从“资源视角”论城市雨水利用

　　一、前言

　　传统的城市规划及建筑设计习惯于将雨水当作“洪水猛兽”惟恐避之不及，场地规划、建筑设计(包括屋顶构造及排水设计)都是将地面降雨尽快排入城市雨水管网和市郊区、河水体中为首要原则，贯彻的是“使雨水尽快远离城市”这一传统的防水思路。随着城市化进程的不断深入，市区原有的自然环境如森林、农田、牧场等被建筑物、构筑物及硬化地面取代，原有疏松透气的地表被混凝土、沥青、砖石等坚硬密实的不透水材料所取代。在现代城市中，除了散布于市区的公园绿地及天然水体以外，整个市区几乎被一张不透水的大网所笼罩，它阻隔了雨水向市区下部土壤的渗透，严重影响了雨水资源的利用。城市作为非农业人口高密度聚居的区域，它同时又是高强度的经济活动区域，这两方面都注定城市需要大量的淡水资源供应，水资源的压力时刻威胁着城市的发展。从地球系统的水资源环境循环与水量平衡来看，天然降水是维持整个陆地生态系统的基础，我国绝大多数城市是以地下水资源和天然降水资源作为城市水资源供应的主渠道，而地下水资源主要借助包括雨水在内的天然降水加以补充。目前城市地下水的过量开采造成城市市区下层地下水位线呈漏斗状分析，越靠市区中心漏斗越深。

　　因此，充分利用天然降水特别是雨水是有效补充城市地下水及解决城市水资源短缺的重要途径。

　　二、国内外雨水资源利用现状

　　为了唤起人类重视雨水资源的有效利用，上世纪80年代初成立了国际雨水集流利用系统协会(IWRA)。国际上已经召开了多次国际雨水收集大会。1995年在北京举办的第七届国际水资源大会将“惠泽全人类的雨水利用”作为大会主题，有来自32个国家的数百名科学家、工程师和政府官员出席了此次会议。会议通过大会报告、专题讨论、实地考察、产品展览等多种形式进行交流，包括“飞机场雨水收集技术设计”、“太阳能利用与雨水利用结合”、“雷达遥感应用于雨水集流系统设计及实验”等多项雨水利用的最新技术及设计理念成为“北京会议”交流的重要内容。雨水利用研究从应用推广逐渐向理论研究、学科建立方向发展，成为当今生态保护水资源利用研究的前沿课题。雨水利用被认为是一个协调人地关系、实现社会经济环境持续协调发展的重要措施，它在解决全球水资源紧缺以及生态环境问题方面的可行性和有效性得到认可。第七届国际水资源大会在北京召开，充分体现了我国政府对雨水资源利用事业的重视，会议推动了包括中国在内的世界范围雨水资源利用技术的迅速发展。日本为解决“因抽取地下水而引起地基下沉”等问题，于80年代初期推行“雨水渗透计划”，采取了“雨水的地下还原对策”，先后开发应用了透水性沥青混凝土铺装和透水性水泥泥凝土铺装，日本透水性铺装主要应用于公园广场、停车场、运动场及城市道路。1996年初，仅东京都就铺设透水性铺装495000平方米。据统计，东京透水性铺装市区雨水流出率由51.8%降低到5.4%。针对城市不透水地面对地下水资源的负面影响，德国提出了一项要把城市80%的地面改为透水地面的计划。德国城市铺设透水地面的区域包括：人行道、步行街、自行车道、郊区道路和郊游步行路、露天停车场、房舍周边庭院和街巷地面、特殊车道及公共广场等。德国新建小区(无论是工业、商业、居住区)之前均要设计雨洪利用项目，若无雨洪利用措施，政府将征收雨洪排水设施费和雨洪排放费。90年代以来，国际上流行使用诸如透水沥青路面、透水性混凝土路面、透水性地砖等透水路面覆盖城市地面，此举对于缓解城市热岛、减少噪声、防止水灾和保护水资源等方面具有重要作用。 我国民间对于雨水的利用由来已久，新疆地区的坎儿井、西北地区的水窖及民居中的雨水天井渗池都是这方面的实例。但这种利用只是民间小范围的自发行为，难以形成规模效应。雨水利用作为公益事业，兼有良好的环境效益和社会效益，作为政府行为更能发挥其效能。北京是一个典型的缺水城市，人均水资源量很低，因此，水资源短缺问题显得尤为严峻。北京市政府2000年颁布的《北京市节约用水若干规定》中规定“绿地道路应当建设低草坪、渗水地面，使用透水性能好的材料，城镇机关、企事业单位办公建筑及附属用地应当建设雨水收集利用的设施，鼓励单位和居民屋顶及庭院建设雨水利用设施和渗水井”。目前，在北京市水利科学研究院的主持下，北京市正在开展“城市水资源可持续利用--雨洪控制与地下水回灌”项目。这个项目是中国和德国政府间的科技合作项目，目标是通过引进德国成熟的洪利用技术与设备，通过示范工程，建立北京的雨洪利用产业。这说明有效利用雨水资源正逐渐成为专家和政府官员的共识。我们有理由相信，通过各级政府部门的引导和专家学者的积极参与，“善待雨水、造福人类”这一生态理念一定会在我国发扬光大。

