【技术】世博园区雨水收集利用技术解析

传统城市雨水收集式是在雨水落到地面上后，一部分通过地面下渗补充地下水，不能下渗或来不及下渗的雨水通过地面收集后汇流进入雨水口，再通过收集管道收集后，排入河道或通过泵提升进入河道，即传统城市雨水管理以雨水尽快汇集至收集系统、经收集输送后快速排除为目标。随着城市化程度的提高，高强度人类活动改变城市地表环境的结构与功能，使得相当比例的软性透水性下垫面变为不透水表面（路面、屋面、地面）所覆盖，改变地表生态环境的结构和功能，影响雨水截留、下渗和蒸发等环节，导致水的自然循环规律变化，加剧了流域洪涝灾害发生的频率和强度。因此，传统的雨水管理模式表现出城市洪灾风险加大、雨水径流污染严重、雨水资源大量流失、生态环境破坏等主要问题。

国际上雨水资源处理、处置和管理的理念发生了显著变化，雨水蓄渗、缓排、利用等已成为雨水管理的重要内容。德国、美国和日本是雨水资源利用和管理开展较早的国家，从20世纪70年代至今经过几十年的发展，取得了较为丰富的实践经验，制定较为系统全面的法律法规，利用经济、技术和管理手段，开发了多种多样的雨水利用技术措施，形成了较为完善的雨水资源利用管理框架和技术体系。

上海年均降雨量约1160mm，年均最大月降雨量为169.6mm。上海世博会召开期间，正是上海每年6月至9月的汛期，常年雨量达到580毫米以上，单场降水量超过50毫米的降雨可达4-8次以上。2010年上海世博会将创造一个生态和谐、尺度宜人、环境优美的城市公共空间，结合世博园区建设，探索以国际先进雨水资源管理理念对城市雨水径流资源进行管理和合理的利用，如对屋面雨水进行收集、经过简单处理后用于绿化浇灌和道路洒水以节约优质水资源。另外，通过屋顶绿化、低洼绿地、渗透性辅面等措施强化雨水的储蓄和下渗以减少雨水泾流，通过景观水体的调蓄削减外排雨水量，通过地下雨水调蓄池以减少雨水污染等措施。通过这些技术措施的实施，展现将雨水资源资源利用、预防洪涝、城市景观、环境改善等功能融为一体的发展趋势，符合“生态世博”的理念，也是环境保护与生态建设的实际需求。

城市雨水利用系统图

屋面雨水水质情况随城市化程度、屋面下垫面类型、交通量、人口密度、空气污染程度、降雨量及降雨历时等因素变化，一般来说，相对于其它道路等下垫面的雨水，屋面雨水水质相对较好，有关试验表明，雨水中的污染物大致可分为悬浮固体、好氧物质、氮磷等富营养化物质，降雨污染物集中在初期的几毫米雨量中。

考虑到雨水降雨的不均匀性，需要设置雨水贮存池，雨水储存调蓄池根据建造位置不同可分为地下封闭式、地上封闭式、地上敞开式等。储存池的大小根据雨水降雨量特征、贮水池的形式及雨水回用的效益等综合确定，一般而言，贮存池越大，可收集的雨水量较大，雨水的集蓄效率越高，但储存池投资大；相反，贮存池小，降雨量超过设计调蓄容积多，储存池投资小，但可收集的雨水量也小。根据上海市的降雨特性曲线，采用采用混凝土地下式贮存池作为调蓄池时，计算表明，储存池按降雨量10-20mm储存，此时的集蓄效率约为45-60%，雨水回用工程可以实现效益大于费用，具有较好的经济性。

由于初期雨水污染程度高，在雨水利用时，对初期雨水的控制主要采用弃流处理和调蓄处理。将这部分雨水弃流，排入污水管网，大大减少雨降低后续雨水处理的难度，提高雨水回用水的水质，可大大提高工程的技术经济可行性。

雨水回用用途主要用于构造城市水景观、人工水面、灌溉绿地、补给地下水、冲洗厕所、改善生态环境等。雨水处理程度与雨水的水质、回用用途等密切相关，根据不同的回用要求，可采用人工湿地、稳定塘、MR系统（水洼－渗透渠组合系统）等生态处理技术。在建筑密度高、土地昂贵的城区，一般采用成套水处理装置，通过沉淀、过滤、消毒等处理措施可达到杂用水水质要求，对于要求较高的水，根据实际情况考虑活性炭处理和膜技术等处理措施。世博会核心区域的世博中心、演艺中心、主题馆、中国馆等四大永久场馆和世博轴，都对屋面雨水加以收集利用。

