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美國幹旱地區雨水收集回收利用技術的應用

2017-06-24 10:57:09 點擊:3345

美國幹旱地區雨水收集回收利用技術的應用

 
幹旱是一個長期存在的世界性難題,而雨水資源的利用是解決或緩解幹旱的重要途徑。

美國西南部幹旱地區的城市在近年降雨偏少水資源緊缺的威脅下,開始關注雨水收集回收利用技術,並通過相關研究實驗,總結出一係列以節約用水保護水資源為目的,適用於不同尺度、不同類型建設,具有幹旱地區特點並行之有效的雨水收集利用技術。通過法令法規與優惠政策並重的方式推進措施的有效實施,其經驗值得中國西部幹旱地區城市在可持續發展過程中學習借鑒。

 

一.引言

最新評估顯示,加州80%的地區目前處於極度幹旱中。當地居民如今正經曆的環境條件實際上2011年就萌芽了。但目前仍沒有緩解跡象。水資源緊缺的情況越來越嚴重,眾多水業專家意識到雨水與暴雨的價值,並且開始采用和實施用於集水與貯留的漸進式策略。這些策略的核心就是綠色基礎設施(Green Infrastructure)[和低影響開發(Low Impact Development)的技術方法。

 

二.概念

從廣義上講,綠色基礎設施(GI)和低影響開發(LID)非常相似,都可以用來描述這樣一種技術方法,即使用自然生態係統來提供環境服務,如收納,清潔和入滲雨水、建立野生動植物棲息地、為街道和建築物遮蔭或降溫以及促進交通寧靜化。大多數情況下,GI是指一種雨水控製措施或做法,這種措施可以減緩、收納、處理、滲透和貯存雨水徑流,其類型包括建築工程措施(如屋頂雨水收集和處理)和非建築工程措施(如開放空間的雨水貯留)方法。GI的理念可以通過采用不同的技術方法,用於單體建築(如綠色屋頂、雨水收集桶、貯水器)、社區(如生態濕地,生態調節池,透水路麵,開槽路緣石)以及區域(如下沉式景觀中央隔離帶,土地開發激勵計劃)等不同的尺度。

LID通常是指運用GI的方法和原理的新建住宅開發模式,包括:在開發過程中盡量減少對土地的大規模改造;在開發中吸收並保留原有的自然特征;通過運用GI和其他技術在源頭對暴雨進行控製與處理;減少和隔斷不透水地麵以及構建水文學模型。

 

三.亞利桑那州的圖森市

 

1、城市背景

在美國西南部的幹旱地區,一場持續8年的幹旱令包括美國最大的水庫——Mead湖在內的科羅拉多河上的水庫群嚴重幹枯。在2000年1月時,Mead湖的蓄水量曾達到了峰值接近庫容量的96%,但是到2006年庫容就急劇下降到51%,以至於美國參議院能源與自然資源委員會警告說該湖可能在10年內徹底幹涸。除了科羅拉多河,幹旱導致美國西南部大量城鎮的水資源麵臨被耗盡的境地,情況最為嚴重的是亞利桑那州。然而,經過多年的過度抽水和低於平均值的降雨,含水層已明顯減少。水資源的嚴重缺乏不僅讓美國遭受了水成本高得嚇人的代價,也讓其遭遇了巨大的經濟損失,從而導致失業率上升,引發社會問題。

 

2、技術思路

為了應對水資源逐漸枯竭的不利局麵,圖森市開始采用自主研發的一套雨水收集指導手冊。這是一個針對住宅和商業開發計劃的工具,用於在城市發展規劃中引導實施雨水收集利用的策略。圖森市是美國第一個通過類似法令的城市。

