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美国干旱地区雨水收集回收利用技术的应用

2017-06-24 10:57:09 点击:1657

美国干旱地区雨水收集回收利用技术的应用

 
干旱是一个长期存在的世界性难题,而雨水资源的利用是解决或缓解干旱的重要途径&。

美国西南部干旱地区的城市在近年降雨偏少水资源紧缺的威胁下,开始关注雨水收集回收利用技术,并通过相关研究实验,总结出一系列以节约用水保护水资源为目的,适用于不同尺度、不同类型建设,具有干旱地区特点并行之有效的雨水收集利用技术&。通过法令法规与优惠政策并重的方式推进措施的有效实施,其经验值得中国西部干旱地区城市在可持续发展过程中学习借鉴&。

 

一.引言

最新评估显示,加州80%的地区目前处于极度干旱中&。当地居民如今正经历的环境条件实际上2011年就萌芽了&。但目前仍没有缓解迹象&。水资源紧缺的情况越来越严重,众多水业专家意识到雨水与暴雨的价值,并且开始采用和实施用于集水与贮留的渐进式策略&。这些策略的核心就是绿色基础设施(Green Infrastructure)[和低影响开发(Low Impact Development)的技术方法&。

 

二.概念

从广义上讲,绿色基础设施(GI)和低影响开发(LID)非常相似,都可以用来描述这样一种技术方法,即使用自然生态系统来提供环境服务,如收纳,清洁和入渗雨水、建立野生动植物栖息地、为街道和建筑物遮荫或降温以及促进交通宁静化&。大多数情况下,GI是指一种雨水控制措施或做法,这种措施可以减缓、收纳、处理、渗透和贮存雨水径流,其类型包括建筑工程措施(如屋顶雨水收集和处理)和非建筑工程措施(如开放空间的雨水贮留)方法&。GI的理念可以通过采用不同的技术方法,用于单体建筑(如绿色屋顶、雨水收集桶、贮水器)、社区(如生态湿地,生态调节池,透水路面,开槽路缘石)以及区域(如下沉式景观中央隔离带,土地开发激励计划)等不同的尺度&。

LID通常是指运用GI的方法和原理的新建住宅开发模式,包括:在开发过程中尽量减少对土地的大规模改造;在开发中吸收并保留原有的自然特征;通过运用GI和其他技术在源头对暴雨进行控制与处理;减少和隔断不透水地面以及构建水文学模型&。

 

三.亚利桑那州的图森市

 

1、城市背景

在美国西南部的干旱地区,一场持续8年的干旱令包括美国最大的水库——Mead湖在内的科罗拉多河上的水库群严重干枯&。在2000年1月时,Mead湖的蓄水量曾达到了峰值接近库容量的96%,但是到2006年库容就急剧下降到51%,以至于美国参议院能源与自然资源委员会警告说该湖可能在10年内彻底干涸&。除了科罗拉多河,干旱导致美国西南部大量城镇的水资源面临被耗尽的境地,情况最为严重的是亚利桑那州&。然而,经过多年的过度抽水和低于平均值的降雨,含水层已明显减少&。水资源的严重缺乏不仅让美国遭受了水成本高得吓人的代价,也让其遭遇了巨大的经济损失,从而导致失业率上升,引发社会问题&。

 

2、技术思路

为了应对水资源逐渐枯竭的不利局面,图森市开始采用自主研发的一套雨水收集指导手册&。这是一个针对住宅和商业开发计划的工具,用于在城市发展规划中引导实施雨水收集利用的策略&。图森市是美国第一个通过类似法令的城市&。

雨水收集指导手册与图森市雨水收集利用项目正是基于这一法令诞生的&。手册中提出,在保护水资源方面图森市的首要任务是减少用水需求、扩大水资源储备以及更好的利用雨水&。手册中列举了众多雨水利用与雨洪控制设计手段,包括微型滞水池、等高线洼槽与非等高线洼槽,干砌石排水沟,石笼,集水箱,贮水器以及透水地面等&。除了对雨水收集并加以利用外,手册中的设计还致力于在减少雨水排放量的同时,改善被排放雨水的水质&。目前,大约40%的图森市的饮用水被分配用于满足景观用水需求,这对于水资源紧缺的城市来说是一种浪费&。

