城市雨水资源综合利用方案及效益分析

摘要：针对我国雨水资源丰富却未能充分利用的现象，分析了全国降雨特点及绿色城市建设现状，结合水能发电原理及海绵城市理念，提出了城市雨水综合利用方案。研究出基于降水落差机械能的“水照明”灯，主要阐明了其应用前景和对我国能源结构优化的作用。

关键词：雨水资源；节能；海绵城市；环保

中图分类号：TU984

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10017802

1 引言

近几十年来，我国水利事业高速发展，全国各地出现了大大小小的水库电站。然而这些水库电站只能对在空间上已经相对集中的水资源进行利用，而相对不集中的城市降水却没有很好地给人们带来方便，反而在某种程度上形成危害。以2016年为例，南方地区先后出现20多次强降雨过程，全国降水量比往年同期多23%，最大点日雨量达493 mm。虽然我国具有丰富的雨水资源，年均总量超过6万亿m3。然而，我国大部分城市大量雨水资源白白流失，雨水利用率竟不到1%。甚至，我有40%以上的人口生活在缺水地区，有400多座城市缺水，其中108座严重缺水，1.6亿人的城市居民受影响。任何活动都离不开水的参与，水资源不能好好控制并加以利用，已是一个关系到未来国家命脉的问题。

事实上，我国尤其是南方有着丰富的降水，平均年降水量在800 mm以上，而浙江、福建、海南、广东等部分地区的年降水量甚至超过1600 mm。如果能将这些丰富的雨水资源充分利用，将是一笔不菲的经济收入。同时，这种直接利用自然资源的方式，基本不会对环境产生负面影响，对我国的能源结构优化也起着一定的作用。针对这种雨水资源泛滥，却不能有效利用的现象，提出了一种有效利用雨水资源的方案，实现了雨水的多层次利用。

2 城市雨水综合利用方案

2.1 方案原理

2.1.1 能量守恒定律

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的总量保持不变。在地球与雨水组成的封闭系统中，当雨水从高处下落时，引起系统势能的减少，根据能量守恒定律，雨水势能的减少必然会引起其他能量的增加。

2.1.2 发电设备工作原理

水轮机是一种水力机械，也就是在液体和固体之间进行机械能的转换。水轮机以水作为工作介质，主要将水的动能和势能转变为水轮机的旋转机械能，这种机械能再通过主轴传递出去[1]。

2.1.3 海绵城市

建海绵城市首先要有“海绵体”。城市“海绵体”既包括河、湖、池塘等水系，也包括绿地、花园、可渗透路面这样的城市配套设施。雨水通过这些海绵体“下渗、滞蓄、净化、回用”，最后剩余部分径流通过管网、泵站外排，从而可有效提高城市排水系统的标准，缓减城市内涝的压力。

2.2 方案详细说明

该方案采用的主要载体由集水装置、照明系统、灯柱、发电设备、储电设备、集水系统六大部分组成（图1）。在灯柱顶端设集水装置，并将灯杆设置为空心圆柱，在空心圆柱底端设置有将机械能转化为电能的装置及储电设备，并且在柱底设置集水管道，将雨水二次利用于灌溉等。集水装置收集到的雨水从上端下泄时具有足够的机械能，当其到达底端时，使发电装置产生一定的电能，将这部分电能存储在蓄电池中供路灯照明（图2）。

2.2.1 集水装置

集水装置整体为漏斗状，有一定的集水体积，为了具有一定的美观性并改善照明情况，可以将漏斗四周设计为荷叶片状。漏斗下端设有出水口，相当于冲击式水轮机的喷嘴。出水口处有开合装置，该装置受感应装置控制，当集水达到一定的高度，压力达到设定值时，出水口开放，水流高速下泄，冲击水轮机叶片，带动发电。

2.2.2 灯柱改进

与传统灯柱比较，在空心圆柱内部设有细长圆管，用与引导雨水下泄，空心灯柱的管径厚度需满足强度要求。为方便发电设备和储电设备的安放并且增大路灯的稳定性，可适当增大灯柱下部直径，对于灯柱高度，同一街道灯具安装高度必须一致（发光中心到地面高度）[2]。

2.2.3 发电设备

发电设备为微型水力发电机，安装在灯柱底部。集水漏斗至灯柱底部有一定的水头落差，从引水管道出来的射流沿转轮圆周切线方向冲击轮叶，驱动转轮旋转，将动能转换为旋转机械能。针对不同水头水源，从10 m左右到100 m的水头都可以，水量相对要求不大。根据水头落差并且配合对应的水管要求，可以达到多种功率。使用蓄电池将降雨时产生的电能储存起来，在需要时供路灯照明。

2.2.4 集水系统

在每个灯柱底部设有出水管道，将发电后的雨水收集，统一进入储水设备。下降的雨水通过集水系统汇集进入蓄水池，或者与“海绵城市”工程地下管道系统相通。收集的雨水用于日常绿化带的灌溉、公共厕所冲水、洒水车取水等，当降雨量超过蓄水池容量时，通过感应开关打开池底阀门，将多余的雨水排入城市排水系统。

3 海绵城市系统

“海绵城市”是以“自然积存、自然渗透、自然净化”为特征，字里行间反映出与传统的工程思维下“水适应人”的治水思路截然不同。城市应该是一种“人适应水”的景观，即“水适应性景观”。 “海绵”即是以景观为载体的水生态基础设施完整的土地生命系统，自身具备复杂而丰富的生态系统服务功能，这是“生态系统服务”理论的核心思想，聚焦到“水问题”上，这一理论表明，城市的每一寸土地都具备一定的雨洪调蓄、水源涵养、雨污净化等功能，这也是“海绵城市”构建的基础。它提供给人类最基本的生态系统服务，是城市发展的刚性骨架。从水安全格局到水生态基础设施，它不仅仅维护了城市雨涝调蓄、水源保护和涵养、地下水回补、雨污净化、栖息地修复、土壤净化等重要的水生态过程，而且它是可以在空间上被科学辨识并落地操作的。所以，“海绵”不是一个虚的概念，它对应着的是实实在在的景观格局[3]。城市雨水综合利用方案与海绵城市系统巧妙结合，解决了城市降水量时空分布不均带来的不利影响。

4 雨水利用综合效益分析

首先，该方案将发电设备和日常公共设施相结合，将雨水的能量充分利用，转化为电能，并且雨水这一天然资源，有着无尽的供应来源，天然环保零成本，且收集方便，无需处理即刻利用；其次，发电后的雨水通过收集二次利用，增加了废水的利用价值，实现了水源的可循环利用；再者，结合“海绵城市”系统，实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。这样既产生了一部分电能，又节约了大量的水资源，实现了雨水资源的多次利用，符合当前我国提倡的经济、环保、绿色的发展理念[4]。

参考文献：

[1]

李方方. 水轮发电机组智能控制研究[J]. 华北水利水电学院，2007（4）.

[2]周 晖，王建锋，聂引飞.公路路灯设计探讨[J].中国西部科技，2009（8）.

[3]俞孔坚，李迪华，袁 弘，等. “海绵城市”理论与实践[J]. 城市规划，2015（6）：26～36.

[4]王 浩，杨爱民.国内外城市雨水利用情况评述[J].北京科协，2002（10）.