雨水收集指導手冊與圖森市雨水收集利用項目正是基於這一法令誕生的。手冊中提出,在保護水資源方麵圖森市的首要任務是減少用水需求、擴大水資源儲備以及更好的利用雨水。手冊中列舉了眾多雨水利用與雨洪控製設計手段,包括微型滯水池、等高線窪槽與非等高線窪槽,幹砌石排水溝,石籠,集水箱,貯水器以及透水地麵等。除了對雨水收集並加以利用外,手冊中的設計還致力於在減少雨水排放量的同時,改善被排放雨水的水質。目前,大約40%的圖森市的飲用水被分配用於滿足景觀用水需求,這對於水資源緊缺的城市來說是一種浪費。

在暴雨管理方麵多年來在西南部的基本哲學是將徑流視作一種廢棄物而非資源。平均而言,圖森市每年降雨量約11英尺。最近幾年政府部門及學者們正在努力改變這種格局。越來越多的人認為,暴雨應該完全被視為可以使用並有益於人類的珍惜資源。

 

降雨過程通常非常複雜。冬天,這個區域的降雨是平緩且較為規律的,但是夏天的降雨通常伴隨著密集的局部雷暴。不過,在暴雨期間,30分鍾內收集到一英尺半的降雨也並不困難。就這一點來說,在非常稀少及不均勻的雨水補給條件下,尋找減緩徑流、增加徑流滯留及促進更均勻的地下水補給的方法是非常重要的。

 

雨水收集指導手冊概述了評價場地條件和匹配景觀特點的整合式土地開發設計的過程。一個高效的設計應該是在節約資源的同時具備豐富的功能和可持續性。有效的雨水收集係統減少了水資源的消耗、能源的需求和景觀維持的需水量,並且具備自適應性,即能夠很好的適應不同類型的發展需求,例如商業用地、公共建築和公眾權利的訴求。圖森市的手冊被看作是一個基礎性的指導,同時特定雨水收集技術的實施需要規劃區域進行相關修正。

 

3、技術指引

千篇一律的設計可以實現部分功能,但永遠無法最大效率的發揮作用。每一個規劃項目的現狀條件都是唯一的,因此探尋一種適應特定現狀條件的自定義係統是非常重要的。這個係統的設計需要綜合考慮等高線、排水係統和景觀設計。

 

(1)微型收集池

指導手冊詳細的介紹了微型收集池的使用方法和適用範圍。這是一種可以在緩坡或幾乎沒有坡度的地區有效收集少量雨水徑流的技術。同時,它可以以一組的形式來應對較為集中的徑流,結合偏置式溢洪道共同形成更長的徑流流行路徑,以促使更多的幹燥土壤得到雨水的入滲。微型收集池還可以沿山體等高線建設,以延緩自山上流下的降雨徑流,或作為窪地或開槽路緣石內用以滯留路麵雨水的小型收集池來滯蓄雨水。

 

(2)等高線窪槽

等高線窪槽也是一種雨水收集技術,適用於中等規模的淺灘區和雨水徑流流行速度較慢的中小型流域,例如城市開敞空間和公園。設計原理是第一個窪槽攔截並滯蓄徑流,第二個窪地則是攔截並滯留第一個窪地溢出的雨水,如果需要的話還可以將溢出的徑流,通過重力流方式轉輸至其他地方。

 

(3)非等高線窪槽

相比較而言,手冊中推薦非等高線窪槽應用在與等高線有較小傾角的中型流域。其功能是使暴雨徑流受控製的沿坡度緩慢下行,最大限度的進行入滲,補給地表植被需水,控製土壤侵蝕,減小徑流流速,並最終保護重要地區不受雨水徑流的威脅。該類窪槽的類型包括口袋式窪地,即安裝一個攔水地埂或緩坡護堤穿過徑流的流行麵並延伸出去再彎回到流行麵,在雨水流行路徑上形成多個相互毗鄰的、由高出地麵的地埂圍成的小型半開放式淺池,截留並蓄滯雨水。其他類型的非等高線窪槽設計包括回旋窪槽及停車場護埂。

 

(4)幹砌石排水溝

手冊中詳細介紹了幹砌石排水溝技術,從平原到中等坡度的斜坡都可適用。其可以有效的攔截中低規模的徑流並明顯提升了雨水在填石溝渠兩端及兩側入滲的速度。幹砌石排水溝適用於沿草坪步道鋪設用以攔截屋頂徑流;或者采用豎立的碎石樁形式,將地麵雨水直接引導至樹根周圍。

