复杂的系统工程，主要包括输水方法、节水灌溉方式、节水灌溉制度及先进的集水农业技术4个方面。输水方法：输水是雨水贮存与利用之间的重要环节，传统水渠输水因人渗蒸发等，造成水资源利用率低，且有渠道占地等缺陷。为了提高输水的利用率，现采用管道输水，其输水利用率可达到97〜99，比土渠输水节水35左右，比硬化渠道节水5〜15。节水灌溉方式：节水灌溉方式是雨水资源利用的最重要环节主要有喷灌、滴灌、微喷灌、雾灌、渗灌、管灌等几种形式。喷灌：喷灌是利用加压设备或利用高处水源的自然水头，将水流通过管道，经过喷头喷射到空中并散成水滴来进行灌溉的。喷灌分为固定式、半固定式和移动式。喷灌有灌水均匀（均匀度达0.8〜O.9），自动化程度高，可以控制灌水量，不易产生深层渗漏和地面径流，不破坏土壤结构，可调节田问小气候等优点，具有明显的增产效果。据测定；喷灌水资源利用系数可达0.72〜O.93，比坡面灌溉省水30%〜50%。但喷灌一次性投资高，受风和空气温度影响很大，对水质要求高。因此，适宜于水资源短缺、经济条件较好的地区推广应用。滴灌：漓灌是通过安装在毛管上的滴管、孔口和滴头等灌水器，将水漓逐滴均匀缓慢地滴八作物根区附近土壤的灌水技术。有固定式和移动式两种。灌溉系统采用管道输水，输水损失很少，可有效地控制水量，水资源利用率高，用水量仅为大田灌溉用水量的1/6~t/8，比喷灌省水1/2。另外，由于滴灌实现自动化管理，不需要开沟等，可溶性肥料随水施到作物根区，水流滴八土壤后，靠毛细管力作用漫润土壤，不破坏土壤结构，有省肥、省工和水资源利用率高等优点。但存在滴头容易堵塞，限制根系发展，一扶性投资高的缺点因此，滴灌只能在集约化程度较高的果园、经济林中使用。微喷灌：微喷灌是在漓灌的基础上逐步形成的一种技术。是通过低压管道系统，以小的流量将水喷洒到土壤表面进行灌溉的方法。微喷灌通过网系直接将水输送到根部土壤表面，水分利用率高。实践证明：微喷灌系统一般比喷灌系统省水20〜30，比地面喷灌省水50%左右微喷灌管理方便，节省劳力，耗能少，不易堵塞，能防止土壤冲刷和板结，容易控制杂草生长，是一种较先进的灌溉技术。但仍有受风影响降低灌水均匀度，限制根系发展，水质要求高的缺点，因此，只能根据实际情况来发展微喷灌。渗灌：渗灌是利用修筑在地下的专门设施将灌溉水引人田间耕作层，借助毛管作用自上而下浸润作物根系附近土壤的技术。渗灌可分为无压渗灌和有压渗灌两种，渗灌除能使土壤湿润均匀、湿度适宜和保持土壤结构良好外，还具有减少地面蒸发、节约用水、提高灌溉效率、便于从事其它田间作业等优点。节水灌溉制度：灌溉制度是田间灌水的工作制度，它是指在一定的气候、土壤和农业技术措施等条件下，为获得农作物的高产稳产所规定的一系列田间灌水制度，包括灌溉定额、灌水定额、灌水次数和灌水时间。根据各地情况，按照作物需水规律，应用水对作物生产力影响的研究成果，确定每种作物最佳灌溉时期、灌溉定额等，制定科学合理的节水灌溉制度，使有限的雨水资源用于作物生长最关键时期，达到对雨水资源的最有效利用。先进集水农业技术：随着科学技术的发展，国内外研究出许多先进的集水农业技术。如应用保水剂、抗旱剂为作物集水。我国研制的保水剂有sA一3保水剂、1、CB一1O保水剂、KH841、IABC、兰州晶体、PAMN等，它们有较好的保水效果，如使用PAMN，可使玉米整个生育期的灌水量减少15.7〜42.8o.4。抗旱剂主要有黄腐酸(FA)抗旱剂，它依靠强大的吸水能力，为作物聚集水分，一般可使作物增产8〜15。