无锡城区雨水滞留与利用可行性研究

无锡城区雨水径流滞留与利用可行性研究同济大学无锡市建设局无锡市政公用事业局2008.4 前言目 录前言1第一章 无锡概况31.1 地理概况31.2气候概况41.3城市水资源概况41.4地质背景概况7第二章 国内外城市雨水管理技术理论与应用现状102.1 城市雨水管理技术与理论的发展102.2城市雨水管理新思想的实践122.3国内城市雨水管理的现状及存在问题15第三章 屋面雨水收集利用183.1屋面雨水利用概述183.2 无锡市利用屋面雨水的可行性193.3 无锡市屋面雨水水量、水质和收集利用方法193.4 存储池设计253.5 无锡市屋面雨水利用规模分析29第四章 重污染区域初期雨水就地滞留364.1 雨水就地滞留系统介绍364.2 无锡城区重点区域采用雨水就地滞留技术的必要性374.3 无锡城区应用雨水就地滞留技术的可行性384.4 无锡市雨水就地滞留池的设计39第五章 绿地蓄渗削减地表径流435.1 下凹式绿地的定义435.2 绿地蓄渗措施的应用范例445.3 无锡市利用绿地蓄渗雨水的可行性分析465.4 下凹式绿地的设计50第六章 敞开式地面排水系统556.1 敞开式地面排水系统定义和特点556.2 植草洼地/排水沟适用类型及适用范围556.3 敞开式地面排水系统的设计和维护576.4 敞开式地面排水系统在无锡的应用分析63第七章 透水性路面的应用657.1 透水性路面概述657.2 透水路面设计要求667.3 透水铺装的技术要点677.4 无锡透水性路面使用分析727.5 效果评价75第八章 无锡城区雨水径流综合控制体系768.1 城区地表径流污染控制768.2 城区径流源头控制的规划管理778.3 无锡城区径流污染源头控制系统78第九章 无锡城区雨水径流综合管理策略839.1 国内外雨水径流管理策略839.2 无锡市雨水径流综合管理策略849.3 建议87II前 言城市降雨径流具有利害两重性。利在降雨是城市水资源的主要来源之一，提供城市可持续发展所必须的水体资源、生态环境资源和生物多样性的环境，保证城市功能的正常发挥；害在高强度降雨引起的洪涝造成城市财产损失和人员伤亡、大量地表径流直接排入地表水体形成面源污染。无锡市区城市化进程的快速推进造成雨水的利害关系失去平衡，负面作用被不断放大，大量原有的疏松透气透水的地表被不透水材料覆盖，不透水面积迅速增加，阻隔了雨洪向市区地下土壤的渗透，降雨径流大量通过管道外排，无法实现自然下渗，明显改变了城区的水文循环。原有天然河流的渠道化导致更快产流和更高的洪峰。在城市这样相对小的区域里对于自然环境的这些改变，还给城市下游流域防洪带来不利影响。同时由于城市地下水得不到应有的补充，加之地下水超采，苏锡常地区形成了地下水下降漏斗。出现了地面沉降、裂缝、水质恶化等地质灾害问题。城区地面径流系数的提高不仅增加了城市排水系统和防洪工程的投资以及雨洪灾害的风险，而且加剧了城区面源污染，对城区生态环境造成损害。雨水径流的滞留指综合系统地运用工程的和政策、规范、经济、管理、技术、调度等非工程措施，将常规排入城市雨水管道的径流在安全、经济可行和社会公平的前提下部分储存为可利用的内陆水。雨水径流的利用就是通过工程技术措施收集、存储并利用雨水，同时通过雨水的渗透、回灌、补充地下水及地面水源，维持并改善城市水循环系统。无锡市领导已经充分意识到以雨水滞留和利用为主要内容的雨水径流管理对于控制地表水体污染的必要性和对于防洪排涝的重要性，在新一轮的治理太湖、保护水源“6699”行动中，将雨水滞留和利用研究作为“城市生态重建恢复行动”的一项主要内容，列为政府督办项目。为了对实现上述目标提供政府指导、管理方面的支持，本项目对无锡城区径流滞留利用开展宏观层面的可行性研究。本课题的研究具有以下特点。鉴于无锡市地处江南水乡，年降雨充沛，境内河网弥补，属水质型缺水，片面强调雨水的收集利用在经济上并不合理，不具备可持续性，因此本报告编制的原则为“渗蓄和控污为主、利用为辅”。无锡市城区雨水滞留和利用目标，着重在于减轻城区防洪排涝压力、缓解城市地下水水位下降趋势、控制雨水径流面源污染、改善城市生态环境，保障无锡市经济、社会和环境的可持续发展。同时，无锡市是省级节水型城市，探索雨水的科学合理利用之路，可以提高非常规水源的利用率，巩固节水型城市的建设成果。开展项目研究的另一个任务是，支持无锡市创建国家级生态园林城市。按照建设部关于印发创建“生态园林城市”实施意见的通知（建城200498号），要求生态园林城市的“建成区道路广场用地中透水面积的比重50%”。2007年5月无锡市政府办公室转发市园林局无锡市创建国家生态园林城市工作方案的通知（锡政办发200781号），要求到2008年实现该项指标要求。通过开展雨水滞留可行性研究工作，研究透水性路面的适用条件，不断提升透水性路面的建设水平，扩大透水性路面建设比例，有助于推进国家级生态园林城市的创建工作。本项目的直接目的是探讨雨水径流源头管理措施在无锡市的适用条件，提出应用源头控制的技术要求以及管理政策，为制定无锡市制定“关于加强新建建设工程城市雨水资源利用的暂行规定”等雨水综合管理办法提供技术支持。鉴于时间与条件，课题对城区径流的滞留、利用技术仅提出了初步的建议；由于作为项目研究基础的一些数据暂时没有条件完成实地调查，借用了临近城市上海或苏州的数据。这些不足之处还需要在今后的实际工作中补充完善。除了参加研究单位同济大学、无锡市建设局、无锡市市政公用事业局之外，本项目的研究工作还得到了无锡市国土资源局、无锡市节水办等相关部门的大力协助，在此表示谢忱。