　　三、透水性铺装对外补给地下水资源的作用

　　城市大面积的不透水地面铺装取代了原有的森林、绿地和田野，形成了“城市荒漠”，地表土壤中原有的动植物及微生物的生存环境遭到破坏进而逐渐消失，可以说城市不透水硬化地面铺装过程是一个破坏原有的自然生物环境、重新建立新的人工生物环境的过程。城市不透水硬化地面正是形成城市一系列环境危机的根源之一。联合国环境计划署(UnitedNationsEnvironmentProgram，简称UNEP)制定的《人类环境宣言》和《生物多样性公约》正是针对上述危机而提出的生态保护法规。 透水性铺装是由一系列与外部空气相连通的多孔结构形成骨架，同时又能满足路用及铺地强度和耐久性要求的地面铺装形式。有些透水性铺装与绿化相结合，形成半绿化地面。透水性铺装由于自身一系列与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造，其上的降水可以通过本身与铺地下垫层相通的渗水路径渗入下部土壤，因而对于地下水资源的补充具有重要的作用。透水性铺装兼有良好的渗水性及保湿性，它既兼顾了人类活动对于硬化地面的使用要求，又能通过自身性能接近天然草坪和土壤地面的生态优势减轻城市硬化地面对大自然的破坏程度。透水性地面铺装使地下动植物及微生物的生存空间可以得到有效的保护，体现了自然生物环境的可持续发展的要求，因而很好地体现了“与环境共生”的可持续发展理念。下渗雨水一方面通过透水性铺装及下部透水垫层的过滤作用而得到净化，另一方面该透水铺装及下部土壤中丰富的微生物可以针对雨水中的有机杂质进行生物净化，可以保证渗透雨水的清洁要求。因此，透水性铺装的推广及应用有效利用雨水资源的重要途径。

　　四、城市市区滞留雨水的系统设施　

　　利用和改造现有的城市基础设施，配合应用透水性铺装，在城市市区建立系统的滞留雨水设施，是实现雨水回灌地下的关键措施。

　　1.因地制宜，推广透水性铺装

　　城市下垫面的排水性能直接影响雨水渗透的最终效果。因此根据城区下垫面的具体情况，因地制宜地选择透水性铺装的适用范围，是做好此项工作的关键。透水性能最好的垫层是砾石垫层，最差的是粘土。如果遇到西北地区常见的粘土层时，局部少量小范围的可采用换土法解决；若下部粘土层范围很大，这时可考虑利用其上部透水垫层中的透水孔隙作为雨水的储存空间，也就是通过加大上部透水垫层厚度的方法来处理。我国北方尤其是西北地区年降雨量不大，这种方法还是切实可行的。但对于降雨量大的地区，单靠换土或加大透水垫层的储水厚度形成的储水量不能满足要求，这就需要建立专门的地下渗水池用于解决雨水储存问题。由是可知，透水性铺装适用于地面垫层下部土壤地质透水性良好的地区。

　　2.建立城区雨水收集及地下储存系统

　　我国城市的全年雨量分布大都集中的夏季，如何收集储存雨季充沛的雨水资源，调节少雨季节的雨水供给，以丰补歉，平衡全年雨水利用，是贯彻实施雨水利用计划的重要方面。据介绍，北京市每年降水量80%以上集中在夏季汛期，市区雨洪径流流失2.81亿立方米。因此，对汛期雨水资源加以储存利用，不仅可有效缓解北京市的水资源短缺状况，该措施同时对于减轻城市排水和可道行洪压力，保证防洪安全亦有重要意义。 城市市区范围内的建筑屋顶、城市广场、运动场、草坪、庭院、城市道路等都可以用作收集雨水的有效界面，其中占市区面积相当比例的建筑屋顶对于雨水的收集起着至关重要的作用。城市屋顶除了少数自由落水屋面外，大部分屋顶均有专门的排水系统通道，除了初降雨水以外，屋顶收集的这一部分雨水相对比较干净，西北地区居民用于饮用的水窖，储水的主要来源就是依靠屋顶收集的雨水。城市雨水收集利用应将屋顶水落管下引的雨水导入附近储水池中，水质的净化可通过过滤、杀菌及沉淀等措施加以实现。 对于饮用水来说，屋顶最好避免使用类似石棉、含铅塑料等有害物质，应铺设环保滤水层以起到净化初期雨水的作用。通过城市道路、庭院地面、运动场、广场等城市地表收集的雨水，因为径流过程中容易混入有害杂质，污染程度相对较高，这部分储存雨水经过处理宜用于灌溉、洗车、冲洗厕所等非饮用目的。雨水的收集储存特别适用于下部土壤地质构造的透水性能不满足透水性铺装要求的地段。

