文 献 综 述

城市水环境管理方法模式的转变

摘要：在城市环境中，传统的水利基础设施是在集中处理这个基础上进行的。这种方法包括：建立管网，提供饮用水给消费者，建立排水网络，将废水和雨水径流远运输至远离人口中心的地方。然而，正如在本文中所提到的，由于各种原因，集中供水基础设施长期以来是不能持续下去的。这篇文章介绍了一个观念：将分散式供水基础设施与设计在城市环境中水管理系统结合起来的全面的可持续的水管理方法。分散式供水基础设施是小、中等规模的系统，使用和/或再利用当地的水资源，如雨水，雨水径流和废水。这种全面方法认为，这些谁是一种宝贵的资源，要利用它们而不是浪费。本文简要介绍了适合城市环境的各类分散式供水基础设施。本文的重点是屋顶雨水收集系统作为分散式水利基础设施以及在城市环境中作为发展全面、可持续的水利基础设施的有效性。尽管雨水收集系统已经广泛地应用，但是关于它在水资源可持续管理以及城市水利基础设施方面的有效性的信息发布得很少。本文讨论了雨水收集系统作为水资源可持续管理以及在城市环境中作为分散式水利基础设施的重要组成部分的多元化利益。

关键词：城市雨水管理，分散式供水设施，雨水收集，水和能源的节约

1引言

目前，传统的集中式供水设施的构成了现在社会的骨干。设置在城市里的集中式供水设施包括饮用水处理和分配系统，污水处理和排放系统，以及城市雨水排水系统。在给城市供水时，泵是用来将远离城市的水源输送到水处理厂，处理之后利用管道、泵以及储罐将饮用水引入城市。城市使用后产生的污水通过管道运输到污水处理厂进行适当的处理。由于地形条件，需要抽水系统将废水运输到污水处理厂。处理后的污水往往是排放到附近的地表水系统。从诸如道路、停车场和建筑屋顶等防渗领域的城市雨水径流要么直接排放到附近的天然水域，要么通过各种没有重要处理的运输系统直接排入自然水系[1]。

美国的集中式供水基础设施主要在19世纪建立。这些基础设施在21世纪已经不可持续应用了，因为随着老化它们的效果正在变差。据美国报道，每年有240000起水管爆裂事件，并且在接近系统的使用寿命的时候水管爆裂发生次数大大提高了。根据美国自来水厂协会报道，当处理后的饮用水从水厂到用户时大约有23*10^6立方米的饮用水由于泄露而损失掉。根据一个美国土木工程师学会报告，美国饮用水系统面临一个问题，有些设备已经接近其使用寿命，并且为遵守现有以及未来的联邦水条例，每年至少要花费110亿美元来更换老化的设备。从能量消耗的角度来看，长期可持续的集中供水基础设施也遭到质疑。据估计，集中供水基础设施每年约消耗75*10^9千瓦时。城市化进程大大改变了水文景观。城市化通过消除植被、土壤定级、土壤压实以及创造不透水表面改造了自然土地和水资源系统[2]。

城市化影响的普遍特点是增加雨水径流率和体积，并且减少了地下水的渗透。这些水文变化导致了洪灾和水生栖息地的退化。在美国，大约50%的地表水污染问题来源于包括城市地区的不透水表面的非点源污染。传统的雨水输运以及贮存设备不能有效地解决一些问题，这些问题与水文变化以及在城市环境中受雨水径流影响的水质有关。

上述强调的，与集中供水基础设施相关的各种问题，深刻地影响城市里的集中水、废水和雨水管理基础设施长期的可行性与可持续性。模式转变需要水资源以及水基础设施的可持续管理。分散式供水基础设施为代替集中系统在城市里实施可持续谁基础设施提供了可行性。下面是一个关于分散式供水基础设施的概述。

2 分散式供水设施

分散式供水基础设施是小、中等规模的系统，利用当地现有水源为各种室内、室外使用，并促进产生的污水和当地的雨水径流的利用与再利用。一般来说，基础设施的特点是需要的管道和泵较少，并且耗能少。下面讨论了一些分散式供水设施的几个例子，雨水收集系统作为城市里一个整体的分散方式的潜力。