92第一章 无锡概况第一章 无锡概况1.1地理概况无锡市位于北纬317至322，东经11933至12038，长江三角洲江湖间走廊部分，江苏省东南部。东邻苏州，距上海128公里；南濒太湖，与浙江省交界；西接常州，距南京183公里；北临长江，与泰州市所辖的靖江市隔江相望，沪宁铁路横亘东西，京杭运河纵贯南北，水陆空交通便捷，是江苏省重要的交通枢纽（图2-1）。全市（包括市区和江阴、宜兴）总面积为4787.61平方公里，其中山区和丘陵面积为782平方公里，占总面积的16.8%，水面面积为1502平方公里，占总面积的31.4%；市区面积1622.64平方公里，水域面积占510.44平方公里。2005年全市人口总数452.8万，其中市区228.5万人。无锡市下辖江阴、宜兴两个市(县)和崇安区、北塘区、南长区、锡山区、惠山区、滨湖区和新区七个区，市区南濒浩渺太湖，西抱锡、惠二山，中有千年古运河，古老而充满现代气息，繁华而又宁静。图1-1 无锡市地理位置图无锡境内除宜兴南部属丘陵山区外，地势平坦，间有低山矮丘，河流湖泊纵横交织，气候温暖湿润，土地肥沃，物产丰饶，山明水秀，风景佳绝，水美土肥，物产丰富，是全国著名的鱼米之乡。无锡四季花果飘香，盛产水蜜桃、柑桔、巨峰葡萄、梨、杨梅等水果，还是江苏省重要茶叶产区。太湖水域辽阔，水产资源丰富，湖内“太湖银鱼、太湖白虾、梅齐鱼(凤尾鱼)”被称为太湖三宝。无锡市经济发达，风景秀丽，是中国十五个经济中心城市和十个重点旅游城市之一，又是首批中国优秀旅游城市。凭借改革开放的活力，无锡人民创造了历史上从来未有过的辉煌，跨入了全国综合实力50强和投资硬环境40优的行列。所辖原锡山市（现为锡山区、惠山区）多年评为全国百强县之首，号称“华夏第一县”。1.2 气候概况无锡市属北亚热带湿润区，受季风环流影响，形成的气候特点是：四季分明，气候温和，雨水充沛，日照充足，无霜期长。1月平均气温在2.8左右；7月平均气温在28左右。全年无霜期220天左右。无锡市区年平均降水量在1048毫米。雨季较长，主要集中在夏季。全年降水量大于蒸发量，属湿润地区。无锡市区日照时数2019.4小时。常见的气象灾害有台风、暴风、连阴雨、干旱、寒潮、冰雹和大风等。由于受太湖水体和宜南丘陵山区复杂地形等的影响，局部地区小气候条件多种多样，具有南北农业皆宜的特点，作物种类繁多。但是由于无锡市只有年均降雨量的统计值，而缺乏降雨特性参数的统计资料，给研究中雨水滞留调蓄容量的计算带来困难，本研究中将利用与无锡相近的上海资料来进行说明和计算。1.3 城市水资源概况1.3.1水系概述无锡市地处长江三角洲低洼平原，太湖流域中部，南濒太湖，北枕长江，区域内水网密布，河道纵横，为典型的平原水网地区，分属长江下游干流、太湖湖区及南溪三大水系。全市水域面积为1502平方公里，占总面积的31.4%，以江南水乡闻名于世，水资源量相对比较丰富，年可供水资源总量（计入境水量）92.7亿立方米，人均水资源占有量2096立方米。但总水资源量的60%以上都是外来水，年入境水量71.9亿立方米，本地水资源并不丰富，仅为20.8亿立方米，长江、太湖是无锡市水资源量的主要补给源。全市现有大小河道6288条，总长7998公里，其中市区河道2952条、2627.4公里，主城区河道152条，145.5公里。河道作为城市的基础设施之一，其调蓄雨洪功能是确保城市防洪排涝安全的必要条件。同时，河流水系在供水灌溉、构成城市景观、传承古代文化、保护生态环境、改善城市小气候等方面都起着重要的作用。无锡城区水网密布，但河道的水环境质量较差，水体长年黑臭，给周边居民工作、生活带来严重影响，也与无锡特大城市建设不相符。1.3.2水环境质量1. 地表水太湖水环境的主要问题仍为湖泊富营养化和局部区域的有机污染。太湖无锡水域的五里湖、梅梁湖、太湖沿岸等水域几乎都是重污染级，重要污染物为总磷和总氮。经过多年综合整治，各湖区的富营养化虽然有不同程度的减缓趋势，但是太湖水中氮和磷浓度依旧偏高，以致很难达到控制标准以下，所以依然存在蓝藻暴发的隐患。全市河道众多，地表水资源较丰富，外来水源补给充足。但由于污染，且运河比降很小，约1厘米/公里左右，导致水流流向多变和河流速很慢，水体自净能力较差，导致内河水体功能下降甚至丧失。城市河道水质普遍劣于类，影响城市河道水质的主要污染物指标是氨氮、五日生化需氧量。2004年，无锡市环境监测中心站在全市45条主要河道以及太湖、西氿、滆湖、横山水库等主要水域布设了64个地表水水质监测断面（点）。全年对这些监测断面（点）的监测资料表明：无锡地区总体水环境状况与上年相近，水质污染依然严重。除宜兴横山水库、长江江阴段处于类水外，其余水体均劣于类水。全年有1.9%的监测断面（点）符合类水标准，4.7%的监测断面（点）为类水，9.0%的监测断面（点）为类水，15.3%的监测断面（点）为类水，69.1%的监测断面（点）劣于类水（图2-2）。主要超标项目（超标指超过地表水环境质量标准（GB3838-2002）类水标准）为溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、挥发酚（Fn）等。图2-2 2004年无锡各主要水质检测点水质情况从上述水质现状分析可以看出，无锡市的河流湖泊污染已经非常严重，水质的劣化大大降低了水资源的可利用率，形成水质型缺水，并对城市供水水质的安全构成威胁。近几年来，全市污水和污染物排放呈逐年减少趋势，地面水环境质量有所改善。但受上游来水水质较差的影响，而且工业增长的速度很快，污水和污染物的排放很难大幅度降低。根据国外对面源污染进行的大量研究表明，在点源污染得到基本治理以后，城市暴雨径流成为水体污染的主要来源。