世博園區雨水收集利用
一、蓄滲、緩排、利用等已成為國際雨水管理重點
傳統城市雨水收集式是在雨水落到地面上后，一部分通過地面下滲補充地下水，不能下滲或來不及下滲的雨水通過地面收集后匯流進入雨水口，再通過收集管道收集后，排入河道或通過泵提升進入河道，即傳統城市雨水管理以雨水盡快匯集至收集系統、經收集輸送后快速排除為目標。隨著城市化程度的提高，高強度人類活動改變城市地表環境的結構與功能，使得相當比例的軟性透水性下墊面變為不透水表面（路面、屋面、地面）所覆蓋，改變地表生態環境的結構和功能，影響雨水截留、下滲和蒸發等環節，導致水的自然循環規律變化，加劇了流域洪澇災害發生的頻率和強度。因此，傳統的雨水管理模式表現出城市洪災風險加大、雨水徑流污染嚴重、雨水資源大量流失、生態環境破壞等主要問題。
國際上雨水資源處理、處置和管理的理念發生了顯著變化，雨水蓄滲、緩排、利用等已成為雨水管理的重要內容。德國、美國和日本是雨水資源利用和管理開展較早的國家，從20世紀70年代至今經過幾十年的發展，取得了較為豐富的實踐經驗，制定較為系統全面的法律法規，利用經濟、技術和管理手段，開發了多種多樣的雨水利用技術措施，形成了較為完善的雨水資源利用管理框架和技術體系。
二、上海世博對國際先進雨水資源管理理念的探索和實踐
上海年均降雨量約1160mm，年均最大月降雨量為169.6mm。上海世博會召開期間，正是上海每年6月至9月的汛期，常年雨量達到580毫米以上，單場降水量超過50毫米的降雨可達4-8次以上。2010年上海世博會將創造一個生態和諧、尺度宜人、環境優美的城市公共空間，結合世博園區建設，探索以國際先進雨水資源管理理念對城市雨水徑流資源進行管理和合理的利用，如對屋面雨水進行收集、經過簡單處理后用于綠化澆灌和道路灑水以節約優質水資源。另外，通過屋頂綠化、低洼綠地、滲透性輔面等措施強化雨水的儲蓄和下滲以減少雨水涇流，通過景觀水體的調蓄削減外排雨水量，通過地下雨水調蓄池以減少雨水污染等措施。通過這些技術措施的實施，展現將雨水資源資源利用、預防洪澇、城市景觀、環境改善等功能融為一體的發展趨勢，符合“生態世博”的理念，也是環境保護與生態建設的實際需求。
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| 城市雨水利用系統圖 |
1、屋面雨水收集及利用
屋面雨水水質情況隨城市化程度、屋面下墊面類型、交通量、人口密度、空氣污染程度、降雨量及降雨歷時等因素變化，一般來說，相對于其它道路等下墊面的雨水，屋面雨水水質相對較好，有關試驗表明，雨水中的污染物大致可分為懸浮固體、好氧物質、氮磷等富營養化物質，降雨污染物集中在初期的幾毫米雨量中。
考慮到雨水降雨的不均勻性，需要設置雨水貯存池，雨水儲存調蓄池根據建造位置不同可分為地下封閉式、地上封閉式、地上敞開式等。儲存池的大小根據雨水降雨量特征、貯水池的形式及雨水回用的效益等綜合確定，一般而言，貯存池越大，可收集的雨水量較大，雨水的集蓄效率越高，但儲存池投資大；相反，貯存池小，降雨量超過設計調蓄容積多，儲存池投資小，但可收集的雨水量也小。根據上海市的降雨特性曲線，采用采用混凝土地下式貯存池作為調蓄池時，計算表明，儲存池按降雨量10-20mm儲存，此時的集蓄效率約為45-60%，雨水回用工程可以實現效益大于費用，具有較好的經濟性。
由于初期雨水污染程度高，在雨水利用時，對初期雨水的控制主要采用棄流處理和調蓄處理。將這部分雨水棄流，排入污水管網，大大減少雨降低后續雨水處理的難度，提高雨水回用水的水質，可大大提高工程的技術經濟可行性。
