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北京市城区雨水利用及对策_左建兵

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第 30 卷第 7 期 2008 年 7 月 文章编号 : 1007 -7588( 2008) 07 -0990 -09

资  源  科  学 RESOURCES SCIENCE

Vol . 30 , No . 7 July , 2008

北京市城区雨水利用及对策
左建兵
1,2

, 刘昌明 , 郑红星 , 陈远生

1

1

1

( 1.中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京  100101 ; 2. 中国科学院研究生院 , 北京   100049)
  摘  要 : 世界范围内快速城市化 进程所 带来 的缺水 、水 污染 、洪 涝等一 系列 问题 , 已 经引起 人们 的广泛 关注 。 实践 证明实施雨水利用是解决城市水问题的有效手段 。 北 京市属 于人类 活动强 烈影响 下的资源 型重度 缺水大 都 市 , 水问题可以概括为水少 , 水多 , 水脏 。 本文阐述了 城市雨水 利用的 内涵 , 探讨 了城市 雨水利用 的国内 外研究 进 展 。 将北京市 雨水利用分为 3 个发展阶段 , 起步探索阶段( 1981 年 ~ 1999 年), 深入研 究与示范工程 阶段( 2000 年 ~ 2005 年) , 大范围推广实施阶段( 2006 年至今)。 北京市 2007 年共 完成 267 项新建雨水利用工程 , 雨水利用主要包 括 三大主要类型( 集蓄 、渗透 、综合利用); 空间分布特征表明 , 郊区多于城区 , 郊 区以蓄水 池为主 , 城区以入 渗为主 ; 成 本效益分析结 果表明动态收益 费用比值 α ( EV PV =2. 81) 大于 1 . 0 , 雨水 利用综 合效益非 常显著 。 最后 , 通过对 北 京市 雨水利用情况的分析 , 认为雨水利用过程中还 存在“ 四多 四少” 问题 , 即行 政命令 多 , 市 场调节 少 ; 利 用的“ 点” 多 ,“ 面” 少 ; 关 注“ 量” 多 ,“ 质” 少 ; 宣传多 , 规范少 。 因 此 , 在今后 的雨水 利用中 , 需要 加强经 济杠杆 调节的力 度 , 注 重雨水的联合利用和水质控制 , 完善雨水利用相 关技术规范 。   关键词 : 雨水利用 ; 利用类型 ; 成本效益分析 ; 北京市

1  前言
世界范围内城市化水*的不断提高 , 带来了一 系列以缺水 、 水污染和洪涝为主的城市生态环境问 题 , 已经引起人们的广泛关注 。 实施雨水利用已经 成为有效减小用水需求 、控制面源污染 、 降低防洪风 险的有效手段 。 北京市水资源严重匮乏 , 降水量呈 递减趋势 ( 图 1a) 。《 北京市水资源公报 ( 2006) 》表 明 , 2005 年北京市人均水 资源量仅为 248m 人 , 不 足全国人均水资源量的 1 8 , 属于资源型重度缺水地 区 。自 建 国 以来 , 北 京市 人 口 直 线 增 长 , 截 至 到 2005 年 , 全市人口达到了1 538 ×10 人 , 是建国初期 的 3. 66 倍 , 年均增速 2. 3 %( 图 1b) 。 同时 , 随 着经 济的快速发 展 , 北京 市建成 区面积迅 速扩大 , 1973 年 ~ 2005 年的 32 年间 , 北京市建成区面积净增加超 过1 000km , 2005 年 达到 1 209. 97km , 相 当于 1973 年的 6. 58 倍 , 年均扩展 32. 07km 年 , 呈现出以旧城 区为中心向四周扩展的方式
[ 1] 2 2 2 4 3

外 , 截至 2005 年 , 市区雨污合流管道仍有 756km , 占 总排水管网长度 19. 9 %, 威胁着城市河湖安全 。 张 玲等研究表明 , 北京市具有明显“ 热岛效应” , 郊区降 水量减少 , 城区降水增加显著
[ 2]

, 城市防洪风险进一

步增大 。 雨水作为一种宝贵的资源 , 在城市水循环 系统和流域水环境系统中起着十分重要的作用 , 如 何通过实施雨水的综合 、 高效利用 , 解决城市化所带 来的一系列水资源问题是当前研究的热点 。 本文首 先阐述了城市雨水内涵 , 论述了国内外学者在城市 雨水利用方面的研究成果 , 以北京市为例总结了雨 水利用的主要类型 、空间分布并给出了成本效益分 析方法 。 最后 , 提出了雨水利用中的“ 四多四少” 问 题 , 为今后北京市的雨水利用提供参考依据 。

2  城市雨水利用
2. 1  城市雨水利用的内涵 城市雨水利用可以有狭义和广义之分 , 狭义上 的雨水利用就是收集 、贮存并利用雨水 ; 广义上的雨 水利用则应包括雨水的渗透 、 回灌 、 补充地下及地面 水源 , 维持并改善地区与城市水循环系统 。 城市雨

