德国的雨水利用技术

丁跃元
北京市水利科学研究所

　　德国位于欧洲的中部，国土总面积35.7万平方公里，人口约8220万人。工业高度发达，经济实力位居世界第三。其地形多样，从北到南分为北德低地、中部山脉隆起地带、西南部中等山脉梯形地带、南部阿尔卑斯山前沿地带和阿尔卑斯山山区。地势南高北低。
　　德国属于温带气候，位于大西洋和东部大陆性气候的凉爽西风带，气温平稳温和。降水量空间分布差异较大（其中北德平原为500～700毫米，中部山地为700～1000 毫米，南部阿尔卑斯山区超过2000 毫米），但年内和年际间分配均匀。
　　德国河流众多，湖泊星罗棋布。其中主要河流有莱茵河（Rhein）、易北河（Elbe）、多瑙河（Donou）、威悉河（Weser）和埃姆斯和（Ems）等；湖泊则以博登湖（Baden）、米里茨湖（Mueritz）、什未林湖（Schwerine）、基姆湖（Chiem）和大普劳厄湖（Crosser Ploener）等最为著名。由于德国地势南高北低，故大多数河流由南流向北，刚好弥补了降水量南多北少的差异。因此，德国是一个水资源时空分配均匀且较为充沛的国家。
　　尽管德国水资源充沛，不存在缺水的问题，但为了维持良好的水环境，德国不仅制定了严格的法律、法规和规定，要求对污水进行治理，同时还要求对雨水进行收集利用，并投入了大量的人力与资金开展雨洪利用的研究与应用。目前，已成为国际上最为先进的国家之一。
　　北京是个严重缺水的城市，人均水资源年占有量不足300 立方米。但因降水量年内和年际间分布不均，且随着城市化进程的加快，不透水面积大幅度增加，降雨径流系数不断提高，汛期常有大量径流出境。这不仅造成水资源的无效流失，也对城市排水和防洪构成巨大压力。为了学习、引进和借鉴德国雨洪利用方面先进的技术与经验，2001年5月18日至6月2日，作者随“‘城区水资源可持续利用—雨洪控制与地下水回灌’考察团”赴德国进行了为期15天的技术考察，主要内容包括：①德国雨水利用技术；②德国中水及污水处理利用技术；③德国水综合管理技术等。现将考察情况总结如下：

