当前位置: 首页->国际合作->专题报道->第20届中日河工坝工会议->会议交流
丁跃元:北京城区雨水利用的现状与展望
  2005-11-22 13:45  



丁跃元  张书函  陈建刚
(北京市水利科学研究所) 

1 前言

  北京是中华人民共和国的首都,位于华北平原的西北边缘。全市土地面积16800km2,其中平原区面积占38%,山区面积占62%。到2003年,全市总人口1381.9万人,国内生产总值3611.9 万元。

  北京是个资源性缺水的城市,人均水资源年占有量不足300m3,仅为全国人均值的1/8,世界人均值的1/30,远远低于国际公认的人均1000m³的缺水下限。随着城市的发展和人民生活水平的提高,水的供需矛盾将日益突出。水资源紧缺已成为制约首都社会经济发展和环境质量改善的瓶颈。

  受地形和气候等因素的影响,北京地区降水量年内和年际间分布极不均匀。据最近分析结果,北京多年平均降水量为585mm,其中年内80%以上集中在汛期;年际间最大年份降水量是最小年份的4倍以上,易形成径流流失。据统计,1985~1997年全市年平均清水径流出境量达7.13亿m3

  同时,随着城市化进程的加快,不透水面积大幅度增加,导致相同降水条件下,径流系数增大,洪峰提前,洪量增大。以通惠河乐家花园水文站资料分析为例:在相同暴雨条件下通惠河峰现时间提前2小时,洪峰流量增加2倍,径流系数增加65%。这不仅造成水资源的无效流失,也对城市排水和防洪构成巨大压力。

  另外,1998年以来,北京市对城区水系实施综合整治,整治后的水系河道断面已基本定型,行洪能力已基本确定,扩容空间有限,要求城区雨水径流不能无限制地增加。

  为此,采取措施对雨水进行利用,减少径流,不仅可以缓解首都水资源危机、回补地下水,也是减轻城市排水和河道行洪压力、保证首都防洪安全、改善生态环境的重要措施,具有寓资源利用于灾害防范之中及一举多得的作用。

2 城区雨水利用发展历程

  北京的雨水利用具有悠久的历史。故宫和北海公园等古代建筑和园林内均可发现体现古人利用雨水的踪迹,尤其是位于北海公园内的团城,其雨水利用系统最为典型。该城地面高出周围地面4.6m,没有灌溉系统,周围河湖水位距城地表5m以上,很难补充至树木根系层,但城内的古树枝繁叶茂,最古老的生长已达800余年。调查表明,团城地面采用倒梯形青砖铺装,且地下排水廊道也为砖砌而成,这种做法使降水可通过砖间缝隙和地下排水廊道渗入土壤,为古树融造了适宜的生长环境,堪称人类利用雨水的杰作。

  20世纪90年代初,北京市水利科学研究所与清华大学、北京市水文总站等单位合作,曾开展过城区雨水利用的研究,对降水的分布规律、径流的产生规律进行了分析,还重点对屋顶~渗井系统、高、平、低草坪滞蓄雨水等的效果进行了研究。提出了西城回灌、东城清污分流、中部分散拦蓄的雨水控制与利用对策。

  另外,北京市节约用水办公室与北京建筑工程学院、中国农业大学和市政等有关部门合作,自1980年代开始也开展了相关雨水资源利用的研究,包括对铺设九格方砖和透水透气砖的渗水效果研究,并在中山公园、国宾馆东侧人行步道进行了实际铺装;对利用绿地增加雨水蓄渗措施如下凹式绿地的形状、下凹深度等和不同材质、不同汇水面和不同的降雨期和降雨量引起的雨水污染状况进行了研究与观测,还在北京市第十五中学建立了示范工程。

3 雨水利用条件

  首先,北京是个缺水型城市,具有利用雨水的需求。将汛期雨水拦在地面、渗蓄地下既可增加可用水资源量,又可一定程度上减少降水径流、缓解城区防洪和排水压力,具有一举多得的作用。