雨水回用用途主要用于構造城市水景觀、人工水面、灌溉綠地、補給地下水、沖洗廁所、改善生態環境等。雨水處理程度與雨水的水質、回用用途等密切相關，根據不同的回用要求，可采用人工濕地、穩定塘、MR系統（水洼－滲透渠組合系統）等生態處理技術。在建筑密度高、土地昂貴的城區，一般采用成套水處理裝置，通過沉淀、過濾、消毒等處理措施可達到雜用水水質要求，對于要求較高的水，根據實際情況考慮活性炭處理和膜技術等處理措施。世博會核心區域的世博中心、演藝中心、主題館、中國館等四大永久場館和世博軸，都對屋面雨水加以收集利用。
（1）演藝中心雨水的收集利用
世博演藝中心位于世博浦東園區北端，緊臨黃浦江，世博軸以東。總建筑面積12.6萬平方米，在建筑設計上，世博演藝中心采用了光電幕墻系統、江水源冷卻系統、氣動垃圾回收系統、空調凝結水與屋面雨水收集系統、程控綠地節水灌溉系統等多項環保節能技術，注重可再生材料的使用，其目標是成為一座”綠色生態建筑”。演藝中心采用設計了完善的雨水利用系統，將空調凝結水與屋面雨水收、處理，用作道路沖洗和綠化澆灌用水，采用程控型綠地噴灌或滴灌等節水灌溉技術，提高水資源利用效率。
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| 演藝中心的雨水收集利用系統 |
（2）“陽光谷”的雨水收集系統
世博軸上6個喇叭狀陽光谷，是以陽光和雨水“為食”的“雜食建筑”。地下空間給人的印象大多是昏暗與沉悶，然而陽光谷的喇叭造型讓陽光自然瀉入地下，并保持空氣流通，讓綠色植物在地下也能進行光合作用。“喇叭口”還是下水口和蓄水池，大量雨水將通過陽光谷，被儲存在世博軸的地下室，經過過濾，不僅可以自用，還可用于周圍其他場館的灌溉與清潔。
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| 陽光谷巧借“天賜之水” |
（3）世博中心的雨水收集系統
世博中心是上海世博會最重要的場館之一，“綠色、節能、環保”是世博中心綠色建筑設計的宗旨。通過樸素而有效的技術手段，對能源、水消耗、室內空氣質量和可再生材料的使用等多方面進行控制，使世博中心成為一座充滿智慧的綠色建筑。世博中心屋面的雨水將被收集起來用于道路沖洗和綠化灌溉。
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| 世博中心屋面可以收集大量的雨水 |
（4）國家館和上海企業聯合館的雨水收集系統
在中國館的景觀設計中，加入了先進的“循環自潔”功能。中國國家館的屋頂上，設計有雨水收集系統，可以利用收集下來的天然雨水，進行綠化澆灌和道路沖洗。在地區館南側的大臺階水景觀和其南面的園林設計中，引入小規模人工濕地技術，雨水配合人工濕地的自潔能力，在不需要大量用地的前提下，在城市中心創造出一片生態濕地。
世博上海企業聯合館是一個獨具特色的生態智能建筑，在建材上采取環保材料，利用全球最新的太陽能發電技術，實現了能源利用新突破。同時，館場地范圍內的雨水將得到回收，經過沉淀、過濾和儲存等技術處理之后，可作場館內的日常用水之用。
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| 世博上海企業聯合館效果圖 |
2、雨水蓄滲利用
雨水蓄滲是一種雨水處理與資源化利用技術，近年來，各國相繼開發出新的雨水排放系統，如德國開發出“洼地－滲渠系統”，日本提出“雨水的碎石空隙儲存滲透系統”等，其核心理念是以“就地”處理雨水的措施取代傳統的快速排除雨水排放系統。雨水就地蓄滲處理有著諸多的生態環境效應，在控制城市面源污染及削減洪峰水量方面發揮著十分重要的作用，越來越受到世界各國的廣泛關注。