无锡市以往在新城区建设中往往没有将面源污染控制纳入城市污染控制体系中。因为面源污染控制工程很多处于地下，新城区一旦建成，治理十分困难。传统的降雨快排快泄理念已不能满足水环境保护要求，在雨水排水系统设计理念和工程技术上需要不断创新，不仅在“汇流泄”全过程中需要污染控制技术，受水资源日益短缺的影响，还需要雨水的滞留和综合利用方法，在提高工程设施运行效率的同时需要通过自然生态的和人工设施生态化手段，综合解决和利用城市排放物和暴雨径流问题，在城市建设中融合面源污染控制的思想，协调城市改造与面源污染控制的关系，是解决无锡市水环境问题所遇到的新挑战。2. 地下水无锡市域原是地下水资源丰富的地区之一，全市地下水水质好，适宜饮用、取水距离近、水温夏凉冬暖，这些特点使地下水开发利用成为全市水资源开发利用的不可缺少的一个部分。上世纪80年代，由于河水受到越来越严重污染，使河水失去了较大部分工业用水的功能，而地面自来水又供应不到广大农村，此时又正值乡镇企业蓬勃发展之时，不得不大量开采地下水以解燃眉之急，深层地下水成为锡澄片乡镇工业和居民生活主要供水水源。全市在上世纪80年代末到90年代进入深层地下水开采高峰期。地下水的利用分别经历了少量开采、适量开采、大量开采、集中过量开采、计划开采和禁采六个阶段。从2005年起锡澄片基本为禁采阶段。2005年底开采用深井仅剩18眼，2006年年开采量估计仅为120万立方米。由于大量开采深层地下水，超过地下水允许开采量，致使地下水水位急剧下降。在禁采之前，地下水水位年下降速率达到23米，水位埋深由原始水位2米左右一直下降到6085米，降落漏斗不断扩展，整个地下水漏斗区面积达500多平方公里。其中地下水降落漏斗中心洛社、石塘湾一带承压水头埋深达85米。无锡西北部的洛社、石塘湾、玉祁、前洲、杨市等乡镇，水位埋深普遍大于80米，处于疏干开采状态，其面积逾100平方公里。地下水水资源包括浅层淡水、深层承压水和微咸水。无锡市第四纪地质属滨湖沼相沉积夹有长江古河道冲击沉积。第四纪沉积厚度从东到西一般约130200米，除潜水含水层外，主要有第1、第2承压含水层。第2承压层，含水层厚度2050米，顶板埋深在110120米左右，单井出水量一般10002000m3/d，水质较好。1.4 地质背景概况无锡市内地貌类型主要为冲湖积和湖沼积平原，地势低平为其基本特点。平原地区第四纪地层厚度一般达100300米，为一套多层状结构组成的松散沉积物。其间夹有不同时期形成的湖沼相、海相软土层和古河道相松散砂层，在剖面上岩相变化大。松散砂层赋存丰富的孔隙地下水，水质优良。在强烈开采地下水作用下，这些松软土层极易产生压密固结而产生地面沉降。无锡地区虽然第四系沉积分布连续性较好，但其发育特征受构造、基底起伏条件控制，厚度变化较大。由于无锡市缺乏对本项目的研究影响很大的土壤渗透系数统计统计资料，因此本项目在无锡市有关部门的帮助下进行了一些典型点的调查，调查结果见表1-1。需要说明的是，表1-1中的渗透系数虽然都很小，但均不包括表土，实际情况是无锡市区经过漫长的人类活动，特别是出于防汛排涝的需要而不断垫高地面，其表层土已基本置换为杂填土，从查到的资料来看，不同地区厚度在13米不等。表1-1 无锡市区范围内部分典型点的渗透系数调查表区域序号地点地理位置地下水位埋深 （m）地下水位（黄海高程）m表土下原状土渗透系数统计cm/s水平渗透系数垂直渗透系数惠山区1无锡毓秀苑小区玉祁镇0.721.201.402.304.82E-077.45E-072天力花园堰桥镇镇政府南侧2.302.701.952.354.53E-065.86E-063无锡顺驰地产有限公司理想城市北靠金惠路，西靠惠山大道1.051.201.872.314.68E-073.99E-07锡山区4鸿运苑B区鸿山镇1.502.102.052.563.68E-075.01E-075首创天一中学北地块东亭镇，天一中学北0.951.252.662.985.31E-074.59E-076美林小城东亭镇，友谊路南侧0.801.402.062.883.12E-062.65E-067春江花园三期东亭镇，学前东路北侧1.201.451.712.242.87E-063.24E-06北塘区8龙塘岸拆迁安置房A、B块市北高中北面，东靠广石路0.651.100.450.825.73E-065.01E-069无锡市北塘区新建教育中心风宾路以西，南靠民丰路0.651.001.531.714.39E-063.81E-06崇安区10无锡八佰伴改建项目原八佰伴商贸中心西南面1.201.501.902.202.33E-063.19E-06南长区11达伶港南靠永乐路，北为永丰路0.901.251.982.234.02E-063.29E-0612无锡市医疗中心北靠金城路，西靠清扬路0.751.052.112.676.16E-077.54E-0713新乐苑南长区金星街道西侧，周新路南0.551.101.862.393.87E-073.40E-07滨湖区14徐巷农贸市场梅园西侧0.851.050.851.054.75E-065.50E-0615奥林花园D块建筑路北侧，蠡溪路东侧0.801.152.763.095.43E-066.09E-0616无锡广电传媒中心广电集团，湖滨路西侧0.721.023.173.344.32E-071.24E-0617世家名门锡南路西侧，周新路南0.701.002.983.362.79 E-071.73 E-0618蠡湖小区兰园、菊园教师公寓江南大学新校区0.550.953.013.404.35 E-074.19 E-0719无锡白金檀宫渡假村南泉镇0.660.722.663.304.11 E-075.84 E-07新区20东风家园农民安置房无锡市金海里0.851.203.013.454.30 E-077.29 E-0721布勒机械制造有限公司新厂区东靠锡典路0.851.052.963.282.86 E-073.37 E-0722硕放机场民航区改扩建工程航站楼原硕放机场西北角0.701.153.103.473.53 E-073.01 E-07第二章 国内外城市雨水利用管理理论与应用现状第二章 国内外城市雨水管理技术理论与应用现状2.1 城市雨水管理技术与理论的发展人类利用雨水由来已久，其技术已流传数千年。