  第二,北京降水主要集中在汛期,有充沛的雨水资源。

  第三,北京城区具有开展雨水利用的良好水文地质条件:一方面,城、近郊区已形成面积约2000km²的地下水位降落漏斗,为利用雨水提供了地下蓄水空间。另一方面,城、近郊区地处永定河冲积扇轴部中段,地势西北高、东南低,城西基岩上部有大面积砂砾石层。规划市区1040km2范围内,冲洪积层砂层由永定河古河道多次演变形成,尤其在城西近期古河床分布地段,如衙门口、芦沟桥、丰台一带,砂性土埋藏很浅,一般为1.5~2.5m;在早期古河床分布地段,如西黄村、廖公庄、闵家庄一带砂性土埋藏稍深,一般为3~5m。河流经常作用地段,如八宝山北侧,砂性土沉积厚度较大;间歇作用地带砂性土较薄或无沉积,因地而异。城东为砂土与粘土互层,透水性较弱。全市地层有明显的水平分带性,基本趋势是由西向东,由北向南,沉积厚度由厚变薄,含水层颗粒由粗变细,透水性由强变弱。这一地质状况表明城区地下水“西畅东滞”。因此,城区西部具有十分有利的拦蓄雨洪、引渗回灌的条件;城区东部可拦储雨洪用于杂用。

4  北京城区雨洪控制与利用技术研究与示范

  随着首都经济的快速发展和人们环境意识的提高,加之近年来北京地区连续干旱,水资源从量到质均出现前所未有的危机,因此,雨水利用再度引起各方面的重视。从2000年起,在北京市发改委、北京市科委和国家科技部等部门的大力支持下,由北京市水务局组织,北京市水利科学研究所、北京市水文总站、北京市地质工程勘察院、清华大学等单位参加,与德国ESSEN大学、DORSCH CONSULT公司、WASY公司、GEP公司、UFT公司、柏林理工大学和ibb公司等7家大学与企业合作,开展了“北京城区雨洪控制与利用技术研究与示范”。该项目是中德两国政府间科技合作项目,也是首都二四八重大创新工程项目。目标是通过引进、吸收德国先进、成熟的雨水利用技术与设备,通过示范工程,研究适合北京城市雨水利用的理论、技术和设备,建立雨水利用产业,为北京乃至我国北方地区雨水利用提供可供参考的方法、依据和途径。项目包括示范区建设、试验研究和技术培训三方面内容。

4.1 示范区建设

  共建设5种模式、6个不同雨洪利用工程示范小区,工程建设总面积59 ha。示范工程区可达到遇5年一遇日最大暴雨无径流流失。

  1、代表老城区的北京地质工程勘察院示范区:占地面积3 ha,其中房屋占地1 ha,庭院占地1.8 ha,绿地占地0.2ha。其特点是1980年代以前建筑,房屋密度大,不透水面积大,绿地面积小,可供入渗的自然土壤面积小。采用收集建筑物、庭院和道路的雨水经处理后回灌地下水的模式。工程2003年6月投入运行至2004年10月,共收集雨水约2000m³。

  2、代表新建成区的双紫园小区示范区:占地面积2ha,包括4栋住宅楼,其中建筑物占0.46ha,道路及庭院占1.04ha,其余为绿地。采用部分道路建成透水路面,部分建筑物屋顶雨水排入下凹式绿地,其余建筑物、道路的雨水收集处理后进入蓄水池储蓄,用于灌溉和洗车等市政杂用的模式。工程投入运行以来共收集雨水3000m3

  为了弥补汛期降水过于集中,而非汛期水量不足的缺陷,提高供水保证率和雨水储蓄设施的利用率,双紫园小区还建设了中水处理系统。该系统是将小区内4栋住宅楼及其辅助建筑物的生活污水经化粪池厌氧发酵后,收集至污水调节贮存池,经污水处理机处理后达到中水标准,然后进入清水储蓄池储蓄,用于小区的绿地灌溉、景观用水和洗车等。处理规模为200t/d。每年可为小区增加水资源量7.3万m3,实现了小区污水零排放。

  3、代表将要开发建设区的天绣花园小区和北京京水建设工程有限责任公司示范区:前者占地面积11ha,采用的雨水利用模式为:将屋顶及部分道路的降水径流进行收集,经处理后,主要用于满足小区5000m2人工湖景观用水要求和入渗回补地下水;采用低或平于路面的绿地汇集入渗周围道路的雨水;小区甬道上的雨水采用透水性路面渗入地下。后者占地面积1ha,是将2座新建居民楼屋顶的雨水和全部生活污水进行收集、处理和利用。其中屋顶雨水设计处理能力为58.8l/s,采用德国设备处理后储存,每年可收集利用雨水900余m3,满足一栋楼冲洗厕所约24%的用水。生活污水的处理分为2部分:一是将6号楼的淋浴与盥洗池等的轻污水经单独的管道收集后进入德国GRAYWATER系统处理后储存,用于6号楼的卫生冲洗,该系统的设计规模为9.3m3/d,每年可为小区提供用水3400m3;除6号楼的淋浴与盥洗池排水外,两栋楼其余生活污水全部进入化粪池,经厌氧发酵后收集至国产污水处理系统,经处理后回用。该系统的设计规模54.6m3/d,每年可为小区提供用水20000m3。前述雨水与中水利用工程每年可为小区提供可用水资源量2.4万m3,使该小区达到遇标准内降水无外排径流,污水实现零排放。