　　3.利用城区凹地截流暂储雨水

　　城市利用市区天然地形地貌或人工凹地作为截流雨水的暂储空间，可以削减雨水的地面径流量，进而减轻城市排水系统的压力，并减少雨季合流制管网污水处理厂的负荷，它是解决夏季暴雨内涝的一条有效途径。这些凹地包括下沉式广场、停车场、运动场、露天内庭院及景观池塘等，在多雨季节它们可作为临时储存雨水的空间。 美国Denver市中心的Skyline下沉式广场雨水可容纳数英寸深的雨水，该广场还专门设置雨天穿行广场的架空通道。日本的东京、大阪等城市利用当地的棒球场和田径场汇集截流雨水，汇集的雨水经过处理可用于冲洗厕所和绿化灌溉。欧美、日本及我国台湾省均将该措施列为城市泄洪分流的重要对策加以推广。当下部垫层地质构造透水性能良好时，储水凹地底部还可以考虑铺设透水性底面，蓄积的雨水可通过底部透水性铺装缓慢渗透到地下，补充地下水源。在储水凹地适当高度可设置溢流孔与相邻排水管沟相连，以便排除过量的雨水。

　　目前景观规划中水体的用水供应及绿化植被的浇灌大都依靠城市自来水管网，这无疑会增加城市用水的压力。应从景观规划设计入手，研究探索切实可行的综合利用雨水资源的方法和措施，充分利用景观用地周围凹地汇集储存雨水并用于景区水体用水、绿化灌溉及其他维护清洗。

　　4.改造现有非透水性排水管沟为透水性排水管沟，增加雨水渗透途径

　　借鉴透水性铺装的构造做法，城市现有的不透水雨水管沟通过改造也能起到类似透水性铺装的作用。英国、日本等发达国家80年代提出“渗秀型雨水管道”设想，采取各种措施利用渗透型雨水系统截流渗透雨水，并将此纳入国家下水道推进计划。该做法是将传统的非透水性排水管道或沟槽改造成类似于打孔PVC管的可透水结构，雨水通过渗透型管道同样可以下渗到底部土壤层。为了防止杂物沉淀堵塞渗孔，可附加不织布(土工布)过滤。渗透型雨水管道下部垫层亦可采用透水性垫层的做法。 我国台湾地区采用的雨水渗透井是由两个相邻的储水井组成，中间由管道连接。渗透井类似于西北地区畜水窖井，所不同的只是一侧渗透井底部透水，并不织布过滤层，以便净化下渗的初期雨水；并将此纳入国家下水道推进计划。该做法是将传统的非透水性排水管道或沟槽改造成类似于打孔PVC管的可透水结构，雨水通过渗透型管道同样可以下渗到底部土壤层。为了防止杂物沉淀堵塞渗孔，可附中不织布(土工布)过滤。渗透型雨水管道下部垫层亦可采用透水性垫层的做法。 我国台湾地区采用的雨水渗透井是由两个相邻的储水井组成，中间由管道连接。渗透井类似于西北地区畜水窖井，所不同的只是一侧渗透井底部透水，并附加不织布过滤层，以便净化下渗的初期雨水；初期雨水经过沉淀和过滤，流过中间透水性管道(内侧附加过滤纤维层--不织布)输送到另一侧井壁和底板均不透水的储水井里，该储水井中储存的相对清洁和雨水可作为冲洗或灌溉用水。该渗透井设计有效地解决了雨水收集、下渗及储存的问题，储水井的透水底面和透水性管道有助于调节雨季渗透井的水量，开辟了雨水对地下水回灌的新途径，值得借鉴。 渗透装置中使用的不织布(土工布)是一种良好的过滤纤维材料，对细小颗粒、杂质有较强的阻隔作用。为了安全起见，专家建议提倡雨水径流先进入绿地花坛，再进入渗透设施，以充分利用植被和土壤表面的净化能力。加强裸露土地面的治理，种植适合当地气候条件的地被植物或小型灌木，从而加大地表的粗糙度，减缓雨水径流的速度，使雨水停留地面的时间延长，此举也不失为增加雨水渗透的有效方法。

　　5.透水性铺装及管沟的维护与保养

　　通常透水性铺装及管沟的透水性能随使用年限的增加呈递减趋势。为确保该构造体系的透水要求，日常维护和保养工作很重要。通常做法是定期使用喷射水枪或强力吸尘器等对透水性铺装进行清理，与植草结合的透水铺装也可采用手工清理。对于透水管沟的维护主要是解决不织布过滤层和下垫层的堵塞现象，德国、日本等发达国家结合自身特点及各自的透水性铺装及管沟的应用情况，已经研制出相应的维护保养专用设备及产品。我国的透水性铺装及管沟的维护与保养的研究及应用正处于起步阶段，借鉴发达国家及地区的相关经验是推动此项工作的重要方面。

　　五、结语

　　环境资源保护及可持续发展是新世纪人类面临的共同课题。雨水资源的有效利用是贯彻可持续发展战略的具体体现。如下图所示，城市雨水利用体系的建立和完善是个系统工程，它需要政府政策法规的引导，需要规划设计人员的技术支持，需要城市市政管理部门的维护管理。其中，政府职能部门起着关键的、不可替代的作用。