雨水利用曾促进世界许多地方的古代文明。在我国古代，雨水一般多用于农业用水。除此之外，许多古代建筑也体现了雨水渗透原理，比较典型的有包括无锡地区在内的江南乡镇住宅内设天井来滞留雨水，杭州老城区在庭院中设天井沟和矩形渗坑等等，其实这些补充地下水和涵养水源的措施直至上世纪中叶还在使用。国外城市雨水利用同样历史悠久，据资料记载可以追溯到古罗马时期，罗马别墅甚至整个城市都将雨水屋顶集流系统设计为应用水和家庭用水的主要水源。其它许多国家也都能找到雨水利用的历史痕迹。但是随着人们对自然世界的进一步了解和现代技术的兴起，先是地下水的开采在许多地方逐渐替代了雨水利用技术，接着，修建了以控制雨洪、利用河川径流和开采地下水为目的的水利工程和以管道收集排放技术为特征的市政工程，为社会发展发挥很大的作用，也取得了巨大的效益，使得雨水利用除在少数缺乏水源地区外已被人们忽略。传统的城市建设的标志就是大量的硬化路面和钢筋混凝土建筑，与之相对应的传统城市雨水管理把雨水视为没有污染的“废水”，主张将其尽快排出地表，从而不对人们的日常生活造成影响。实际上，城市大气及地表会有大量来自生产与生活过程的污染物累积，雨水径流会携带大量的COD、BOD 及N、P 等非点源污染物，成为城市水体的潜在威胁。城市化的发展致使雨水径流对水体的污染程度更为严重。在美国，60的水污染源于以城市地表径流为主的非点源。在国外一些工业与生活点源得到有效控制的城市，COD污染负荷的4080来自于城市雨水径流。对我国城市而言，初步的保守估算，在城市污水收集、处理系统尚未建设完善的情况下，城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例约在10左右。随着城市发展过程中对点源污染治理的逐步重视，雨水径流污染负荷的比例还会逐步上升。此外，与砂地、黏土、草坪等天然地表在降雨期间能滞蓄3mm10mm降雨相比，不透水硬质地面在产生径流前只能保持不到1mm的雨水。城区内土地利用性质的转变造成径流系数加大，同时从降雨到产流的时间大大缩短，最终产流速度、径流量和洪峰流量都大大增加，峰现时间提前，给城市防洪排涝带来极大的压力。为了抵御日益加剧的洪涝风险，城市内不得不建设规模日益庞大的雨水管道系统和防洪系统。发达国家的雨水管理已经摆脱了传统的孤立考虑水患控制的思路，从仅仅关注管道末端快速排除雨水，转向将防治洪涝与城市生态、环境保护、水资源利用统筹考虑的综合管理思路。综合管理的目标是尽可能减少城市雨水系统对受纳水体的影响。城市雨水综合管理的主要内容为： 从单纯重视工程技术措施向工程措施与管理、养护并重； 从偏重大型收集处理设施转向同时注重中小型就近收集、处理设施； 用源头控制代替管道末端集中处理，用控制污染的产生替代解决污染造成的损害； 关注就地处理、雨水回用； 重视调蓄等措施，减少洪峰及污染物对受纳水体的影响； 尽可能采用接近自然状态的雨水排水系统，以保护生态、利用自净能力。美国环保总局（EPA）在第二代城市雨水资源管理和径流污染控制的“最佳管理方案”(BMPs)中，提出了适用于居住区、商业区以及工业区的多种雨水综合利用方案。其主导思想是：较清洁的屋面雨水蓄积利用，而地表径流首先通过渗滤设施下渗排除，超过设施渗透能力的径流通过雨水管渠排放。渗滤设施有植草沟、低势绿地、多孔渗水路面，以及渗透井、渗透塘、渗透管沟等。地面径流通过绿地、渗透性铺面等设施渗透至地下，可涵养地下水，减轻排水系统负荷，缓解城市面源污染。从此以后，一系列新的雨水管理方法发展起来。普遍的认识是暴雨雨水应该在当地得到削弱。新的方法基于小尺度，环保型技术，包括自然的或人工的雨水滞留与生物处理系统，如滞留塘、植被渗滤、湿地、渗滤设施、土地渗滤、透水铺面以及这些方法的组合。城市的发展还导致城市需水量快速增加，开发新的水资源、满足不断增加的城市用水需求成为城市可持续水管理的迫切任务。作为一种宝贵的水资源，雨水的开发与利用已经日益引起世界各国的重视。城市雨水资源化利用过程分为集流、输水、贮水和取水，主要方式包括就地利用和集中利用。城市雨水径流通过调蓄设施收集，就地直接利用；或者经地表产汇流，通过渠系和雨水管网汇流到贮水系统集中利用。城市雨水滞留与利用过程见图2-1。对地处江南水乡的无锡，污染程度较高的地表径流的集中利用在经济上缺乏吸引力。城市雨水就地滞留利用地表产汇流管网汇流贮水池集中利用居民小区及公共设施集流增加绿地截流、入渗修建渗透设施杂用水市政用水地下水补给河湖图2-1 城市雨水滞留与利用过程2.2 城市雨水管理新思想的实践雨水源头控制思想的实践，体现在渗透性地面、下凹式绿地、渗透沟，小区开放式排水系统，就地调蓄池，屋面雨水回用等技术的应用。2.2.1雨水入渗都市路面材料的透水化设计是降低雨水径流量的措施之一。具体做法是对行车道、人行道、广场、停车场等人工地面，尽量采用草皮砖、混凝土透水砖或多孔沥青或混凝土透水性铺面。