在暴雨管理方面多年来在西南部的基本哲学是将径流视作一种废弃物而非资源&。平均而言,图森市每年降雨量约11英尺&。最近几年政府部门及学者们正在努力改变这种格局&。越来越多的人认为,暴雨应该完全被视为可以使用并有益于人类的珍惜资源&。

 

降雨过程通常非常复杂&。冬天,这个区域的降雨是平缓且较为规律的,但是夏天的降雨通常伴随着密集的局部雷暴&。不过,在暴雨期间,30分钟内收集到一英尺半的降雨也并不困难&。就这一点来说,在非常稀少及不均匀的雨水补给条件下,寻找减缓径流、增加径流滞留及促进更均匀的地下水补给的方法是非常重要的&。

 

雨水收集指导手册概述了评价场地条件和匹配景观特点的整合式土地开发设计的过程&。一个高效的设计应该是在节约资源的同时具备丰富的功能和可持续性&。有效的雨水收集系统减少了水资源的消耗、能源的需求和景观维持的需水量,并且具备自适应性,即能够很好的适应不同类型的发展需求,例如商业用地、公共建筑和公众权利的诉求&。图森市的手册被看作是一个基础性的指导,同时特定雨水收集技术的实施需要规划区域进行相关修正&。

 

3、技术指引

千篇一律的设计可以实现部分功能,但永远无法最大效率的发挥作用&。每一个规划项目的现状条件都是唯一的,因此探寻一种适应特定现状条件的自定义系统是非常重要的&。这个系统的设计需要综合考虑等高线、排水系统和景观设计&。

 

(1)微型收集池

指导手册详细的介绍了微型收集池的使用方法和适用范围&。这是一种可以在缓坡或几乎没有坡度的地区有效收集少量雨水径流的技术&。同时,它可以以一组的形式来应对较为集中的径流,结合偏置式溢洪道共同形成更长的径流流行路径,以促使更多的干燥土壤得到雨水的入渗&。微型收集池还可以沿山体等高线建设,以延缓自山上流下的降雨径流,或作为洼地或开槽路缘石内用以滞留路面雨水的小型收集池来滞蓄雨水&。

 

(2)等高线洼槽

等高线洼槽也是一种雨水收集技术,适用于中等规模的浅滩区和雨水径流流行速度较慢的中小型流域,例如城市开敞空间和公园&。设计原理是第一个洼槽拦截并滞蓄径流,第二个洼地则是拦截并滞留第一个洼地溢出的雨水,如果需要的话还可以将溢出的径流,通过重力流方式转输至其他地方&。

 

(3)非等高线洼槽

相比较而言,手册中推荐非等高线洼槽应用在与等高线有较小倾角的中型流域&。其功能是使暴雨径流受控制的沿坡度缓慢下行,最大限度的进行入渗,补给地表植被需水,控制土壤侵蚀,减小径流流速,并最终保护重要地区不受雨水径流的威胁&。该类洼槽的类型包括口袋式洼地,即安装一个拦水地埂或缓坡护堤穿过径流的流行面并延伸出去再弯回到流行面,在雨水流行路径上形成多个相互毗邻的、由高出地面的地埂围成的小型半开放式浅池,截留并蓄滞雨水&。其他类型的非等高线洼槽设计包括回旋洼槽及停车场护埂&。

 

(4)干砌石排水沟

手册中详细介绍了干砌石排水沟技术,从平原到中等坡度的斜坡都可适用&。其可以有效的拦截中低规模的径流并明显提升了雨水在填石沟渠两端及两侧入渗的速度&。干砌石排水沟适用于沿草坪步道铺设用以拦截屋顶径流;或者采用竖立的碎石桩形式,将地面雨水直接引导至树根周围&。

