徐航1，何品晶2，宗兵年1
(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海200092；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092)

　　摘 要：隨著城市化進程的加快和居住水平的提高，城市暴雨徑流產生洪澇災害、惡化水體質量的危害日益明顯；另一方面，雨水是重要的資源，適當回用可解 決城市發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筑物，建立城市雨水“防洪、減污、回用”綜合控制系統，這既削減了暴雨徑流給城市生活帶來的不利因素，又發揮了其潛在的水資源價值。
　　關鍵詞：城市雨水；雨水綜合池；防洪；減污；回用
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2001)02-0061-04　

　　城市降雨及徑流與城市生活緊密相關，特殊的地理環境使其同時具有危害性與資源性。例如 ：①強度大、頻率高的降雨易形成洪澇災害，在城市發展過程中，不透水地表鋪砌面積的不斷擴大和建筑密度的提高，使地面徑流形成時間縮短，峰值流量不斷加大，排水系 統的雨季流量與旱季流量的比值上升，產生洪澇災害的機會增加、危害加劇；②據國外有關資料報導，在一些污水點源得到二級處理的城市水體中，BOD5負荷約有40%～80%來自于降雨產生的徑流，它是主要的城市水體污染面源之一。③將經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型用水是重要的開源措施，而在貧水、缺水地區，雨水是一種重要的甚至是主要的水資源。
　　從20世紀70年代起，經濟發達國家從保護水環境及充分利用水資源的角度出發，開始研究適合治理雨水污染及回用的處理工藝(如在雨水調節池后設簡單的沉淀及砂濾裝置)及相關的管 理模型(如：SWMM暴雨雨水管理模型；STORM儲存處理與漫流模型；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注。部分大中城市(北京、上海、杭州等)已著手監測降雨及其徑流的水量和水質變化規律，逐步積累供雨水回用及治理污染所需的基礎數據。
　　筆者基于對城市降雨徑流雙重屬性的認識，認為對城市降雨的管理應從綜合削減暴雨徑流的不利因素和發揮其潛在水資源價值的正反兩方面出發，找到兼顧兩者的平衡點，并提出了;“ 防洪、減污、回用”的雨水管理綜合系統邏輯模型(見圖1)。

　　1 分區規劃

　　城市集商業、交通、居住、工業等功能區域于一體，各區域對防洪排澇及水資源的需求差別較大。城市綠化及居住區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，同時也允許有一定的積水量；而在重要的商業、交通地帶，大規模的地面鋪砌與建筑使暴雨形成徑流的時間大大縮短，洪峰流量增大，一旦受害，損失巨大。因此必須根據各區域的不同要求實施分區規劃，對徑流密集的區域采取集中收集導排，進而提高城市重要社區的防洪水準。此外，針對不同水質進行分區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，根據國外的研究及我國的實際情況，可以按照以下方法進行區域規劃：①根據區域防洪治澇規劃，提高重要區域的防洪標準。大規模雨水產流區域(大型綠地、主要交通干道)與其他區域分開設計，減輕排水管系負擔。②地表徑流水質相差較大的區域，雨水回用時應分區收集與處理。③區域劃分應考慮水量平衡，減少雨水跨區回用，以降低管系造價、運行費用及管理難度。

　　2 暴雨及徑流的設計計算

　　為確定設計區域的降雨及其徑流特性，首先必須按區計算暴雨及其徑流量。近年來的研究表明，對于面積＜2km²的城市小區，可采用城市暴雨強度公式及流量公式來計算；而隨著計算區域的擴大，采用排澇計算方法(如推理公式法)等更為適宜。設計重現期應采用 2～5a，如果采用分區排水，則應按不同的因素選取適合本區域的徑流系數并分別計算。

　　3 雨水綜合池—管系設計

　　雨水綜合池是雨水綜合系統中具有簡單處理能力的貯水構筑物，是實現雨水綜合系統多重效益的重要保障。與傳統雨水調節池相比，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。在原有排水系統不變的情況下，利用綜合池的調洪容量可提高設計區域的防洪標準；綜合池中的簡單處理設施可去除雨水中的部分污染物，提供符合要求的回用水；同時綜合池建造也可與周邊環境配合設計，成為區域水景觀的組成部分。為使雨水綜合系統充分發揮防洪、回用及減污功能，應著重考慮三者的平衡，以取得最佳效益。
　　3.1 系統防洪能力計算
　　在雨水排除系統中，調洪構筑物的防洪能力和排水管系的關系可依據水量平衡方程來推求。利用徑流過程圖，作設計超越流量切割暴雨徑流過程線，所切割的洪峰部分即為調洪設計容積，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 ——貯水池調節水深
　　　　　t——調洪開始時間
　　　　　Q(t) ——來水曲線
　　　　　q(H)——泄水曲線
　　　　　Ω(H)(dH/dt)——隨時間改變的貯水池水位變化過程線
　　假設泄水曲線不隨時間變化，則調洪體積為：

　　W＝∫^t1t2Q(t)dt-q(t₂-t₁)＝aQτ (2)

　　式中　t1 ——調洪開始時間
　　　　　t2——調洪結束時間
　　　　　a——貯水池容積系數(隨雨型、歷時、調節流量而變化)
　　研究認為，當雨峰位置r＝0.5時具有相當的代表性，此時：