应用渗透性路面的理想场所是交通流量较少的路段或停车场。由于不额外占用土地，在建筑物密集的市区，渗透性路面可以在土地再开发项目中得到成功的应用。但是在车流量大、污染比较严重的地方，多孔性路面的表面孔隙容易堵塞，不宜使用。适当降低广场、运动场、停车场等公共场地的标高，在暴雨强度超过排水系统设计标准时，低标高公共场地可起到滞留、存储雨水的作用，减少洪水危害，缓解暴雨洪水对骨干排水系统的压力。“贮留渗透空地”是利用停车场、广场、操场的空间，适当降低其设计高程，建成较低洼的、有一定透水性的地面。在下大雨时可引入不透水表面的径流，暂时贮存雨水，待雨水以自然渗透方式渗入地下、或逐渐经管道系统排除便可恢复原有空间功能。这种滞留设施用以抵御设计重现期长大暴雨，在大暴雨期间公共场地偶然积水，不致造成大的损害。应用敞开式的小区雨水排水系统有很大的优点，特别是在新的住宅区。住宅区使用植草渗透沟与植草洼地输送雨水径流，能够通过下渗、草皮的截流削减径流水量、净化水质。在过去10年中，世界上已经建成了数百个基于这些原理的暴雨雨水疏导处理设施，积累了大量的运行经验。这种排水系统适合适用于集中绿地面积较高，小区内排水间距不大，地下水埋深不是很浅的新建小区。日本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，并规定了各种入渗设施的设置密度，强化雨水下渗。美国的雨水利用常以提高天然入渗能力为目的，很多城市建立了屋顶蓄水和由渗池或渗井、草地、渗水地面组成的地表回灌系统。瑞典Malmo市雨水管理解决方案的基本原理集中在城市地区的源头控制措施和小规模就地处理。其新思想在于，方案要求在一幢房屋、一个停车区、一条街道的层面上开展。将首先产生城市径流的不透水地面和雨水与污染物混合的街道、屋顶作为关注的重点。因此，在Malmo，除了采用传统的滞留区和下渗设施之外，在土壤渗透能力允许的区域取消屋顶水落管与下水道之间的连接。采用草地下铺沙砾层的植草洼地消纳径流。路面径流被引导到两条交通线之间的草地下的大规模的下渗设施。2.2.2就地存储自1975年以来，悉尼郊区根据市政委员会的要求在公共地带建造了大型雨水滞留池。然而，这些滞留池不能用在靠近市中心建筑物密集地带。原地滞留池（On-site Stormwater detention， OSD）于1980年在悉尼北郊第一次运用。不久悉尼市得到推广。OSD的目的是减缓新建城市化地区径流系数增加对下游地区与骨干排水系统的冲击。具体方法为各独立住宅的业主或各地块的开发者自己建造小型调蓄池原地滞留净化雨水。到了1995年，悉尼地区中几乎所有的40个行政区都使用OSD。推行OSD是为了使开发者对管理和节制雨水径流承担责任。如今在悉尼设置了超过3500个OSD系统。在OSD被采纳之前，排水部门对于再开发的管理方法是向开发者收取资金，以此设立用以提高排水系统容量的基金。由于土地开发随机地发生，这种方法并非完全令人满意。同时在获得足够的资金用来扩大下游雨水系统容量之前还有一段较长的时间。因此系统长期不配套的情况必然发生。应用OSD系统的优点有：避免了因土地开发带来的对防汛的负面影响；不会出现因系统扩大而把问题转移到下游的情况；这种系统使开发者负起解决问题、承担费用的责任，在问题发生之时即解决，不会有所耽搁；并且为雨水污染控制提供了基础。其主要缺点是维修管理不便，对减少雨水中污染物、尤其是溶解性污染物作用有限；相对干管系统的大型调蓄池，OSD总体上是不经济的。小区景观水池用作雨水调蓄国内外均有实践。如德国波茨坦广场的屋面雨水收集后首先进入地下存储池用作杂用水，超过存储池容量的屋面径流溢入地面景观水池，用作景观补充水。上海市有多个利用居住小区景观水塘存储屋面雨水，同时调蓄洪峰并利用雨水的成功案例。2.2.3雨水利用雨水利用方法通常可分为直接利用和间接利用两种。直接利用是指雨水收集处理后用于绿地浇灌、路面喷洒、冲洗厕所和景观补水等用途。间接利用主要是将收集的雨水回灌补充地下水，实现人工水文循环。世界上许多国家不但从政策上鼓励雨水利用，而且制定了一系列法规条例强制实行雨水利用措施。其中，德、日、美等经济发达、城市化进程发展较早的国家，将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施试验、推广、立法和实施。德国是欧洲雨水利用工作开展得最好的国家之一，1989年德国就出台了雨水利用设施标准，对住宅、商业和工业领域雨水利用设施的设计、施工和运行管理，包括过滤、储存、控制与监测4方面制定了标准；目前德国的雨水利用技术已经进入标准化、产业化、集成化阶段，尤其在屋面雨水的收集、储存、过滤、回用方面都有一系列的定型产品和组装式成套设备，形成了成熟的城市雨水综合管理利用系统。政府制订了一系列严格的法律、法规，如要求任何新开发区域，均需设立雨水利用设施，否则将征收雨水排放设施费和雨水排放费。德国雨水利用的主要用途是市政用水和工业用水。为2000年汉诺威世博会开发的Kronsberg居民小区是一个绿色生态小区的范例。小区中的雨水通过绿地和长约11Km的路边洼地渗滤系统缓慢下渗，小区建成后，径流系数较开发之前几乎没有增加。东西德统一之后兴建的波茨坦广场是大型公共建筑屋面雨水利用的一个成功的范例。该工程将一部分屋面的雨水通过收集管道引入总容量共3500m3的两个地下存储池，存储水量相当于屋面年降雨量的15%。存储的雨水经过滤净化后用于冲洗厕所及灌溉绿地。2.3 国内城市雨水管理的现状及存在问题近年来，我国城市开始逐步重视雨水源头控制和综合管理。北方缺水城市起步最早，且侧重于雨水的利用；而南方城市则更多地体现出为控制面源污染和雨水利用并重的特点。