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1城市雨水處置與利用方案

雨水處置與利用方案有多種。除傳統(tǒng)的直接排放方案外,還可以根據(jù)當?shù)貤l件和用水要求設計為滲透、中水利用或幾種方式的組合。以下為北京某新建小區(qū)雨水處置與利用的4種設計方案。該小區(qū)位于北京東南部,占地總面積29320m2,其中:建筑占地5925m2;道路與停車場8995m2;綠地14400m2;三者的占地比例分別為20•2%,30•7%,49•1%。小區(qū)地勢平坦,土壤滲透系數(shù)為5×10-5m/s,地下水位在-12m左右,適于進行雨水滲透。另外,小區(qū)內建筑主要為3~4層的高級寓所,且均為瓦質屋面,屋面雨水水質較好且便于收集,可考慮將屋面雨水單獨收集作為中水補充水源。

1•1方案一直接排放

方案一按傳統(tǒng)的雨水直接排放方案。采用鋼筋混凝土圓管,設計重現(xiàn)期P=1a。根據(jù)條件,可設計較多的低綠地和滲透地面。

1•2方案二滲透管滲透+排放

在方案一的基礎上,將非滲透雨水管改為滲透管或穿孔管,周圍回填礫石。滲透管溝兼有滲透和排放兩種功能。為保證防洪能力不減少,中心穿孔管仍采用與方案一相同的設計方法和參數(shù)。管溝滲透能力(滲透所需有效貯存空間與滲透面積)按照文獻[1]推薦使用的圖解法進行設計,設計重現(xiàn)期P=0•33a。此例中心管采用鋼筋混凝土穿孔管,開孔率為2%~3%。管外回填粒徑為10~20mm礫石,礫石外包土工布(滲透系數(shù)≥5×10-4m/s,厚度≥3mm),以保證滲透順利,同時防止土粒進入滲透管溝發(fā)生堵塞。該方案充分利用中心管和周圍礫石的空隙體積作為滲透利用的有效存貯空間,占地面積小,設計簡單,方便施工,費用增加不多,安全性和效益均較高,適合舊小區(qū)原有管系的改造。除在雨水口上設置截污裝置以外,沒有其它特殊設備,管理較容易。根據(jù)路面和雨水水質狀況,起始段檢查井可設計成截污井。工程實施時還可將雨水口、連接管、檢查井均建成滲透裝置,以增大滲透儲存空間。該方案采用了多種滲透設施,屋面雨水先流經高位花壇進行滲透凈化,再與道路雨水一起通過低綠地,通過截污裝置后流入滲透淺溝;雨量較大時,雨水沿著淺溝進入滲透渠繼續(xù)下滲;超過滲透能力的雨水再排入市政管網。

1.3研究結果表明,人工拌和土較天然土對屋面初期雨水有更好的凈化作用。故本方案在建筑物周圍設置高位花壇,花壇中填入滲透性能好、凈化能力強的人工拌和土[3],將屋面雨水接入,作為雨水凈化裝置,提高系統(tǒng)安全性。高位花壇的尺寸可按建筑物周圍條件而定。每條花壇外壁布設2~4個穿孔排水管,管徑50mm,排水管與雨落管間距≥5m。為防止雨水沖刷花壇內植被和土壤,在雨落管出口處應設減沖措施或在花壇內鋪設卵石。滲透渠與滲透淺溝仍按圖解法進行計算,設計重現(xiàn)期P=0•5a。滲透渠中心渠采用無砂混凝土矩形渠,外填粒徑為10~20mm礫石,礫石外包土工布。渠上加蓋混凝土蓋板。因目前國內尚無雨水滲透與排放聯(lián)合設計與運行的規(guī)范與經驗,作為方案設計與比較,為防洪安全,滲透設施與市政管網的連接溢流管設計重現(xiàn)期仍采用直接排放方案時選用的設計重現(xiàn)期。小區(qū)中所有路面均高于綠地約60mm,保證道路雨水先進入綠地進行滲透處理。該方案滲透裝置埋深較淺,有利于增大滲透儲存空間,方便施工,減少投資。小區(qū)雨水水質較好,未設初期棄流裝置,直接利用高位花壇對屋面雨水進行凈化處理,其余徑流雨水進入綠地和淺溝。易于清堵,便于管理。

