李尉卿　张　杰　李艳丽

摘要 调查和分析了河南省水资源及水资源缺乏的形势,以郑州市为例讨论了雨洪水收集、储存和处理的技术,研究表明,雨洪水经处理后就CODcr和SS两项指标而言,能够达到城市杂用水标准。雨洪综合利用的经济效益显著、社会效益和环境效益可观。

关键词 水资源形势;雨洪水利用;效益;河南省

中图分类号 TU991.11+4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2009)13-0268-02

我国淡水资源总量为28 000亿立方米,占全球水资源的6%,仅次于巴西、俄罗斯和加拿大,居世界第4位,但人均只有2 200m3,仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5,在世界上名列121位,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。

据了解,全国660多个城市中,缺水城市有400多个,其中严重缺水城市114个。严重缺水城市中北方城市占71个,南方城市为43个。即便在多水的长江流域也有缺水城市59个,缺水县城155个。在天津、大连、青岛等城市,由于缺水,已经实行定量配水、停工待水或避高峰让水、提高水价等节水措施。全国严重缺水的城市有北京、上海、天津、深圳、青岛、大连、重庆、昆明、沈阳、郑州、武汉、西安、西宁、太原。

河南省是一个水资源缺乏的省份,随着城市人口的急剧增加,城市的缺水日趋严重,到2010年,河南全省将缺水60亿立方米。因此,寻找一个解决城市缺水、缓解城市用水严重不足的补救措施是非常必要的。

1 河南省水资源形势分析

目前河南省地下水天然补给资源量多年平均为164.58亿立方米,约占全省水资源总量的40%,其中山区为38.87亿立方米、平原为131.77亿立方米,二者重复量为6.06亿立方米;浅层地下水可开采量多年平均为163.00亿立方米,其中山区为28.47亿立方米、平原为134.53亿立方米;深层承压地下水可开采量为10.47亿立方米。按地下水类型分,在全省地下水天然资源量中,松散岩类孔隙水占77%、岩溶裂隙水占12%、基岩裂隙水占11%。

在这些可开采的地下水中约7.27万平方千米(占全省面积44%)的地下水资源可供直接饮用,约8.08 万平方千米(占全省面积48%)的地下水资源需要经适当处理后方可饮用,约1.21万平方千米(占全省面积7%)的地下水资源不适宜饮用,但可作为工农业供水水源,约0.13万平方千米(占全省面积不足1%)的地下水需要经过专门处理后才能利用。在分布上,豫西南大部分地区地下水可直接饮用,但豫北、豫东南浅层地下水污染比较严重,水质较差;全省主要城市,如郑州、商丘、许昌、濮阳等市(区)的浅层地下水污染严重,水质呈下降趋势,其中郑州水资源总量13.39亿立方米,人均水资源占有量212m3,仅为全国人均水平的1/10,缺水形势十分严峻。全省各地都不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病,豫北、豫西丘陵山区和豫东平原分布着与大骨节病、氟中毒、甲状腺肿大等地方病有关的高氟水、低碘水和高铁锰水,全省有近千万人仍在饮用不符合生活饮用水水质标准的地下水。

另外,河南省还有18个城市存在着不同规模的地下水降落漏斗,濮阳、郑州、开封、许昌、洛阳已发生地面沉降,对城市的基础设施建设构成了严重威胁。区域地下水位的下降还使平原湿地萎缩、地表植被破坏,从而导致生态环境恶化。

近20 年来,全省用水量急剧增长,地下水开采量平均以每年3亿立方米的速度增加。目前,豫北除沿黄地区外大部分地区地下水处于超采状态,郑州、许昌、商丘等城市地下水严重超采,豫西山区还有200 多万人需要解决饮水问题。与此同时,水资源浪费问题仍相当突出,据悉,全省的万元工业产值耗水量是发达国家的10～20倍,每1kg粮食的耗水量是发达国家的2～3倍。

2 雨洪利用工程技术可行性分析

利用屋顶积雨、庭院水泥地面和道路透水地面等拦蓄装置收集雨季降雨,并将其经专门设计的输送系统运输储于生态水池中,雨洪水经环保处理后可用于冲厕、绿化等。这样既减少了暴雨径流,防范了雨洪灾害,回补了地下水,还实现了地表水和地下水合理调配,协调了人与自然的关系。这些在国内外都有丰富的经验与成熟的技术,其中孙绪金教授等研究的城市“防洪及雨洪利用工程新技术”的成果最切合郑州地区雨洪利用的实际。

2.1 城市雨水积蓄系统

雨洪水利用主要通过集雨设施对雨水进行收集、处理和储存,可设计为单体建筑的分散式系统,也可在建筑群或居民小区中设置葫芦串式的储水池。系统由集流、输水、净化过滤、储水(地下水池或水箱)、提升及用水6个子系统组成。

2.2 雨水集流子系统

集流系统包括屋顶、硬化路面和场地。屋顶集流包括屋顶集雨管道、初期弃流装置及雨水过滤管。

2.3 雨水输送子系统

该系统主要由输水管、河流水沟构成,作用是将收集的雨水输送到净化过滤系统和储水系统。

2.4 雨水净化过滤子系统和储水子系统

雨水净化过滤系统包括沉淀池、净化过滤装置和储水池3个主要部分。其中净化过滤装置由粗沙、砾石、土工布、棕榈和粉煤灰及相关箱体或混凝土砌筑体及盖子组成。储水子系统为地埋式混凝土储水池或传统的水窖、水井、集水罐、集水箱等。经处理后的水质如表1所示。由表1可以看出,经净化处理的雨水CODCr、SS 两项指标达到了生活杂用水和绿化用水的标准(见表2)。

