摘 要

在城市化发展进程中，水资源面临短缺问题。雨水是一种较为直接的对水资源进行补充的形式，是一种可持续利用的资源，而雨水经常得不到较好的收集和利用，或者是任由它流失，或者是受到污染。

本课题采用淤泥、高岭土等为主要原料，秸秆等生物质原料为造孔剂，废弃玻璃粉等作为性能增强剂，以高温烧结工艺制备高性能蓄水材料，并使用XRD和光学显微镜等对蓄水材料进行评价，结果表明：在高岭土制作蓄水材料的过程中，以碳粉代替部分秸秆作为造孔剂，能有效减少高岭土的掺量。高岭土最合适的制作条件是高岭土：秸秆：碳粉=7:1.5:1.5，掺入2.5%的玻璃粉和0.5%的九水硅酸钠，在1220℃下，保温20min进行烧结，能得到强度和吸水率都较为合适的材料。在使用淤泥制备蓄水材料时，原料中废弃物利用率为100%，蓄水率最高可达到120%，力学强度可达到0.86MPa。

关键词：资源短缺 雨水利用 环境保护 蓄水

Abstract

In the process of urbanization, there is a shortage of water resources. Rainwater is a relatively direct form of supplementing water resources. It is a sustainable resource, and rainwater is often not properly collected or used because of being lost or polluted.

This project uses silt, kaolin and so on as the main raw material,traw and other biomass materials as pore-forming agent, waste glass powder as performance enhancer, high-temperature sintering process to prepare high-performance water storage materials, and use XRD and optical microscopes to evaluate the water storage materials.The results shows in the process of making water storage materials for kaolin, using carbon powder as a pore-forming agent instead of some straw can effectively reduce the amount of kaolin. The most suitable production conditions for kaolin are kaolin: straw: carbon powder = 7:1.5:1.5, 2.5% glass frit and 0.5% sodium silicate hexahydrate are mixed and sintered at 1220°C for 20 minutes to obtain materials which have more suitable strength and water absorption. When silt is used for the preparation of water storage materials, the waste utilization rate in the raw materials is 100%, the maximum water storage rate can reach 120%, and the mechanical strength can reach 0.86 MPa.

Key words：Resource shortage；Rainwater utilization；Environmental protection；Water storage

目录

第1章 绪论 1

1.1水资源可持续发展与城市雨水利用 1

1.1.1我国水资源现状 1

1.1.2水资源的开发途径 1

1.1.3城市雨水利用是实现水资源可持续发展的重要途径 2

1.2城市雨水利用研究 3

1.2.1城市雨水利用概念及内涵 3

1.2.2城市化的发展及影响 4

1.2.3城市化对降雨的影响 4

1.2.4城市化与城市雨水利用关系 5

1.3城市雨水利用技术 6

1.3.1雨水蓄积利用系统 6

1.3.2雨水渗透 7

1.3.3雨水综合利用 7

1.4雨水利用水质控制系统 8

1.4.1雨水水质源头控制 8

1.4.2雨水降落后水质的控制 8

1.5海绵城市建设中存在的技术问题 9

1.5.1雨水处理路径未具体规划 9

1.5.2 现有的技术有待完善 9

1.6本文展开的背景及研究的主要内容 9

1.6.1本课题的研究背景 9

1.6.2本课题的研究内容 11

1.6.3研究目的 11

1.7小结 12

1.7.1实验创新点 12

1.7.2工艺流程 12

第2章 原料及实验仪器 13

2.1原材料 13

2.1.1高岭土 13

2.1.2淤泥 13

2.1.3秸秆 14

2.1.4添加剂 15

2.2实验仪器 15

2.3测试方法 16

2.4配方选择 16

第3章 结果与分析 18

3.1高岭土制备蓄水材料 18

3.1.1烧结温度 18

3.1.2保温时间 20

3.1.3添加剂 21

3.1.4综合实验 27

3.1.5本章小结 29

3.2淤泥 30

3.2.1保温时间 30

3.2.2烧结温度 33

3.2.3添加剂 36

3.2.4综合实验 40

3.2.5本章小结 41

第4章结论与展望 42

4.1结论 42

4.2展望 42

参考文献 43

致谢…………………………………………………………………………………………………………………………………44

第1章 绪论

1.1水资源可持续发展与城市雨水利用

1.1.1我国水资源现状

由于人口基数大，我们国家是一个比较干旱缺水的国家。我国的淡水量只是占全球总量的6%，但人口数却是占了全球的约19%，导致人均水资源较低，属于全球人均水资源最匮乏的国家之一。而且更为重要的是，中国有色世界上用水量最多的国家，所以水资源对我们国家尤为重要。