 

(5)石笼

雨水收集指导手册还介绍了石笼在小型河道的一些应用&。石笼的功能类似半渗透的隔离层或者层级控制结构,用以减缓但不停止雨水径流的流动&。石笼也同时防止上游的土壤侵蚀,存留丰富的碎屑并有利于雨水入渗至周围的土壤&。

 

(6)贮水设施

手册中还对贮存设施给出了一些推荐&。水箱可以用于收集和储存屋顶径流以便稍后使用,而土壤覆盖物则是一种较为有效的减少土壤中水分蒸发的有效技术&。事实上,相较于图森市11英尺(约28厘米)的年降雨量,该地区静水的年平均蒸发量大约是78英寸(约198厘米),即光照能够迅速蒸发土壤水分并通过毛细管提升至土地表面&。针对图森市的蒸发特点,手册介绍了地表覆盖技术&。其使用的土壤覆盖物是一层适用于任何土壤表面的覆盖材料,具有以下特点:①可以保存土壤水分;②可以改善土壤的养分和健康度;③可以减少杂草的滋生;④可以增强视觉吸引力,提高景观效果&。土壤覆盖物通常由自然的有机物质组成,但也可以不局限于此,这种材料的使用期限可以是永久性的,也可以是临时性的,可以用于裸露土壤也可以用在木本植物根系周边[4]&。在图森市,土壤覆盖物布置于雨水收集池的裸露土壤表面,此种做法可以有效降低土壤表层温度进而限制土壤中水分的蒸发&。

 

四.新墨西哥州的圣塔菲市

 

1、城市背景

在毗邻亚利桑那州的新墨西哥州,类似的雨水收集措施也在不同的层面进行着研究、规划和实施&。作为新墨西哥州的首府,圣塔菲市(Santa Fe)以丰富的历史遗存和鲜明的西班牙村庄建筑特色闻名于世&。然而受困于最近几年的持续干旱,圣塔菲市开始将促进雨水收集并将之作为干净、有益和可持续的天然资源,看作是城市发展中的重要任务&。和其他城市类似,圣塔菲市鼓励各种主动或被动的雨水收集技术,并在地形管理、雨水系统建设和景观设计导则中制定了相关内容&?⑸淌凳┐死嗖呗钥梢跃涂ǹ占涞慕ㄉ栊枨笊昵氪&。

 

2、政策引导

尽管圣塔菲市并没有强制要求进行雨水收集,但是有相当一部分资金用于鼓励相关的实践&。这些对雨水的收集利用将对干旱地区的圣塔菲市,在未来相当长一段时间内产生影响&。

已经开始实施的新住宅绿色建筑条例鼓励雨水利用,使用雨水利用和雨水灌溉技术的新建住宅在申请建设许可时将会获得优惠政策&。此外,还写入了新开发用地的雨水管网和系统需要建设主动式或被动式的雨水收集利用设施的内容&。通常情况下,雨水措施以排水为目的,但是现在城市通过法律形式,让越来越多的人认识到雨水利用技术对促进水资源保护的重要性&。

 

尽管还没有在城市管理条例中写入雨水利用的相关条款,但是圣塔菲市近年来正在不断的要求和鼓励开发商在各种可能的机会中,通过一种有益的方式积极的实施雨水收集和雨水蓄滞技术&。通常情况下,这种方式是指满足景观需水的要求&。