3 雨水与可利用雨水资源量的估算

3.1 雨水资源量的估算

以郑州市新东区的华北水院为例,郑州市年平均降雨量为637.05mm,年平均总降雨量为503 588m3,降雨汇水面积主要为建筑物屋面、道路及绿地的面积总和。新东区水院用地面积为107万平方米,建筑物屋面年平均径流量为245 391.66m3,道路年平均径流量为72 098.18m3,绿地年平均径流量为12 040.25m2。根据降雨量公式Re=ψ×A×Hn,式中ψ为径流系数(m3),A为汇水面积(m2),Hn为年降水量(mm),计算新东区雨水资源总量为329 530.04m3。2003年郑州市区建筑、道路、绿地占地情况及径流系数见表3。

郑州市城区雨水资源总量(Re)为:①建筑物面年平均径流量:Re1=ψ×A×Hn =97.91×106×0.75×637.05×10-3=4 678.02万立方米;②道路年平均径流量:Re2=45.67×106×0.75×637.05×10-3=2 182.06万立方米;③绿地年平均径流量:Re3=68.82×106×0.15×637.05×10-3=657.63万立方米;总和Re=Re1+Re2+Re3=7 517.71万立方米。

3.2 可利用雨水资源量的估算

根据公式Q=Hn×A×ψ×α×β,式中α为季节折流系数(郑州6～9月α=0.65),β为初期弃流系数(郑州β=0.87),计算得出屋面雨水可利用量为:Q1=136 769.00m3;道路雨水可利用量为:Q2=40 771.49m3;绿地雨水可利用量为:Q3=6 966.47 m3;雨水可利用总量为:Q总=Q1 + Q2 + Q3 =186 505.47m3。

由于郑州市城区建筑物面积占市区面积的62.22%,道路占29.03%,绿地占8.75%,由此估算郑州市的年平均雨水可利用总量为:Q1=637.05×10-3×97.91×106×0.75×0.65×0.87=2 645.42万立方米;Q2=637.05×10-3×45.67×106×0.75×0.65×0.87=1 233.95万立方米;Q3=637.05×10-3×68.82×106×0.15×0.65×0.87=371.89万立方米;Q总=2 645.42+1 233.95+371.89=4 251.26万立方米。由此可见,郑州市的年平均雨水可利用量是相当可观的,为4 251.26万立方米,经过近5年的发展和房屋开发,郑州市的面积几乎又增加了1/2,尤其是道路的面积增加得更多。

河南省目前有18个省辖市,除漯河、许昌、济源、三门峡、周口市区面积大约为郑州市市区占地面积的1/3外,其他省辖市约为郑州市的1/2。根据上述计算公式估算河南省城市年平均雨水可利用量为:Q全省=4 251.26×104×1/3×5+4 251.26×104×1/2×12+4 251.26×104=(7 085.43+25 507.56+4 251.26)×104=36 844.25万立方米。

4 雨洪利用的经济效益、社会效益和环境效益

雨洪利用作为公益事业,不仅具有环境生态效益和社会效益,还有巨大的直接和间接经济效益。

4.1 经济效益

一是节省市政和居民用水开支。雨洪利用运行费用低廉,比较效益十分突出。目前郑州市的绿地用水费用为3.8元/m3,而收集雨洪水的年运行费用为0.10～0.20元/m3。那么,河南省收集雨洪水的运行总费用为:Y=36 844.25×104×0.2=7 368.85万元。雨水收集后全都用于绿地灌溉或冲厕不扣除运行成本时,全省的雨水利用总费用为:X=36 844.25×104×3.8=140 008.15万元(绿地用水现价为3.8元/m3)。可节约用水费用:140 008.15-7 368.85=132 639.30万元。二是减轻了市政排水管网的负担,小区雨洪利用工程可以减少政府投入的建造大型污水处理厂、收集污水管线和扩建排洪设施的资金,并可减少排水投资以及原有设备和市政排水管网的维护费用。

4.2 社会效益

雨洪利用不仅可以大大缓解城市的用水负荷,而且还可以减轻和消除由于降雨带来的城市洪灾,能增加城市区域地下水涵养,缓解地面下沉,提高浅层地下水位,并能长期保持浅层地下水位的稳定性,保证地表水和地下水之间正常互补,保证地表植被和地下微生物系统处于良性循环状态。

用经收集、处理后的雨水代替地下水作生活杂用水、市政用水,不仅可以大大缓解水资源供需矛盾,还可节约市政和居民用水开支。

4.3 环境效益

城市雨洪处理水可用于喷洒路面,降低和减少城市路面扬尘,提高城市大气质量;还可用于浇灌城区内的花木植被,对改善城市的生态环境、绿化和美化城市居民居住环境有着重要的作用。

5 结语

雨洪水综合利用是解决我国一些城市严重缺水的一项基本措施。经收集、储蓄和适当处理的雨洪水CODCr、SS两项重要指标可以达到城市污水再生杂用水水质标准(GB/T18920-2002)和农田灌溉水质标准(GB5084-1992)的要求,可用于农田灌溉和城市绿化及冲厕。雨洪水综合利用经济效益显著,仅雨水收集一项就可为河南省城市节水36 844.25万立方米,创造经济效益132 639.30万元;社会效益可观,可大大缓解城市用水负荷,还可减轻和消除由于降雨带来的城市洪灾,并能增加城市区域地下水涵养,缓解地面下沉;环境效益明显,对改善城市的生态环境、绿化和美化城市居民居住环境有着良好的作用。

6 参考文献

[1] 国家质量监督检验检疫总局.城市污水再生利用城市杂用水水质标准(GB/T 18920-2002)[S].北京:中国标准出版社,2003.

[2] 潘安君,张书函.北京城市雨洪利用总体构想[J].北京水务,2006(1):31-33.