　　α＝q_max/Q (3)

　　式中 Q ——計算暴雨最大徑流量
　　　　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qmax確定以后，單場暴雨最大徑流量或最大暴雨設計流量Q與調洪體積W關系為(利用不同的Q值，對應一定的調節池容量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

　　據此W＝f(Q)方程，并圖示調洪容量—暴雨最大設計年限關系，可以快速查找(在既定的雨水管道及泵站基礎上)調節容量與“管道+綜合池”協同工作時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 雨水回用需求計算
　　回用水量的確定必須考慮兩個因素：①當地降雨徑流所能提供的潛在水量；②滿 足回用水衛生標準的需水量。
　　3.2.1潛在水量計算
　　當地降雨徑流所能提供的潛在水量RP可用水量平衡法、下滲公式法、經驗相關圖法、初損后損法和徑流系數法等計算。當城市區域缺少相關的水文資料時，利用降雨徑流經驗相關圖法可較方便準確地計算單場暴雨總產流量。在計算潛在水量RP時，根據回用要求 按月、季或水文年作為單位，計算出單位時段潛在水量RP的直方圖，并作區域水量平衡計算。
　　3.2.2回用需水量計算
　　建立回用分類需求表(見表1)，可以按照不同回用目標、回用水質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Qi＜RPi，即潛在水量可滿足回用水需水量時，回用水量可按Qi來設計，同時亦可考慮用于其他區域回用的部分容量；反之，當Qi＞RPi，即回用水需水量大于潛在水量時，回用水量可按RPi來設計，但同時必須考慮其他的可回用水及雨水的跨區回用所帶來配水系統在經濟和管理上的要求。

　　4 系統的綜合效益比較

　　城市雨水綜合排除系統綜合效益的優劣直接關系到系統的技術經濟可行性。在德國等發達國家，為滿足城市防洪要求的提高及環境執法上的日趨嚴格，正不斷尋求更為合理有效的設計方法以達到技術經濟的最優化目標。系統的經濟、環境及社會效益分析可用下式表示：

　　E＝E₁+E₂-E₃-E₄-E₅-E₆-E₇

　　式中　E——系統綜合效益
　　　　　E1——投入值，包括工程土建費、設備費和安裝費等
　　　　　E2——運行及回用水處理費用(藥劑、人工和電費等可比照的中水回用費用 )
　　　　　E3——節省城市引水和凈水的邊際費用
　　　　　E4——雨水回用帶來的國家財政收入(按因缺水而造成國家的財政損失計)
　　　　　E5——減少污染排放而產生的社會效益
　　　　　E6——提高防洪水準而減少的經濟損失
　　　　　E7——節省的城市排水設施建設費用

　　E₄～E₇項為系統所產生的社會經濟效益，因各地情況及雨水管理要求差異較大，數值會有差別，但對水質劣于雨水的中水回用研究表明，當E₄＝5.48元/m³，E5＝2.03元/m³，E7＝0.36元/m³時，其效益相當明顯。

　　5 示例計算

　　上海浦東新區某新建居住區的規劃面積為189.4hm²，區域年均降雨量為1100mm，街坊內雨水通過支管匯入小區中部的雨水干管，最后匯入小區外河道或回用于區內綠地。
　　5.1 區域劃分
　　綜合小區用地情況、防洪要求及雨水綜合池建造要求，將該小區劃分成4個主要設計區域，其主要用地指標計算見表2。

表2 小區用地類型分布

　　5.2 設計暴雨強度及徑流計算
　　設計重現期TE＝3a，t＝t1+2t2＝60min，計算暴雨強度公式為：

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

　　雨水設計流量公式為：

　　q＝iφF

　　式中 φ——徑流系數(綠地φ＝0.2；道路φ＝0.9；其他φ ＝0.8)
　　　　　F——匯水面積，hm²
　　計算得各分區排水管系最大設計流量為：
　　q_1max＝3.55m³/s；q_2max＝5m³/s；
　　q_3max＝7.24m³/s；q_4max＝4.55m³/s。
　　以X₁區域為例，建立W＝f(Q)方程并圖解得調洪容積(W)—設計年限(T)相關圖，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，實現非飲用水的回用，其潛在可回用水量取年平均降雨量的50%加以計算。區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 系統分析
　　在原雨水排除體系的基礎上，綜合池設計將決定雨水綜合排除系統的防洪能力、污染物去除率和回用保證率，以X₁區域為例，系統綜合效益見圖4。
　　從計算結果來看，調節池容量與回用水利用率及污染物去除率呈線性關系，而與系統設計重現期呈指數關系。對系統作綜合效益比較，30a暴雨設計重現期可達到較好的洪防、治污及回用目標(見表4)。

　　6 結 論

　　①雨水綜合排除系統為多目標優化系統，在確定綜合池容積在排水體系中的比例時，應充分考慮當地用水現狀、防洪要求、經濟條件、供水水源情況及水污染現狀在系統決策中的重要性，從而有所側重地確定主要決定因素，提高綜合池的利用率，充分發揮其社會及經濟效益。
　　②從浦東規劃新建居住區示例的計算結果可以認為，城市雨水綜合排除系統起到了調洪、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