雨水资源再利用

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国立台湾海洋大学河海工程学系副教授 台湾雨水利用协会理事长 廖朝轩 一,为何利用雨水 地球的表面3/4是海洋,海水约占96%以上,可利用的淡水仅占约2.5%,而其中约1.7%贮在南北极及冰川,而可利用的地下水约占0.76%,湖泊约占0.1%,河川水约为0.0002%;而台湾年平均降雨量为2515mm,为全球年平均降雨之2.7倍,丰水期(5月-10月)降雨量占全年78%,降雨丰枯不均;河川坡陡流急,80%之河川迳流量入海,取用水量低,真正可用之水量大约只有20%,且人口稠密,台湾每人每年的可用水量与世界平均值相较只约为1/6而已,属缺水地区.图1为世界各国年平均降雨量及每人每年分配水量分布图,台湾之降雨量与热带国家之菲律宾,印尼相差不多,但每人每年分配水量仅分别约为其1/3及1/7;而中东水资源缺乏国家沙乌地阿拉伯,其年降雨量约为世界平均值的1/10,台湾的1/25,但每人每年分配水量约为台湾的4倍,故台湾实为一缺水的地区. 图1 世界各国年平均降雨量及每人每年分配水量分布图 在降雨分配不均下,必须依靠种种的截留及贮留技术贮蓄雨水,在传统的水资源工程(水坝或需钻井至很深的地层取水)已对日渐庞大的水资源需求不胜负荷,且优良的坝址已不易寻觅,而地面水资源和地下水已开发殆尽,如何将80% — 直接奔流入海的雨水取之利用,即「雨水资源再利用」实为当务之急. 二,都市化与水环境 台闽地区至2000年底,总人口数为2,227万6,672人,其中有1,736万9,407人是居住在现有446处都市计画区,46万2,348公顷土地内;台湾地区都市面积占台湾地区土地面积之12.4%,都市人口占台湾地区总人口之77.9%,即台湾地区每百人当中,有78人居住在都市计画区内,且居住在仅占12%的土地内;这代表过多人口之集中,在都市化影响下可能造成更大范围的水资源损耗.都市化造成之水环境问题如图2所示. 资料来源:廖朝轩,1999. 图2 都市化面临水环境影响及解决对策 都市化对水环境之变化的主要因素可归纳为: (一) 市区街道扩大化 地表不透水区域包括屋顶,街道,人行道,停车场等;在高度开发或都市化地区,地表迳流之增加量与不透水铺面之多寡存在著比例的关系,不透水区域之增加将会减少雨水入渗至土壤之机会,结果不但减少地下水补注,同时造成洪峰流量,迳流体积增加量及河川基流量减少,因此一地区经都市化後,破坏了原有迳流,蒸发与入渗三者之关系,而造成水文循环之改变,进而使都市水环境之变化. (二) 生活水准及人口密度高度化 生活水准的提升及人口密度高度化造成经济活动的频繁,引致需求量的增加,生活,工业废水亦随之增加;水需求量的增加及地下水涵养量减少造成都市承受乾旱能力减弱,且欲排除经济活动产生之生活,工业废水,往往需兴建都市排水与污水系统,在现行集中末端处理的概念下,排水管道会大量收集都巿地区地表迳流,使迳流直接,迅速地排放至河川或集水区下游地区,缩短洪峰稽延时间,且会促进都巿污染物之汇集与运送,造成河川,地下水水质恶化,环境生态系统也会因此改变;都市化的结果使得开发前之异常水文现象变为开发後之正常现象,发生的频率明显增加,造成邻近河川或排水路之都市地区的洪涝问题. (三) 土地利用密集化 土地利用密集化造成原有水面,绿地减少,导致都市区域之地表面含水量减少;而生活水准的提升及人口密度高度化造成都市民众普遍使用空调设备,交通运输设施及相关电器用品,使得人造热源多且集中,都市热源的累积使都市区域之气温往往比邻近区域来得高,都市气候为之改变. 综上所述,由於市区街道扩大化,生活水准提高,人口密度高度化及土地利用密集化,各因素相互影响的结果造成都市区域整体的水土保持机能降低,地区排水管网的设置加速了地表迳流的集中,导致集流时间的减少及流速的增加,除了导致区域性淹水灾害发生的频率增加外,亦减少了地下含水层的补注及使下游河道冲刷加剧,而污染物也随著迳流直接排入下游,对於都市水环境为害甚剧. 