山东的长岛县1995年出台了雨水利用的地方规定，有力地促进当地的雨水利用项目的实施与推广。而北京则是目前国内雨水利用方面做得最好的城市，北京市与德国合作开展了中德雨水利用课题研究，2003年3月北京市规划委员会和水利局联合发布了“关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定”，该规定要求“凡在本市行政区域内的新建、改建、扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建设”。标志着北京市的雨水资源利用工作已进入实施推广阶段，至2006年，北京已经建成不同规模和形式的雨水利用设施近50个，年可节水120万m3，对城市雨水利用起到很好的带动和示范作用。如：北京市政府大院2005年建成一套屋面雨水收集利用系统，建设地下蓄水池存储收集的雨水作为杂用水；海淀公园建成一套雨水收集回灌系统，它利用地势收集雨水，经过沉淀处理，由配水井分至两个回灌井，最终将雨水回灌到地下。公园内道路两侧的草坪下都埋着地下渗沟，在地势低洼地区，还挖了入渗井，增加入渗量。对于5年一遇的降雨可以100%入渗，对于10年一遇的大雨可以入渗70%；位于北京顺义的一个大型社区东方太阳城，总占地约234万m2，有近16万m2人工生态湖面和逾75万m2的运动休闲绿地，小区内建设了雨水收集设施，利用雨水补充景观水体和作为绿化用水，平均每年可利用雨水资源70多万m3。西安市编制了西安市雨水利用规划，并于2007年11月底通过专家审查，为西安市的雨水规范合理利用提供了指导。此外，太原、大连等大城市也相继开展了雨水调蓄、利用的研究和实践。上海市对雨水排江的污染问题高度重视，组织相关研究单位对雨天径流污染特征和规律开展了多年的调查，已在部分区域开始建设雨水就地滞留，促渗等相关设施，并正在研究进一步的污染控制措施。在雨水利用方面，有关管理部门组织制订了“上海市居住小区雨水利用与水景观工程实施导则”，将小区雨水收集利用与景观水的补充结合考虑。出台了上海市新建住宅节能省地发展指导意见，要求新建住宅区收集屋顶雨水利用，小区杂用水的20%由雨水解决。上海世博会将建设大面积屋面雨水利用系统，其核心区域的公共活动中心、演艺中心、主题馆、中国馆等四大永久场馆和世博轴景观顶棚都将建设屋面雨水利用系统，按世博会地区市政用水规划，世博会浦东场馆区市政用水系统采用屋面雨水和黄浦江双水源，大面积收集屋面雨水。深圳市编制完成了深圳雨洪资源利用规划研究，提出了符合该市实际的雨洪资源利用近远期目标，并积极推进深圳市的雨洪资源利用工作。其利用措施主要包括蓄水工程挖潜改造、河道蓄滞雨洪、分散雨水收集利用、地下水补充与利用、科学调度等五个方面。蓄水工程挖潜改造主要包括新建、扩建和恢复利用部分现状无人管理或另作他用的小水库。河道蓄滞雨洪主要是结合全市水环境综合整治工作，利用河道及河岸低洼地形条件，滞留河道径流，在河道内适当部位建闸或堰进行洪水拦蓄，或在河道周边低洼地段设置滞洪区。分散雨水收集利用主要是用作景观水体补充水和公园广场绿化用水，对于新开发或改造小区，可结合小区规划，对屋面雨水、绿地雨水及道路广场的雨水进行收集，修建小型蓄水工程，分散集蓄，供小区补充景观用水、市政杂用水。目前，深圳已有部分开发商做了雨洪利用工程，如横岗的振业城利用地势修筑了人工湖利用雨水做为景观补充水；半山海景花园设置集水池收集南山的雨水和山泉，供绿化浇洒使用。地下水的补充与利用主要是在城市建设中，采用透水砖、草皮砖等，或者挖穿不透水层埋设带孔透水管等，或者修建水源涵养林，使尽可能多的雨水渗入地下，增加地下水的补给。无锡本地也进行过小规模的雨水滞留与利用尝试，如在十八湾景区中建设了透水混凝土路面。无锡长江国际花园小区将雨水用于绿化浇灌、道路浇洒、洗车，运行的效果良好。然而，与发达国家相比，我国在城市雨水滞留、集蓄利用及人工促渗补充地下水领域，无论在研究还是在工程经验方面均存在明显差距，需要更多的关注和深入研究，在应用中不断总结完善。存在的主要问题有：（1）缺少相关法规与政策的支持；（2）缺乏技术规范与标准；（3）各地普遍缺乏对当地自然条件下，雨水径流特性和污染状况等基础性数据的调查，城市雨水管理策略与技术路线缺少针对性；（4）城市雨水利用和径流管理尚未纳入建筑和城市规划的考虑范围，设施建设随意性过大；（5）缺乏城市雨水利用与城市雨水管理（污染防治、防涝和排放等）的关系与对策的研究；自源头起，在不同的空间尺度范围内尽可能滞留、渗透雨水，减轻排涝压力、削减城区面源污染负荷、降低土地开发对生态环境的影响，是城市可持续发展的要求。为此，本课题将在调查分析无锡市土壤渗透性能、地下水埋深分布，讨论地表径流的污染负荷，排水系统可利用水头与排放距离，以及不同类型开发区域土地利用情况的基础上，确定主要雨水源头管理措施在无锡市的可行性及适用条件，提出应用源头控制的技术要求以及管理政策。第三章 屋面雨水收集利用第三章 屋面雨水收集利用3.1 屋面雨水利用概述雨水利用时，应综合考虑雨水水量水质以及利用要求，选择合适的收集利用方法。城区雨水主要有屋面、道路、渗透性地面三种汇流介质，无锡市目前尚未对各种汇流介质的水质进行过系统的研究，本课题组有在上海进行相关研究的经验，考虑到无锡和上海地理位置相近，城市状况与上海市相似，且降雨特性和产汇流情况基本一致，因此借鉴上海市的研究结果说明无锡市的情况。表3-1为这三种汇流介质径流水质的比较。