雨水涵养利用与初雨水净化研究
水资源是一种特殊资源，关系到国计民生、经济社会可持续发展、环境保护和环境友好型社会建设、生态保护和生态建设，关系到人民生活水平的提高和小康社会的建设，在国民经济中具有不可替代的特殊地位。我国是严重缺水国家，人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，并且时空分布不均匀，长江以北地区人口占全国的45.3%,耕地占全国的64.1%,而水资源量却占全国的19%，水资源供需矛盾十分突出[1]。解决水资源供需矛盾的根本出路在于开源节流。雨水是重要的水资 源，雨水利用是解决水资源供需矛盾的重要途径之一。
大量开采地下水使地下水位下降，造成地面下沉，据不完全统计，全国地面下沉城市达56个[1]。雨水是地下水的最重要补给源。雨水涵养对保持和恢复地下水位具有重要意义。
城镇初雨水淋洗空气和冲刷地面，含有大量污染物，是水环境的重要污染源之一，城镇初雨水净化是水环境保护的重要课题。
我国对雨水利用非常重视，国家制定了相应的鼓励政策，大力推进雨水利用。 但是，雨水利用仅限于直接利用，主要是水池、池塘、薄膜防水结构储水，投资大，水量小，实效差。我国的城镇雨水排水体制主要是有组织的管道排水和无组织或有组织的沟渠排水，重点在于城镇排水和防洪，没有考虑雨水利用，与雨水利用的需求极不适应。我国城镇有硬覆盖泛滥的趋势，大量雨水通过管道直接排入水 体，既加重了排水设施的负担，又造成初雨水对水体的污染。
一、美国雨水排水与初雨水净化
笔者最近考察了美国北部城市安阿堡及其周边城镇。安阿堡在美国最适宜居住城市中名列第六，是一个非常美丽和谐的城市，水资源并不缺乏，也不限制用水，居民似乎没有节水意识，但是，雨水涵养和初雨水净化非常先进和完备，令人耳目一新，惊叹其精密、自然和完美，巧夺天工。
1. 屋面排水
美国建筑没有散水，屋面雨水全部通过雨水管首先排入地下涵养，涵养饱和后才组织排放。涵养方式有三种：第一，渗透好的土壤，主要是沙质土和腐植土，直接排入土壤涵养；第二，渗透一般的土 壤，主要是腐植土等，沿建筑外墙开挖沟槽，回填木屑、碎石、腐植土等，种植花树；第三，市中心，建筑密，硬覆盖多，沿建筑外墙开挖约1.5×2m沟槽，回填碎石等，形成地下储水结构，地上部分建筑花坛，种植花木。
2. 绿地排水
美国的建筑风格与中国不同，一般不形成中国式的庭院和街坊。美国郊区建筑间距大，一般单体建筑掩映在绿地和树林丛中。市中心建筑密集，建筑宽大，街道以建筑建设，建筑沿街道建设。面积较大的绿地，修建人工池塘和人工湖，雨水漫流入湖，集中径流入湖口铺砌卵石，湖塘不防水，起向地下补水、调节水量、自然沉淀作用，设溢流井或溢流口，雨水经绿地涵养后进入湖塘调节和沉淀，雨量大时，通过溢流和管道排放。面积较小的绿地，向中间找坡，低处设渗井，雨水经绿地涵养后漫流到渗井，然后通过管道排放。一般面积的绿地，中间修挖洼地，周围找坡，底部铺砌卵石，周围绿化，洼地存水时间较短时，底部植草绿化。洼地设渗透溢流井，井周围设人工滤层，雨量小时，渗至地下；洼地水位升 高，雨水经渗透过滤后通过管道排放；升高到一定水位（一般为1至2m），雨水溢流排放。
3. 道路和硬覆盖排水
美国的独立人行道、绿地路径、高速公路、乡间公路、郊区支路均不设路牙，路面高出绿地，雨水直接漫流到绿地。部分郊区干道一侧设人行道，另一侧不设人行道和路牙，雨水通过无路牙一侧直接漫流到绿地。部分郊区干道两侧设人行道和路牙，雨水分段通过雨水口和管道排入绿地洼地和湖塘，有时在路边修建人工池 塘，涵养和调节雨水，净化初雨水。美国停车场高度发达，硬覆盖平整，面积较 大。硬覆盖雨水通过雨水口和管道排入绿地洼地和湖塘。市中心以街道管道排水为主。