1•4方案四中水利用+淺溝滲透

該方案考慮中水利用和滲透兩方面。中水主要利用水質相對較好且易于收集的屋面雨水,處理后作為綠化、噴灑道路等雜用水的補充水源。中水收集及處理流程為:屋面雨水→初期棄流裝置→貯水池→加藥、接觸過濾→消毒→中水池→利用。道路雨水進入低綠地或滲透淺溝進行滲透,多余雨水溢流排至市政雨水管道。根據(jù)研究結果,雨水初期棄流裝置容積按匯水面積乘以2mm降雨量設計[4]。貯水池的有效容積按雨水調節(jié)池的設計方法計算,為地下鋼筋混凝土結構;中水池的有效容積與貯水池相同。為減少占地、節(jié)省投資,利用貯水池的頂板作為中水池的底板,且與小區(qū)內水景設計相結合,選用石砌池壁敞口水池。該方案將水質相對較好的屋面雨水進行處理后作為中水補充水源,直接利用水量比例加大。但中水系統(tǒng)需要較多的構筑物、設備與控制裝置,使該方案的總費用加大,同時由于雨水的季節(jié)性和隨機性,會造成中水系統(tǒng)運行不連續(xù),使用率不高。

2技術經濟分析

2•1基建投資

基建投資包括土建投資和管道設備部分投資。按1996年北京市建設工程概算定額進行計算,各方案雨水利用總量與工程造價。結果表明:方案二、三、四的工程造價分別較方案一高10•49萬元、12•23萬元、82•12萬元,較之多滲透(或多利用)雨水量分別為4693m3,6435m3,7128m3。事實上,無論采用哪種方案,雨水收集排放均不可少。若以單位滲透與直接利用雨水工程造價來計,則方案三所需費用最低,僅為26•63元/m3,是方案一的81•6%;其次是方案二,為28•88元/m3,是方案一的88•5%。故方案三與方案二均優(yōu)于方案一。

2•2運行成本

2•2•1滲透系統(tǒng)運行成本

以方案三為例,工程建成后,該小區(qū)平均每年處置的總水量為17445m3(未計損失),工程造價為38•87萬元,假定折舊期為30a,每年折舊費為38•87/30=1•294萬元。按靜態(tài)分析每單位水量分攤費用為1•294×104/17445=0•74元。由于滲透系統(tǒng)在雨水口增加了截污裝置,所以每年第一場雨之前和每兩場雨之間,往往需要人工清理堵塞污物,以便更好運行。以每年清理10次,每次10工日,每工日30元計,則該小區(qū)全年滲透系統(tǒng)運行成本為10×10×30=3000元。假設滲透運行成本全部均勻分攤到每年滲透水總量上,則方案三每m3滲透水量運行成本為0•21元。兩項合計,方案三滲透系統(tǒng)運行成本為0•95元/m3。

2•2•2中水系統(tǒng)運行成本中水運行成本的影響因素較多,與處理規(guī)模、實際水量、設備自動化程度、管理水平、日常維修等因素有關。根據(jù)北京市中水設施運行調查結果,若不考慮折舊費可使中水系統(tǒng)運行費降到0•75元/m3以下[5]。

2•3方案對比評價

雨水利用的效益是多方面的,更多地表現(xiàn)為社會效益、環(huán)境效益等間接效益。故應以國民經濟評價為主。下面以方案三為例,求算方案三與方案一的差額投資經濟內部收益率。