。 大量的不透水地面

改变了原有水循环过程 , 径流系数增大 , 产汇流过程 改变 , 严重阻隔了地表水和地下水的传输路径 。 另
收稿日期 : 2007 10 12 ; 修订日期 : 2008 -01 -16

基金项目 : 国家重点基础研究发展计划( 973) 项目 : “ 海河流域水循环演 变机理与水资源 高效利用 — — — 城市二元 水循环系统演 化与安全 高 效用水机制”( 编号 : 2006CB403407) 。 作者简介 : 左建兵 , 男 , 河北衡水人 , 工程师 , 主要从事城市水文水资源方面的研究 。 E -mail : zuojieshui @163 . com

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图 1  北京市 1949 年 ~ 2005 年降水量与人口变化情况( 数据来源 : 北京市统计年鉴 1949 年 ~ 2006 年)
Fig . 1 Precipitation and population of Beijing from 1949 to 2005( Data Source : Beijing Statistical Yearbook , 1949~ 2006)

水利用是在城市范围内 , 有目的地采用各种措施对 雨水资源的保护和利用 , 主要包括收集 、 调蓄和净化 后的直接利用 ; 利用各种人工或自然水体 、池塘 、湿 地或低洼地对雨水径流实施调蓄 、净化和利用 , 改善 城市水环境和生态环境 ; 通过各种人工或自然渗透 使雨水渗入地下 , 补充地下水资源
[ 3]

-汇流 -水质模 型 STORM , 它是一个 水量水 质模 型 。 STORM 程序共分四大部分 : 径流形成 、水质处 理、 蓄水与溢流 、 土壤侵蚀 。 美国伊利诺州水利勘测 局在英国 TRRL 方法的基础上 , 于 1974 年研制出伊 利诺模型( ILLUDAS ) , 可模拟城 市单次雨洪事件的 全过程 , 包括产流 、 地面汇流 、 管网汇流 、 调蓄池作用 等 , 并得出排水管网各个节点的洪水过程 。 另外 , 丹 麦水利研究所开发的 TOPMODEL 模型 、美国农业部 ( USDA) 农业研究中心( ARS ) 开发的 SWAT( Soil and Water Assessment Tool) 模型 、 德国 Dorsch 咨询公司设 计开发的 HydroCAD 等等都成为雨水利用系统设计 中降水 、 蒸发 、 径流 、 蓄集等模拟的有力工具 。 另外 , 国际上比较注重城市雨水利用技术领域 的研究 , 如蓄水池容积计算 、水质处理与控制 、 材质 选择 、 与中水的联合利用等 。 研究方法多是通过实 验、 数理统计等获取数据 , 并基于数学 、 工程学 、经济 学等原理 , 结合信息技术建立数学模型进行定量分 析和评价 。 Edgar L . Villarreala 等通过 分析了 瑞典 Norrkoping 的 Ringdansen 居住区实 行雨水收 集利用 的可能性 。 通过小时降水 、 需水数据和水库管理模 型建立了节水效率评价指标( Water Saving Efficiency , WSE) , 定量的分析了雨水利用后的节水潜力 , 结果 3 表明 , 修建 40m 的 蓄水 池用 于冲 厕 , 每 年可 节水 60 %; 同样容积的蓄水池用于洗衣用水 , 每年可节水 40 %; 如果冲厕和洗衣机都用上雨水 , 同样大小的蓄 水池每年可减少 30 %的用水需求 。 Ree-Ho Kima 等提出了用木纤维和金属膜对中水和雨水进行水质 处理的技术 , 并通过具体的实验分析了初期雨水通 过木制纤维处理后的水质 , 同时对不同孔径金属膜 的水质 处理 结果 进行 了分 析 。 结果 表明 , 流 速在 11. 0mm min 下 , 木制纤维对雨水水质的处理效果比
[ 6]



作者认为 , 应该从以下 5 个方面来理解城市雨 水利用的内涵 : ① 基于城市二元水循环理论 , 以提高 城市水资源利用效率为核心 ;  ②必须要在“ 蓝水” 高效利用基础上 , 实现对“ 绿水” 的充分利用 ;  ③雨 水利用应与防洪迎汛相统一 ;  ④雨水水质控制应 与城市面源污染治理相结合 ;  ⑤既要注重雨水利 用工程建设又要加强雨水利用管理 。 可见 , 城市雨 水利用是一种新型的多目标综合性技术 , 可实现节 水、 水资源涵养与保护 、控制城市水土流失和水涝 、 减少水污染和改善城市生态环境等目标 2. 2  国内外城市雨水利用研究进展 国外对雨洪利用技术的研究已经较为成熟 , 基 本上形成了相应的理论体系和完善的技术措施 , 并 开发生产出了系列化的设备 。 特别是在雨洪利用的 水文计算方面国外已有一些成熟的模型
[ 5] [ 4]