 

(5)石籠

雨水收集指導手冊還介紹了石籠在小型河道的一些應用。石籠的功能類似半滲透的隔離層或者層級控製結構,用以減緩但不停止雨水徑流的流動。石籠也同時防止上遊的土壤侵蝕,存留豐富的碎屑並有利於雨水入滲至周圍的土壤。

 

(6)貯水設施

手冊中還對貯存設施給出了一些推薦。水箱可以用於收集和儲存屋頂徑流以便稍後使用,而土壤覆蓋物則是一種較為有效的減少土壤中水分蒸發的有效技術。事實上,相較於圖森市11英尺(約28厘米)的年降雨量,該地區靜水的年平均蒸發量大約是78英寸(約198厘米),即光照能夠迅速蒸發土壤水分並通過毛細管提升至土地表麵。針對圖森市的蒸發特點,手冊介紹了地表覆蓋技術。其使用的土壤覆蓋物是一層適用於任何土壤表麵的覆蓋材料,具有以下特點:①可以保存土壤水分;②可以改善土壤的養分和健康度;③可以減少雜草的滋生;④可以增強視覺吸引力,提高景觀效果。土壤覆蓋物通常由自然的有機物質組成,但也可以不局限於此,這種材料的使用期限可以是永久性的,也可以是臨時性的,可以用於裸露土壤也可以用在木本植物根係周邊[4]。在圖森市,土壤覆蓋物布置於雨水收集池的裸露土壤表麵,此種做法可以有效降低土壤表層溫度進而限製土壤中水分的蒸發。

 

四.新墨西哥州的聖塔菲市

 

1、城市背景

在毗鄰亞利桑那州的新墨西哥州,類似的雨水收集措施也在不同的層麵進行著研究、規劃和實施。作為新墨西哥州的首府,聖塔菲市(Santa Fe)以豐富的曆史遺存和鮮明的西班牙村莊建築特色聞名於世。然而受困於最近幾年的持續幹旱,聖塔菲市開始將促進雨水收集並將之作為幹淨、有益和可持續的天然資源,看作是城市發展中的重要任務。和其他城市類似,聖塔菲市鼓勵各種主動或被動的雨水收集技術,並在地形管理、雨水係統建設和景觀設計導則中製定了相關內容。開發商實施此類策略可以就開敞空間的建設需求申請貸款。

 

2、政策引導

盡管聖塔菲市並沒有強製要求進行雨水收集,但是有相當一部分資金用於鼓勵相關的實踐。這些對雨水的收集利用將對幹旱地區的聖塔菲市,在未來相當長一段時間內產生影響。

已經開始實施的新住宅綠色建築條例鼓勵雨水利用,使用雨水利用和雨水灌溉技術的新建住宅在申請建設許可時將會獲得優惠政策。此外,還寫入了新開發用地的雨水管網和係統需要建設主動式或被動式的雨水收集利用設施的內容。通常情況下,雨水措施以排水為目的,但是現在城市通過法律形式,讓越來越多的人認識到雨水利用技術對促進水資源保護的重要性。

 

盡管還沒有在城市管理條例中寫入雨水利用的相關條款,但是聖塔菲市近年來正在不斷的要求和鼓勵開發商在各種可能的機會中,通過一種有益的方式積極的實施雨水收集和雨水蓄滯技術。通常情況下,這種方式是指滿足景觀需水的要求。