一、德国的雨水利用技术

　　德国长期致力于雨水利用技术的研究与开发，目前，已成为世界上最为先进的国家之一，从规划、设计到应用，不但形成了完善的技术体系，而且制定了配套的法规和管理规定。
　　（一）雨水利用的技术体系
　　1、雨水径流收集技术
　　德国联邦和各州有关法律规定，受到污染的降水径流必须经处理达标后方可排放，且雨水处理费用与处理同等数量的污水同等昂贵。由于下垫面条件的不同，来自不同面积上的降水径流水质有较大的差异，如来自屋顶等面积上的降水径流除初期受到轻度污染外，后期径流一般水质良好；而来自机动车道等面积上的降水径流，则由于机动车辆的磨损而含有大量的金属、橡胶和燃油等污染物质。因此，德国一般将来自不同面积上的降水径流分别收集，对来自屋顶等的径流，稍加处理或不经处理即直接用于冲洗厕所、灌溉绿地或或构造水景观等；对来自机动车道等面积上的径流，则要处理达标后方可排放。这样，一方面减轻了污水处理的压力，又通过利用雨水减少了大量的自来水供应。
　　2、雨水径流传输与贮存技术
　　由于降水是随机事件，往往难以与用水同步，因此，需要将来自不同面积上的降水径流通过一定的传输和储存设施滞贮备用。在德国，径流的传输主要有两种形式，即地下管道传输和地表明沟传输。其中地下管道传输与通常我国采用的排雨管线在设计思想上有所不同，德国的雨水管线不仅考虑要传输雨水，同时还考虑了用做暂存雨水和缓解洪峰的功能；地表明沟传输是德国城市的风景之一，其设计思想既考虑了传输雨水的功能，更关注了对构造城市景观的作用，通常是模拟天然水流蜿蜒曲折的轨迹，或构筑特定的造型。德国降水径流贮存的形式多样，有家庭利用雨水等采用的预制混凝土或塑料蓄水池等；也有社区环境利用雨水等采用的构造水景观或人工湖等；还有为增加雨水入渗将绿地或花园做成起伏的地形或采用人工湿地等。总之，德国将雨水的传输和储存与城市景观建设与环境改善融为一体，既有效利用了雨水资源、减轻了污水处理厂对雨水处理和自来水供水的压力，又增加了城市景观，起到了一举而三益剂的作用。
　　3、雨水径流过滤、控制与处理技术
　　来自不同下垫面的降水径流通常含有不同的杂质，如树叶、草木、砂土颗粒等，为了除去这些杂质，德国研究、开发了不同形式的径流过滤器。根据过滤能力的不同可分为分散式和集中式两种。分散式过滤器一般体积较小，安装于房屋的每个漏雨管的下端；集中式过滤器一般体积较大，它是将来自不同面积上的径流汇集到一起，然后进行集中过滤。这两种过滤器均可将径流中直径大于0.25mm的杂质过滤出去。
　　由于受到污染的降水径流必须经过处理后方能利用或排放，而通常径流量变化范围都比较大，且是随机的，为了达到理想的处理效果，德国还研究、开发了径流控制设备。这种设备与贮水设施相结合，先将径流贮存在储水设施中，再通过径流控制设备使径流以恒定流量进入污水处理厂，以达到预期的处理效果。
　　4、雨水径流的利用
　　在德国，雨水径流主要用于构造城市水景观和人工水面、灌溉绿地、补给地下水、冲洗厕所和洗衣及改善生态环境等。考察期间，我们先后参观了大面积商业开发区利用雨水构造水景观、人工水面和回灌地下水的范例，居民小区利用起伏地形增加雨水入渗和单户家庭利用雨水冲洗厕所的范例，及利用道路雨水径流回灌地下水的范例。这些范例表明，德国雨水径流已被广泛用于不同的领域。
　　（二）不同开发区雨水利用技术
　　1、大面积商业开发区雨水利用技术
　　德国联邦和各州有关法律不但规定了受到污染的降水径流必须经处理达标排放，还规定新建或改建开发区必须考虑雨水利用系统，且规定考虑了雨水利用，可减免雨水排放费。因此，开发商在进行开发区规划、建设或改造时，均将雨水利用作为重要内容考虑，尤其在大面积商业开发区建设时，更是结合开发区水资源实际，因地制宜，将雨水利用作为提升开发区品位的组成部分。考察期间，考察团访问了3处成功的范例。
　　(1) 柏林坡斯坦广场(Potsdamer Platz)
　　坡斯坦广场是东西德统一后开发兴建的欧洲最大的商业区，总投资约为80亿德国马克，日本索尼、德国奔驰汽车等世界知名公司均在此建有中心或办公总部。由于柏林市地下水位埋深较浅，因此要求商业区建成后既不能增长地下水的补给量，也不能增加雨水排放量。为此，开发商对雨水利用采用了如下方案：对适宜建设绿地的屋顶全部建成绿色屋顶，利用绿地的滞蓄作用滞蓄雨水，一方面延缓径流的产生，起到防洪作用，另一方面增加雨水的蒸发，起到增加空气湿度、改善生态环境的作用；对不宜建设绿地的屋顶，将屋顶雨水通过雨漏管经除去前期径流和过滤后引入地面蓄水池，构造水景观。水景观与位于楼寓地下室的泵站相连，形成循环流动水流。泵站前设水质自动监测系统，若水流水质不能满足要求时，要先进入处理系统，处理达标后再循环系统；若水流水质满足要求，则直接进入循环系统。水景观由3部分组成，一是涌泉状的水循环系统出口，若隐若现于水生植物之中；二是两个面积为1.3万平方米的地面蓄水池，池内水面有鸳鸯戏水，水中有金鱼游动，路径此处的游人无不留恋顿足；阶梯状瀑布上游与蓄水池相连，下游与泵站相连，形成循环系统。