台湾近年来经济快速发展造成都市化,大多数对迳流的处理观念皆以遮蔽雨水(不透水铺面)和尽早由建筑物排出的方式处理,即集中末端处理的排水概念,由於这样的迳流处理观念使得现有都市区域缺乏保水机能,因而易於发生都市型水患,都市热岛效应或水资源不足及水污染等问题,因此我们应该重新思考都市发展与水循环的关系. 三,雨水资源再利用概述 都市化造成的水环境变化,大部分可透过雨水的入渗及滞蓄获得改善,雨水有效利用是一种分散水资源经营的概念,以小系统聚砂成塔般地发挥整体的功效,因都市化而破坏的土地与树林的保水,贮水机能及生态机制的改变,可藉由雨水利用使因开发而受损之自然水文循环回复到近乎原来状况. 雨水资源再利用是一种能够收集且保存,利用雨水的技术;人们使用简单的方法,利用屋顶,地表面或砾石地面再以类似工程制作的贮水桶,罐容器来贮水,此种雨水收集方法已有超过4,000年的历史. 本世纪中期以来,有很多国家对雨水利用产生了兴趣进而投入发展与利用,雨水资源再利用的概念发展迅速,雨水利用范围也从单纯的供水发展为多目标的利用.在生活用水方面,雨水利用尤其适合不宜集中供水的地区,偏远山区及缺乏地表水和地下水的地区,例如缺乏淡水的海岛上,岩石裸露的山岗,远离集中供水系统的分散居住乡镇等,都需要雨水利用措施解决用水问题;雨水贮蓄适宜用於世界许多贫困人口大部分都聚居在缺水的山区,半山区,沙漠区,牧区,因此,在这些地区开展雨水利用工程,对解决当地的饮水问题和脱贫问题有非常重要的意义.在农业用水方面保水梯田与农塘等贮集灌溉设施的利用及水源涵养;在都市地区可用於防洪减涝,消防备用水源,环境绿化,景观植生,减少都市热效应及亲水游憩等多目标利用.综上所述,雨水资源再利用的效益可汇整如表1所示. 表1 雨水资源再利用之功能与效益 雨水利用效益 解决问题 利水 增加雨水拦蓄 水资源取用量低 替代水源开发 水资源开发不易 设置简易 偏远及缺水地区供水 治水 滞蓄洪(雨)水 调节洪峰,迳流体积 亲 水 提供景观及生态用水 保/活水 健全水循环 都市化效应 增加地下水补注 地下水超抽 雨水资源再利用具有利水,治水及保/活水等效益,以下就这三种效益分别介绍雨水资源再利用的方式. (一) 利水方面 在利水方面最常用的方式为利用屋顶收集雨水,然後将雨水贮存於贮水槽.在住宅区所建造屋顶平坦的住宅,屋顶本身就刚好成为雨水收集场所,且具有将所降的雨水通过集水沟管尽速排入下水道管渠等基本目的,因此可利用简单的设备,如导管,贮水槽等,将雨水收集贮存起来. 屋顶雨水贮集系统包括3个基本组成:收集系统,输送系统及贮蓄系统;本方式的特性为建敞率与贮留能力直接成比例,对经常为都市型洪水所苦恼的高密度街市来说,本方式不失为最具效用的方法;屋顶贮留调节在美国的都市都被评为最有效的贮留方式,实例很多,有些州政府还将该设施列入建筑规范内,赋予实施之义务. 在雨水的贮存方式上,除了以贮水槽(桶)贮存外,常用的方式尚有地面开挖雨水贮存及地下雨水贮存;地面开挖雨水贮存方式即是直接开挖地面或利用地面低洼处贮存雨水,农塘,滞洪池,滞留池及入渗池等即是最典型的例子;此类雨水贮存方式可将雨水贮存区的全部或一部份供其他用途使用,以增加土地的利用价值,例如将贮水池设计成多段形状,平时未贮水部份可供做景观或休闲设施之利用. 地下雨水贮存方式系将贮水槽设於地下,且可将地下部份构造设计成停车场等其他用途,此种贮存方式其单位贮存容量的建设费较高,适合於高密度之市街住宅.此种贮存方式因不易受外在环境的影响,所以水质佳,且不受地面建筑物间的限制,缺点为施工较复杂且单位贮存容量的造价较高,地下贮留一般以利用建筑物的地下空间为主. (二) 治水方面 在治水方面最常用的方式为雨水滞留池或滞洪池;雨水滞留池是结合现有或人工的池塘,洼地予以设置,因有池塘与洼地维持少量的水位,除有减洪功能外尚可维持水生生态系统的稳定性,若能有效的连续供应,维持稳定的入流与出流,对於河川基流量的确保与环境生态的稳定性将有所助益,开放的水域也能提供亲水及视觉美化的效果.