2.1分散式污水处理设施

分散式污水处理设施依靠自然过程，也就是通过土壤地表渗滤以及生物反应来处理产生的废水。分散式基础设施被视为一个潜在可行的、低成本的处理废水的方式。一个设计与管理良好的分散式污水处理系统可以促进污染物被充分的去除并且有助于地下水的不给。在美国，大约有20%的家庭和33%的新发展是由分散式污水处理系统承担。这些系统每天集中并处理大约0.015*10^9立方米来自2600百万家庭、商业、和娱乐设施的废水。

2.2分散式雨水管理基础设施

如前所述，城市里的暴雨径流导致地表水质量以及水生生物栖息地的退化。低冲击开发（LID）的最佳管理做法（BMPs）是分散式水基础设施，旨在保持在开发之前下水文条件处于相同水平。低冲击开发的概念就是城市雨水管理的综合方法，第一次实施是在90年代初的乔治王子县，马里兰州。低冲击开发是基于控制整个网的源点。下面简单介绍了在美国比较普遍的几种类型的暴雨管理的低冲击开发最佳管理办法。这些最佳管理办法的细节是由杨等人记录的[3]。

2.2.1雨水调蓄池

调蓄池是最佳管理办法中的一个结构，它利用一个永久性的池塘来留住雨水。它减少流速并且促进最大径流减灾，还能从雨水径流中去除泥沙、营养物、有机材料和微量金属。这个系统中的生物处理过程可以减少暴雨径流中的可溶性营养素如硝酸态氮和正磷酸盐。调蓄池也可以提供审美效益，增加这个地方的价值，同时还能大大地提高这个地方的径流的质量[4]。

2.2.2渗滤沟渠

渗滤沟渠是一种线性的雨水最佳管理办法，能够调蓄在一段指定时间内的径流并且可以促进渗滤。通常渗滤沟渠是设计在雨水输送系统里的一部分，目的是使当更大的风暴经过沟槽产生的径流体积减少。在小风暴事件中，观察到的体积减少可能是很重要的。虽然渗滤沟渠有不同类型，但是一个渗滤沟渠的核心元素骨料的尺寸以及有效空隙体积。因此，在地表和地下的各自的设计都是类似的[5]。

2.2.3渗滤池

渗滤池是浅的，设计蓄水区用来暂时存储并且让雨水径流渗滤。水质的改善是通过土壤表层和在池里的植被的自然过滤来达到的。渗滤池最佳管理办法应用于美国居住区、商业区以及工业区。

2.2.4生态植被带

生态植被带是永久性植被带，设于非点源污染的之间，接受水体并且消除或减轻如营养物质和沉淀物之类的污染物的影响。如果建立并维护适当，生态带可以减少径流流速并减少径流体积，改善径流质量，降低不透水面积并提供审美效益，有利于这个地方的开发。植被过滤或缓冲带在住宅区、商业区和公路旁是最常见的。

2.2.5工河道水质洼地

工程水质洼地应用于整个美国的住宅区、商业区、工业区和公路旁。工程水质洼地通常有大量茂密的草木，有多样的、高污染物去除潜力的当地亲水植物。通常，草木洼地的特点是有一层致密的植被，具有至少75厘米高至中等透水土壤覆盖。

2.2.6生物滞留系统

生物滞留系统是一种低冲击的最佳管理办法，它模仿陆地森林生态系统。这个是一个修改之后的渗滤系统，它的设计结合了树木、植被以及灌木。雨水的处理过程是过滤、吸附、离子交换、蒸发以及微生物分解的共同作用。生物滞留系统有两种：离线和在线最佳管理办法。离线生物滞留系统是指径流被转移到有沙和泥土混合，并种有本土植被的地区。径流要么通过陆地流到这些地放，要么就是通过一个排水系统工程集中排放到这些地方。离线系统可以用来装指定体积的水，尤其在高度城市化环境下的可以用来处理雨水的土地不多的地方，这种系统是特别有用的。这些最佳管理办法可以位于停车场和分隔带。在线系统的功能大致相同，但是它是直接设在排水沟、生态带或者其它诸如主要雨水排水网等地方。在这些系统中，护堤或淤地坝用于控制积水。在一个指定的生物滞留地区，淤地坝和其它积水径流控制方法通常是一个有限的排放区域，不超过20*10^3平方米。

