簡介： 雨洪利用是減輕北京城市汛期防洪壓力、緩解缺水局面的重要措施。北京從2000年開始系統(tǒng)開展了相關研究，建設了5種類型總面積60ha的6個雨洪利用示范區(qū)，建立了雨洪收集、利用的技術體系和推廣應用保障體系。本文對其相關的主要研究成果進行簡介，旨在推動雨洪利用技術的進一步深化和廣泛應用。
關鍵字：雨洪利用 城區(qū) 示范

隨著北京城市化進程的加快，建成區(qū)面積不斷擴大，從而導致不透水面積大幅度增加，致使相同降雨條件下，徑流系數(shù)增大，洪峰提前，洪量增大，對城市排水和河道行洪構成巨大的壓力，也威脅著首都的城市安全。因此，在國家科技部和德國聯(lián)邦教研部（BMBF）的支持下，在北京市發(fā)改委、北京市科委和北京市水務局的資助下，從2000年開始開展了“北京城區(qū)雨洪控制與利用技術研究與示范”項的研究。項目的目標是建立實用的雨洪控制與利用技術體系和推廣應用體系，以充分利用雨水，緩解水資源危機、削減洪峰流量，確保首都防洪安全。因此，本項目系統(tǒng)研究了北京城區(qū)降雨徑流的水質與水量規(guī)律、雨洪收集、滯蓄、傳輸、處理、回用和入滲回補地下水技術、透水磚及地面鋪裝技術，提出了雨洪利用基本模式和擬定了相關政策和技術規(guī)范，建設了5種類型總面積60 hm²的6個雨洪利用試驗示范區(qū)。項目于2005年2月通過了專家鑒定，結論認為本項目首次對我國城市雨洪利用進行了系統(tǒng)的技術集成示范研究，具有較高的實際應用價值，總體技術達到國際先進水平，對中國城市的雨洪利用具有開創(chuàng)性意義。

1 主要科學技術成果

    項目分基礎性研究、應用性研究和示范推廣研究3個層次開展，通過基礎研究為應用和示范推廣研究提供依據(jù)；通過應用性研究形成雨洪控制與利用的技術體系，通過示范推廣研究建立推廣應用體系。

    1.1 基礎性研究成果

    通過歷史資料收集、現(xiàn)場勘探和試驗，查清了北京城近郊區(qū)的第四系水文地質的地層巖性、分布規(guī)律和入滲性能，對表層巖性進行了分區(qū)，在此基礎上對地下水環(huán)境的脆弱性進行了評價和分區(qū)，指出了適宜地下水回灌的地區(qū)。

    以1999年1/5000航空影像資料為底圖，利用遙感圖像處理技術和GIS軟件對規(guī)劃市區(qū)范圍內的下墊面類型進行了全面的統(tǒng)計分析，得到了24種不同類型下墊面所占面積及其分布。并通過對不同年代城區(qū)下墊面的調查和統(tǒng)計分析，總結了不同年代下墊面的變化規(guī)律，為進行城區(qū)降雨徑流規(guī)律分析和雨洪利用總體規(guī)劃提供了基礎資料。

    利用28個雨量站的系列資料，對北京規(guī)劃市區(qū)不同重現(xiàn)期的10min～7d短歷時和月、汛期、年長歷時雨量進行了分析，得出了相應的統(tǒng)計參數(shù)，摸清了城區(qū)降雨的時空分布和時程分配規(guī)律，繪制了100張不同頻率和時段的降雨等值線圖，提出了北京城區(qū)特短歷時暴雨的擬合公式。根據(jù)長系列城區(qū)汛期出境水量的實測資料，結合上述降雨和下墊面分析結果，研究得出了以不透水面積比率為參數(shù)的城區(qū)降雨與徑流關系綜合圖，由此分析得出了不同水平年的城區(qū)雨洪可利用潛力。

    對北京城區(qū)西部、東南部、東北部的不同類型屋頂、普裝地面、綠地、機動車道的降雨徑流水質特征進行了試驗研究，摸清了其徑流水質與下墊面類型之間的關系和隨降雨歷時、降雨量的變化規(guī)律，為處理和利用雨水提供了依據(jù)。