滞洪池则是在下雨时贮存雨水与迳流,雨停後在慢慢排去,除有减洪功能外,同时土地也可具有双重功能:减洪及提供其他使用空间,如公园,高尔夫球场及停车场等,在平时为开放使用空间,下雨时则发挥调节迳流功能,充分显示此类型雨水滞蓄设施在空间的使用和治水功能是相容的. 事实上,地面本身也为一极佳之集水场所,如停车场,校园及公园等开放空间,停车场的地面也可利用来收集雨水,设计此种集水型态时,首要考虑的是对於行车安全之影响,必须避免汽车因雨水之集流而在行驶上遇到故障等问题,另外停车场需要有一定程度的斜率,此类型的雨水贮留池宜安排在停车场使用频率较低的地方,如果停车场全部设定为雨水集流场所时,应在稍高处设步行道,以利行人行走. 校园的运动场及公园的开放空间可利用来收集雨水,要留意的地方是雨停後能尽速排掉积水以回复空间之机能,避免对空间使用者发生影响,因此场地所铺的土质应选择细粒成分较少且容易排水者,同时须设置排水沟,设置时应注意使用者的安全与便利,此种雨水收集方式可和入渗设施结合使用. (三) 保/活水方面 前述的方式是将雨水滞留以达到降低尖峰迳流量及减少排放迳流体积为目的,然而从永续城乡水环境的观点上,除非将所贮留的水还原到大地,否则因都市化破坏的土地保水机能仍无法提升. 雨水可藉由人为的方式入渗地表以达保水及活水的目的,其方式可分为贮留入渗及直接入渗.贮留入渗方式最常用的为生态调节池,所谓生态调节池是将滞留池底部覆以土壤并种植污染物吸附性高之水生植物,因土壤与水生植物是最佳的天然水质过滤器,利用自然生态反应以沈降或稀释移除污染,使滞留池具有迳流调节与改善水质之双重功能. 直接入渗方式是将不透水区域,如道路,停车场等,覆以多孔性铺面使之具有自然排水功能;或在地面设碎石沟或碎石槽,导引地表迳流至碎石间之孔隙,其上部可作为绿地或运动场等空间利用,常用的方式有渗透侧沟,渗透排水管,渗透阴井等;这种雨水利用方式可与其他方法搭配,如将透水性铺装的路基利用为碎石孔隙滞蓄或将屋顶雨水贮集系统溢流之水导引至渗透沟等,则此系统同时具有利水及保/活水的功能.

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四,雨水资源再利用之实例 雨水资源之利用方式具有组合性高及因地制宜的特性,以下分别针对雨水资源利用於利水,治水及保/活水方面之应用案例进行介绍. (一) 利水方面之应用 1. 国立云林科技大学雨水贮集供水系统 国立云林科技大学将雨水贮集系统分别设置於学校中总面积高达19787平方公尺之田径场及十层楼高之电子环安馆屋顶两处,经由两试验场地贮留之雨水,供给系馆中之厕所冲洗,校园景观,消防及人工湖补充用水等,以节省学校用水量,达成水资源永续利用之目的. 2. 南湖国中屋顶雨水贮集供水系统 南湖国中位於苗栗县大湖乡义和村,该校於民国85年经由经济部水利司(现水利署)补助,规划设置屋顶雨水贮集供水系统,现在南湖国中利用该校之三层楼教学大楼屋顶做为雨水贮集之收集区,初步估算屋顶面积约1226.04平方公尺,每年可得约1992.0立方公尺水量,经贮集之雨水可提供校内之厕所冲洗,洗涤,浇灌及其它杂用水,可舒解当地缺水之现象. 3. 台北县三芝国民小学雨水贮集供水系统 台北县三芝国民小学目前学生总人数约1450人,每月自来水用水量约350吨,该校於一期新建校舍中,已经预留二种供水管路,分别为自来水与地下水系统,原有地下水系统已经不抽用,全校各种用水均依赖自来水供应;该校雨水贮留供水系统应用原有地下水供水系统,将集水面积453平方公尺所收集的雨水,加上自行涌入的地下水贮存於1287立方公尺的地下筏基贮水槽,完全替代全校师生每月约43.5吨的卫厕冲水使用量,收集之雨水并可提供作为学校庭院浇花使用. 4. 