  4、代表机关、学校等建设区的北京水利水电学校示范区:占地4ha,是将建筑物和运动场的雨水收集后进行处理,进入蓄水池,用于校园绿地灌溉和冲厕,同时将部分操场和道路建成透水型的,将雨水直接渗入地下。工程2003年投入运行,到目前共收集雨水2790m3

  5、代表城区公共建设用地区的海淀公园示范区:占地面积38 ha,其中建筑物及道路等硬化地面2.18ha,水面面积2.32ha,其余全部为绿化面积。其建筑物及道路等硬化地面雨水采用除去初期径流、直接回灌地下水的工艺流程;而绿地内雨水则采用渗井、渗沟等增加土壤入渗的措施。

4.2 试验研究

  在建设示范区的同时,对北京城区雨水利用中的关键技术进行了研究,主要包括:

  1、规划市区下垫面分区

  为了对全市雨水措施进行总体规划,并对可利用情况作出估计,以1999年1/5000航空影像资料为底图,利用遥感图像处理技术,从1/25000电子地图上读取控制点对影像资料进行几何校正,对规划市区范围内的下垫面类型进行了分区,摸清了建筑物、机动车道、人行便道、绿地、水面、广场、庭院等24种不同类型下垫面所占面积及其分布情况(见表1),为进行全市雨水利用措施总体规划,提供了基础数据。

表1   1999年规划市区不同类型下垫面归类面积(单位:km²)

  2、城区降水及降水径流关系研究

  (1)利用28个雨量站1956~2000年系列资料,对规划城区降水规律进行了研究,取得了不同时段、不同频率降水分析结果。

表2  规划城区年雨量频率分析表(降水量单位:mm)

表3  规划城区P~f~R/α关系

  3、规划市区水文地质条件分析

  对城近郊区第四系水文地质条件、地表层岩性及其分布规律进行了分区和渗水能力研究,绘制了水文地质联合剖面图,为规划和设计雨水利用措施提供了基础资料。

  4、透水性路面砖及其铺装工艺研究

  对现有非机动车道路及地面铺装进行了调研,研究了透水砖生产和施工工艺。目前,透水砖已在示范小区、马草河人行步道、清河管理处、天绣花园等多处推广应用,总面积达到6万m2

  试验结果表明:新研制的透水砖透水系数可大于0.5 mm/s,抗压强度达到35MPa,25次冻融试验强度损失为5.85%。现场观测,日最大降水51mm、最大5分钟降水强度9.8mm无径流流失。

  5、绿地拦蓄降水径流研究

  对利用绿地拦蓄降水径流的途径、效果进行了系统研究,初步提出了利用绿地拦蓄硬化地面降水时,绿地面积与可拦蓄硬化地面面积的比例及其绿地与硬化地面的立面关系(见下表)。

表4   小区绿地不同立面设计时的日降雨径流系数

  考虑到绿地、草地不致因滞蓄雨水而积水时间过长,F汇/F绿的比值和绿地低于路面的值应慎重选定,一般以F汇/F绿=1.0,绿地低于路面以5~10cm为宜。

  6、城区降水与径流水质分析评价

  分别在海淀区车公庄西路、清华大学西门和北京工业大学3处对天然降水和屋顶、人行道、机动车道和绿地等径流水质进行了取样化验分析和评价,结果表明:

  (1)城区雨水径流主要污染物为有机物、营养物及悬浮性固体,重金属、无机盐、总硬度等指标不是主要污染物质;
  (2)初期降水径流污染较严重,随着历史的延长各类污染物浓度逐渐下降,最终趋于稳定。
  (3)从有机物、营养物含量等重要化学指标分析,水质从优到劣依次为:天然降水、绿地径流、屋顶径流、人行道径流、机动车道径流。城区道路路面雨水径流污染最为严重,主要为有机物污染和悬浮物固体污染,尤其是初期径流污染物严重程度可接近生活污水。
  (4)除去初期降水的天然降水与屋顶径流经简单处理后可回用于生活与市政杂用,对机动车路面径流需要深度处理方可回用。

  7、雨水处理工艺研究

  分别就建筑物顶部和道路、庭院雨水利用工艺进行了研究,提出了处理工艺:

  (1)对于屋顶雨水,主要是除去初期径流。
  (2)对于道路、庭院等雨水利用,应先除去初期径流,再进行沉淀、除油和过滤等工艺。

  8、雨水回灌地下水技术研究

  分别总结与研究了利用大口井、深井、砂石坑、橡胶坝等设施拦蓄雨水回灌地下水的工艺。

  9、雨水利用工程监测系统研究

  研发了可实时监测降雨过程、产流和溢流过程、并控制水泵开启的雨洪利用自动监控系统,方便了数据采集和系统管理。

  10、雨水利用政策研究

  分析了雨水利用在城市建设中的作用,提出了诸如制订出台《北京市城市雨水设施建设管理办法》,利用雨水优惠政策、修改有关政策法规、设立专项基金扶植、扩大试点等政策建议。起草了“北京雨洪利用工程建设管理试行办法”,并于2003年4月由北京市规划委员会和北京市水利局以《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》形式联合发布实施。

4.3 技术培训

  中德双方进行了卓有成效的技术培训与交流,完成的交流与培训内容包括:中方技术人员赴德进行技术考察与培训6次,共14人次;项目领导小组共9人赴德考察1次;德方专家来华8次,共65人次,与中方技术人员合作进行示范小区的工程设计,并培训中方技术人员120人次。

  从2000年开始每年汛期结束后在北京举行一次项目信息通报会,共举行了4次,累计有467名中外专家和媒体记者出席,为雨水利用理念和技术的宣传与推广起到了积极的推动作用。

4.4 项目应用效果

  项目示范区及其雨水利用措施在2004年7月10日暴雨中得到了检验。7月10日一场暴雨突袭北京,由于降水强度超过道路排水系统设计能力,导致市区部分路段积水,交通严重受阻。但雨洪利用示范工程区内产流量显著减少,收到了增加水资源与减少径流的双重作用。监测表明,除海淀公园外,其余示范区均无径流排出。以双紫区示范区为例,该示范区占地面积2.0ha,包括4栋住宅楼,其中建筑物占0.46ha,道路及庭院占1.04ha,其余为绿地。该示范区雨水利用措施包括:一座用于拦蓄2栋住宅楼和院内道路径流的850 m3的蓄水池,3100 m2的透水道路,另2栋住宅楼屋顶径流直接排入周围绿地等。根据安置在小区内的自记雨量计观测,7月10日小区内降水量为91.3mm,最大降水强度58.8mm,小区内绿地无外排水量,透水性道路产流量减少85%,850m3蓄水池尚有425m3滞蓄容积尚未蓄满。

  统计分析结果表明,7月10日暴雨各示范区共收集雨水3300m3,其中回灌地下水2300m3,蓄水池拦蓄待用1000m3,该结果尚不包括透水道路和下凹式绿地入渗的水量。

  四、北京城区雨水利用的展望

  随着中德合作项目取得初步成效,依据北京市规委和北京市水务局联合颁布,并于2003年4月1日起开始实施《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》,北京要求对因建设屋顶、地面铺装等地面硬化导致区域内径流量增加的建设用地,要采取就地收集、入渗、储存、利用等雨水利用措施,以实现建设工程硬化后不增加建设区域内雨水径流量和外排水总量。

  根据示范效果及研究成果,北京市水务局对全市雨水利用进行了全面规划。在城区,将采用分散与集中相结合的方案。

  所谓集中方案,就是利用城区下游原有的农业灌排系统,适当修建拦蓄与滞蓄设施,在汛期拦蓄城区排出的雨水径流,回补因多年超采造成的地下水位下降。

  所谓分散方案,就是从新建、改建的各个建设项目入手,在项目规划设计阶段就将雨水利用工程一并考虑,并作为项目建设内容同时建设、同时施工、同时验收。

  同时,对道路等污染程度较重的下垫面地区,已着手开展研究,以完善城区雨水利用技术体系。

  目前,雨水利用理念已被社会和更多的开发商所接受,如温泉环保园(359ha)、奥运公园中心区(291ha)、永顺新区中心区(391ha)、珠江国际城(10ha)、 黄村工业园区(278ha)、五棵文化体育中心(50ha)、易庄卫星城(4200ha)等待开发地区,已完成雨水利用方案编制,部分正实施之中。相信这项具有寓资源利用于灾害防范之中的技术会有广阔的发展前景。

 

相关信息
水利部国际合作与科技司      版权所有  |  北京北科博研科技有限公司      技术支持