世博演艺中心位于世博浦东园区北端，紧临黄浦江，世博轴以东。总建筑面积12.6万平方米，在建筑设计上，世博演艺中心采用了光电幕墙系统、江水源冷却系统、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控绿地节水灌溉系统等多项环保节能技术，注重可再生材料的使用，其目标是成为一座”绿色生态建筑”。演艺中心采用设计了完善的雨水利用系统，将空调凝结水与屋面雨水收、处理，用作道路冲洗和绿化浇灌用水，采用程控型绿地喷灌或滴灌等节水灌溉技术，提高水资源利用效率。

世博轴上6个喇叭状阳光谷，是以阳光和雨水“为食”的“杂食建筑”。地下空间给人的印象大多是昏暗与沉闷，然而阳光谷的喇叭造型让阳光自然泻入地下，并保持空气流通，让绿色植物在地下也能进行光合作用。“喇叭口”还是下水口和蓄水池，大量雨水将通过阳光谷，被储存在世博轴的地下室，经过过滤，不仅可以自用，还可用于周围其他场馆的灌溉与清洁。

阳光谷巧借“天赐之水”

世博中心是上海世博会最重要的场馆之一，“绿色、节能、环保”是世博中心绿色建筑设计的宗旨。通过朴素而有效的技术手段，对能源、水消耗、室内空气质量和可再生材料的使用等多方面进行控制，使世博中心成为一座充满智慧的绿色建筑。世博中心屋面的雨水将被收集起来用于道路冲洗和绿化灌溉。

在中国馆的景观设计中，加入了先进的“循环自洁”功能。中国国家馆的屋顶上，设计有雨水收集系统，可以利用收集下来的天然雨水，进行绿化浇灌和道路冲洗。在地区馆南侧的大台阶水景观和其南面的园林设计中，引入小规模人工湿地技术，雨水配合人工湿地的自洁能力，在不需要大量用地的前提下，在城市中心创造出一片生态湿地。

世博上海企业联合馆是一个独具特色的生态智能建筑，在建材上采取环保材料，利用全球最新的太阳能发电技术，实现了能源利用新突破。同时，馆场地范围内的雨水将得到回收，经过沉淀、过滤和储存等技术处理之后，可作场馆内的日常用水之用。

世博上海企业联合馆效果图

雨水蓄渗是一种雨水处理与资源化利用技术，近年来，各国相继开发出新的雨水排放系统，如德国开发出“洼地－渗渠系统”，日本提出“雨水的碎石空隙储存渗透系统”等，其核心理念是以“就地”处理雨水的措施取代传统的快速排除雨水排放系统。雨水就地蓄渗处理有着诸多的生态环境效应，在控制城市面源污染及削减洪峰水量方面发挥着十分重要的作用，越来越受到世界各国的广泛关注。

近几十年来的研究表明，城市地表径流污染的来源广泛、复杂，但污染物的迁移和转化的主要载体是雨水及其所形成的径流，其水动力因素主要是降雨的冲刷作用和地表径流的冲刷作用，雨水中的污染物主要有无机物质和一些有机物质(主要是挥发性化合物)，同时还存在少量的重金属(如铜、铬、铅、锌等)，如果将这些雨水直接排入河道，对环境造成一定的污染。因此，雨水中污染物的控制是控制面源污染一个最关键的问题。

利用城市渗滤来降解雨水径流中污染物质是一种自然有效，成本低廉的方法。雨水径流经过植被和土壤时产生一系列的物理、化学和生物反应，许多污染物质通过吸附降解、沉积、离子交换、氧化还原及其他反应在土壤表层被去除。由于粘土的颗粒细小，比表面积大，比表面能大，有些细小颗粒甚至接近于胶体颗粒，因此具有较强的吸附力。它们通过对有机物质的物理、化学作用的截留吸附，一些污染物被固定于绿地渗滤系统的滤层中。使流出绿地土壤的径流污染物浓度降低，污染物去除的另一个主要因素是土壤中的微生物作用，径流流经土壤时，土壤颗粒截留其中的营养物质作为微生物的碳源和能量来源，促进微生物的繁殖，不断增加的微生物进一步降解被截留的污染物。有资料表明：在各种不同降雨条件下，对有机物、氮、磷等污染物的平均去除率可达40¬50%左右，表明绿地渗滤系统对地表径流污染物的削减作用显著。

促进雨水下渗的技术措施很多，如增加绿地面积、采用透水性路面、下凹式绿地和增加水体面积等方法。雨水蓄渗技术有植草洼地、低势绿地以及渗透性路面、渗透井、渗透塘、渗透管沟等。其中，绿地作为一种天然的渗透设施，它具有透水性好、节约投资、便于雨水引入等优点。