台北市立动物园雨水贮集供水系统 台北市立动物园雨水贮集供水系统所贮存的雨水可用於温带动物区内四间厕所用水,动物池补充水以及花木之浇灌用水,区内之厕所用水(洗手除外)已全部由雨水替代,替代率高达95%. 5. 花莲慈济医院及慈济技术学院雨水贮集供水系统 花莲慈济医院与慈济技术学院校舍之雨水收集面积分别为678 m2与1,200 m2,分别设置地下式及地面式贮水槽,每年替代之自来水供应量在1,200吨左右.慈济技术学院雨水贮集供水系统主要用水目标为替代花木喷灌及学校卫厕冲水使用,本系统由於收集面积大,位置近山区,降雨量每年平均在2,300mm以上,年自来水目标替代量在5,000吨以上. (二) 治水方面之应用 1. 丹佛市之雨水滞留系统 美国丹佛市的许多停车场就被设计成可贮数十公分高之雨水滞留池;丹佛市市中心的Skyline广场,广场平面设计的比路面还低,以便容纳10年频率的暴雨,并以每小时下降2.5cm的速度排入下水道中,广场高处设有人行步道,以便在广场低处淹水时可让行人自由来去.此外,丹佛市规定屋顶排水口必须装贮留设计的套圈,使屋顶积水至7.5cm时能缓慢的以每小时1.25cm的速度排出,使用结果指出科罗拉多丹佛市利用雨水贮集系统来减低都市排洪负荷量,成效十分良好. 2. 澳洲新南威尔斯省之现地雨水滞留池 在澳洲新南威尔斯省上毛葛河集水区,面积约110平方公里,涵盖四个行政区,人口约二十三万人,以及七万栋以上的建筑物.集水区除了南,北部剩馀一些宽阔地及森林地外,其他地区几乎已都市化;都市化造成的超额迳流,在短时间内汇集到排水道与溪流,导致排水系统无力负荷而往下氾滥,集水区内许多原来不曾有水患的地区也都陆续遭殃.故该地政府於集水区中设置约1000座的现地雨水滞留池,并建议地主如何维护及操作,有效的减轻了都市型水患的氾滥. 3. 公园加拿大渥太华市之雨水滞留措施 1980年代初期完成的Lebreton公园,位於加拿大渥太华市拉伯顿示范公寓社区内.公园设计的重点,特别设计贮水量76000公吨的雨水滞留地,可储存当地两年最大暴雨量,雨水由周围的住家屋顶及公园内引水贮存,并在集水区入口处设置46公分深水池,以减少周围污染物流入水池,此水池贮存水排放完毕,需二至三天时间排放到都市雨水道系统,以降低都市洪峰.贮水池在晴天时,提供作为各种活动及游戏用.而在雨水滞留地与邻近住家间,则设置多层次密林区,一方面可防止游客干扰住家,一方面保有生物栖息空间. (三) 保/活水方面之应用 本文在此以日本都会区之雨水入渗设施进行介绍;在日本雨水滞蓄措施是被广泛设置於都市地区,,其中东京地区设置数目即占全日本之77.5%,东京地区藉由於入渗措施的设置,其洪峰流量减少了40%. 91年上半年国内发生乾旱,台湾大学校园内的树木花草,依赖校内的醉月湖水度过缺水难关,从去年底开始,象徵台大的椰林大道也加入蓄水行列(民生报,2003),台大校园椰林大道停车位改用植草砖,椰林大道两侧完成透水化铺面改造,使其具透水性与雨水回收效益.下雨期间,雨水经由椰林大道两侧的透水铺面下渗到旧物理馆的地下层,就被收集起来,分送到椰林大道两侧的各大花圃作为植栽浇灌之用,落实雨水回收再利用的环保观念. 五,台湾雨水资源再利用面临之问题 雨水资源再利用是近几年才逐渐被重视的一种水资源利用方式,近年虽获得不少成效,但还有许多问题需要探索,研究和加以解决,归纳起来,主要有以下几点: (一) 偏重供水方面之雨水利用 目前雨水资源再利用在民生给水及农业灌溉方面发展较快,而在水文循环维持,防洪及水质维持方面尚未广泛开展;且雨水贮集系统包括雨水的收集输送,贮集,水质净化和高效率利用等方面.因此,要达到高效率使用的目的,必须对雨水的贮集,利用技术和管理技术进行综合研究,使之形成一个技术体系,并进行推广. (二) 极需一套统一的标准和规范 目前国内对雨水利用尚处於试验,示范阶段,有的地方已在小面积推广,有的地方还未开展,而且缺乏科学性的分析和指导,也影响了发展速度和工程质量.