2.2.7人工湿地

人工湿地是建造方面的最佳管理办法，播种各种水生植被的种子。这些人工湿地和调蓄池具有类似的功能，通过物理、化学以及生物过程去除污染物并提高雨水径流的质量[6]。

2.2.8多孔路面系统

多孔路面系统包括可渗透表面，在其之下有放置在土层上的级配均匀的碎石床面。该类型的多孔路面包括沥青、混凝土、以及各种结构的路面。多孔路面仅限于场外排水面积小于40*10^3平方米的地方。应用多孔路面需要这样的地形：能够使渗滤床水平放置，而且土地等级在任何方向不超过5%。在确定多孔路面的时候土壤的渗透性往往是最重要的因素。多孔路面系统可以在寒冷的天气应用，只要土壤层深度延伸到冰冻线以下。一些水体较浅的地方都不会安装多孔路面系统。多孔路面系统现在应用于整个美国的住宅区、商业区以及工业场所。

3 全面的分散方法-雨水收集系统

雨水收集系统包含了屋顶雨水的收集与利用，它被认为是一个全面的分散式供水基础设施，因为在城市中它有尺寸种类多这个优点。一个雨水收集系统可以减轻雨水径流的影响，节约饮用水，减少能源的使用并且还能保护地下水。在适当的条件下，一个雨水收集系统可以补助低冲击开发并达到最佳的城市雨水管理效果。

3.1屋顶雨水：

在一个地方，从建筑物屋顶收集的雨水是一个主要的水源。假设20%的损失是由于溅洒和蒸发，光是在1000平方米大小的屋顶上1厘米厚度的雨水可以产生大约8立方米水

量。当考虑到在高密度建筑的城市集水区，可以得到的雨水量是相当可观的。这个事实可以用一下的例子来说明。在华盛顿特区的郊区，由于城市化，这个方形流域（127平方公里）有17%的不透水区域。一般来说，在城市地区建筑屋顶有16%~45%的不透水区域。如果这个地区的集水区包含了30%的建筑屋顶，那么1厘米的雨水可以产生0.5*10^9立方米的水量。对于一个年平均降水量为100厘米的区域，估计从建筑屋顶上收集的水量可以达到50*10^9立方米。

一般来说，建筑屋顶径流是通过屋顶排水沟来收集并通过市政雨水排水管道排放到地表水系统的。屋顶雨水排水系统蕴含着很重要的提示：1）一个宝贵的水资源被浪费；2）污染物随着屋顶雨水径流进入天然水体系统，导致生态系统的退化；还有3）社会成本，包括排水系统建设成本，和为了是处理水达到规定的水质而产生的间接成本以及娱乐用水的损失[7]。

3.2雨水收集：案例研究

雨水收集自古以来就有了。在现代世界，收集雨水供国内使用已经被农村和偏远的地方广泛采用，因为那里没有集中供水系统或者是成本过高。在城市住宅区，雨桶常常被用来收集屋顶雨水并用于景观灌溉和园艺。近年来，开始收集雨水并用于室内诸如冲洗厕所的非饮用水的趋势有所增加。在美国，许多城市已经在住宅区和商业部门实施雨水收集工程。。雨水收集也在许多国家广泛应用，比如澳大利亚，巴西，中国，印度，德国以及一些其他国家。尽管雨水收集系统被广泛应用，但是关于它在水资源可持续管理以及城市水利基础设施方面的有效性的信息发布得很少。下面讨论了在城市环境中雨水收集系统的优点。

3.3雨水管理中雨水收集系统的有效性

雨水收集正在成为城市雨水管理中充满希望的低冲击开发方式。一些研究记录了雨水收集系统对于径流减少的影响。这些研究表明雨水收集是雨水管理最有效的方式，因为它可以应用在人口稠密和多层建筑的地方，这些地方对于水的需求很大程度上与收集的雨水有关[8]。

表1雨水收集和利用对雨水排水量的影响

建筑类型及屋顶面积/m2 位置与年降水量（cm/a） 估计可得降水量（m3/a） 雨水利用和使用目的（m3/a） 排水平衡量（m3/a）

布莱克斯堡市政大厦（205） 布莱克斯堡，弗吉尼亚州 753 室内使用（80个用户的厕所）； 0

（108.28） 户外使用（景观灌溉）

布莱克斯堡汽车公司大楼（930）布莱克斯堡，弗吉尼亚州 795 室内使用（80个用户的厕所）； 602

（108.28） 户外使用（景观灌溉）

马纳萨斯公园小学（5713） 马纳萨斯公园，弗吉尼亚州 4991 室内使用（80个用户的厕所）； 69

（91.95） 户外使用（景观灌溉）

夏洛茨维尔地区运输设施（2443）夏洛茨维尔，弗吉尼亚州 18671 室内使用（80个用户的厕所）； 2641

户外使用（景观灌溉）

表1显示了在弗吉尼亚州，雨水收集和利用对一些建筑物雨水径流量减少产生的影响。在大多数雨水收集系统中，来源于收集到的雨水的可饮用水的节约量等于屋顶径流减少量。雨水收集和再利用使从一个地方流进流出的水量减少。从这种意义上说，将雨水收集系统作为一个替代水源并作为最佳雨水管理办法可以明显地改善效果。

