城市雨水的“防洪、减污、回用”系统

徐航1，何品晶2，宗兵年1
(1.同济大学环境科学与工程学院，上海200092；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)

　　摘 要：随着城市化进程的加快和居住水平的提高，城市暴雨径流产生洪涝灾害、恶化水体质量的危害日益明显；另一方面，雨水是重要的资源，适当回用可解 决城市发展过程中水资源短缺的问题。提出了以雨水综合池作为平抑洪峰、削减污染和回用雨水的综合性构筑物，建立城市雨水“防洪、减污、回用”综合控制系统，这既削减了暴雨径流给城市生活带来的不利因素，又发挥了其潜在的水资源价值。
　　关键词：城市雨水；雨水综合池；防洪；减污；回用
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2001)02-0061-04　

　　城市降雨及径流与城市生活紧密相关，特殊的地理环境使其同时具有危害性与资源性。例如 ：①强度大、频率高的降雨易形成洪涝灾害，在城市发展过程中，不透水地表铺砌面积的不断扩大和建筑密度的提高，使地面径流形成时间缩短，峰值流量不断加大，排水系 统的雨季流量与旱季流量的比值上升，产生洪涝灾害的机会增加、危害加剧；②据国外有关资料报导，在一些污水点源得到二级处理的城市水体中，BOD5负荷约有40%～80%来自于降雨产生的径流，它是主要的城市水体污染面源之一。③将经过简单处理的雨水回用作城市绿化、街道洒扫和景观等处的生态型用水是重要的开源措施，而在贫水、缺水地区，雨水是一种重要的甚至是主要的水资源。
　　从20世纪70年代起，经济发达国家从保护水环境及充分利用水资源的角度出发，开始研究适合治理雨水污染及回用的处理工艺(如在雨水调节池后设简单的沉淀及砂滤装置)及相关的管 理模型(如：SWMM暴雨雨水管理模型；STORM储存处理与漫流模型；Battelle径流管理模型等)。在我国，许多城市面临着水量型或水质型缺水的问题，如何更有效地使用、管理雨水资源已开始受到普遍关注。部分大中城市(北京、上海、杭州等)已着手监测降雨及其径流的水量和水质变化规律，逐步积累供雨水回用及治理污染所需的基础数据。
　　笔者基于对城市降雨径流双重属性的认识，认为对城市降雨的管理应从综合削减暴雨径流的不利因素和发挥其潜在水资源价值的正反两方面出发，找到兼顾两者的平衡点，并提出了;“ 防洪、减污、回用”的雨水管理综合系统逻辑模型(见图1)。

　　1 分区规划

　　城市集商业、交通、居住、工业等功能区域于一体，各区域对防洪排涝及水资源的需求差别较大。城市绿化及居住区域的地表情况接近于自然土地，能有效地截留暴雨径流和削减 其量，同时也允许有一定的积水量；而在重要的商业、交通地带，大规模的地面铺砌与建筑使暴雨形成径流的时间大大缩短，洪峰流量增大，一旦受害，损失巨大。因此必须根据各区域的不同要求实施分区规划，对径流密集的区域采取集中收集导排，进而提高城市重要社区的防洪水准。此外，针对不同水质进行分区收集对于削减污水处理量和降低回用水处理成本 是极为有利的，根据国外的研究及我国的实际情况，可以按照以下方法进行区域规划：①根据区域防洪治涝规划，提高重要区域的防洪标准。大规模雨水产流区域(大型绿地、主要交通干道)与其他区域分开设计，减轻排水管系负担。②地表径流水质相差较大的区域，雨水回用时应分区收集与处理。③区域划分应考虑水量平衡，减少雨水跨区回用，以降低管系造价、运行费用及管理难度。

　　2 暴雨及径流的设计计算

　　为确定设计区域的降雨及其径流特性，首先必须按区计算暴雨及其径流量。近年来的研究表明，对于面积＜2km²的城市小区，可采用城市暴雨强度公式及流量公式来计算；而随着计算区域的扩大，采用排涝计算方法(如推理公式法)等更为适宜。设计重现期应采用 2～5a，如果采用分区排水，则应按不同的因素选取适合本区域的径流系数并分别计算。