    1.2 雨洪控制與利用技術體系

    （1）確定了不同下墊面和不同用途的雨水處理方法。針對上述不同下墊面徑流的水質特征和不同回用途徑的水質要求，確定了相應的處理工藝。特別是提出了以初期徑流量的兩種界定標準，即前1～3mm徑流或前10~15min徑流，以及相應的棄除技術。研究設計了優(yōu)先流式、截留自滲式和自動翻板式期徑流池，和具有調蓄功能的砂過濾。提出了棄除水中漂浮物和油污的去除技術。

    （2）建立了雨洪收集、滯蓄、調控的技術體系。探討了利用降雨量－歷時－頻率曲線推求設計降雨的方法，建立了基于產流、匯流理論的雨洪收集系統(tǒng)的計算方法和數(shù)學模型。提出了雨洪調控排放技術和2種確定雨洪利用調蓄池容積的方法：日調節(jié)計算法和數(shù)值模擬法。研究設計了新的具有攔截初期徑流、大顆粒污物和油污的環(huán)保型道路雨水口。

    （3）形成了將雨洪回用于灌溉綠地、洗車沖廁和入滲回補地下水的技術。提出利用砂石坑、大口井、深井等回灌雨水的方法，探索了利用輻射井進行雨水回灌和利用技術；提出了回灌井回灌水量的計算方法，實踐了雨水與中水聯(lián)合運用技術。

    （4）研究了利用綠地消納和利用雨洪的技術，得出了不同頻率降雨情況下，不同形式綠地的徑流系數(shù)，提出了綠地消納硬化地面雨水的比例、標準和豎向關系。通過試驗和模擬研究了綠地土壤對雨洪污染物凈化能力，探明了其凈化效果。

    （5）解決了透水磚的透水性與強度和抗凍性的矛盾，建立了利用透水地面下滲雨洪、削減徑流的技術體系。研發(fā)了透水快、強度高、抗凍融的透水磚及其生產和工藝，提出了透水磚及其普裝地面的質量檢測方法。所研制的透水磚的透水系數(shù)可大于1.0 mm/s，抗壓強度達到35Mpa，25次凍融試驗強度損失為5.85%。所鋪裝的透水地面能夠使50～100mm的日降雨不積水不產流。

    （6）研究開發(fā)了用于檢測雨洪利用系統(tǒng)所收集雨水量和管道流量，并能控制相關設備啟閉的自動化監(jiān)控軟件和硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了雨洪利用的效果的實時監(jiān)控。

    （7）提出了雨洪蓄用、下滲、調排的3種基本利用類型，和屋頂、鋪裝地面、綠地與城市道路等不同類型下墊面的雨洪利用基本形式，和老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設區(qū)等不同類型區(qū)域的雨洪利用模式。

    （8）提出了雨洪利用工程經濟效益的計算方法和社會與環(huán)境效益的分析方法。

    （9）建立了雨洪利用技術推廣應用的政策保障體系。通過政府發(fā)布了《關于將強建設工程用地內雨水資源利用的暫行規(guī)定》，將雨洪利用寫入了新修編的《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020）》，起草了雨洪利用技術導則，提出了城區(qū)雨洪利用總體規(guī)劃建議。

    1.3 主要創(chuàng)新

    該項目在理論、技術和應用等方面有如下創(chuàng)新點：

    創(chuàng)新之一：建立了北京城區(qū)不同類型下墊面降雨與徑流的定量關系，提出了以城市不透水面積比率作為參數(shù)的降雨徑流模型，是城市水文研究領域的重要創(chuàng)新。

    創(chuàng)新之二：集成了不同條件下城市雨洪的處理技術，首次系統(tǒng)提出了初期徑流的界定標準與棄除技術，和不同下墊面雨水的綜合處理技術，為雨洪回用的水質安全提供了保障。

    創(chuàng)新之三：建立了雨洪收集、滯蓄、調控的技術體系，提出了基于水動力學的城市雨水管系計算模型和城市雨洪調控排放的理論，建立計算方法。

    創(chuàng)新之四：集成了雨洪回用和回補地下的技術體系，首次提出了利用輻射井回灌和利用雨洪的方法。

    創(chuàng)新之五：建立了利用透水地面消納雨洪的技術體系，提出了環(huán)保型透水磚普裝地面的設計和施工方法。

    創(chuàng)新之六：建立了利用綠地消納雨洪的技術體系，提出了綠地消納硬化地面降雨的比例、標準和豎向關系。

    創(chuàng)新之七：首次建立6個雨洪示范工程,出臺了國內第一個建設用地雨洪利用暫行規(guī)定,編制了雨洪利用技術導則。

2 雨洪利用示范工程

    從2000年到2004年在北京城區(qū)共建設了代表老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設區(qū)、公園綠地、校園特點的5種類型、6個雨洪利用試驗示范區(qū)，總面積達60hm²。

