城市雨水利用的研究进展及发展趋势浅析

孙奎利 苗展堂 Sun Kuili and Miao Zhantang

一、引言

雨水是城市中有待进一步开发的水资源之一，雨水利用具有重要的经济和生态效益。当前，解决水资源匮乏和水环境恶化问题是21 世纪全球实现人口、环境、经济和社会可持续协调发展的一个关键性问题。如何增加对雨水的控制和应用，是新时期解决水资源问题的重要研究课题。而基于微循环理念的低影响开发作为一种生态式、景观化雨水管理方法，已在发达国家中得到了广泛应用。

二、国内外城市雨水利用研究评述

早在20 世纪70 年代，国外对于雨水利用方面就已经展开研究。近二十年来，由于全球范围内发生的水资源短缺及洪涝灾害频发问题，美国、德国、日本、加拿大、丹麦、意大利等40 多个国家对雨水利用尤为重视，相继开展了雨水利用的研究与实践，雨水利用普及率也越来越高。其中德国、日本、美国等城市化程度高、经济发达的国家已将雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施，并建立起了完整的雨水收集利用体系及相关规范制度，雨水收集利用开始向系统化、集成化和规范化发展。

（一）城市雨水利用的技术研究

从雨水利用的用途来看，雨水利用主要集中在利用雨水解决人畜生活用水、集流补灌农业生产用水、生态环境用水和城市雨洪利用以及回灌地下水等方面。目前，在城市雨洪方面微循环理念下对雨水利用的策略，主要集中在雨水综合回用、雨水渗透利用、雨水水质净化、雨洪蓄滞排放及水资源生态处理策略等几个方面。[1]6-15

1. 雨水的综合回用

城市雨水综合回用是指利用景观生态学、生态经济学原理，通过人工净化和自然净化相结合的方式，将雨水集蓄、渗透、应用与园林绿地等景观设计相结合的综合性设计，从而实现城市规划、建筑景观、园林绿地与河流水系的协调统一，实现经济效益和环境效益的统一，以及人与自然的和谐共存。这种雨水利用方式具有生态性、可持续性的特点，能够实现城市生态效益、经济效益的最大化。具体做法因其依据的城市园林绿地规模特点而不同，一般包括屋顶绿化、水景、渗透、雨水回用、收集与排放系统等。还包括集太阳能、风能利用和水景于一体的花园式生态建筑。[2] 德国最早于1970年后的环保运动中开展雨水利用，是欧洲极力主张广泛进行雨水利用的国家，也是目前世界上雨水收集利用最先进的国家之一。其主要在三个方面居世界领先地位，即生态小区雨水收集、净化、渗透和蓄存等综合利用，雨水利用的标准化、产业化利用，雨水利用的法律法规保障。日本是水资源比较缺乏的国家，因此早在20 世纪60 年代就已经开始雨水利用。东京都墨田区雨水回用工程获得了第一届国际环境自治团体协商会的环境奖，该项目是将居民屋顶雨水借助现有水落管汇入集水箱中，沉淀净化后供洗车冲厕、植物灌溉之用，并且项目是通过政府与居民合作的形式得以实施并推广。

2. 雨水渗透利用

雨水渗透具有补充涵养地下水、缓解地面沉降、减少水涝和海水倒灌、减少地表径流、减少雨污管道负荷等优点，成为一种有前景的雨水间接利用方式。美国在雨水利用方面更侧重于雨水渗透，强调就地滞蓄渗透。在芝加哥市兴建了地下隧道蓄水系统，以解决城市防洪和雨水利用问题。其他很多城市还建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统。美国不但重视工程措施，而且还通过法律法规对雨水渗透给予支持。如科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州分别制定了《雨水利用条例》。这些条例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平。所有新开发区必须实行强制的“就地滞洪蓄水”。德国在强调雨水蓄存回用的同时也注重雨水的入渗，在联邦德国，水、废水和固体废弃物协会（ATV）提出的ATV-DVWK-Arbeitsblatt 138 工作手册中对雨水入渗设施的规划、建设和运行管理进行了详细规定。并提出了地面入渗、洼地入渗、“洼地—渗沟”组合、“渗沟—渗管”组合、渗井、“洼地—渗沟—雨水”排水系统等雨水入渗设施。[3]

3. 雨水水质净化

城市的工业化、现代化建设所带来的污染物对雨水、地下水等城市淡水资源造成了愈来愈大的负面影响。另外，城市到处都是硬化的路面，地表蒸腾作用十分显著。因此，开发具有净化能力并且可以含蓄淡水资源来保证绿化植物正常生长的材料是非常必要的。同时，部分雨水通过净化去除各种污染物质，达到了饮用水的标准，可以缓解淡水资源紧缺和城市发展之间的矛盾。[4]