　　(2) 慕尼黑国际展览中心
　　慕尼黑国际展览中心也是近年来德国投资较大的又一建筑工程，总投资约2.3亿德国马克，是在原慕尼黑机场搬迁后而改建的。由于展览中心是人员流动频繁之地，因此，这里雨水利用的总体思路是先用于构造水景观，多余雨水用于回灌地下水。为此，设计将展览大厅屋顶的雨水收集至总库容为2500立方米的地下蓄水池，经泵站输送至水面近2.5万平方米的人工湖内。湖内设高大喷泉，湖周围种植水生植物，水鸟在湖面飞翔，与高大的展览厅群交相辉映，更显现出展览中心的气派与辉煌。蓄水池的设计标准为5年一遇。标准内降水可满足景观用水要求，超标准降水将溢流至地面入渗系统，入渗回灌地下水。
　　(3) 慕尼黑新机场
　　慕尼黑新机场占地面积约20平方公里，于1992年由现国际展览中心处搬迁至此。由于机场建设前为农田，地下水位埋藏较浅，因此，要求机场建设不能破坏原水量及水质平衡系统。为此，机场范围内屋顶的雨水收集后通过管道排入下游排水系统，跑道、停车场及机动车道上的雨水收集后进入雨水处理系统处理后排入排水系统。为不截断上游来水的通道，在各机场建筑物基础之下修建了排水管道系统，保证了上游地下水流可顺利穿越机场建筑物。同时跑道与滑行道间修建地下渗水系统，以保证降水的快速入渗。
　　2、居民小区雨水利用技术
　　德国不但在大面积商业开发区具有成熟的雨水利用技术，在成规模的居民小区建设中也体现了雨水利用的观念。在德期间，考察团访问了3处居民小区的雨水利用技术。
　　(1) 柏林市居民小区
　　这是一私人开发商开发的小区，约有居民1万人。设计雨水利用的标准为5年一遇短历时暴雨。其雨水利用的理念为：屋顶的雨水首先通过雨漏管进入楼寓周围绿地，经过天然土壤渗入地下，若雨水大于土壤的入渗能力，则进入小区的入渗沟或洼地；道路及停车场的雨水径流直接进入小区的入渗沟或洼地。入渗沟或洼地根据绿地的耐淹水平设计，标准内降水径流可全部入渗，遇超标准降水，则通过溢流系统排入市政污水管道。该小区已建成3年，观测表明，3年来无径流流失，系统可拦蓄超5年一遇短历时暴雨。
　　(2) 汉诺威Kronsberg居住小区
　　Kronsberg居住小区是为2000年汉诺世界威博览会而开发的居民小区，总面积150公顷。博览会期间用于接待参会人员，会后销售给当地居民。该小区是采用全新概念建设的绿色环保小区：能源方面，全部采用太阳能和风能，无外来电力供应；供水方面，首先利用雨水满足灌溉和环境用水需求，不足时采用自来水补充；建筑材料全部采用新型保温隔热环保材料。同时采用节能、节水技术，最大限度节约能源和用水。雨水的利用除采用绿地、入渗沟、洼地等方式外，透水型人行道也被广泛应用，同时，还经过特殊设计，利用贮蓄径流的地下蓄水池与径流进入蓄水池的撞击声模拟海浪的声音，增添了小区的气息。观测证明，小区建成后，径流系数几乎没有增加。
　　(3) 曼海姆Wallstadt小区
　　Wallstadt小区位于曼海姆市的东部，总面积19公顷，是一借助雨水利用工程保持和改善生态环境的新建小区。曼海姆地区主要风向为由西向东，为使小区建成后不隔断对曼海姆市中心的通风通道，规划在小区中部构造了两条贯穿东西的明渠。这里所有雨水均通过一定造型的地面宽浅式明沟进入明渠。明渠模仿天然河流修建，局部地段兴建涌泉或造型建筑物，渠边种植水生植物，形成水景观。明渠底部采用防渗处理，以保持稳定的水面，若水量过大，会溢过防渗层渗入地下水。
　　3、单户家庭雨水利用技术
　　德国是世界上发达国家之一，人民生活水平较高，住房多为独门独户的单户家庭。其雨水利用技术也非常成熟。一般模式是将屋顶雨水通过雨漏管收集，通过分散或集中过滤除去径流中颗粒物质，然后将水引入蓄水池贮蓄，再通过水泵输送至用水单元。一般用于冲洗厕所或灌溉绿地等。考察团参观一处单户家庭雨水利用系统，雨水不仅用于冲洗厕所，还用于洗涤衣物。
　　4、道路雨水利用技术
　　德国监测认为，机动车道的降水径流含有较高浓度的污染物质，必须经过处理后方可排放，为此，德国沿机动车道均设有径流收集系统，城区所收集径流直接送至污水处理厂处理，高速公路所收集径流要进入沿路修建的处理系统处理后排放。一般采用沉淀后经氧化沟处理，再渗入地下的方式。
　　（三）、雨水利用的法规支持和管理要求
　　由于已具有完善的雨水利用技术，德国通过各种市场管理手段鼓励用户推广采用。例如，若用户实施了雨水利用技术，国家将不再对用户征收雨水排放费，而雨水排放费与污水排放费用一样高，通常为自来水费的1.5倍左右。因德国多年平均降水量达800mm，因此，对多为独门独户的德国家庭可节省一笔可观的费用。
　　从法规方面而言，德国有严格的法律规定，要求新建或改建开发区，开发后的径流量不得高于开发前的径流量，迫使开发商必须采用雨水利用措施。