另外，还有土壤蓄水保墙荆(IAc—B)、APT生根粉、腐殖酸钠等化学药剂，它们的应用在不同程度上都对作物具有集水作用，可减少灌水量，促进作物增产。二、浙江降水特征分析浙江主要气象灾害大都与降水有着直接的关系，降水量是浙江气候要素中最活跃的要素之一，也是反映气候资源与环境条件的主要参数.相对于全年的降水而言，夏季降水具有重要的作用，是历年汛期气象预报的重点对象。⑸⑹[7]下面着重分析下浙江夏季降水量及其特征：浙江各地夏季降水量常年平均为390〜650mm.6月，全省各地降水量在130〜340mm之间，雨量分布为东少西多；7月，全省各地降水量在80〜220mm之间，东部地区，尤其是括苍山地区为多雨区，沿海岛屿及西北山区为少雨区；8月，各地降水量在90〜280mm之间，多雨区分布与7月基本相同，而金衢盆地和沿海岛屿为少雨区.全省夏季降水量年际变化较大。各地降水量历年极差值在540〜1010mm之间，约为常年平均值的0.9〜1.8倍，而作为夏季多雨区的括苍山地区，其极差值相对偏小.⑻通过相对变率和变差系数等统计特征量可进一步反映各地降水年际变化的程度6月，全省降水量相对变率为23%〜41%,变差系数为0.31〜0.50,其中浙南山区为小值区，两统计特征量分别小于30%和0.40.7月，全省降水量相对变率为38%〜72%,变差系数为0.49-1.17;8月，两统计特征量分别为37%〜59%和0.44〜0.78.7月、8月全省绝大部分地区降水量相对变率和变差系数均在40%和0.50以上，这两个月相对变率和变差系数的分布特点基本一致，其中7月各地统计特征量差异最大.图1为7月降水量变差系数分布.由图可见，西北山区为变率低值区，金衢盆地、沿海和海岛地区为大值区，变差系数在0.7以上，个别海岛站达1.17.根据浙江气候背景，夏季降水主要为梅雨和台风降水L7月正是常年梅雨结束以及台风影响最多的月份之一，由于台风雨年际变化大，故造成受台风严重影响的沿海和海岛地区降水量变率偏大，使7月成为全年各地降水量变率差异最大的月份，这也表明梅雨和台风对浙江夏季降水的重要作用.[15]三、浙江雨水资源开发利用方式探讨结合以上的总结经验，我对于浙江雨水的利用主要可以分为两种途径，一种是建立雨水的蓄积设施进行雨水收集、处理、利用；另一种就是通过工程措施增加雨水的入渗量,使雨水转化为土壤水和地下水蓄积待用。3.1建立蓄积设施建立雨水蓄积设施汇集并且存储，用于绿化，冲厕和一些对于水质要求不高的工业用水。城市雨水蓄积设施可分为几个部分组成:雨水集流，雨水存储,雨水处理以及供应。雨水集流是雨水收集工程，作好这部分工作可以保证雨水利用有充足的水源。雨水的收集主要是通过不透水层进行汇流到一定的存储地点进行存储，屋顶是最常使用的汇流面，屋顶对雨水的利用可以有两种方式:一种雨水经过雨水斗、雨水立管汇流至地面,由地面的存储设施集中存储;另一种则是在屋顶直接建立存储池存储雨水。将城市路面作为集流面,在道路两旁设置合理的排水设施将雨水汇集到存储池。庭院、广场、人行道等，也应该建设汇流设施，将雨水引入透水区域或储水设施中。城市中的雨水存储形式主要是蓄水池，一般可分为地表蓄水池和地下蓄水池。在大型的建筑物地下或者在居民小区内建立地下蓄水池，可以充分利用空间;地表的蓄水池要考虑多种用途，比如日本在调洪池内修建运动场,雨季用来蓄洪，平时用作运动场。