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现代雨水综合利用的基本理论与技术(一)  

2012-01-16 10:09:08|  分类: 《天下》2011年第 |  标签: |举报 |字号 订阅

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/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。

更多文章请详见《休闲读品·天下》2011年第四辑《现代雨水综合利用的基本理论与技术》

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