同时,圣塔菲市政府还提供了一些其他的节约用水激励措施,其中就包括一个雨水收集桶的信贷计划&。购买雨水收集桶的居民将收到一次性使用的30美元信用用以支付水费,即由政府一次性的替居民支付30美元的水费&。该市还正在推广节水型家用设备和管道附件,以及寻找可以将屋顶径流收集后冲洗厕所的办法&。圣塔菲市所在的圣塔菲县也同步推出了一系列政策法规,同样旨在引导雨水利用技术与城市建设无缝融合&。例如,县内规定所有住宅开发都必须进行屋顶雨水收集并将之用于景观灌溉,其中要求收集面积不小于屋顶总面积的85%;受热面积小于或等于2500平方英尺(约232平方米)的住宅必须使用雨水收集桶、贮水器或者其他的收集雨水的小型盆地;大于2500平方英尺的住宅必须安装包括贮水器在内的主动式雨水收集系统&。对于商业开发,则要求所有的屋顶雨水径流都要被收集进入贮水器用于景观灌溉&。此外,县内规定土地开发需要建设雨洪滞留池蓄滞硬化地表和屋顶溢流后的雨水径流,并鼓励将贮水器和蓄水池中的雨水与定时滴灌系统结合,真正做到高效利用雨水&。

 

3、技术方法

圣塔菲市正在实施的被动式雨水利用技术,包括放置于屋顶集水管下的雨水收集桶、开槽的路缘石和下沉式景观隔离带&。主动式技术包括附带一组水泵的用于景观灌溉的雨水收集系统&。

 

在过去的几年,圣塔菲市的几个新项目就整合了雨水收集的方法&。例如,圣塔菲市的新市民中心,这个拥有接近75000平方英尺(约7000平方米)屋顶面积的新项目,包括了一套收集系统和和一个容量达到45000加仑(约170立方米)的屋顶雨水贮水器&。面积达到12.5英亩的圣塔菲Railyard公园广场是另一个城市项目,其包括从屋顶收纳雨水的收集系统、储存系统和再利用系统&。收集到的雨水集中储存于埋在公园地下的75000加仑(284立方米)的贮水器,并通过一个容量达到35000加仑(132立方米)的水塔,对公园内的景观绿地进行灌溉浇洒&。还有圣塔菲市新图书馆,同样具备了屋顶收集系统和一个26000加仑(约100平方米)的贮存器&。圣塔菲市正在寻找一切机会用一种有益的方式治理雨水&。

 

圣塔菲市暴雨管理处也在推广一项雨水渗透项目,该项目使用了包括生物滞蓄和LID等类型的渗透技术,以及一个多孔人行道路面的实验计划&?梢钥闯,这个典型的干旱地区城市正在改变原有的土地开发模式,包括生物洼地、路边收集渠、生物滞留塘、人行道透水铺装和雨水花园等技术,在城市设计中不断的得到应用&。针对暴雨径流设计的思想正在这个城市中慢慢的发生转变,雨水利用技术对于城市的可持续发展越来越不可忽视,促使城市管理者以更高的热情利用一切可能的机会来推广相关的雨水渗蓄技术&。

 

五.结语

 

世界干旱区总面积约为61亿公顷,占世界陆地总面积的35%,其中9亿多公顷为极端干旱的沙漠地区,近52亿公顷为干旱、半干旱和干燥的半湿润地区,这些地区都曾是人类的聚居区&。干旱地区,存在着很多的问题,包括生态环境较为脆弱恶劣,水资源十分匮乏,时空分布极不均衡,还有水土流失问题,因此,干旱地区的人居环境建设,首先就要想办法解决这些问题&。现在,美国西南部的众多城市像图森市和圣塔菲市一样,对雨水作为重要的资源在城市可持续发展中起到的作用越来越重视,开始相继在雨水利用方面实施一些列的政策和技术引导,并取得了土地开发、防洪排涝、保护水资源和美化景观等多要素协调发展的宝贵经验&。这些经验对于发展中的中国西部广大干旱地区的城市,具有十分现实的借鉴意义&。为了合理、充分地利用雨水资源,实现西部干旱缺水地区水资源的可持续利用,使雨水资源化,特提出如下建议: (1)建立良性的雨水利用运行机制&。(2)加强雨水利用的理论研究&。(3)提高雨水的利用率&。

 

 

 

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