虽然非饮用水的需求往往很高，如果有很大一部分收集的雨水不能用在建筑环境，对于过剩的屋顶径流的其他处理方式可以考虑。例如，在布雷克斯堡汽车公司（BMC），表1中显示，只有193立方米（lt;25%）收集的雨水有潜在的可利用性，并且会流入雨水排水系统。可能的解决办法是，解决多余的雨水包括考虑一个雨水管理的综合性办法，可以采用其他低冲击开发方法，比如生物滞留系统。当雨水收集系统位于生物质流细胞的上游时，可以减少水流在滞留区的流速，从而减少生物细胞大小并使得土地有限的地方可以实施这种方法[9]。

在适当的条件下，在相邻或附近的建筑物共享收集到的雨水被视为一个可行的选择。比如，从布雷克斯堡汽车公司收集的雨水（表1）可以直接排到相邻的布莱克斯堡中，在这里室内用水需求量比收集的雨水量要高。这种方法有一个潜在的应用，就是商场里的对

水有不同需求的商店可以共享同一个建筑以及给水系统。在其他情况下，多余的水可以直接排入回灌井或者通过渗滤沟槽储存在自然含水层并减轻地下水枯竭。

屋顶雨水收集得益于水质量的管理，这一点应当注意。减少进入地表水的屋顶径流量可以减少由于接收屋顶径流而带来的污染物。屋顶径流质量的特点与屋顶的不同材料有关，但是金属是屋顶材料最常被提到的污染物，屋顶径流可以引起严重的非点源污染。研究表明，尽管屋面上的铝、锰、铜、锌浓度超过国家地表水环境质量标准，但是锌和铜是最常违背水质标准的。雨水收集和再利用将减少地表水系统的这些污染物[10]。

3.4雨水收集对可饮用水以及节约能源的影响

饮用水的非饮用用途构成了住宅、商业、机构和工业部门的一个重要用水部分。来自，饮用水的中非饮用用途的水所占比例大约是：园林绿化（35%）、冷却（15%）、洗衣（2%）和冲洗厕所（12%）。对于一个全面的水管理方法，我们认识到这些用途的水并不需要提供与饮用水一样质量标准的水。此外，在一个传统的集中式供水系统中，水处理以及水的运输是通过水泵和管道来实现的，这需要能量。由于在水处理和运输水过程中消耗能量，在集中式饮用水供水系统中水的损失和无效使用就代表着浪费能量。因为碳排放直接与能量消耗有关，碳足迹的耗水应被视为一个减少能量使用和碳足迹的重要措施，也就是减轻气候变化的影响。报道说有一个方法可以根据饮用水的处理和分配来估计使用的能量和碳的排放量。雨水收集作为一种节约饮用水和养护水的一个办法，可以看做是一个在当地节约能量和缓解气候变化的宝贵的

工具[11]。

表2在弗吉尼亚因雨水收集而节约的饮用水和能源

建筑物及地点 水用的方式 收集的雨水 节约能量估计值/KWh 碳减少量/(kg a#8211;1）

（节约的饮用水）（（m3/a）

奥斯卡斯米中学，乞沙比克市， 景观灌溉和冲洗 14118 5409 5194

美国西弗吉尼亚州区域校正设备， 厕所衣设备 17411 6670 6387

罗阿诺克县，弗吉尼亚州，美国

表2显示，雨水收集的两种不同应用对饮用水、能源节约和降低碳排放量的影响。饮用水处理和分配所消耗的能量是具体的，这取决于源水水质、地形以及水运输的距离。如表2所示，用于饮用水处理和分配所消耗的能量未知。因此，文献上的估计每立方米水所耗能量的平均值以及碳减排量被用于估计能量节约以及碳排放量的减少。

