徐航1，何品晶2，宗兵年1
(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

　　摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快和居住水平的提高，城市暴雨徑流產(chǎn)生洪澇災(zāi)害、惡化水體質(zhì)量的危害日益明顯；另一方面，雨水是重要的資源，適當(dāng)回用可解 決城市發(fā)展過程中水資源短缺的問題。提出了以雨水綜合池作為平抑洪峰、削減污染和回用雨水的綜合性構(gòu)筑物，建立城市雨水“防洪、減污、回用”綜合控制系統(tǒng)，這既削減了暴雨徑流給城市生活帶來的不利因素，又發(fā)揮了其潛在的水資源價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：城市雨水；雨水綜合池；防洪；減污；回用
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)02-0061-04　

　　城市降雨及徑流與城市生活緊密相關(guān)，特殊的地理環(huán)境使其同時(shí)具有危害性與資源性。例如 ：①強(qiáng)度大、頻率高的降雨易形成洪澇災(zāi)害，在城市發(fā)展過程中，不透水地表鋪砌面積的不斷擴(kuò)大和建筑密度的提高，使地面徑流形成時(shí)間縮短，峰值流量不斷加大，排水系 統(tǒng)的雨季流量與旱季流量的比值上升，產(chǎn)生洪澇災(zāi)害的機(jī)會(huì)增加、危害加劇；②據(jù)國外有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，在一些污水點(diǎn)源得到二級(jí)處理的城市水體中，BOD5負(fù)荷約有40%～80%來自于降雨產(chǎn)生的徑流，它是主要的城市水體污染面源之一。③將經(jīng)過簡單處理的雨水回用作城市綠化、街道灑掃和景觀等處的生態(tài)型用水是重要的開源措施，而在貧水、缺水地區(qū)，雨水是一種重要的甚至是主要的水資源。
　　從20世紀(jì)70年代起，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家從保護(hù)水環(huán)境及充分利用水資源的角度出發(fā)，開始研究適合治理雨水污染及回用的處理工藝(如在雨水調(diào)節(jié)池后設(shè)簡單的沉淀及砂濾裝置)及相關(guān)的管 理模型(如：SWMM暴雨雨水管理模型；STORM儲(chǔ)存處理與漫流模型；Battelle徑流管理模型等)。在我國，許多城市面臨著水量型或水質(zhì)型缺水的問題，如何更有效地使用、管理雨水資源已開始受到普遍關(guān)注。部分大中城市(北京、上海、杭州等)已著手監(jiān)測降雨及其徑流的水量和水質(zhì)變化規(guī)律，逐步積累供雨水回用及治理污染所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　筆者基于對城市降雨徑流雙重屬性的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為對城市降雨的管理應(yīng)從綜合削減暴雨徑流的不利因素和發(fā)揮其潛在水資源價(jià)值的正反兩方面出發(fā)，找到兼顧兩者的平衡點(diǎn)，并提出了;“ 防洪、減污、回用”的雨水管理綜合系統(tǒng)邏輯模型(見圖1)。

　　1 分區(qū)規(guī)劃

　　城市集商業(yè)、交通、居住、工業(yè)等功能區(qū)域于一體，各區(qū)域?qū)Ψ篮榕艥臣八Y源的需求差別較大。城市綠化及居住區(qū)域的地表情況接近于自然土地，能有效地截留暴雨徑流和削減 其量，同時(shí)也允許有一定的積水量；而在重要的商業(yè)、交通地帶，大規(guī)模的地面鋪砌與建筑使暴雨形成徑流的時(shí)間大大縮短，洪峰流量增大，一旦受害，損失巨大。因此必須根據(jù)各區(qū)域的不同要求實(shí)施分區(qū)規(guī)劃，對徑流密集的區(qū)域采取集中收集導(dǎo)排，進(jìn)而提高城市重要社區(qū)的防洪水準(zhǔn)。此外，針對不同水質(zhì)進(jìn)行分區(qū)收集對于削減污水處理量和降低回用水處理成本 是極為有利的，根據(jù)國外的研究及我國的實(shí)際情況，可以按照以下方法進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃：①根據(jù)區(qū)域防洪治澇規(guī)劃，提高重要區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模雨水產(chǎn)流區(qū)域(大型綠地、主要交通干道)與其他區(qū)域分開設(shè)計(jì)，減輕排水管系負(fù)擔(dān)。②地表徑流水質(zhì)相差較大的區(qū)域，雨水回用時(shí)應(yīng)分區(qū)收集與處理。③區(qū)域劃分應(yīng)考慮水量平衡，減少雨水跨區(qū)回用，以降低管系造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用及管理難度。

　　2 暴雨及徑流的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　為確定設(shè)計(jì)區(qū)域的降雨及其徑流特性，首先必須按區(qū)計(jì)算暴雨及其徑流量。近年來的研究表明，對于面積＜2km²的城市小區(qū)，可采用城市暴雨強(qiáng)度公式及流量公式來計(jì)算；而隨著計(jì)算區(qū)域的擴(kuò)大，采用排澇計(jì)算方法(如推理公式法)等更為適宜。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)采用 2～5a，如果采用分區(qū)排水，則應(yīng)按不同的因素選取適合本區(qū)域的徑流系數(shù)并分別計(jì)算。