。 英国环

境部及全国水资源委员会从 1974 年到 1981 年 , 通 过对英国应用的各种排水设计方法进行综合评判 、 研究和修改 , 采用最新提出的系统途径将它们结合 起来 , 历经 8 年研制了大型程序包 , 即沃林福特模型 ( Wallingford Procedure) 。 美国 环境保护 署 ( EPA) 编 制 的 暴 雨 雨 水 管 理 模 型 SWMM ( Strom Water Management Model) , 把排水 系统划分成地面径 流子 系统 , 地下输送子系统 , 污水处理子系统和承受水体 子系统四部分 。 1976 年 , 美国陆军工程兵团水文工 程中心提出并应用于城市和非城市集水区域的降雨

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较明   显 , 其 中 TN 、TP 和 浊 度 分 别 比 处 理 前 下 降 22 %、 32 % 和 33 %; 另外 , 金属膜的处理效果比木制 纤维要更好些 , 实验结果显示 , 金属膜处理后的水 , 浊度下 降 50 % ~ 70 %, 色 度下降 50 %~ 73 %, COD 下降 45 %~ 70 %。 同时 , 操作人员可以通过调节金 属膜 的孔 径大 小来满 足不 同水 质的 处 理要 求
[ 7]

了用水*衡分析 , 结果表明在人口密集区实施雨水 利用效果更好
[ 11]

。 屋 顶绿化也是一种有效的雨水

利用方式 , 布鲁塞尔地区 的实验表明 , 增加 10 %的 屋顶绿化 , 区域上减少 2. 7% 的径流量 , 单体建筑减 少 54 % 的径流量 。 我国城市雨水利用开始于 20 世纪末 , 主要在缺 水地区有些小型 、局部的非标准化的应用 , 如山东的 长岛县 、浙江的舟山市 、辽宁的葫芦岛 。 目前 , 我国 的城市雨水利用已成为研究热点 , 北京 、 天津 、 上海 、 青岛 、 大连 、 南京 、武汉 、成都 、哈尔滨 、 太原 、 深圳等 城市相继开展了雨水利用的研究与应用 。 张思聪等 开展了绿地滞蓄雨水的实验研究 , 分析了绿地对减 少径流系数和消减暴雨径流峰值的作用 , 结果表明 , P = 20 %、 10 %、 5 %( 日 降 雨 量 分 别 为 144mm 、 200mm 、 260mm) 的下 , 绿地下凹 5cm 径流系数分别减 到 0. 0、 0. 02 、 0. 135 ; 如果下凹 10cm , 径流系数减少到 0 , 绿地不会产生径流
[ 13] [ 12]



Adhityan Appan 分析了新加坡的屋顶材质的吸水率 。 根据日本 、 欧洲和美国的相关屋顶材质技术标准 , 通 过实验 , 得 出了无 釉面瓦 、釉 面瓦 、混凝 土温度 在 50 ℃~ 110 ℃ 的吸水率 。 结果表明 , 无釉面瓦的吸水 率最大 , 混凝土的最小 , 随着温度的增加 , 吸水率皆 呈现出递增的趋势 , 尤其是 100 ℃增温到 110 ℃时 , 吸水率快速增加
[ 8]

。 这对于研究屋面雨水利用具有

很高的参考 价值 。 2006 年 , Enedir Ghisi 根据人口 、 汇水区面积 、 降水资料建立了雨水利用的节水率数 学模型 , 基于 GIS 计算并分析了巴西北部地区 、 东北 地区 、 中西部地区 、 东南部地区和南部地区的节水潜 力差异 。 其中北 部最高 , 达 100 %; 东南地区最低 , [ 9] 为 48 % 。 2007 年 , Enedir Ghisi 通 过对 巴西 南 部 Santa Catarina 州两个典型家庭为例 , 选择了 3 种方 案( 雨水利用 、 中水利用 、雨水中水联合利用) 进行节 水潜力的定量分析 。 分析结果表明 , 考虑冲厕和洗 衣全部采用非饮用水 , A 和 B 家庭的节水潜力分别 为 36. 6 %和 33. 8 %。 如果采用雨水 , A 和 B 家庭的 节水率分 别为 35. 5 %和 33. 6 %; 如果 单独 使用 中 水 , 节水率会低一些 , 为 30. 4 %和 25. 6 %; 如果实现 雨水和中水联合利用 , A 和 B 家庭的节水率能达到 36. 4 %和 33. 8 %。 成本效益 分析结果表明 , 3 种方 案的投资回报期为 17 年 , 所以需要政府在资金上给 予大力支持
[ 10] 1)

。 2001 年北京建筑工程学

院开展了“ 北京市城区雨水利用技术研究及雨水渗 透扩大试验” 。 同年 , 中国农业大学开展了“ 北京市 城市建设中增加雨水蓄渗措施研究” 。 孟光辉等分 析了北京市下凹式绿地雨水蓄渗效果 , 结果表明 , 对 于下凹式绿地( 下凹 50mm ~ 100mm) 每年仅有 2 ~ 3 次暴雨产生溢流 , 绝大部分雨水径流蓄渗在绿地中 , 具有很好的蓄渗效果 。 对于 100 年一遇的暴雨 , 拦 蓄率和减峰率为 100 %; 在有一倍汇水面积的情况 下 , 10 年一 遇的暴雨 拦蓄率 为 87. 15 %, 减峰 率为 71. 04 %, 具有很好的拦蓄和减峰效果 。 按照北京市 现有的规划面积和绿化率计算 , 绿地下凹 50mm 可 以增加入渗 0. 77 ×10 m , 下凹 100mm 可以增加入 渗 1. 2 ×10 m
8 3[ 14] 8 3