    2.1 老城區(qū)示范工程

    老城區(qū)雨洪利用示范工程在水文地質公司小區(qū)內，總面積3hm²，其中房屋占地1hm²，庭院占地1.8 hm²，綠地占地0.2 hm²。代表80年代以前建設的老城區(qū)。雨洪利用工程包括南部屋頂雨水收集利用系統(tǒng)和北部庭院雨水收集利用系統(tǒng)。在南部屋頂雨水收集利用系統(tǒng)中，利用UPVC管連接原有屋頂雨落管，再經鋼筋混凝土管傳輸匯集后先流入初期徑流棄除池后，再進入滯蓄池，通過流量控制器，流入回灌井回補地下。在北部庭院雨水收集利用系統(tǒng)中，屋頂雨水由雨落管流向地面，與庭院及道路雨水混合后通過雨水口進入管道，匯集后先進入初期徑流池，然后依次進入沉淀池和過濾后池。過濾后的雨水通過設置在分水井中的流量控制器流入回灌井回補地下。工藝流程見圖1。工程設計暴雨重現(xiàn)期為5年。

    2.2 新建設區(qū)示范工程

    新建設區(qū)示范工程位于雙紫園小區(qū)內，總面積2 hm²，綠地面積大于30%，代表90年代以來的新建成區(qū)。雨洪利用工藝流程見見圖2。對于屋頂雨水，一部分直接通過管道收集、傳輸，經沉淀后，進入蓄水池備用；而另外一部分屋頂雨水，先排入周邊綠地，通過下凹式綠地，入滲地下。示范區(qū)區(qū)鋪裝地面可以分為兩種，一種是透水性鋪裝；另一種為不透水鋪裝。透水性鋪裝地面主要表現(xiàn)形式為鋪砌透水磚，它的雨水收集利用為恢復自然雨水滲透通道，雨水入滲地下，超滲產流通過弧形邊溝，進入不透水性鋪裝地面收集系統(tǒng)；而不透水性鋪裝地面雨水通過地面布設的雨水口，經管道收集傳輸、攔污柵攔截后，進入沉淀池沉淀處理后，進入蓄水池備用。該工程設計暴雨重現(xiàn)期為5年。

    2.3 將建設區(qū)示范工程

    將建設區(qū)雨洪利用示范工程包括天秀花園小區(qū)示范工程和水利基礎總隊小區(qū)示范工程兩部分。天秀花園小區(qū)示范工程總面積11 hm²，代表將要開發(fā)建設區(qū)域，能在規(guī)劃設計階段實施雨水利用的理念，并與小區(qū)建設同步進行雨洪利用工程建設。工程內容包括：將屋頂和部分道路的雨水收集、處理后用于景觀補水和回灌地下水；將部分車行道和人行道鋪裝為透水地面；建設有入滲設施的下凹或平綠地。

    屋頂與道路雨水利用系統(tǒng)在人工湖的的北部和東部，基本流程如圖3所示。工程收集14棟樓屋頂和樓前透水地面與部分不透水道路的雨水，經去除初雨、沉淀過濾后進入回灌井回補地下，同時在沉淀池內安裝水泵，抽取沉淀后的雨水補充人工湖的耗水。系統(tǒng)的設計標準為5年一遇降雨。超過設計標準的降雨徑流，通過設在系統(tǒng)中游和下游的2個溢流堰溢流到外部的市政雨水管道。