　　3 雨水綜合池—管系設(shè)計(jì)

　　雨水綜合池是雨水綜合系統(tǒng)中具有簡單處理能力的貯水構(gòu)筑物，是實(shí)現(xiàn)雨水綜合系統(tǒng)多重效益的重要保障。與傳統(tǒng)雨水調(diào)節(jié)池相比，它不僅具有平抑雨洪峰值、減少下游管段容量的功能，還是雨水回用、減污等多種功能的載體。在原有排水系統(tǒng)不變的情況下，利用綜合池的調(diào)洪容量可提高設(shè)計(jì)區(qū)域的防洪標(biāo)準(zhǔn)；綜合池中的簡單處理設(shè)施可去除雨水中的部分污染物，提供符合要求的回用水；同時(shí)綜合池建造也可與周邊環(huán)境配合設(shè)計(jì)，成為區(qū)域水景觀的組成部分。為使雨水綜合系統(tǒng)充分發(fā)揮防洪、回用及減污功能，應(yīng)著重考慮三者的平衡，以取得最佳效益。
　　3.1 系統(tǒng)防洪能力計(jì)算
　　在雨水排除系統(tǒng)中，調(diào)洪構(gòu)筑物的防洪能力和排水管系的關(guān)系可依據(jù)水量平衡方程來推求。利用徑流過程圖，作設(shè)計(jì)超越流量切割暴雨徑流過程線，所切割的洪峰部分即為調(diào)洪設(shè)計(jì)容積，剩余部分即為下游管系排水能力。
　　水量平衡方程為：
　　Q(t)-q(H)＝Ω(H)(dH/dt) 　　　　　　(1)

　　式中　H ——貯水池調(diào)節(jié)水深
　　　　　t——調(diào)洪開始時(shí)間
　　　　　Q(t) ——來水曲線
　　　　　q(H)——泄水曲線
　　　　　Ω(H)(dH/dt)——隨時(shí)間改變的貯水池水位變化過程線
　　假設(shè)泄水曲線不隨時(shí)間變化，則調(diào)洪體積為：

　　W＝∫^t1t2Q(t)dt-q(t₂-t₁)＝aQτ (2)

　　式中　t1 ——調(diào)洪開始時(shí)間
　　　　　t2——調(diào)洪結(jié)束時(shí)間
　　　　　a——貯水池容積系數(shù)(隨雨型、歷時(shí)、調(diào)節(jié)流量而變化)
　　研究認(rèn)為，當(dāng)雨峰位置r＝0.5時(shí)具有相當(dāng)?shù)拇硇裕藭r(shí)：

　　α＝q_max/Q (3)

　　式中 Q ——計(jì)算暴雨最大徑流量
　　　　q_max——雨水管系最大輸水量

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

　　當(dāng)qmax確定以后，單場暴雨最大徑流量或最大暴雨設(shè)計(jì)流量Q與調(diào)洪體積W關(guān)系為(利用不同的Q值，對應(yīng)一定的調(diào)節(jié)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

　　據(jù)此W＝f(Q)方程，并圖示調(diào)洪容量—暴雨最大設(shè)計(jì)年限關(guān)系，可以快速查找(在既定的雨水管道及泵站基礎(chǔ)上)調(diào)節(jié)容量與“管道+綜合池”協(xié)同工作時(shí)所能提供的最大雨水排除量，從而圖解雨水綜合池提供的防洪排澇能力。
　　3.2 雨水回用需求計(jì)算
　　回用水量的確定必須考慮兩個(gè)因素：①當(dāng)?shù)亟涤陱搅魉芴峁┑臐撛谒浚虎跐M 足回用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的需水量。
　　3.2.1潛在水量計(jì)算
　　當(dāng)?shù)亟涤陱搅魉芴峁┑臐撛谒縍P可用水量平衡法、下滲公式法、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法、初損后損法和徑流系數(shù)法等計(jì)算。當(dāng)城市區(qū)域缺少相關(guān)的水文資料時(shí)，利用降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法可較方便準(zhǔn)確地計(jì)算單場暴雨總產(chǎn)流量。在計(jì)算潛在水量RP時(shí)，根據(jù)回用要求 按月、季或水文年作為單位，計(jì)算出單位時(shí)段潛在水量RP的直方圖，并作區(qū)域水量平衡計(jì)算。
　　3.2.2回用需水量計(jì)算
　　建立回用分類需求表(見表1)，可以按照不同回用目標(biāo)、回用水質(zhì)和匯流流域特性等要求， 確定滿足回用要求的不同需水量。

　　當(dāng)Qi＜RPi，即潛在水量可滿足回用水需水量時(shí)，回用水量可按Qi來設(shè)計(jì)，同時(shí)亦可考慮用于其他區(qū)域回用的部分容量；反之，當(dāng)Qi＞RPi，即回用水需水量大于潛在水量時(shí)，回用水量可按RPi來設(shè)計(jì)，但同時(shí)必須考慮其他的可回用水及雨水的跨區(qū)回用所帶來配水系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和管理上的要求。