杨波斯和劳森通过个案研究网站也说明：与现有的集中组合雨水、下水道系统相比，计划好的分散式雨水收集系统具有节约能源的潜力。因为这个地方收集的屋顶雨水（5000立方米）将用于冲洗厕所、小便器和景观灌溉。将雨水收集系统要消耗的能源估计值、与传统污水、雨水处理设施消耗的能量相比，有一点是可以确定的，如果雨水收集系统开始利用了，这个研究站节约的电能为2370千瓦时每年[12]。

3.5雨水收集对地下水管理的影响

由于不透水面积的增加而导致地表渗滤减少，并且过度抽取地下水供公共和工业消费，许多城市经历地下水位慢性下降和严重下降。在许多沿海城市，由于城市化以及过度地抽取地下水导致了盐水入侵沿海地下蓄水层。在城市环境下将雨水收集系统和人工地下水回灌系统可以防止海水入侵沿海地下蓄水层。在这种综合系统中，多余的屋顶径流（罐子溢流）可以直接进入回灌井或者如果有土地可以用来做渗滤沟渠或者类似的低冲击开发方法可以促进地下水补给。然而，要想实施一个雨水收集和地下水回灌的综合性系统需要有适当的渗滤技术来阻止地下水污染[13]。

4 结论

分散式供水设施在水资源可持续管理方面很有前景。这些基础设施应被视为水资源可持续管理和城市供水基础设施一个综合和整体办法中的一个组成部分。分散式供水基础设施的实施，特别是作为一个低冲击开发的雨水收集系统，可以消除或者减少屋顶径流雨水排放和接受水域的影响，从而提高地表水质量[14]。

雨水收集系统可以减轻雨水径流的影响，节约饮用水，减少能源使用，并有助于地下水的保护。在适当的条件下，一个雨水收集系统可以补充其他低冲击开发方法，在城市雨水管理中达到最佳效果。

虽然世界上越来越多地使用雨水收集系统，但是为了开发其全部潜力，有多个问题必须要解决。比如，目前，饮用水在美国是廉价的，在财务上单独刺激节约用水并不能成为一个有力说服商业地产开发商实施雨水收集系统。在绿色建筑和现有建筑物的复古中，有必要就水资源的可持续性以及整合雨水收集系统的优势对开发商进行教育。另外一个和实施雨水收集系统相关的方面是因为缺乏政府指导和规章。目前，雨水收集的指导方针还没有明确的规定和规范。例如，在美国的少数一些州有全面的规定将雨水的收集及雨水收集系统的设计作为雨水管理实践或地下水补给的一种选择[15]。

参考文献

[1]赵兴梅.浅议水资源与环境管理[J].中国新技术新产品，2011，25（10）：206.

[2]刘艳.我国城市雨水管理若干个问题的思考[J].中国给水排水，2009，32（8）：12-15.

[3]邓智光，吴宗义，蒋卫列.城市初期雨水处理的路线研究与探索[J]，中国给水排水，2009，（10）：65-68.

[4]刘洪光，石玮，徐伟.浅谈雨水调蓄池的应用[J].黑龙江水利科技，2002，（ 4）：24-26.

[5]张舒涵，王东芳，王力许，陈建刚.城市雨水径流管理与发展趋势[J].北京水务，2012，4：10-13.

[6]熊佳庆，刘华印，刘永军，王晓昌.复合人工湿地处理受污染研究[J].水处理技术，2012，36（4）：24-27.

[7]糜思慧.雨水收集利用系统的探讨[J].城市道桥与防洪，2012，38（6）：22-25.

[8]卢景晖.当前我国分质供水的可行性及模式分析[J].中国科技信息，2005，（17）：142

[9]中国建筑设计研究院主编.建筑给排水设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[10]刘海南.建筑给排水施工中节能技术的应用分析[J].建筑安全,2011,(4):57-60.

[11]王增长，高宇飞.建筑给排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2002

[12]姜岩.建筑给排水设计中的节能减排[J].环境保护与循环经济,2007,11(6):21-22.

[13]施继东.浅谈建筑给排水环保节能的紧迫性及措施[J].甘肃冶金,2011,33(5): 117-120.

[14]曾振球.试论建筑给排水中的节能设计[J].中国高新技术企业,2012,19(22):89-91.

[15]王磊,杨金平.浅谈建筑给排水节能设计[J].民营科技,2012,18(9):295.