4. 区域排水
美国中小城镇群人口密度小，面积大，城镇化程度高，如果全部采用管道输送排放雨水，雨水管道长，峰值流量大，雨水排水设施的投资非常巨大。美国的做法是：首先考虑土壤涵养，最大限度地涵养雨水；其次，在保证市政安全的情况下尽量采用地面径流；第三，千方百计地利用自然条件和人工设施调节水量，削减峰值，除前端的洼地、湖塘调节外，管道汇集后尽量利用自然条件设置湖塘和人工设施，多次调节，大幅度地削减峰值，大大降低了系统造价。
5. 初雨水净化
初雨水净化的途径主要有：第一，土壤涵养净化，第二，自然沉淀，第三，植物净化，第四，渗透过滤。总之，美国初雨水净化主要依靠自然净化，除简单实用的渗透溢流井外，没有专门的人工设施，方法简单，投资非常少，效果非常突出。
6. 排水系统的特点
第一，土壤涵养，最大限度地涵养雨水；第二，尽量采用地面径流，大大减少雨水管道长度；第三，利用自然条件和人工设施，多次调节，大幅度地削减峰值，大大降低了系统造价；第四，利用自然净化，彻底净化初雨水；第五，雨水直接利用少，除涵养和补充地下水外，很少直接利用雨水。美国水资源并不缺乏，其出发点主要是涵养雨水、净化初雨水和减低系统造价，系统非常先进和完善，非常值得我们借鉴。
二、雨水涵养利用系统
我国现行《室外排水设计规范》的着眼点是排除雨水，没有考虑雨水利用。国家大力提倡雨水利用，但是，目前的雨水利用仅限于直接利用水池、池塘、薄膜防水结构收集储存雨水，投资大，水量小，实效差。要提高雨水利用水平，必须借鉴发达国家的经验，创新思路、创新技术、创新体系。美国的经验表明雨水涵养利用可以大大提高雨水利用水平，发挥利用雨水、涵养地下水、初雨水净化等多方面作用，还可以减少雨水排水系统的造价，是非常行之有效的雨水利用方式。我们在借鉴美国经验的基础上，提出了我国雨水涵养利用系统，如图所示。
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雨水首先尽可能地进入地表土壤涵养层涵养储存。涵养饱和后多余的雨水经过地面径流和洼地、湖塘等调节，然后通过管道排放。涵养水一部分补充地下水，一部分通过渗渠和大口井取水利用。
1. 屋面排水与涵养
屋面雨水首先尽可能地进入土壤涵养和人工涵养结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流到绿地或道路、硬覆盖排水系统。屋面雨水涵养包括直接涵养、沟槽涵养、花池涵养、径流涵养等基本形式。
a. 直接涵养 屋面雨水管直接通入私家花园或庭院绿地土壤中，雨水管距地面0.4至0.9m处设溢流口，以便饱和后溢流和清通管道。直接涵养适合土壤渗透性较好的情况。
b. 沟槽涵养 沿建筑开挖沟槽，屋面雨水排水管通入沟槽之中，沟槽中下部回填沙石、木屑等，上部覆种植土，植树栽花种草，雨水管距地面0.4至0.9m处设溢流口。沟槽涵养适于土壤渗透性一般或较差的情况，也可以渗透性较好的土壤，以便增大雨水涵养量。
c. 花池涵养 在沟槽涵养的基础上，地面上修建带状花坛，花坛底部与沟槽连通。花池涵养适于城市中心建筑密集区、广场和停车场等硬覆盖与建筑相连的情 况。
d. 径流涵养 屋面雨水直接排入庭院绿地，通过地面径流，渗入土壤涵养。径流涵养适于土壤渗透性好的情况。
2. 绿地排水与涵养