　　4 系統(tǒng)的綜合效益比較

　　城市雨水綜合排除系統(tǒng)綜合效益的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。在德國等發(fā)達(dá)國家，為滿足城市防洪要求的提高及環(huán)境執(zhí)法上的日趨嚴(yán)格，正不斷尋求更為合理有效的設(shè)計(jì)方法以達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化目標(biāo)。系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)效益分析可用下式表示：

　　E＝E₁+E₂-E₃-E₄-E₅-E₆-E₇

　　式中　E——系統(tǒng)綜合效益
　　　　　E1——投入值，包括工程土建費(fèi)、設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)等
　　　　　E2——運(yùn)行及回用水處理費(fèi)用(藥劑、人工和電費(fèi)等可比照的中水回用費(fèi)用 )
　　　　　E3——節(jié)省城市引水和凈水的邊際費(fèi)用
　　　　　E4——雨水回用帶來的國家財(cái)政收入(按因缺水而造成國家的財(cái)政損失計(jì))
　　　　　E5——減少污染排放而產(chǎn)生的社會(huì)效益
　　　　　E6——提高防洪水準(zhǔn)而減少的經(jīng)濟(jì)損失
　　　　　E7——節(jié)省的城市排水設(shè)施建設(shè)費(fèi)用

　　E₄～E₇項(xiàng)為系統(tǒng)所產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因各地情況及雨水管理要求差異較大，數(shù)值會(huì)有差別，但對水質(zhì)劣于雨水的中水回用研究表明，當(dāng)E₄＝5.48元/m³，E5＝2.03元/m³，E7＝0.36元/m³時(shí)，其效益相當(dāng)明顯。

　　5 示例計(jì)算

　　上海浦東新區(qū)某新建居住區(qū)的規(guī)劃面積為189.4hm²，區(qū)域年均降雨量為1100mm，街坊內(nèi)雨水通過支管匯入小區(qū)中部的雨水干管，最后匯入小區(qū)外河道或回用于區(qū)內(nèi)綠地。
　　5.1 區(qū)域劃分
　　綜合小區(qū)用地情況、防洪要求及雨水綜合池建造要求，將該小區(qū)劃分成4個(gè)主要設(shè)計(jì)區(qū)域，其主要用地指標(biāo)計(jì)算見表2。

表2 小區(qū)用地類型分布

　　5.2 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度及徑流計(jì)算
　　設(shè)計(jì)重現(xiàn)期TE＝3a，t＝t1+2t2＝60min，計(jì)算暴雨強(qiáng)度公式為：

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

　　雨水設(shè)計(jì)流量公式為：

　　q＝iφF

　　式中 φ——徑流系數(shù)(綠地φ＝0.2；道路φ＝0.9；其他φ ＝0.8)
　　　　　F——匯水面積，hm²
　　計(jì)算得各分區(qū)排水管系最大設(shè)計(jì)流量為：
　　q_1max＝3.55m³/s；q_2max＝5m³/s；
　　q_3max＝7.24m³/s；q_4max＝4.55m³/s。
　　以X₁區(qū)域?yàn)槔＝f(Q)方程并圖解得調(diào)洪容積(W)—設(shè)計(jì)年限(T)相關(guān)圖，見圖2、3。

　　利用帶砂濾裝置的綜合池，可以削減85%的顆粒污染物，實(shí)現(xiàn)非飲用水的回用，其潛在可回用水量取年平均降雨量的50%加以計(jì)算。區(qū)域雨水回用主要用于綠化用水［4L/(m²·次)］、街道灑掃用水［2L/(m²·次)］和洗車用水［400L/(輛·d)］，回用水需求見表3。

　　5.4 系統(tǒng)分析
　　在原雨水排除體系的基礎(chǔ)上，綜合池設(shè)計(jì)將決定雨水綜合排除系統(tǒng)的防洪能力、污染物去除率和回用保證率，以X₁區(qū)域?yàn)槔到y(tǒng)綜合效益見圖4。
　　從計(jì)算結(jié)果來看，調(diào)節(jié)池容量與回用水利用率及污染物去除率呈線性關(guān)系，而與系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期呈指數(shù)關(guān)系。對系統(tǒng)作綜合效益比較，30a暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可達(dá)到較好的洪防、治污及回用目標(biāo)(見表4)。

　　6 結(jié) 論

　　①雨水綜合排除系統(tǒng)為多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)，在確定綜合池容積在排水體系中的比例時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)赜盟F(xiàn)狀、防洪要求、經(jīng)濟(jì)條件、供水水源情況及水污染現(xiàn)狀在系統(tǒng)決策中的重要性，從而有所側(cè)重地確定主要決定因素，提高綜合池的利用率，充分發(fā)揮其社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。
　　②從浦東規(guī)劃新建居住區(qū)示例的計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為，城市雨水綜合排除系統(tǒng)起到了調(diào)洪、減污和回用等多重功能，可以對城市生活起顯著的改善作用。

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收稿日期：2000-10-11