二、中水及污水处理技术

　　在德国，不仅重视雨水的收集利用，对污水的处理及中水的利用也给予高度重视。
　　1、中水利用技术
　　由于供水价格昂贵，并虑及水源的可靠性，德国也将中水作为重要的水源之一。目前德国主要对来自浴室和洗手池的中水进行处理利用，处理方法主要有两种，一是生物膜法，再是利用植物及土地处理法。在德期间，考察团访问了一处利用生物膜法进行中水处理利用的宾馆。该宾馆共有300个床位，使用率为70%。中水利用系统总投资为30万马克，已运行6年，年处理中水2300立方米，主要用于冲洗厕所和灌溉绿地。根据运行情况，预计7年可收回全部投资。
　　2、污水处理技术
　　为了维持良好的环境，德国法律规定任何受到污染的水体，必须经过处理后方可排放。因此，德国的污水处理技术也具有国际先进水平。考察团重点考察了柏林的一处污水场。该污水处理厂占地120公顷，有员工95人，设计污水处理能力每天23万立方米，现实际处理能力每天16万立方米。污水的构成15%为工业污水，85%为生活污水。需要指出的是，德国对污水排放的费用要高于供水费用，以柏林为例，每立方米的供水费用为3.45马克，而每立方米的排水费用为4.85马克，因此，污水处理是具有商业利润。还应指出，处理后的污水排入河道也应向河道管理部门交纳排水费。根据该污水处理厂统计结果，每排放1立方米水须交费0.076马克。