其中，地面径流雨水水质最差；渗透性地面径流雨水基本以渗透为主，可收集雨量有限；相对而言屋面雨水便于收集利用，污染程度较轻，利用价值最高，且由于城市区域屋面面积巨大，屋面雨水在量上也具有明显的优势，世界上许多国家都对屋面雨水资源的开发利用表现出极大兴趣。已有研究表明，屋面雨水初期径流水质也较差，这主要是屋面材料分解和大气污染的原因，所以屋面径流进行利用时也需考虑初期弃流，以减轻处理构筑物的负担，节约投资和运行费用。屋面雨水利用通常还具有以下优势：(1) 收集利用系统简单易操作，维护运行成本低；(2) 水质较好，不经或经过简易处理就能满足水质要求较高的用途；(3) 与其它供水工程相比，屋面雨水利用工程对自然生态环境影响很小。表3-1 上海市城区不同汇流介质污染比较主要污染物路面 屋面 渗透性地面质量浓度(mgL-1）污染负荷(Kghm-2a-1)质量浓度(mgL-1)污染负荷(Kghm-2a-1)质量浓度(mgL-1)污染负荷(Kghm-2a-1)COD2052214475083691BOD568734141511843SS185199855594431033.2 无锡市利用屋面雨水的可行性由上节可见，一般城市中考虑利用雨水时，从水质、水量和对后续收集处理的要求等各方面综合考虑，都会首选屋面雨水，无锡市同样如此，屋面雨水的利用不但是可行的，而且应该是无锡市唯一值得有意识利用的雨水汇流介质，理由有三条，一是屋面雨水相对洁净，处理方式比较简单易行；二是雨水路面径流水质太差，处理和收集难度都较大，当雨量较小时，弃流后雨水基本收集不到，在无锡这种水资源并不紧缺的城市没有任何利用价值；三是在无锡市区表层杂填土中收集地面下渗水不具备技术经济可行性，而表层土以下原状土的渗透系数又很小，补给地下水资源的作用相当有限。因此无锡市在雨水收集利用方面的原则应是“收集屋面雨水，促渗地面雨水”。现阶段，如直接对已有建筑屋面进行雨水收集设施改造和兴建雨水储存池，将受到建设资金、用地等条件的限制，有相当的难度，不易推行。因此，较为妥善的方法是结合建筑物的新建或改扩建，建设屋面雨水利用设施，雨水储存调蓄容量则尽量利用水景的容积，对新建小区杂用水需求量大的，鼓励开发单位建设地下调蓄设施。无锡地区最近几年老城区面临改造，城市化地区面积不断扩大，比如市政府的搬迁；新区、滨湖区、锡山区和惠山区等新建城区均处在城市化建设的高潮，预计在未来1020年时间内将兴建大量大型公共建筑和大型居住区，均有条件进行屋面雨水的收集利用，从现阶段起在无锡推行雨水利用是可行的。上海房地局的节能省地住宅发展指导意见中要求：屋顶面积在1万m2以上的居住区应采用屋面雨水收集利用技术。考虑到规模效应，大面积屋面的雨水收集利用在经济上较为合理，无锡城区的雨水利用宜以大型建筑为主。建议配套建设屋面雨水收集利用设施的主要对象为行政办公用房、体育场馆、大型会展场馆、大型商业用房。对居民小区，无锡市已经采取措施在阳台设置两根立管分别收集雨水与洗涤废水，新建居民小区、开发方有积极性的可鼓励进行屋面雨水收集利用。3.3无锡市屋面雨水水量、水质和收集利用方法在实际屋面雨水利用中，分析和掌握屋面雨水水量，水质状况和需求情况，对设计经济合理的收集、处理和利用系统具有重要意义。3.3.1 屋面雨水水量特点无锡市属北亚热带季风气候区，降雨年内分配不均，主要集中在69月，梅雨期常年出现在6月15日至7月10日，兼有暴雨和连阴雨的特点。屋面雨水径流的年可利用量可按下式粗略估算，较为精确的计算可采用统计降雨频率累计法。QpabA(H10-3) （31）式中：Q屋面年平均可利用雨量，m3； p径流系数（通常取0.9）； a季节折减系数； b初期弃流系数； A集水面水平投影面积(m2)： H年平均降雨量，mm。其中季节折减系数a考虑了当地气候、季节等因素对有效径流量的影响，可选择0.9。初期弃流系数b根据当地降雨和水质资料确定。根据无锡市的降雨特点，按2mm弃流量考虑，b建议选取0.85。3.3.2屋面雨水水质状况屋面雨水收集利用系统设计的重要考虑因素之一是屋面雨水水质。考察单场降雨过程中污染物的浓度或负荷的变化对收集利用系统设计具有重要价值。由于屋面雨水经常表现出初期冲刷效应，初期径流中污染物浓度较高，为了节约处理成本和提高收集利用效率，通常将该部分雨水舍弃而直接排入市政管道。在设计系统时，如何确定弃流量和选择弃流方式与污染物出流过程密切相关。但由于屋面雨水径流过程受到许多不可控因素的影响，表现出较大的偶然性和随机性，对屋面雨水污染状况及污染物出流规律的调查需要花费大量的人力、物力和时间，短期内难以完成。因此，本课题参考相邻的上海市的调查数据。根据本课题组对上海市典型屋面的多年调查结果，屋面雨水的主要污染物TN、TP、COD、BOD5和SS的EMC平均值为5.261mg/L、0.134 mg/L、47 mg/L 、14 mg/L和55 mg/L；其中TN主要为溶解态，占70.995.6，且其主要来源于天然雨水；而颗粒态磷（PP）占TP的比例为57.979.8，是TP的主要存在形式。此外，由于屋面径流水质不仅与降雨强度和降雨量有关，还受空气质量、气温、前期晴天数等因素影响，各场降雨之间的水质变化较大。其中降雨强度和降雨量是最主要的影响因素，但屋面雨水污染物的主要来源为屋面的沉积物、天然降水和屋面材料。屋面沉积物和天然降雨污染主要受城市总体空气质量影响，是屋面雨水污染的外部来源；而屋面材料则是污染内源，屋面在降雨过程中受雨水径流冲刷腐蚀可带入少量污染物质，不同屋面材料对屋面雨水水质的影响不同，但城市常见的混凝土屋面对屋面径流中污染物含量贡献较小。图3-1是上海市典型屋面径流过程的主要污染物浓度变化过程。