4. 雨洪蓄滞与排放

在国外的城市建设中，有许多关于雨洪排放的优秀建设案例，例如：罗马的地下排水管道系统建设于公元前6 世纪左右，至今2500 多年了仍然在使用；1739 年，奥地利维也纳城中心区有了排水系统，是欧洲第一座拥有完善排水设施的城市；德国最早的地下管道系统是1842 年开始修建由英国林德利设计的汉堡排水系统（图1）。

5. 水资源生态处理

（1）设置小型雨污处理装置

挪威在上世纪90 年代在社区和村镇建设了几百座小型污水处理装置来保护水资源环境，收到很好的效果。近年来，我国的小型污水处理技术发展迅速，并逐步进入实用化阶段。[5] 尤其在农村居民点设置一些小型的雨水或污水处理装置，对改善农村水环境、提高农民生活质量具有重要意义。同时，该处理方式也是推进新型城镇化建设与新农村建设的重要内容，其在实施污水治理过程中，紧密结合国家相关政策（如沼气工程实施政策和湿地保护政策等），能够充分发挥小型污水处理方式的作用。[6]

（2）人工湿地处理

随着人类对资源、环境的过度开发利用，天然湿地越来越少，因此人们提出了模拟自然湿地，由人工设计、建造和监督控制的类似沼泽地地面的人工生态系统，即人工湿地，并利用其进行水质净化和水资源的生态处理。在国外利用人工湿地技术进行点状、面状污染源治理，水质净化和营养修复，已得到充分的实践应用。例如，美国用于处理工业或农业污水的人工湿地有600 多处，其中40 多处可用作雨水水质净化。1996 年位于德国的沃尔夫斯堡即建设了占地面积约800m2、日净化水量35m3 的Einsdorf 垂直人工湿地系统和占地670m2、日净化20m3 水量的垂直流人工湿地系统。到目前为止，在国内大多人工湿地尚停留在实验使用阶段。1987 年天津市环保研究所建设了日处理1400m3 的芦苇湿地工程，是我国研究人工湿地净化水质的首例。1989 年北京环保所建成的用于处理生活污水和工业废水的北京昌平自由水面人工湿地，处理效果优于传统的二级处理工艺。1990 年国家环保总局华南环保所建设了白坭坑人工湿地，证明系统越复杂运行越稳定，其单位污水投资额和处理成本均低于传统污水处理厂。随着我国水环境污染问题的日益严峻，人工湿地处理技术的应用优势也逐渐凸显。尤其是微生物、植物和基质构成的复杂湿地生态系统，实现了对污水中有机物、氮、磷等的有效去除。同时，因其投资省、能耗低和景观效果好，以及其独特的生态修复和自适应能力，人工湿地处理技术被不断改进，并得到广泛应用。[7]

（3）稳定塘—人工湿地组合处理

在研究中，曾有学者提出将稳定塘与人工湿地结合起来设置提高系统稳定性和出水水质，以发挥两者优点的“稳定塘—人工湿地”组合系统。雷志洪等学者在净化深圳布吉河水时利用稳定塘进行前处理、利用复合垂直流型人工湿地进行深度净化的“稳定塘—人工湿地”组合处理方式。该处理方式将每天净化的1000 m3 河水作为洪湖的生态补水，运行效果良好。曹向东等学者研究了将稳定塘和人工湿地交替进行设置的多级“稳定塘—人工湿地”组合系统，该系统的各处理单元之间可以互为补充，对于污水中的氮磷较单一的稳定塘有较好的去除效率。在石家庄滹沱新区生态规划中，奥雅纳公司设计了滹沱新区“稳定塘—人工湿地”组合系统（图2）。该系统呈无规则的自由形状，由湿塘、湿地两个主要单元及进出口、调蓄区、泄洪道和堤岸等设施组成，水深设计采用0.5 ～ 0.8m。

（二）城市雨水利用的建设实践

近十年来，国内外对雨水利用开展了大量的理论研究，主要侧重于雨水综合回用、雨水渗透利用、雨水水质净化、雨水蓄滞与排放和水资源生态处理等几个方面。在此基础上进行了许多示范区建设，尤其以美国波特兰市低影响开发示范区（即美国俄勒冈州波特兰市NE Siskiyou“绿色街道”）最具代表性（图3），再者如我国深圳光明新区牛山科技公园也建设了国内第一个低影响开发示范区。示范公园建成的是光明新区牛山科技园，主要采用了植被浅沟和蓄水池两个措施（图4）。