目前，采用低势绿地是常用的雨水蓄渗方法之一，该方法通常建造在低于路面的景观隔离带内或采用低势绿地，与路面雨水口一起构成蓄渗排放系统，具体过程是结合原有的绿化布局，对土壤应进行改造，通过填加石英砂、煤灰等提高土壤的渗透性，同时在地下增设排水管，穿孔管周围用石子或其他多孔隙材料填充，具有较大的蓄水空间，将屋面、道路等各种铺装表面形成的雨水径流汇集入绿地中进行蓄渗，以增大雨水入渗量，多余的径流雨水从设在绿地中的雨水溢流口或道路排走，这种蓄渗设施有效地提高了道路景观隔离带的调蓄与下渗能力，同时可确保景观植物生长条件与景观效果，人行道外侧的绿化带也可进行类似设置。

采用透水性路面也是降低雨水径流量的措施之一，透水性路面是降低地表径流的最重要措施之一，因地制宜地设置透性路面，具有一定的削峰减排作用，主要方法在行车道、人行道、广场、停车场等人工地面，尽量采用多孔沥青或混凝土、草皮砖、连锁砖铺面等透水性铺面。

渗透性路面的典型结构

排水性沥青路面采用高空隙率的磨耗层，雨水可渗入路面之中，由路面中的连通空隙向路面边缘排水，导致雨天路面表面不会形成较厚水膜，避免了水飘与水膜反光的产生，同时不会出现溅水现象，有效地保证了行车的安全，降低了噪声。多年来，发达国家不断进行这一技术的开发研究，发展迅速。

密实路面与排水性沥青路面对比

经研究表明，上海市城市绿地土壤入渗率的变异非常大，但属于慢和较慢的稳定入渗率比例达50％。因此，上海市属于高地下水、高绿地景观标准，低土壤入渗速率地区，这对该区域内促进绿地雨水下渗的应用带来不利影响。考虑上海地区土壤入渗性能较差，当土壤的渗透系数小于10-6m/s时，渗透速度过慢、渗透时间过长，雨水在短时内很难渗净，可采取扩大入渗面积和蓄水空间等措施来强化雨水入渗，浅层地下雨水蓄渗是结合城区的功能规划要求，在人行道、广场的辅装层或绿化种植土以下，在地下水位以上用多孔空隙材料堆彻成大小、形状不同的形成可供短暂储存的雨水连通空间，在多空隙材料底部用渗水材料以提高下渗速率，当暴雨来临时，屋面等相对干净的雨水通过初期弃流和简单预处理后，通过管道或沟渠方式导流进入高孔隙材料空间内短暂储蓄，暴雨过后雨水继续下渗，超过储蓄容量的雨水外排。

浅层蓄渗透视图

采用浅层蓄渗技术，不改变原有土地的使用功能，充分利用人行道、绿化或广场的浅层地下作为雨水短暂储存和渗透设施，雨水储存设施的大小、形状可根据小区或城市的要求灵活设置，不影响绿化景观要求，解决了传统蓄渗技术对高地下水位、高景观要求的地区难以应用问题。通过该系统的应用，雨水尽可能长久的得到储存，支持和延长渗透过程，分散补充地下水，防止地面沉降；在不影响设施功能的情况下，通过简单的就地雨水滞留的方式分散城市的雨水达到雨水的就地处理，减少外排量和因雨水外排而导致河流污染，减少城市排水和防洪设施的投资和运行费用。

浅层蓄渗的多孔隙材料

在上海世博园区，示范应用了具有排水性的全生态透水沥青路面，路面使用材料的80%为经特殊工艺处理的再生废钢渣。路面具有降温降噪、防滑排水、安全不反光等功能及降低城市热岛效应、减缓地表沉降、改善生态环境等显著的生态效应。同时在人行广场、停车场等地区，大量采用具有渗水性能材料和具有透水性能的面层铺装、有效地降低园区的雨水径流，促进行雨水下渗，在现有雨水排放设施不变的情况下，可显著提高地区内的雨水排放标准。

世博园区全生态透水道路样板段 世博A13广场全生态透水地面

降雨径流初始部分含有较高浓度或较大负荷的污染物质，在屋面径流污染控制或雨水利用的工程实践中，合理处置初期雨水可大大提高工程的技术经济可行性。初期20%的雨水中含有60%左右的污染物，说明降雨存在初期污染效应。

在世博会园区雨水排涝泵站中，建设有初期雨水调蓄池，如后滩雨水泵站和浦明滩雨水泵站分别建有约3000m3和8000m3的初雨调蓄池。在暴雨时，雨水管网的污染物较高的初期雨水先进入雨水调蓄贮存，然后在暴雨停止后，将收集的雨水缓慢的输送至市政污水管网，纳入污水厂进行处理，中后期的雨水由雨水泵站排入黄浦江水体，大大减轻了初期污染雨水对水体水质的污染影响，具有工程示范作用。