2•3•1差額收益分析

(1)節(jié)省城市引水、凈水的邊際費用。方案三實施以后,每年較方案一多滲透補充地下水14559-8164=6435m3,假設其中50%通過地下水源自來水供給使用,則每年可節(jié)約地表水源自來水6435×50%=3218m3。以北京市2001年初每m3地下水源自來水實際價格0•4元計,則每m3滲透水轉化為自來水的成本為0•95+0•4=1•35元,而地表水源自來水每m3實際價格1•60元,每m3水可節(jié)約1•60-1•35=0•25元。所以該小區(qū)每年可節(jié)省的費用為3218×0•25=805元。若考慮遠距離引水(如南水北調)及用水超標加價收費和罰款,則此項節(jié)省費用還會更高。據(jù)報道,遠距離輸水是節(jié)水費用的3~5倍。

(2)節(jié)水可增加的國家財政收入。這一部分收入可按目前國家由于缺水造成的國家財政收入的損失計算。據(jù)了解,目前全國600多個城市日平均缺水1000萬m3,造成國家財政收入年減少200億元[5],相當于每缺水1m3,要損失5•48元,即節(jié)約1m3水意味著創(chuàng)造了5•48元的收益。方案三較方案一每年節(jié)水3218m3,可產生收益3218×5•48=17635元。

(3)消除污染而減少的社會損失。據(jù)分析,為消除污染每投入1元可減少的環(huán)境資源損失是3元[5],即投入產出比為1∶3。由于在本方案中提出“高花壇凈化、低綠地接納、淺溝和滲透渠同時滲透”的方案,盡管這是一種理想狀態(tài),雨量較大時仍有部分雨水出流,但畢竟大大減少了污染雨水排入河流水體,也減少了因雨水的污染而帶來的河流水體環(huán)境污染。方案三較方案一減少排放雨水9281-2846=6435m3,以北京市2001年初排污費0•4元/m3作為消除污染需投入的費用,則每年因消除污染而減少的社會損失為3×0•4×6435=7722元。

(4)節(jié)省城市排水設施的運行費用。雨水滲透與利用后,每年減少向市政管網排放雨水6435m3。這樣會減輕市政管網的壓力,也減少市政管網的維護費用。每m3水的管網運行費用為0•08元[5],則方案三較方案一每年可節(jié)省城市排水設施的運行費用為6435×0•08=515元。四項合計,方案三每年較方案一多收益805+17635+7722+515=26677元。

2•3•2差額投資經濟內部收益率

方案三較方案一的工程造價高38•87-26•64=12•23萬元,每年運行費用多投入3000元。以壽命期30a計,則其差額投資經濟內部收益率為19•2%,高于目前我國社會折現(xiàn)率12%,故方案三優(yōu)于方案一。同樣方法可算出方案二與方案一的差額投資經濟內部收益率為15•5%,優(yōu)于方案一。方案四與方案一的差額投資經濟內部收益率小于12%,方案一優(yōu)于方案四。

2•4評價結論及建議

以上分析可以看出,方案三和方案二均優(yōu)于方案一,方案三效果最為明顯。在計算中,對各方案的防洪減災、節(jié)省水資源、防止地面沉降減少的災害,改善城市環(huán)境以后帶來的其它環(huán)境效益和社會效益等未作定量分析。如果考慮這些效益,則方案三、方案二的收益率更大,方案四的可行性則需根據(jù)具體情況進行分析。

3結束語

城市雨水利用有多種形式。主要包括滲透與中水利用。它們均具有較好的環(huán)境、社會等綜合效益,其中滲透方案最為明顯,值得大力提倡和推廣。對舊城區(qū)改造,滲透管方案較適宜;對新建工程,“高花壇+低綠地+淺溝、滲透渠滲透”方案最好。在條件成熟、資金充足時,雨水的中水利用也可作為嚴重缺水地區(qū)解決水資源危機的途徑。實施時應綜合考慮雨水排放、滲透利用、中水利用、棄流、污染控制等幾方面,根據(jù)具體情況進行合理規(guī)劃。