建立蓄水池时，需要参考长降雨系列和用水过程线进行计算机模拟分析来求算蓄水池的容积一般可以采用简化方法,一是把日用水量乘以连旱天数即可求得所需蓄水容积;二是按年用水量乘以一个系数。雨水收集后的处理，与一般的水处理过程相似，雨水的水质比一般回收的水质好，水质比较稳定，且悬浮固体含量较低,经蓄水池调节，沉淀后过滤，一般过滤有两种形式，一是压力滤池过滤，二是利用人工土壤自然净化。经处理（消毒）之后水质能满足《生活杂用水水质标准》。将净化的水用水泵提升至楼顶水塔，供冲厕用，此外，也可作为消防用水、洗车用水、花草浇灌、景观用水等。3.2增加雨水入渗量雨水渗透设施是采用透水性管、井或透水性地面，使地面的雨水能直接渗入地下。城市绿地具有良好的入渗性，是一种简单有效的径流入渗设施，而且绿地还可以阻留和吸收径流中的污染物，因此将城市公园、草坪、公路绿化带等现有绿地改造成良好的入渗场地，用于收集居民区和道路上的雨水。为了充分利用绿地的贮蓄、渗透作用，应该很好的确定绿地与周围建筑物或道路的相对高程以及坡度和集蓄水池的位置、结构。常见的是下凹式低绿地草坪,在绿地内设计雨水滞留设施，雨水口设在绿地上，让它高于绿地、低于路面，不仅能接纳上面的降雨，还可将附近屋顶、路面等不透水面积上的雨水导入绿地。在住宅区、厂区布设大面积的贮渗花木草地，采用在绿色植被与土壤之间增设透水层等办法，减缓雨水地表径流速度，增加城市土壤的相对含水量。四、雨水资源开发利用对策目前我国水资源严峻，科学合理地、充分地利用雨水资源,对于缓解城市水资源短缺状况、补给地下水、防止地面沉降、海水入侵，减轻城市水涝负担等方面有重大的意义，是实现城市可持续发展的重要保障。因此我们必须对雨水资源利用开发采取一定的措施。4.1加强宣传，确立雨水是宝贵的水资源通过各种煤体、社区活动等形式进行宣传，提高全社会的雨水资源利用意识，取得民众的广泛参与和支持,不能使雨水放任自流白白的浪费,要确定综合利用在前、排放在后的指导思想。[10]4.2因地制宜,针对不同地区进行科学规划要研究城市的雨水资源利用，首先要充分了解城市的雨水状况，通过对城市降雨量和城市雨水水质的分析,并根据自然和社会环境的差异，才能选择适合的雨水利用系统、集流系统、储水和处理用水系统。4.3结合规划，改建雨水专用排水系统大多城市排水管网都是雨污合流,雨水相对于污水水质较好,易处理，将雨水和污水分流是雨水能很好利用的一个前提条件。传统的排水系统主要是将雨水及时排走避免路面积水，而雨水利用则是需要将雨水进行存储、运输，所以需要将现有的排水系统进行改造成为既能很好的利用雨水又不影响城市环境。4.4制定法规,鼓励和强化雨水利用针对我国水资源和环境状况，并借鉴发达国家的经验，合理、充分地利用雨水资源，应尽早制定一系列有关雨水利用的法律法规和条例,规范新建城区、居民小区和工、商业区设计雨水利用及蓄水设施等内容。同时，采用鼓励雨水利用政策，调动开发商和企事业单位的积极性。4.5深入研究,加强雨水资源科技人员培训国外雨水资源利用已经比较成熟，并已经形成了产业化，而我国还处于探索和研究的阶段,应当鼓励科研单位和高校对雨水利用的研究工作。同时雨水利用在我国刚刚起步,为保证雨水利用的规模化、科学化，必须加强科技人员的培训和技术指导。（3.1-3.5）[11][12]五：结束语城市雨水利用是解决城市水资源短缺、减少城市洪灾、改善城市生态环境、实现水资源可持续利用的重要举措。国外发达国家的城市雨水利用技术逐步成熟起来，从不同程度上实现了雨水的利用。就目前情况看，我国城市雨水利用系统建设尚