。 Thilo Herrmann 等分析了德 国雨水

。 2000 年 , 北京市水利局 ( 现北京
4

利用的 4 个主要类型 , 分别是“ 全部利用型” 、 “ 分流 型” 、 “ 节流阀滞留型” 和“ 入渗地下型” , 其中“ 全部利 用型” 和“ 入渗地下型” 应用较为普遍 。 作者利用分 析了不同集水面积和不同用水速率下 , 蓄水池容积 与雨水利用效率的关系 。 结果表明 , 集水面积越大 , 其他条件相同的情况下 , 雨水利用效率越大 ; 其他条 件相同的情况下 , 用水 速率越大 , 雨水利用效 率越 小 。 以波鸿市一个家庭和一个 4 层办公楼的 11 年 ( 1976 年 ~ 1986 年) 雨水利用基础资料为基 础进行

市水务局) 和德国埃森大学启动了“ 北京城区雨洪控 制与利用示范工程” , 投资 6 000 ×10 元在 5 个示范 区进行雨水利用 。 试点小区采取不同的雨水利用模 式 , 包括雨水收集处理后用于小区景观用水 , 多余雨 水回灌地下水 ; 收集建筑物屋顶雨水 , 通过蓄水池储 存 , 用于家庭冲厕 ; 大面积绿地内采用渗井 、 渗沟等 设施增加入渗等 。 丛翔宇等利用 SWMM 模型 , 选取 北京市典型小区 , 计算不同频率设计暴雨下小区排 水效果以及积水 、道路坡面流等情况 , 提出了改凸式

1) Enedir Ghisi 把研究的家庭分为 A 和 B 两类 。 其中 A 类家庭主要用水部位有 : 1 个厕所 、1 个喷头 、1 个 洗脸盆 、1 个厨房水槽 、1 台洗衣 机 和 1 个衣服洗槽 ; B 类家庭主要用水部位有 : 3 个厕所 、2 个喷头 、3 个洗脸盆 、 1 个浴缸 、1 个厨房水槽 、1 台洗衣机和 1 个衣服洗槽 。

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绿地 为 * 式 和 凹 式 、设 置 蓄 洪 区 等 雨 水 利 用 措 施 。 王俊岭以北京市某中学为例 , 根据水量*衡 方程定量分析了校园雨水利用 , 提出了调节存储 + 生态净化 + 净水利用 + 景观水循环的校园雨水利用 模式
[ 16] [ 15]

研究与示范工程 、大范围推广 。 ( 1) 起步探索阶段( 1981 年 ~ 1999 年) 。 此阶段 主要是以实验 为基础对雨水利用进行 了探索性分 析 , 涉 及雨 水 入 渗 、集 蓄 、水 质 处 理 等基 础 研 究 。 1986 年北京市政工程研究所进 行了透水透气路面 实验 , 对各种透水透气路面的入渗过程做了分析 , 并 获取了非常宝贵的一手资料 。 1998 年 北京建筑工 程学院开展了“ 北京市城市雨水利用技术研究及雨 水渗透扩大实验” 项目研究 , 开展了雨水集蓄 、 入渗 、 水质控制等基础研究 。 ( 2) 深入 研究与示范工 程阶段 ( 2000 年 ~ 2005 年) 。 这个阶段在实验的基础上加强了示范工程的 建设 , 开展了雨水利用的深入研究 , 并开始注重发挥 雨水利用的综合效益和加强国际合作研究 。 ( 3) 大范围推广实施阶段( 2006 年至今) 。 这个 阶段的突出特点是以政府为主导 , 通过资金补助 、 降 低税费 、 行政等手段积极推广雨水利用 , 同时加大雨 水利用的宣传力 度 , 并提 供技术培训和施 工指导 。 作者通过调查统计 , 到目前为止 , 北京市已建雨水利 用工程 600 余个 , 遍及 18 个区县 , 涉及政府机关 、 学 校、 公园 、生产 企业 、工业园区等 , 雨水汇水面积达 3 700 × 10 m 以上 , 年可利用雨水达 995. 2 ×10 m 。 从雨水利用的类型进行分析 , 主要以封闭式蓄水池 为主 , 其次为透水性地面和下凹式绿地 。
4 2 4 3

。 孙雨虹在分析了立交桥积水原因后 , 提出

了修建下凹式绿地和蓄水池两种适合立交桥雨水利 [ 17] 用方式 。 丁跃元等研究了透水砖铺装系 统的材 料、 铺装工艺 、 设计标准等 , 提出常规透水砖铺装系 统的具体径流系数 , 为城市雨水利用和市政排水工 程规划设计时参考 。 侯爱中利用 SWMM 模型 , 以 奥林匹克公园为例分析了下凹式绿地河蓄水池对城 市型洪水的影响 , 结果表明对于 5 年一遇的降雨可 以滞蓄 3. 5% 的总径流量 , 对于 50 年一遇的降雨 , 为 2. 03 %
[ 19] [ 18]