绿地雨水首先尽可能地进入土壤涵 养，地面径流尽可能利用自然条件、水景设施和半人工结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流排水。绿地雨水涵养包括渗井涵养、洼地涵养、湖塘涵养等基本形式。a. 渗井涵养 适于面积较小的绿地。绿地向中间找坡，低处设渗井，雨水经绿地涵养后漫流到渗井，溢流后通过管道排放。b. 洼地涵养 适于一般面积的绿地。绿地中间利用自然条件或修挖洼地，周围找坡，底部铺砌卵石，周围绿化，洼地存水时间较短时，底部植草绿化。洼地设渗透溢流井，井周围设人工滤层，雨量小时，渗至地下；洼地水位高于设计溢流水位 （一般为1至2m）时，通过溢流和管道排放；洼地水位低于设计溢流水位时，经过人工滤层和渗井，通过管道排放。c. 湖塘涵养 适于面积较大的绿地，或有天然湖塘、人工水景湖的情况。雨水主要漫流入湖，形成溪流时入湖口铺砌卵石，湖塘不防水，设溢流井，溢流井设雨水和洪水2级溢流。雨水经绿地涵养后进入湖塘调节和沉淀，雨量大时，通过溢流和管道排放。庭院一般采用渗井涵养和洼地涵养，有时也可以径流到道路雨水口。
3. 道路、硬覆盖排水与涵养
道路和硬覆盖雨水首先尽可能地进入土壤涵养和人工涵养结构进行涵养、储存、调节、净化，多余雨水溢流排放。道路和硬覆盖雨水涵养有路边渗井涵养、边池涵养、边沟涵养、转移涵养等基本形式。
a. 路边渗井涵养 适于设有绿化带的城市道路雨水涵养和排水。雨水排水干管设于绿化带，按渗井的要求建设检查井，除发挥检查井的功能外，主要起涵养和调节雨水及初雨水净化作用。
b. 边池涵养 适于需要管道排放雨水的郊区道路。沿道路间隔挖水池，一般长15至30m，宽3至5m，深1.5至2m，通常不砌筑，不护坡。路面雨水经涵养、调节、沉淀后进入管道排放。
c. 边沟涵养 适于公路，路面雨水经边沟排放。
d. 转移涵养 指将道路和硬覆盖雨水转移到绿地，利用绿地、洼地、湖塘、水景设施等进行涵养。转移涵养的基本形式有：1）径流转移，人行路、庭院路、花间路高于绿地，雨水直接径流到绿地涵养；
2）管道转移，道路和硬覆盖雨水通过雨水口和管道转移到洼地、湖塘、水景设施等涵养。住宅小区道路排水应结合小区绿化和景观进行。市中心以街道管道排水为主。
4. 区域连接
各单元雨水进入管道输送后应尽量地利用自然条件，如洼地、湖塘、水景湖 等，进行进一步涵养和调节，以最大限度地涵养雨水，削减峰值流量，减少管道造价。
5. 雨水涵养
雨水进入地表涵养层后，一部分向外径流，一部分补充深层地下水，一部分涵养在本区域内。前两者是间接利用，后者可以直接利用。我们把可以直接利用的涵养水及其结构称之为地表涵养水库。为了提高雨水利用量，必须提高地表涵养水库的涵养能力，其主要途径如下：
1） 合理规划，勘察地表土层、表层水的径流走向、地形等，摸清区域地表层水脉，确立地表涵养水汇聚点，合理布置和规划地表涵养水库，最大限度地利用地理资源。
2） 土壤涵养[2]，土壤，尤其是种植土，是地表水库的载体和物质基础。表层土壤孔隙发达，毛细丰富，生长着大量微生物。孔隙可以储存水，毛细孔具有吸附和缓释水的作用。微生物可以分解有机 物，是物质循环的重要环节，微生物分解和土壤吸附发挥了净化水质的作用。利用绿化覆土可以大大增加地表涵养水库的涵养能力。
3） 植物涵养[2]，植被可以有效地减少地面蒸发，植被越茂盛，涵养水越丰 富；植被越高大，根系越发达，涵养水的能力越强，一棵十年生乔木，可以涵养水5m3以上。
4） 物理阻截[2]，利用地下建筑等阻截涵养水向外径流；向外径流量较大的断面，可以修建地下暗坝，阻截涵养水向外径流。5） 水力截留[2]，在涵养水径流下游边界修建渗渠和大口井，设立取水口，降低水位，不仅可以有效地阻止地表涵养水库水向外径流，还可以使一定数量的区外水流向区内。