近幾十年來的研究表明，城市地表徑流污染的來源廣泛、復雜，但污染物的遷移和轉化的主要載體是雨水及其所形成的徑流，其水動力因素主要是降雨的沖刷作用和地表徑流的沖刷作用，雨水中的污染物主要有無機物質和一些有機物質(主要是揮發性化合物)，同時還存在少量的重金屬(如銅、鉻、鉛、鋅等)，如果將這些雨水直接排入河道，對環境造成一定的污染。因此，雨水中污染物的控制是控制面源污染一個最關鍵的問題。
利用城市滲濾來降解雨水徑流中污染物質是一種自然有效，成本低廉的方法。雨水徑流經過植被和土壤時產生一系列的物理、化學和生物反應，許多污染物質通過吸附降解、沉積、離子交換、氧化還原及其他反應在土壤表層被去除。由于粘土的顆粒細小，比表面積大，比表面能大，有些細小顆粒甚至接近于膠體顆粒，因此具有較強的吸附力。它們通過對有機物質的物理、化學作用的截留吸附，一些污染物被固定于綠地滲濾系統的濾層中。使流出綠地土壤的徑流污染物濃度降低，污染物去除的另一個主要因素是土壤中的微生物作用，徑流流經土壤時，土壤顆粒截留其中的營養物質作為微生物的碳源和能量來源，促進微生物的繁殖，不斷增加的微生物進一步降解被截留的污染物。有資料表明：在各種不同降雨條件下，對有機物、氮、磷等污染物的平均去除率可達40¬50%左右，表明綠地滲濾系統對地表徑流污染物的削減作用顯著。
促進雨水下滲的技術措施很多，如增加綠地面積、采用透水性路面、下凹式綠地和增加水體面積等方法。雨水蓄滲技術有植草洼地、低勢綠地以及滲透性路面、滲透井、滲透塘、滲透管溝等。其中，綠地作為一種天然的滲透設施，它具有透水性好、節約投資、便于雨水引入等優點。
（1）“低綠地＋下排水系統”措施
目前，采用低勢綠地是常用的雨水蓄滲方法之一，該方法通常建造在低于路面的景觀隔離帶內或采用低勢綠地，與路面雨水口一起構成蓄滲排放系統，具體過程是結合原有的綠化布局，對土壤應進行改造，通過填加石英砂、煤灰等提高土壤的滲透性，同時在地下增設排水管，穿孔管周圍用石子或其他多孔隙材料填充，具有較大的蓄水空間，將屋面、道路等各種鋪裝表面形成的雨水徑流匯集入綠地中進行蓄滲，以增大雨水入滲量，多余的徑流雨水從設在綠地中的雨水溢流口或道路排走，這種蓄滲設施有效地提高了道路景觀隔離帶的調蓄與下滲能力，同時可確保景觀植物生長條件與景觀效果，人行道外側的綠化帶也可進行類似設置。
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| 低綠地＋下排水系統雨水蓄滲措施 |
（2）透水性路面、廣場
采用透水性路面也是降低雨水徑流量的措施之一，透水性路面是降低地表徑流的最重要措施之一，因地制宜地設置透性路面，具有一定的削峰減排作用，主要方法在行車道、人行道、廣場、停車場等人工地面，盡量采用多孔瀝青或混凝土、草皮磚、連鎖磚鋪面等透水性鋪面。
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| 滲透性路面的典型結構 |
排水性瀝青路面采用高空隙率的磨耗層，雨水可滲入路面之中，由路面中的連通空隙向路面邊緣排水，導致雨天路面表面不會形成較厚水膜，避免了水飄與水膜反光的產生，同時不會出現濺水現象，有效地保證了行車的安全，降低了噪聲。多年來，發達國家不斷進行這一技術的開發研究，發展迅速。
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| 密實路面與排水性瀝青路面對比 |