　　3 雨水综合池—管系设计

　　雨水综合池是雨水综合系统中具有简单处理能力的贮水构筑物，是实现雨水综合系统多重效益的重要保障。与传统雨水调节池相比，它不仅具有平抑雨洪峰值、减少下游管段容量的功能，还是雨水回用、减污等多种功能的载体。在原有排水系统不变的情况下，利用综合池的调洪容量可提高设计区域的防洪标准；综合池中的简单处理设施可去除雨水中的部分污染物，提供符合要求的回用水；同时综合池建造也可与周边环境配合设计，成为区域水景观的组成部分。为使雨水综合系统充分发挥防洪、回用及减污功能，应着重考虑三者的平衡，以取得最佳效益。
　　3.1 系统防洪能力计算
　　在雨水排除系统中，调洪构筑物的防洪能力和排水管系的关系可依据水量平衡方程来推求。利用径流过程图，作设计超越流量切割暴雨径流过程线，所切割的洪峰部分即为调洪设计容积，剩余部分即为下游管系排水能力。
　　水量平衡方程为：
　　Q(t)-q(H)＝Ω(H)(dH/dt) 　　　　　　(1)

　　式中　H ——贮水池调节水深
　　　　　t——调洪开始时间
　　　　　Q(t) ——来水曲线
　　　　　q(H)——泄水曲线
　　　　　Ω(H)(dH/dt)——随时间改变的贮水池水位变化过程线
　　假设泄水曲线不随时间变化，则调洪体积为：

　　W＝∫^t1t2Q(t)dt-q(t₂-t₁)＝aQτ (2)

　　式中　t1 ——调洪开始时间
　　　　　t2——调洪结束时间
　　　　　a——贮水池容积系数(随雨型、历时、调节流量而变化)
　　研究认为，当雨峰位置r＝0.5时具有相当的代表性，此时：

　　α＝q_max/Q (3)

　　式中 Q ——计算暴雨最大径流量
　　　　q_max——雨水管系最大输水量

　　　a＝-[0.65/n^0.12+（b/τ） ·0.5/（n+0.20）+1.10)·lg(α+0.30)+0.215 /n^0.15

　　当qmax确定以后，单场暴雨最大径流量或最大暴雨设计流量Q与调洪体积W关系为(利用不同的Q值，对应一定的调节池容量W)：

　　W＝［-(0.65/n^0.12+b/τ ·（0.5/n+0.20）+1.10)·lg(qmax/ Q+0.3)+0.215n^0.15］Qτ

　　据此W＝f(Q)方程，并图示调洪容量—暴雨最大设计年限关系，可以快速查找(在既定的雨水管道及泵站基础上)调节容量与“管道+综合池”协同工作时所能提供的最大雨水排除量，从而图解雨水综合池提供的防洪排涝能力。
　　3.2 雨水回用需求计算
　　回用水量的确定必须考虑两个因素：①当地降雨径流所能提供的潜在水量；②满 足回用水卫生标准的需水量。
　　3.2.1潜在水量计算
　　当地降雨径流所能提供的潜在水量RP可用水量平衡法、下渗公式法、经验相关图法、初损后损法和径流系数法等计算。当城市区域缺少相关的水文资料时，利用降雨径流经验相关图法可较方便准确地计算单场暴雨总产流量。在计算潜在水量RP时，根据回用要求 按月、季或水文年作为单位，计算出单位时段潜在水量RP的直方图，并作区域水量平衡计算。
　　3.2.2回用需水量计算
　　建立回用分类需求表(见表1)，可以按照不同回用目标、回用水质和汇流流域特性等要求， 确定满足回用要求的不同需水量。

　　当Qi＜RPi，即潜在水量可满足回用水需水量时，回用水量可按Qi来设计，同时亦可考虑用于其他区域回用的部分容量；反之，当Qi＞RPi，即回用水需水量大于潜在水量时，回用水量可按RPi来设计，但同时必须考虑其他的可回用水及雨水的跨区回用所带来配水系统在经济和管理上的要求。