。 薛燕等针对北京 市城区的 雨洪利用 实
[ 20]

际提出了综合调度管理的思想 。 2007 年 , 李海燕 等提出了将雨水用于居住区景观水体的具体设计方 案 , 并成功的应用于我国南方某城市的规划住宅小 区
[ 21]

。 从城市雨水利用潜力来看 , 满足城市杂用用水

标准的蓄集雨水可以用于浇灌绿地 、洗车 、冲厕 、景 观、 回灌地 下等 。 据 Tsai-Chung Wung 研究 , 台 北市 的用水有 35 % 可以用雨水来替代 。 日本的东京 、 福冈 、 名古屋建有大量圆屋顶体育馆 , 建筑面积超过 14. 4× 10 m , 屋顶面积 11. 2 ×10 m , 雨水利用具有 较好的条件 , 1993 年 ~ 1994 年福冈体育馆累计利用 雨水 6. 1× 10 m , 占体育 馆杂用水的 65 %, 节 约水 费达 12 × 10 美元 。 根据 2004 年对北京市 1 300 户 人进行的问卷调查显示 , 北京市居民生活用水中 冲厕占 25. 93 % , 如果能够全部采 用雨水冲厕 , 以 2005 年北京市居民自来水量 2. 6 ×10 m 计算 , 仅此 冲厕一项可节约自来水6 742. 8× 10 m , 直接节约水 8 费支出 2. 49 × 10 元 。 据统计 , 截止 2005 年末 , 北京 城区道路面积 7 287 ×10 m , 步道面积 857 ×10 m , 城市绿化面积 45 472 ×10 m , 房屋建设用地不透水 面积约为 4. 55 ×10 m , 雨 水可 利用 量约为 2. 6× 10 m , 相当于北京市 2006 年用水总量的 7. 6 %, 雨 2) 水利用潜力巨大 !
8 3 8 2 4 2 4 2 4 2 4 3 8 3 1) 4 [ 23] 4 3 4 2 4 2 [ 22]

4  2007 年 267 项雨水利用工程情况
北京市 2007 年共完成 267 项雨水利用工程 , 修 建封闭式蓄水池 5. 8 ×10 m , 透水性路面面积 89. 4 × 10 m , 下凹式绿地面积 136 ×10 m , 每年雨水综 合利用量达 604. 0× 10 m ( 表 1) 。 从雨水利用的空 间上来看 , 雨水利用主要集中在生态涵养区 , 其次是 城市发展新区 。 从雨水利用的类型上来看 , 首都功 能核心区以雨水入渗回补地下水为主 , 城市功能拓 展区和发展新区由于人口密度相对较小 , 雨水水质 相对较好 , 以蓄水池为主 ; 而生态涵养发展区则以雨 水直接利用和间接利用并重 。 4. 1  主要类型 根据雨水利用方式的不同分为以下 3 个主要利 用类型 。    ( 1)集中式雨水集蓄利用 , 包括屋面雨水集蓄 利用系统 、 屋顶绿化雨水利用系统 、 园区雨水集蓄利
4 3 4 2 4 2 4 3

3  北京市雨水利用发展阶段
北京市的城 市雨水利用开 始于 20 世纪 80 年 代 , 其发展过程可以分为 3 个阶段 : 起步探索 、深入

1) 北京市城市节约用水办公室 , 北京市市区居民住宅用水现状和趋势研究报告 , 2004 . 2) 北京市节约用水管理中心 , 雨水利用指导手册 , 2007.

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资  源  科  学 表 1  2007 年北京市雨水利用情况
Table 1 Rainwater utilization of Beijing in 2007
分区 封闭式蓄水池 ( ×104 m 3) 0. 1 1. 3 3. 3 1. 1 5. 8 下凹式绿地面积 ( ×104 m2 ) 19 . 5 11 . 8 80 . 9 23 . 8 136 . 0 透水性路面面积 ( ×104 m 2) 5. 6 47. 8 21. 8 14. 2 89. 4 渗水井容积 ( m3 ) 493. 1 279. 5 1 320. 0 634. 0 2 726. 6

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雨水综合利用量 ( ×104 m3 ) 28 . 1 87 . 3 244 . 0 244 . 6 604 . 0