（三）城市雨水利用的政策与法规

严重缺水的以色列早在1948 年就颁布了“排水与雨水控制法”，同时指定了长达30 年的雨水利用和“沙漠公园计划”，巧妙地通过挡水墙、蓄水池、径流农场、微集水区等建立了沙漠绿洲，实施有效的雨水利用。[1]4-6 德国1996 年对1986 年的水法进行了补充，在补充条款中强调“水可持续利用”的理念并提出了“排水量零增长”的新模式。[3] 日本从政策法规上和经济上全面支持雨水渗透利用。在1992 年实施的《第二代城市排水总体规划》中明确提出了“大型公建建设时必须设置雨水渗透设施”的要求；并明确规定了城市雨水渗透设施（如渗透池、渗透沟和渗透塘等）是总体规划的构成要素。美国各州根据自身特点因地制宜地制定了地方的雨水利用规范条例，如佐治亚州的《雨水管理手册》、北卡罗来纳州的《雨水设计手册》和弗吉尼亚州的《弗吉尼亚雨水管理模式条例》等。[8]我国虽然涉及雨水利用的法律规范编制开始较晚，主要集中在2000年以后，但增长速度却非常快，十几年时间颁布了一系列雨水利用的规范规程。如北京在2009 年颁布的《城市雨水利用工程技术规程》（DB11/T 685—2009）中明确提出了雨水利用规划及工程设计编制的要求。

（四）城市雨水利用的发展方向

1. 雨水利用的标准化、产业化

在大量雨水利用研究与示范实践的基础上，雨水利用由单一建筑、单一产品等探索阶段逐渐向雨水利用普及的标准化、产业化方向发展。如德国雨水利用已经开始进入标准化、产业化阶段，并开始向集成化、综合化方向发展，走在了世界前列。专门有一些公司从事雨水收集的技术和设备的研究和应用，已经开发出了集收集、过滤、存储、入渗、监控等多种功能为一体的设备和产品，[9] 并已经建成了大批的雨水利用实际工程。如德国的WISY 公司研制并生产的立管旋流过滤器和金属筛网，能有效地过滤净化100 ～ 300m2建筑屋面的雨水水质。德国GEP 公司与UFT 公司则是专门生产雨水过滤设备、雨水连接管道、雨水口、雨水检查井、雨水回用制单元、雨水储存罐和雨水储存填料的知名公司。

2. 雨水利用的综合化、系统化

雨水利用由单独地将雨水储存下来回用或渗透地下补充地下水等单一目标向综合解决城市水源短缺、洪涝灾害频发、地下漏斗扩大、城市热岛效应等一系列城市问题的多目标方向发展。将雨水储存回用、渗透、蓄滞利用方向与城市雨水基础设施排放功能等纳入到一个统一系统中进行综合考虑。如尾泽卓思构思的“日本综合防洪治水架构概要图”（图5）中将渗透铺装、防洪调蓄池、雨水储存、地下管道、河流整治等纳入到一个整体框架下。

三、基于微循环理念的雨水生态系统发展趋势

目前，对城市雨水的利用存在着两种截然不同的指导思想。一种是将雨水等同于“废水”“污水”，为减少对地表水系的污染应将雨水纳入到城市污水处理系统中，基于此，合流制城市污水处理系统需要同时满足真正的“污水”和雨水处理要求，因此建设大规模集中式污水处理系统也就成为必然，个别城市甚至建成了日处理能力高达100 万吨的污水处理厂，而在分流制城市，则要建设覆盖全市的独立的庞大雨水排水管网，将雨水迅速“排”走；另一种是将雨水视为“资源”，认为雨水属于城市生态系统的一个有机组成部分，基于这种理念，城市雨水基础设施建设应尽量就地进行渗透、回用，提倡“微循环”利用和非共享建设模式，如此不仅可以降低雨水输送管径并减少雨水泵站设置，而且能够提高城市抵御洪涝灾害能力。

（一）微循环理念内涵解析

“微循环”是临床医学中的一个专业词汇。美国耶鲁大学August Krogh 于1929 年出版的《The Anatomy and Physiology ofCapillaries》专著中明确提出“毛细血管是血液和组织间物质交换的器官”，虽未明确提出微循环一词，但奠定了微循环学科发展的基础。[10] 从狭义的微循环到广义微循环，其含义有所变化。首先百度百科给出“循环”的基本定义是：“以环形、回路或轨道运行；沿曲折的路线运行；特指运行一周而回到原处”，从中我们可以看出，循环强调的是“闭合环路”的概念。广义的微循环由医学扩展到其他各学科，强调“局部畅通”和“物质交换”的特征，泛指物质与周边环境不断进行的物质、能量、信息的传递活动。另一种则是由“循环+ 微小”得出的“微循环”，即小型局部的环形和回路，更强调“微小局部”和“闭合环路”两个特征。不同领域应用微循环理念实际侧重不同的特征。随着工业化文明的推进，城市发展模式暴露出一系列的问题，城市规划中许多专业领域从微循环原理的角度出发分析解决这些城市发展问题，取得了一系列有意义的成果。仇保兴提出转型期的中国应该重建城市微循环，重点强调与“宏观层面”恰好相反的十大微循环模式。[11]