因此各地应根据当地情况,通过试验,示范和推广应用,订定地方标准,进而制订全国的标准,加速雨水贮集利用的发展. (三) 雨水贮集利用法制化程序之研拟 目前国内对雨水利用尚未有统一的设计标准及技术规范,而技术面的落实得先有法制化作业层面之实现;故宜参考相关法规,建立雨水贮集利用法制化程序,方能有利此技术之推展,以达永续水资源之保育与利用;尤其近年来地方制度法及行政程序法陆续颁订实施,对法制化及现行实务之推动影响深远,故探讨研拟雨水贮集利用法制化之程序,有其必要性及迫切性. 综上所述,对於台湾雨水资源再利用之推动策略与展望可归纳如下: (一) 视雨水资源再利用为替代水资源开发计划 (二) 增加雨水资源再利用的研究经费以发展综合,前瞻性研究 (三) 制订设计,维护管理技术规范 (四) 修改相关法规制订雨水贮集利用维护与管理办法 (五) 成果宣扬及技术推广与教育训练 六,结论 目前台湾地区与世界上其他国家一样,在缺乏优良坝址及环保意识高涨的限制下,面临无法兴建大型水库的窘境;而都市化的发展,亦造成都市区域整体保水机能降低.雨水资源再利用是一种崭新的概念,但却是一种简单,经济,实用而可以产生钜大环境和生态效益的技术,尤其适合像台湾这种降雨量丰沛且重视生态环境的缺水国家. 政府已明确揭示「水与绿建设」为一国家发展的重点计画,这计画正尝试揭橥国家发展典范与视野变动的讯息,也隐含了导正台湾社会价值方向的期待,而雨水资源再利用为「水与绿建设」的主要内涵之一,其具体的工作之一则为「推动校园绿建设」.雨水资源再利用利用的应用潜力很大,但目前还不够广泛和深入,其环境效益也没有充分完全发挥,但随著社会大众对雨水利用重要性认识的提高,雨水利用的应用范围将更加广泛,其环境效益也会更加显著;因此,本文乃以都市化与水环境为开端,探讨与水资源再利用的效益及方式,并汇整介绍雨水利用案例,祈能藉由本文抛砖引玉,增加全民对雨水资源的珍惜并落实雨水资源的有效利用. 参考文献 内政部建筑研究所,绿建筑解说与评估手册,2002. 台湾雨水利用协会,雨水贮集利用决策指南,2002. 民生报,「台大椰林大道整妆 融入透水工程概念」,2003/01/13. 行政院经济建设委员会,「挑战2008:国家发展重点计画全体研讨会/会议资料」,2002. 徐享昆,「二十一世纪台湾雨水利用之愿景」,东亚2000雨水利用研讨会,国立台湾海洋大学,2000. 黄金山,「台湾水资源发展策略-雨水贮集利用」,水资源管理学刊,4(2),2002. 廖朝轩,「迈向21世纪之雨水永续利用」,永续发展简讯,经济部水资源局,4,1999. 廖朝轩,蔡燿隆,「从健全都市水环境谈雨水滞蓄措施之应用」,水资源管理学刊,4(2),2002. 卢光辉,「雨水利用与水资源永续发展」,东亚2000雨水利用研讨会,国立台湾海洋大学,2000. 谢政道,「雨水贮集利用与绿建设」,雨水技术研讨会,国立台湾海洋大学,2002. Hwang, J.S., "Development and Promotion of Rainwater Catchment System in Taiwan," East Asia 2001 Regional symposium on Rainwater Utilization, Iloilo, Philippine, 2001. Liaw, C.H., H.K. Chen, K.C. Chang, Y.L Tsai, "Feasibility Analysis of Rainwater Catchment Systems in Taiwan," East Asia 2000 Regional Symposium on Rainwater Utilization, Taipei, ROC. 2000.

Charlie

“目前台湾地区与世界上其他国家一样,” 这话咋说的

ymwatcher

很有价值的资料，收藏了，谢谢楼主的分享，楼主加油。。。。