首都功能核心区 城市功能拓展区 城市发展新区 生态涵养发展区 汇总

用系统 。 由雨水汇集区 、输水管系 、 截污装置 、 存储 、 净化和配水等几部分组成 , 主要用于 绿地灌溉 、冲 厕、 洗车等 , 多集中在居民小区 、 学校 、 市区内的政府 机关 。 ( 2)雨水渗透利用 , 可分为分散渗透和集中回 灌两大类 : 主要有渗透地面 、 渗透管沟 、渗透井 、 渗透 池( 塘)及综合渗透设施等措施 。 ( 3)雨水综合利用 , 即生态园区雨水集蓄利用 系统 , 是利用生态学 、工程学 、 经济学原理 , 通过人 工净化和自然净化的结合 , 雨水集蓄利用 、渗透与 园艺水景观等相结合的综合性设计 。 例如 , 北京市 4 2 某小 区 占 地 23 ×10 m , 其 中 人 工 湖 占 地 1. 8× 10 m , 容积 19 × 10 m , 公共绿地和高尔夫球场占地 4 2 7 ×10 m 。 该 小区 为 实现 雨 水综 合 利用 , 修 建 了 8 000m 的透 水路面 、150m 的蓄水 池 、并建有 渗透 4 3 浅沟和下凹式绿地 , 每年可以收集雨水 4. 9× 10 m 。 雨水通过低势绿地进入人工湖后 , 经过生态净化后 , 与处理后的生活污水用于绿地 和高尔夫球场 的喷 灌、 洗车等 , 也可以回流至人工湖 , 用于小区景观用 水( 图 2) 。 该雨水利用项目实现了小区内雨水的循 环利用 , 既美化了环境 , 又节约了用水 , 具有明显的 经济效益和生态效益 。 4. 2  空间分布 以 2007 年新完工的 267 项雨水利用工程来看 , 15 个区( 县) 的雨水利用工程数量超过了 10 个 , 其 中还有 6 个区( 县) 达到了 20 个以上 。 从数量上来 看 , 远郊区县建设的雨水利用工程数量较多 , 城区相 对较少 ; 面积较大的区( 县) 完成的雨水利用工程较 多 , 面积较小的区( 县) 完成的相对较少 。 另外 , 从雨 水利用量的空间分布上来看 ( 图 3) , 延庆县和顺义 区雨水 利用量 最大 , 其中 延庆 县雨水 可利 用量 达 195. 6× 10 m ; 门头沟区 、东城区 、崇文区和宣 武区 雨水 利 用 量 较 小 , 其 中 东 城 区 雨 水 利 用 量 仅 为 3 4 3 2 280. 7m ; 雨水可利用量在 ( 23 ~ 47) ×10 m 的区
4 3 2 3 4 2 4 3

图 2  北京市某小区雨 水综合利用示意
Fig . 2  Sketch of rainwater comprehensive utilization of some residential area

县个数最多 , 为 6 个 , 分别是* 谷区 、昌*区 、丰台 区、 通州区 、朝阳区和房山区 。 从雨水可利用量的空 间分布上来看 , 远郊区县的雨水利用量总体上大于 城区 , 这主要是由于郊区内的企事业单位的占地面 积相对较大 , 集水面积大 , 雨水利用工程易于建设 。 例如 , 从城区迁入顺义区的某冷轧厂 , 占地面积增加 了 5 倍多 , 达 73. 4 ×10 m , 屋顶面积 26. 7 ×10 m 。 过去在城区 , 绿化 面积不足 1 000m , 如今绿化面积 4 2 达 3. 7 ×10 m 。 该企 业实施雨水 利用的内 动力很 大 , 自筹资金 300 × 10 元 , 修建2 700m 的蓄水池 、 下 凹式绿地 ( 3. 7× 10 m ) 和透水地面 ( 7 200m ) , 年可 4 3 利用雨水 14. 92 × 10 m 。 4. 3  成本效益分析 雨水利用工程的成本包括固定资产投资( I) 和 年运营成本( C) 两部分 。 其中固定资产投资包括土 建工程费用( 含构筑物和管道等) 、设备及安装工程 费和其他工程费等 。 运营成本包括动力费 , 药剂消 耗费 , 维护管理费 , 折旧费等 。 雨水利用效益包括直 接效益和间接效益 , 主要包括 7 个方面 , 节约自来水 的收益 , 回补地下水的收益 , 节水增加的国家财政收 入 , 消除污染排放而减少的社会损失 , 节省城市排水 系统设施的运行费用 , 雨水利用提高防洪标准而降 低城市河湖 改扩 建费用 , 减 少地面 沉降 的经 济损
4 2 2 4 3 2 4 2 4 3

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图 3  2007 年 18 个区 县可利用雨水量分布情况
Fig . 3  Amount of available rainwater in 18 districts in 2007



[ 24]

。 成本效益的定量分析采用寿命期内雨水系统的

数; 根据北京市 2007 年新完工的 267 项雨水利用 4 工程为例 , 固定投资( I) 为 46 740. 1 ×10 元 , 年均支 出总成本( C) 为8 816. 2× 10 元 , 通过计算得到年均 总收益为 37 730. 2× 10 元 , 根据公式( 1) 、 ( 2) 和( 4) 计算得到 PV 、EV 和 α 。 结 果表 明 , α的值达 到了 2. 81( > 1. 0) , 说明实施雨水利用项目效益显著 ( 表 2) 。
4 4