（二）基于微循环理念的雨水生态系统规划理论依据

大规模的城市化建设导致了城市水文发生显著变化从而使洪涝灾害频发，以末端治理的城市传统基础设施规划方法一时难以应对。于是各个国家逐渐开始从径流源头来思考城市排水模式问题，并展开了一系列的基于径流源头治理的生态基础设施理论研究。如美国于1983 年出台了“暴雨径流最佳管理措施”（BMPs）及低冲击（LID）开发模式；英国提出了“可持续城市排水系统”（SUDS）理论；澳大利亚开发了“水敏感性城市设计”。[12] 这些理论的共同点都是希望雨水基础设施建设应体现小规模化、源头化、分散化、就近化特点，即从分散源头控制机制实现对暴雨径流的管理控制。

（三）基于微循环理念的雨水生态系统发展趋势

雨水生态系统是将雨水基础设施的排放功能、雨水回用设施的雨水利用功能、地下水补充的生态修复功能和城市防洪设施的减灾功能结合为一体的综合系统。这一系统强调将雨水作为一种系统资源通过微循环方式实现就地利用，即体现了微循环方式的小型局部环形和回路的特征。首先，通过凹式绿地、植被浅沟、雨水花园、渗滤井等渗透设施将雨水就地入渗地下补充了地下水资源，充盈的地下水可以被居民抽取用于生产、生活，避免了远距离调水，从而实现了雨水资源的第一个“微小”循环；其次，通过雨水樽、蓄水池等设施将雨水储存起来用于冲厕、洗车、灌溉、消防、景观等用途，减少了新鲜水源用量，从而实现了雨水资源的第二个“微小”循环；再者，通过池塘、湖面等较大的蓄水设施将雨水就地蓄滞成为景观水体，避免其成为雨洪被远距离排放，实现了雨水资源的第三个“微小”循环。通过这些雨水资源的微循环，能够综合解决水源短缺、水系污染、防洪减灾、生态环境、地下水补充等多种问题。

四、结语

为解决水源短缺、水系污染、防洪减灾、生态环境、地下水补充等多种问题，本文在对国内外城市雨水利用研究的基础上，基于“微循环理念”提出构建统一的“雨水生态系统”的设计思路，这一系统综合了雨水基础设施的排水功能、雨水回用设施的雨水利用功能、地下水补充的生态修复功能及城市防洪设施的减灾功能，是融合了环境、生态、可持续发展的雨水设计策略。这些理论强调雨水基础设施的“分散化”“源头处理”“非共享”“减量化”“资源化”“本地化”特征，其共同点就是雨水应“从源头开始就地分散进行资源化利用”，也就是本文所提出的基于微循环理念的雨水生态系统的主旨。与单独的雨水基础设施规划仅解决城市防洪排涝相比，雨水生态系统更强调将雨水作为一种系统资源进行循环利用的概念，能够综合解决水源短缺、水系污染、防洪减灾、生态环境恶化、地下水补充等多种城市问题。

参考文献：

[1] 吴普特，冯浩. 中国雨水利用[M]. 郑州：黄河水利出版社，2009.

[2] 朱红霞. 城市绿地雨水利用途径研究[J]. 山东林业科技，2012（3）：62-66.

[3] 郑兴，周孝德，计冰昕. 德国的雨水管理及其技术措施[J]. 中国给水排水，2005，21（2）：104-106.

[4] 于慧波. 城市雨水净化蓄集材料的开发研究[D]. 沈阳：东北大学，2009.

[5] 刘霞，陈洪斌. 村镇及小区污水的生态处理技术[J]. 中国给排水，2003，19（12）：32-35.

[6] 田娜，谈永锋，李一平. 农村居民点小型污水处理方式研究[J]. 中国农村水利水电，2013（2）：17-20.

[7] 杨璐. 人工湿地处理技术构成要素及应用优势[J]. 中华民居（下旬刊），2013（4）：137-138.

[8] 潘安君，张书函，等. 城市雨水综合利用技术研究与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010 ：8-9.

[9] 胡良明， 高丹盈. 雨水综合利用理论与实践[M]. 郑州：黄河水利出版社，2009 ：3-4.

[10] 田牛. 微循环概念的探讨[J]. 微循环学杂志，1994，4（1）：4-6.

[11] 仇保兴. 重建城市微循环——一个即将发生的大趋势[J]. 城市发展研究，2011，18（5）：1-13.

[12] 姜立晖，程小文. 低冲击开发模式解决城市雨洪[J]. 中国减灾，2010，（9）：32-33.

本文由天津市高等学校人文社会科学研究一般项目资助（项目编号：20132317），课题名称：“生态与人文价值语境下天津市域绿道规划选线研究”。

孙奎利：天津美术学院设计艺术学院环境设计系讲师 工学博士

苗展堂：天津大学建筑学院讲师 工学博士