6. 涵养水利用 涵养水水质好，可以被广泛利用。主要利用方式有：
1）湖塘直接取水利用，适于用水量较小、间断用水和临时用水；
2）渗渠取水利用[2]，适于向外径流断面取水；
3）大口井取水利用[2]，适于水脉汇集地点取水。
7. 初雨水净化
初雨水淋洗空气和冲刷地面，含有大量污染物，是水环境的重要污染源之一，是水环境保护和雨水利用的重要课题。目前，我国初雨水净化尚属空白。上述雨水涵养系统是非常简单、实用、稳定、经济的初雨水净化方法。净化过程主要有：
1）土壤涵养净化，土壤除具有巨大的涵养功能外，还有巨大的净化能力，通过土壤的过滤、吸附和生物降解作用，净化初雨水；
2）植物净化，通过植物生长，吸收去除污染物；
3）自然沉淀，通过洼地和湖塘自然沉淀，去除悬浮物和部分其它初雨水污染物；
4）渗透过滤，通过渗井的渗透过滤作用去除污染物。
三、管道排水量分析
雨水排水管道造价的主要影响因素是管道长度和排水量。雨水排水管道的长度与排水区域的特点有关，雨水涵养系统大大减少了管道长度，降低了管道造价。对较大规模的住宅小区，雨水涵养系统与普通雨水排水系统相比，可以减少管道长度30％至60%。
排水量直接决定管径的大小，从而决定管道造价。排水量可以由下式计算：Q=ΨF－167A(1+ClgP)/(t1+m2t+b)n
1) 起始管段，起始点相同时由于涵养，径流系数Ψ减少到0.4以下，比不涵养的径流系数减少40％至 50%；地面径流时间t1增加50％至 150%；涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少45％至70%。
2)管道起始点不同时，不涵养的普通系统需要通过管道输送到涵养系统的管道起始点，此时这种情况下，普通系统的径流系数更大，比涵养系统大1倍以上；由于地面径流面积小，管道流速快，普通系统径流时间t1普+mt2普远远小于涵养系统的径流时间t1涵；综合以上情况，涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少45％至80%。
3) 下游管段，管道长度相同时,径流系数的关系与情况1类似，地面径流时间t1的关系与情况1也基本类似，管道径流时间t2大致相等，涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少34％至60%。
4) 下游管段，管道长度不相同时流量关系式与情况3相同，径流系数的关系与情况2类似，地面径流时间的关系与情况2类似，普通系统的管道径流时间大于涵养系统，涵养后的排水量比不涵养的普通系统减少30％至60%。总之，涵养系统的管道排水流量远远小于普通系统，大大减少了管径，节省管道造价。
四、 结论
1) 雨水涵养利用系统借鉴美国成熟经验，是我国雨水利用的创新体系，方法简单、易行、可靠，利用量大，效率高，效果好，值得推广应用。
2) 雨水涵养系统在涵养雨水的同 时，彻底解决了初雨水净化的难题。
3) 雨水涵养系统与普通雨水排水系统相比，管道长度短，管径小，大大节省了系统造价。
参考文献：
[1] 王学东、王殿武等， 国内外水资源状况及存在的问题与对策 ，2003。
[2] 陈辅利等，生态住宅小区水循环利用系统，大连水产学院学报，2004年第2期。
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