經研究表明，上海市城市綠地土壤入滲率的變異非常大，但屬于慢和較慢的穩定入滲率比例達50％。因此，上海市屬于高地下水、高綠地景觀標準，低土壤入滲速率地區，這對該區域內促進綠地雨水下滲的應用帶來不利影響。考慮上海地區土壤入滲性能較差，當土壤的滲透系數小于10-6m/s時，滲透速度過慢、滲透時間過長，雨水在短時內很難滲凈，可采取擴大入滲面積和蓄水空間等措施來強化雨水入滲，淺層地下雨水蓄滲是結合城區的功能規劃要求，在人行道、廣場的輔裝層或綠化種植土以下，在地下水位以上用多孔空隙材料堆徹成大小、形狀不同的形成可供短暫儲存的雨水連通空間，在多空隙材料底部用滲水材料以提高下滲速率，當暴雨來臨時，屋面等相對干凈的雨水通過初期棄流和簡單預處理后，通過管道或溝渠方式導流進入高孔隙材料空間內短暫儲蓄，暴雨過后雨水繼續下滲，超過儲蓄容量的雨水外排。
淺層地下雨水蓄滲技術上至下分別由植被層（草皮）、基質層、隔離過濾層、儲水層、滲濾層等組成。
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| 淺層蓄滲透視圖 |
采用淺層蓄滲技術，不改變原有土地的使用功能，充分利用人行道、綠化或廣場的淺層地下作為雨水短暫儲存和滲透設施，雨水儲存設施的大小、形狀可根據小區或城市的要求靈活設置，不影響綠化景觀要求，解決了傳統蓄滲技術對高地下水位、高景觀要求的地區難以應用問題。通過該系統的應用，雨水盡可能長久的得到儲存，支持和延長滲透過程，分散補充地下水，防止地面沉降；在不影響設施功能的情況下，通過簡單的就地雨水滯留的方式分散城市的雨水達到雨水的就地處理，減少外排量和因雨水外排而導致河流污染，減少城市排水和防洪設施的投資和運行費用。
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| 淺層蓄滲的多孔隙材料 |
在上海世博園區，示范應用了具有排水性的全生態透水瀝青路面，路面使用材料的80%為經特殊工藝處理的再生廢鋼渣。路面具有降溫降噪、防滑排水、安全不反光等功能及降低城市熱島效應、減緩地表沉降、改善生態環境等顯著的生態效應。同時在人行廣場、停車場等地區，大量采用具有滲水性能材料和具有透水性能的面層鋪裝、有效地降低園區的雨水徑流，促進行雨水下滲，在現有雨水排放設施不變的情況下，可顯著提高地區內的雨水排放標準。
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| 世博園區全生態透水道路樣板段 世博A13廣場全生態透水地面 |
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| 世博公園全生態透水道路 |
3、初期雨水調蓄池的應用
降雨徑流初始部分含有較高濃度或較大負荷的污染物質，在屋面徑流污染控制或雨水利用的工程實踐中，合理處置初期雨水可大大提高工程的技術經濟可行性。初期20%的雨水中含有60%左右的污染物，說明降雨存在初期污染效應。
在世博會園區雨水排澇泵站中，建設有初期雨水調蓄池，如后灘雨水泵站和浦明灘雨水泵站分別建有約3000m3和8000m3的初雨調蓄池。在暴雨時，雨水管網的污染物較高的初期雨水先進入雨水調蓄貯存，然后在暴雨停止后，將收集的雨水緩慢的輸送至市政污水管網，納入污水廠進行處理，中后期的雨水由雨水泵站排入黃浦江水體，大大減輕了初期污染雨水對水體水質的污染影響，具有工程示范作用。
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