　　4 系统的综合效益比较

　　城市雨水综合排除系统综合效益的优劣直接关系到系统的技术经济可行性。在德国等发达国家，为满足城市防洪要求的提高及环境执法上的日趋严格，正不断寻求更为合理有效的设计方法以达到技术经济的最优化目标。系统的经济、环境及社会效益分析可用下式表示：

　　E＝E₁+E₂-E₃-E₄-E₅-E₆-E₇

　　式中　E——系统综合效益
　　　　　E1——投入值，包括工程土建费、设备费和安装费等
　　　　　E2——运行及回用水处理费用(药剂、人工和电费等可比照的中水回用费用 )
　　　　　E3——节省城市引水和净水的边际费用
　　　　　E4——雨水回用带来的国家财政收入(按因缺水而造成国家的财政损失计)
　　　　　E5——减少污染排放而产生的社会效益
　　　　　E6——提高防洪水准而减少的经济损失
　　　　　E7——节省的城市排水设施建设费用

　　E₄～E₇项为系统所产生的社会经济效益，因各地情况及雨水管理要求差异较大，数值会有差别，但对水质劣于雨水的中水回用研究表明，当E₄＝5.48元/m³，E5＝2.03元/m³，E7＝0.36元/m³时，其效益相当明显。

　　5 示例计算

　　上海浦东新区某新建居住区的规划面积为189.4hm²，区域年均降雨量为1100mm，街坊内雨水通过支管汇入小区中部的雨水干管，最后汇入小区外河道或回用于区内绿地。
　　5.1 区域划分
　　综合小区用地情况、防洪要求及雨水综合池建造要求，将该小区划分成4个主要设计区域，其主要用地指标计算见表2。

表2 小区用地类型分布

　　5.2 设计暴雨强度及径流计算
　　设计重现期TE＝3a，t＝t1+2t2＝60min，计算暴雨强度公式为：

　　i＝（17.812+14.668lgTE）/(t+0.427)^0.796＝0.948mm/min

　　雨水设计流量公式为：

　　q＝iφF

　　式中 φ——径流系数(绿地φ＝0.2；道路φ＝0.9；其他φ ＝0.8)
　　　　　F——汇水面积，hm²
　　计算得各分区排水管系最大设计流量为：
　　q_1max＝3.55m³/s；q_2max＝5m³/s；
　　q_3max＝7.24m³/s；q_4max＝4.55m³/s。
　　以X₁区域为例，建立W＝f(Q)方程并图解得调洪容积(W)—设计年限(T)相关图，见图2、3。

　　利用带砂滤装置的综合池，可以削减85%的颗粒污染物，实现非饮用水的回用，其潜在可回用水量取年平均降雨量的50%加以计算。区域雨水回用主要用于绿化用水［4L/(m²·次)］、街道洒扫用水［2L/(m²·次)］和洗车用水［400L/(辆·d)］，回用水需求见表3。

　　5.4 系统分析
　　在原雨水排除体系的基础上，综合池设计将决定雨水综合排除系统的防洪能力、污染物去除率和回用保证率，以X₁区域为例，系统综合效益见图4。
　　从计算结果来看，调节池容量与回用水利用率及污染物去除率呈线性关系，而与系统设计重现期呈指数关系。对系统作综合效益比较，30a暴雨设计重现期可达到较好的洪防、治污及回用目标(见表4)。

　　6 结 论

　　①雨水综合排除系统为多目标优化系统，在确定综合池容积在排水体系中的比例时，应充分考虑当地用水现状、防洪要求、经济条件、供水水源情况及水污染现状在系统决策中的重要性，从而有所侧重地确定主要决定因素，提高综合池的利用率，充分发挥其社会及经济效益。
　　②从浦东规划新建居住区示例的计算结果可以认为，城市雨水综合排除系统起到了调洪、减污和回用等多重功能，可以对城市生活起显著的改善作用。

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收稿日期：2000-10-11