三、德国水综合管理技术

　　水综合管理方面，考察团重点考察了柏林水务局和巴伐利亚水务局。从两个水务局的情况可知，目前，德国均实行水资源统一管理制度，即由水务局统一管理与水事有关的全部事物，包括雨水、地表水、地下水、供水和污水处理等水循环的各个环节，并以市场经济的模式运作，接受社会的监督。这既保证了水务管理者对水资源的统一调配，并谨慎地管理好水循环的每个环节，又促使用户者合理、有效地使用好每一滴水，使水资源和水务管理始终处在良性发展之中。在此，以在柏林水务局了解到的两个事例予以说明。
　　首先，以东西柏林管网渗漏损失变化说明管理体制不同导致的不同结果。1948年东西柏林分制时管网的渗漏损失是相同的。之后，西柏林实行的市场经济，管网的维护由水务局统一管理，到1965年，管网水损失率约为6%，到目前也仅为8%左右；而东柏林则按计划经济管理模式运行，到1965年管网水损失率约为13%，东西柏林合时管网水损失率已达28%左右。
　　再是东西柏林合并前，东柏林实行的是低水价政策，因此，地下水超采严重，地下水位下降，出现水资源紧缺现象。东西柏林合并后，水资源由柏林水务局接管，实行的是市场水价，较原东柏林水价上升很多，达到每1立方米水8.3马克。过高的水价迫使居民节约用水，现原东柏林地区的供水由合并前的180升/人.日，下降为140升/人.日左右。

四、体会与建议

　　德国是一个水资源较为充沛的国家，多年平均降水量为800mm，且年内和年际间分配均匀，不存在缺水的问题，但却能大规模地推广雨水利用技术。究其原因，一方面是通过经济手段，征收高额雨水排放费用，使用户从经济的方面考虑采取雨水利用措施；另一方面是应用法规的形式规定了对新建或改建开发区，必须采取雨水利用措施方能进行项目立项。这既有利于环境改善，又可减轻雨水径流对污水处理厂的压力。同时德国雨水利用技术工程的设计，不仅考虑了资源利用方面的因素，还将资源利用与城市景观和环境改善融为一体，因此，使雨水利用技术更具生命力。
　　目前，《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》已得到国务院正式批复，并将规划实施期由10年缩短为5年；2008年奥运会申办成功，也要求将雨洪利用体现于奥运场馆建设之中。另外，现有城市水系经综合整治后行洪能力已基本定型，扩容空间有限，亦要求城区雨洪径流不能无限制地增加。因此，雨洪利用正面临着良好的机遇与挑战，雨洪利用技术的研究与推广任务紧迫而繁重。为了借此难得的机遇将雨洪利用技术推广到全市乃至全国，特提出如下建议：
　　1、明确雨洪利用要以“保证开发建设项目建成前后降水径流系数不能增加，以减少地表径流量，减轻城市排水和河道行洪压力；增加可用水资源，以缓解水资源供需矛盾；实现资源与环境相协调，并持续发展”为目标，将雨水留在地面、留在地下。建立雨洪利用相关产业；
　　2、《北京市开发建设项目雨洪利用工程暂行规定》已完成讨论稿起草工作，建议尽快组织修改完善，并结合防洪法的贯彻实施，促成早日颁布实施，。
　　3、《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》实施方案已经确定，建议按照雨洪利用技术成熟一项推广一项的原则，加快政府资助力度，将具有明显效果的技术，如环保型透水砖，尽快推广应用。可优先在新建商品房小区和高级别墅区应用。同时，结合防洪法实施条例的制定，出台政策，对实施雨洪利用的建设项目给予投资补贴或减免防洪费的支持与鼓励。
　　4、奥运申办书中明确指出，奥运“村内将设有先进的中水处理、雨水收集系统”。现奥运已申办成功，要借助奥运场馆的建设，将雨洪利用纳入其中，展示城市雨水排放新概念，实现办成绿色奥运的承诺。
　　5、以学校或高新技术开发区为突破口加快雨洪利用技术应用。对学校现有雨水排放方式进行雨洪利用技术改造，利用学校教学基地的优势向新一代进行珍惜水资源的宣传教育，使新一代从小树立节水意识；利用高新技术开发区易于接受新技术的特点，在高新技术开发区优先推广雨洪利用技术，并利用其技术密集的特点，鼓励高新技术企业从事雨洪利用技术开发研究，使这一寓资源利用于灾害防范之中技术早日造福社会。
　　6、水资源统一管理是实施雨水利用技术的基础，只有将地表水、地下水、污水和雨水统一管理，优化调度，才能保障各种水资源形成良性循环，使水环境始终维持在良性状态。