总效益现值( EV ) 和寿命期内雨水利用工程的费用 现值( PV) 的比值 α , 称为“ 效益系数” 。 α > 1. 0 表明 寿命期雨水利用项目的总效益大于总成本 , 项目可 行; 反之 , 不可行 。 EV 、PV 和 α 的计算公式如下 : ( 1 + i) -1 EV = B × n i( 1 + i) 1 + i) -1 PV = I +C ×( n i( 1 +i ) EV α = PV
4 n n

( 1) ( 2) ( 3)
4

5  “ 四多四少”问题及对策
5. 1  行政命令多 , 市场调节少 从北京市雨水利用的驱动力来看 , 政策推动要 大于市场调节 。 原因之一是采取雨水利用的用户多 为机关事业单位 , 水价敏感度较低 ; 二是水价偏低 ,
表 2  北京市 2007 年雨水利用项目成本效益分析结果   
Table 2 Cost -Benefit analysis on rainwater utilization in Beijing in 2007
工程项目 年均支出 固定投资 I 总成本 C 寿命期内总费 寿命期内总效 动态收益 用现值 PV 益现值 EV 费用比值 α ( ×104 元)( ×104 元)( × 104 元 ) ( ×104 元) ( ×104 元) ( EV PV) 48 740 . 1 8 816. 2 37 730 . 2 142 139 . 0 399 714 . 3 2 . 81 年均总 效益 B

式中 : PV 为寿命期内雨水利用工程的费用现值 ( × 10 元) ; I 为 雨水 利 用工 程 的固 定总 投 资 (×10
4

元) ; C 为 雨水利 用工程 的年运 行成 本 ( ×10 元 年) ; i 为折线率( % ) , 此处取 7 %; n 为雨水利用工 程的设计寿命( 年) , 此处取 20 年 ; EV 为寿命期内雨 水利用工程的效益现值( ×10 元) ; B 为雨水利用 工程的年均总效益 ( ×10 元 年) ; α 为成本 效益系
4 4

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资  源  科  学

第 30 卷第 7 期

经济杠杆力度不够 。 据统计 , 2006 年北京市居民人 均可支配收入为 19 978元 。 根据北京市 2004 年 4 月 进行的调查 , 人均家庭用水量为 104L 人·日 , 按照居 民家庭生活水价 3. 7 元 m 计算 , 人均年水费支出为 140. 5 元 , 仅占其年可支配 收入的 0. 7 %。 因此 , 提 高水价 , 发挥经济杠杆作用 , 是推动雨水广泛利用的 有效措施 。 另外 , 根据《北京市征收防洪工程建设维 护管理费暂行规定》 , 防洪费按照占地面积收取 , 标 准一般为 20 元 m 。 2001 年 《北京市防洪工程建设 维护费( 简称防洪费) 减免缓管理办法》 中 , 对 6 种情 况实施防洪费减免政策 , 其中没有涉及采取雨水利 用的单位 。 因此 , 可以对实施雨水利用的单位减免 防洪费 , 弥补雨水利用设施投入的费用 , 也是一种有 效的推动雨水利用的经济手段
[ 25] 2 3

用项目没有考虑雨水水质的问题 。 雨水利用效率的 高低很大程度上取决雨水水质 , 应从源头控制 、径流 传输 、 终端利 用等环节加强雨水水质控制
[ 27]

, 结合

大气治理 、 路面清洁 、 雨水弃流 、沉淀 、 过滤 、 吸附 、 生 [ 28] 态净化等 , 保证雨水可收集 、 能利用 、 见效益 。 5. 4  宣传多 , 规范少 雨水利用必须从技术 、制度 、 管理三者统一的总 体构想出发 , 以技术创新为动力 , 以制度和管理为保 障
[ 29]

。 其中 , 规范建设尤为重要 。 现行的建筑规范

中对于房屋建筑 、道路施工等没有考虑雨水利用问 题 , 造成很多雨水利用项目停留在“ 修修补补” 的阶 段 , 新建成的房屋 、 道路 、 广场 、 庭院等由于没有相应 的雨水利用方面的建筑规范 , 要实施雨水利用需要 进行改造 , 浪费了大量物力 、 财力 。 如 ,《城市道路设 计规范》( CJJ 37 -90) 未涉及雨水利用方面 。《建筑给 水排水设计规范》( GB 500152003) 中对于雨水采用 的是“ 迅速 、及时地将屋面雨水排至室外雨水管渠或 地面” , 其中未涉及雨水利用方面 。 因此 , 为进一步 推广雨水利用 , 需要尽快出台相应的雨水利用规范 , 将雨水利用列入建筑设计 、施工和验收规范中 , 从源 头上为雨水利用的实施提供法律和技术支持 。



5. 2  雨水利用的“ 点” 多 , “ 面” 少 从已完成的雨水利用工程来看 , 雨水利用大多 应用于一个单位 , 缺少多家单位联合的雨水利用工 程 , 或区域性雨水利用工程 。 以某机关为例 , 由于单 位占地面积较小 , 修建 20m 集雨尊用于收集屋顶雨 水 , 收集的雨水用于单位门口不足 30m 的绿 地浇 灌 。 而紧临这家机关的是一个占地面积 8. 8 ×10 m
4 2 2 3