从图中可以看出，在径流初期，主要污染物的浓度通常较高，水质混浊，初期污染严重，COD约为150200mg/L，SS约为200mg/L，TN约为810mg/L，TP约为0.5mg/L。图3-1 屋面径流主要污染物随降雨历时的典型变化图3-2是TSS、TP、TN和COD典型的初期冲刷图。该曲线的横坐标是累积流量与总流量的比值，纵坐标为累积污染负荷与总负荷的比值。当纵坐标大于横坐标时，即认为存在初期冲刷。且当纵坐标与横坐标的差值越大，初期冲刷越明显。一般地，初期冲刷受汇流区域大小、降雨强度、前期晴天数等因素的影响。从图3-2可知，TSS、TP、TN和COD的初期冲刷强度都不是很大，但TSS、TP和COD的初期冲刷效应要强于TN。但在某些情况下，TN几乎无初期冲刷。由此可以预计，初期弃流装置控制TSS、TP和COD污染的效果要比TN好。在占总体积20的初期径流中，TSS、TP和COD污染负荷均占总负荷30左右，表现出一定的初期冲刷；在实际初期弃流装置设计时，应进行经济技术对比选择最佳弃流量。图3-2 两次屋面径流过程主要污染物的M（V）曲线图（2007-08-02和2007-08-03）3.3.3 屋面雨水收集利用系统屋面雨水收集利用系统通常包括三部分：收集系统、输送系统和储存系统。根据屋面大小和构造的不同，雨水收集系统也各有不同，但基本原理类似：雨天屋面径流经天沟或屋檐汇集后进入管道系统，然后经过初期弃流由储水设施储存。当雨水水质较差或用于市政杂用时，需要对收集的屋面雨水进行简单处理（沉淀、过滤、消毒等）。收集系统通常为屋面和各类顶棚等，城市屋面的典型材料为混凝土、粘土瓦、金属、沥青以及其它木板或石板。不同的材料对雨水水质有不同的影响，譬如部分老建筑仍在使用的沥青屋面在降雨过程中会析出少量污染物质，使径流COD含量升高，并可能产生某些有毒有害的有机物质，对屋面雨水利用产生不良影响。考虑到屋面雨水利用的经济技术可行性和雨水回用安全性，建议沥青屋面雨水不进行收集利用；除要选择合适的屋面材料以保证雨水水质之外，还要保持适当的坡度，防止雨水滞留，屋面顶棚位置应减少落叶及碎屑等的堆积。输送系统通常包括屋面排水沟、重力流或虹吸雨水排水系统和初期弃流装置。屋面排水沟应有足够的坡度以利于排水，定期维护和清洗防止发生堵塞；排水沟进入落水管的进出口处可设置滤网或过滤器防止树叶和树屑进入。此外，无锡居民经常把洗衣废水直接连入落水管，造成雨水系统出水污染物浓度增加，降低屋面雨水可利用性。为防止此情况出现，对新建建筑，阳台需要专门设置排水立管；对改造的旧建筑，向居民宣传正确的做法、需清理非法连接；或新排专门的屋面雨水收集立管。当系统设置弃流装置且弃流装置连接多个雨水斗时，为防止不同流程的初期雨水相互混合导致初期冲刷效应减弱，雨水斗至弃流装置的管长宜接近。由于经常出现初期冲刷，屋面雨水经落水管后一般应进入初期弃流装置，通过初期弃流装置将初期较脏的雨水排入小区污水管道，进入城市污水处理厂处理后排放，可以去除径流中一部分污染物，包括细小的或溶解性污染物，防止初期径流污染对环境的影响。另外，雨水弃流排入污水管道时应确保污水不会倒灌回弃流装置内。初期弃流装置种类很多，根据其弃流原理，大体可分为流量式和量式；流量式弃流装置根据计算而得的初期弃流量运行，当初期弃流量达到设定值，之后的雨水将流入储存设施。雨量式弃流方法是以降雨量作为弃流标准，当雨量超过设定值，之后产生的径流全部流向储存设施。初期雨水弃流量一般应按照建设用地实测收集雨水的污染物浓度变化曲线和雨水利用要求确定。当无资料时，可采用2mm径流深度作为屋面初期雨水弃流深度。雨水经过初期弃流进入到存储设施中。存储设施是雨水收集利用工艺的一个主要部分，是实现雨水有效收集利用的重要保证。它不仅储存屋面雨水，同时也可起到调节和沉淀等作用。根据屋面的大小，存储设施的种类和形式也多种多样。对于大型屋面或整个建筑小区屋面雨水的收集，则需要考虑建造专用存储池或利用景观水池。存储池的计算方法见下文。3.3.4屋面雨水处理方法和水质指标某些屋面雨水经过弃流后，可能仍然不能达到用水要求，需要进一步进行处理。通过对屋面雨水水质的可生化分析得出，一般BOD5/COD值在0.100.15之间，说明屋面雨水可生化性较差，不宜采用生化处理，一般采用物化方法处理。雨水净化工艺应根据收集雨水的水量、水质以及回用雨水的水质要求等因素，进行技术经济比较后确定，总体要求是力求简单，其理由是：雨水的水质净化设施在全年中大部分时间处于闲置状态；经过弃流后，简单的处理工艺就能使水质达到要求。国外和我国台湾省的经验也是如此。若出水作为杂用水，则处理工艺的选择应以简便实用为原则，优先考虑滤网、混凝、沉淀和过滤等物化处理方案。通常雨水处理系统均设置滤网，以去除雨水中的粗大颗粒。滤网可设置在雨水立管上或蓄水池前，还可直接设在蓄水池内的进水处。为发挥滤网的功能和不对整个收集系统产生干扰，滤网的设置应符合以下条件：为防止堵塞，滤网的孔径不宜少于2mm；滤网的设置不得影响过水能力；设置安装应便于检查和维修。对于悬浮物含量较高的雨水，设置混凝设备能提高后续处理效率。沉淀是解决雨水泥沙与悬浮物的最适用方法。形式宜采用平流式沉淀池，易于建造，且沉淀效率较高。沉淀池停留时间最小不应小于2h，对于屋顶径流（去除初期径流后）等较清洁的雨水在沉淀后能去除70的悬浮物、40的有机污染物质。值得一提的是，雨水存储设施也具有一定的沉淀功能，可以去除部分悬浮物质。 过滤可进一步去除前处理中剩余的悬浮物固体颗粒、胶体物质、浊度及有机物等，提高出水水质。雨水在过滤之前应去除初期雨水，否则滤池极易堵塞。雨水过滤池设计一般采用单层滤池和双层滤池，单层滤池滤料可采用细纱，滤料粒径