    水利基礎總隊雨洪利用示范工程總面積1hm²，其特點為雨水與中水聯(lián)合利用。工程主要收集6號樓和7號樓的屋頂雨水，經新型高流內聯(lián)過濾器（IRM® High-Flow-Inlinefilter）過濾處理后，儲存于蓄水池，回用于7號樓沖洗廁所。同時，將6號樓的淋浴與洗滌用水經單獨的管路收集后進入GRAYWATER處理系統(tǒng)，處理后儲存于清水池用于6號樓的廁所沖洗。GRAYWATER處理系統(tǒng)采用生物轉盤工藝，即利用轉盤上的生物膜對污水進行凈化，整個系統(tǒng)的操作（包括進水、出水、排泥）都為自動控制。處理單元包括：污水收集池、調節(jié)水箱、四級生物轉盤、斜板沉淀池、沙濾罐、UV消毒器等。

    2.4 公園示范工程

    公園雨洪利用示范區(qū)位于海淀公園內，總面積38ha，其中建筑物及道路等硬化面積2.18hm²，水面2.32hm²，其余為綠地。雨洪利用內容包括：屋頂和道路的雨水收集后經處理、回灌地下，同時綠地內采用滲井、滲溝等設施增加入滲能力。

    公園的建筑物集中在廣場周圍，因此結合實際情況在廣場西側現(xiàn)有空地建設一套雨水處理與貯存系統(tǒng)，廣場及周圍建筑物所產生的徑流通過雨水口進入雨水利用系統(tǒng)，然后匯入雨水處理與貯存系統(tǒng)。雨水處理的流程與圖1基本相同。超過設計標準的雨水將排入市政管網(wǎng)。

    在公園的綠地內，根據(jù)實際情況因地制宜地設置起伏地形，在豎向上營造低洼面，結合園路建設，適當建設滲透管溝，使雨水盡可能入滲。工程設計暴雨重現(xiàn)期為5年。

    2.5 校園示范工程

    校園雨洪利用示范工程在北京水利水電學校內，總面積4hm²。雨洪利用內容包括：屋頂雨水采用管道系統(tǒng)收集，經處理后灌溉校園綠地和沖廁；運動場雨水采用滲溝和環(huán)溝收集，經除去初雨、過濾后儲存，用于噴灑操場和灌溉綠地；人行道和部分運動場采用透水鋪裝；綠地采用下凹式綠地；采用屋頂綠化技術。系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示。

    工程收集5494m²教學樓和試驗樓頂雨水，經去除初初期徑流后匯入操場西南部的蓄水池。蓄水池容積為500m³。2360m²塑膠跑道的雨水通過環(huán)溝收集，環(huán)溝上串聯(lián)若干個小型初期攔截池，棄除初期徑流后進入過濾池，過濾后泵入水蓄水池。6116m²人工草坪運動場采用透水性墊層，雨水下滲后經滲溝收集，然后匯入蓄水池。

3. 推廣應用

    目前已經先后分別在中關村溫泉環(huán)�？萍际痉秷@、2008年奧運會園中心場區(qū)、永順新區(qū)中心區(qū)、珠江國際城、黃村工業(yè)園區(qū)、亦莊衛(wèi)星城、五棵松文化體育中心等地區(qū)推廣應用雨洪利用技術,累計推廣面積超過7000hm²。這將有力推動雨洪利用在北京的實施，為促進雨洪利用產業(yè)在中國的興起奠定堅實基礎。

    城市雨洪利用是涉及水資源、節(jié)水、供水、排水、市政、園林景觀等多學科多專業(yè)的一門交叉和邊緣學科和技術，在我國的研究和應用剛剛起步。需要進一步深入研究綜合技術并制定相關規(guī)程或標準。雨洪利用最突出的效益是社會性或公益性效益，只有大范圍地推廣應用雨洪利用技術才能最大化地實現(xiàn)其各種效益。由于工程建設單位所關注的自身的直接經濟效益相對較小，投資者自身的積極性一般不是很高，推廣應用的困難較大。因此必須盡快制定相應的鼓勵政策，提高了廣大投資者的主動性和積極性。

參考文獻

    1 張書函，丁躍元，陳建剛. 德國的雨水收集利用與調控技術，北京水利，2002，(3)：39-41.

    2 陳建剛，丁躍元，張書函，等. 北京城區(qū)雨洪利用工程措施，北京水利，2003，(6)：12-14.

【作者簡介】

    張書函，1972年5月，男，2003年中國農業(yè)大學畢業(yè)，工學博士，北京市水利科學研究所專業(yè)總工、節(jié)水技術研究中心主任工程師，高級工程師，2005年北京市青年崗位能手。