的学校 , 如果能够将雨水集中收集 、利用 , 综合效益 会高的多 。 分析其中的原因 , 作者认为政策引导为 主的雨水利用项目推广 , 由于缺乏经济杠杆的驱动 , 社会单位完成雨水利用往往不是从雨水利用的经济 效益出发而是要完成政府布置的“ 作业” , 形成区域 性的雨水综合利用还缺乏相应的条件 。 5. 3  关注“ 水量” 多 ,“ 水质” 少 雨水利用中一个重要的问题就是雨水的水质 , 水质 的 好坏 直 接 影响 利 用的 范 围 和效 果 。 根 据 2000 年北京市 25 场雨的实测资料 , 屋面初期径流的 *均 COD 为 ( 300 ~ 2 000) mg L ( 最 高值 曾 达 3 340 mg L) , *均 SS 为( 400 ~ 800) mg L( 最高 值达 1 985 mg L) 。 城市地表径流对城市河湖的污染也不容 忽视 , 例如 , 美国环保局已把城市地表径流列为导致 全美河流和湖泊污染的第三大污染源 。 根据作者 实地调研的结果来看 , 目前已经投入运行的 600 余 个雨水利 用项目 中只 有 60 %建有 水质控 制设施 , 20 %的雨水利用项目虽然建有水质控制设施 , 但不 符合雨水利用工程规范的要求 , 还有 20 %的雨水利
1) [ 26]

6  展望
城市雨水利用是现代城市实现人水和谐 、 构建 生态文明的重要内容 。 雨水利用是缓解城市缺水 、 内涝 、 改善环境的有效手段 。 目前 , 北京市的雨水利 用正处在大范围推广实施阶段 。 目前 , 北京市已经 完成雨水 600 余个 , 汇水面积达3 700 × 10 m 以上 , 年可利用雨水达到 995. 2 ×10 m 。 通过分析 , 作者 认为北京市雨水利用还存在“ 四多四少” 问题 , 因此 , 在今后的雨水利用中 , 需要加强水价形成机制和调 控能力的研究 , 探索能够促进雨水利用的水价体系 , 拓展促进雨水利用的经济手段 ; 基于城市 “ 二元” 水 循环机理 , 研究传统水源与雨水 、 中水的高效配置机 理和联合利用方式 ; 加强雨水水质基础研究 , 探索雨 水水质控制机理 , 提出适应城市可持续发展的雨水 水质控制体系 ; 不断完善雨水利用相关规范 , 为雨水 利用提供充分发展的法律环境 。
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4 3 4 2

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Countermeasures and Characteristics of Beijing Urban Rainwater Utilization
ZUO Jian-bing
1, 2

, LIU Chang-ming , ZHENG Hong-xing , CHEN Yuan-sheng

1

1

1

( 1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research , CA S , Beijing 100101 , China ; 2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049 , China)

Abstract : Beijing has been facing the shortage , excess , pollution of water resources due to population explosion and continuously rapid economic growth . Meanwhile , rapid urbanization in past about 20 years will cause heat island effect , resulted in urban -flooding and posed threat to the safety of people' s lives and assets . With the increasingly severe water shortage , urban flood control pressure , and environmental deterioration , urban rainwater utilization became one of the keys to solve water resources problems in urban area . As a traditional old technology , modern rainwater utilization is a multi-science related to hydrology , geography , hydrochemistry , engineering etc . The concept of urban rainwater utilization was discussed , followed by progress of international urban rainwater harvesting research in recent years . In Beijing , there is great potential of rainwater utilization as an effective measure to resolve water issues . The history of rainwater utilization in Beijing can be classified three phases , experiment and research phase ( 1981 ~ 1999) , deep study and demonstration projects promotion ( 2000 ~ 2005) , and comprehensive application phase ( 2006-now) . Taking 273 rainwater utilization projects finished in 2007 as an example , urban rainwater utilization style was classified into three main categories , which are rainwater direct harvesting , rainwater infiltration system , and rainwater comprehensive utilization . Meanwhile , rainwater utilization distribution was analyzed , which shows more projects in urban area than suburb area , more rainwater infiltration system in urban area and more rainwater tanks in suburb area . Based on discount rate i =7 %, design lifetime n =20a , the results of cost-benefit analysis shows benefit index ( α =EV PV) reached 2. 81 , which indicates these rainwater utilization projects are very economical . Eventually , based on the practices of rainwater utilization in Beijing , four following problems were put forward . 1)Promotion of rainwater utilization depended on corresponding administrative decree , not market adjustment ; 2) More rainwater utilization projects served only one company , not server companies or a region ;3)More attention was paid to rainwater quantity , while rainwater quality attracted less attention ; 4)There are more propaganda measures to promote rainwater utilization than regulations and standards . Therefore , we should strengthen economic lever , pay more attention to rainwater utilization for server companies and water quality issues , and constitute corresponding laws and regulations to improve overall water-saving level of Beijing in the future . Key words : Rainwater utilization ; Style of utilization ; Cost-benefit analysis ; Beijing




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