同時,聖塔菲市政府還提供了一些其他的節約用水激勵措施,其中就包括一個雨水收集桶的信貸計劃。購買雨水收集桶的居民將收到一次性使用的30美元信用用以支付水費,即由政府一次性的替居民支付30美元的水費。該市還正在推廣節水型家用設備和管道附件,以及尋找可以將屋頂徑流收集後衝洗廁所的辦法。聖塔菲市所在的聖塔菲縣也同步推出了一係列政策法規,同樣旨在引導雨水利用技術與城市建設無縫融合。例如,縣內規定所有住宅開發都必須進行屋頂雨水收集並將之用於景觀灌溉,其中要求收集麵積不小於屋頂總麵積的85%;受熱麵積小於或等於2500平方英尺(約232平方米)的住宅必須使用雨水收集桶、貯水器或者其他的收集雨水的小型盆地;大於2500平方英尺的住宅必須安裝包括貯水器在內的主動式雨水收集係統。對於商業開發,則要求所有的屋頂雨水徑流都要被收集進入貯水器用於景觀灌溉。此外,縣內規定土地開發需要建設雨洪滯留池蓄滯硬化地表和屋頂溢流後的雨水徑流,並鼓勵將貯水器和蓄水池中的雨水與定時滴灌係統結合,真正做到高效利用雨水。

 

3、技術方法

聖塔菲市正在實施的被動式雨水利用技術,包括放置於屋頂集水管下的雨水收集桶、開槽的路緣石和下沉式景觀隔離帶。主動式技術包括附帶一組水泵的用於景觀灌溉的雨水收集係統。

 

在過去的幾年,聖塔菲市的幾個新項目就整合了雨水收集的方法。例如,聖塔菲市的新市民中心,這個擁有接近75000平方英尺(約7000平方米)屋頂麵積的新項目,包括了一套收集係統和和一個容量達到45000加侖(約170立方米)的屋頂雨水貯水器。麵積達到12.5英畝的聖塔菲Railyard公園廣場是另一個城市項目,其包括從屋頂收納雨水的收集係統、儲存係統和再利用係統。收集到的雨水集中儲存於埋在公園地下的75000加侖(284立方米)的貯水器,並通過一個容量達到35000加侖(132立方米)的水塔,對公園內的景觀綠地進行灌溉澆灑。還有聖塔菲市新圖書館,同樣具備了屋頂收集係統和一個26000加侖(約100平方米)的貯存器。聖塔菲市正在尋找一切機會用一種有益的方式治理雨水。

 

聖塔菲市暴雨管理處也在推廣一項雨水滲透項目,該項目使用了包括生物滯蓄和LID等類型的滲透技術,以及一個多孔人行道路麵的實驗計劃。可以看出,這個典型的幹旱地區城市正在改變原有的土地開發模式,包括生物窪地、路邊收集渠、生物滯留塘、人行道透水鋪裝和雨水花園等技術,在城市設計中不斷的得到應用。針對暴雨徑流設計的思想正在這個城市中慢慢的發生轉變,雨水利用技術對於城市的可持續發展越來越不可忽視,促使城市管理者以更高的熱情利用一切可能的機會來推廣相關的雨水滲蓄技術。

 

五.結語

 

世界幹旱區總麵積約為61億公頃,占世界陸地總麵積的35%,其中9億多公頃為極端幹旱的沙漠地區,近52億公頃為幹旱、半幹旱和幹燥的半濕潤地區,這些地區都曾是人類的聚居區。幹旱地區,存在著很多的問題,包括生態環境較為脆弱惡劣,水資源十分匱乏,時空分布極不均衡,還有水土流失問題,因此,幹旱地區的人居環境建設,首先就要想辦法解決這些問題。現在,美國西南部的眾多城市像圖森市和聖塔菲市一樣,對雨水作為重要的資源在城市可持續發展中起到的作用越來越重視,開始相繼在雨水利用方麵實施一些列的政策和技術引導,並取得了土地開發、防洪排澇、保護水資源和美化景觀等多要素協調發展的寶貴經驗。這些經驗對於發展中的中國西部廣大幹旱地區的城市,具有十分現實的借鑒意義。為了合理、充分地利用雨水資源,實現西部幹旱缺水地區水資源的可持續利用,使雨水資源化,特提出如下建議: (1)建立良性的雨水利用運行機製。(2)加強雨水利用的理論研究。(3)提高雨水的利用率。

 

 

 

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