目前全世界的淡水占其水资源总量也很小，而且有大部分的淡水都是被冰封在南北两极，再加上一些高山上永冻的雪，本就少有的淡水资源更加无法被利用到。我们真正可以利用的只有那些储存在江河湖泊中的淡水资源，而现在大多湖泊都还受到污染，使得淡水资源的使用形势越发严峻^[1]。

1.1.2水资源的开发途径

现在全世界有50％的人口集中居住在仅占大陆面积5％的城市范围之内，势必要造成资源、能源、交通、住房和排污等全面紧张。尤其是水资源，水资源是我们生产生活所不可少的^[2]。近年来我国各大城市都在通过兴建和运用各种供水、排水和水处理工程措施以及制定和实施一些管理法规，来处理上述水资源的供需矛盾，从而提高城市的居民生活质量。长期以来，人们把水作为取之不尽，用之不竭的再生性资源，在处理有关城市水源时，往往强调当前和局部的利益，较少考虑城市长远的对周围环境的影响。在国内外，城市给水排水的指导思想上都存在一定的片面性，用水时大手大脚，采取“随用随弃”，而在排水时则采取尽快排出了事。随着城市规模和需水排水量迅速增长，上述指导思想已不再适用。经过多年的实践，现已逐渐形成一套以系统理论为基础的分析途径，把城市水文过程作为一个系统工程，将充分开发利用当地水资源的效益，同时最大限度地减少洪涝、供水不足和水质污染的损失，作为研究分析的目标，协调各地区、各部门、当前与长远、投资与效益等方面的利害关系，寻求最优的解决方案。

就一个地区范围而言,开源节流措施有：

（1）合理开发利用地下水；

（2）扩大及完善地面径流的调蓄系统,减少蒸发、径流损失和沿途渗漏损耗,提高水资源利用效益；

（3）防治水污染,保护水源,提高水资源的可利用程度；

（4）利用海水以及水的再利用；

（5）跨流域或地区调水；

（6）节约用水。

以上6种措施主要是扩大可利用资源以及水的利用与再利用，在如此情形在，对地下水进行有效利用意义重大^[3]。

1.1.3城市雨水利用是实现水资源可持续发展的重要途径

城市雨水利用具有狭义和广义的意义。城市雨水的狭义使用主要是指直接利用城市水面产生的径流进行收集、储存和净化。常见的学校、广场、建筑屋顶、社区、道路等收集某些地区的雨水，并将其转回绿色灌溉或洗车和冲水。这种利用技术相对容易掌握，在城市雨水利用研究的初期阶段被广泛应用。它对改善区域环境和缓解城市水资源压力具有一定的作用。广义上的城市雨水的使用是指在城市范围内采用各种措施保护和利用雨水资源，包括净化后直接使用收集，储存和再利用;它还包括使用各种人造或天然水体。雨水渗透用于补充在池塘，湿地或洼地中间接使用地下水资源;它还包括再利用与渗透的结合，以及防洪，污染控制和生态环境改善的结合使用^[4]。

主要利用方式有：

（1）使用大面积收集

城市的建筑屋顶、住宅庭院、大型广场和城市的不透水地面都可以大量收集雨水，并且是良好的雨水收集表面。由降雨引起的地表径流，只要建设一些简单的雨水集蓄工程，城市雨水就可以转化为水资源用于绿地灌溉、城市清理、维护城市水景观。由于雨水污染不严重，可以简单处理，用于家庭洗水，工业用水等。如果在游泳池的基础上建造美丽的音乐喷泉，喷泉水与绿水之间的矛盾可以解决了^[5]。

（2）使用渗透设施收集雨水

在城市雨水利用中的关键点就是要加强雨水的渗透。雨水渗透设施主要包括渗透井、渗透路面、渗透管、渗透池和渗透沟。对于必须改造和新建的下水道工程，应采用一次性渗透设施来节省投资。从20世纪80年代开始，日本开始研究雨水渗透技术，现在已经从实验阶段转向推广实施阶段^[6]。

到1996年初，仅在东京就有33,450口渗漏井。日本的研究和应用表明，地下水设施的渗透和风暴径流的抑制是非常重要的。经过10多年的运作，抑制效果并未下降。东京和横滨也持续观察雨水渗入地下的地下水，发现地下水含有污染物。中国各大城市要有超前的意识，加快城市雨水渗透技术的应用^[7]。

（3）现场使用收集的雨水和降雨

蓄水池是积聚雨水的重要设施。蓄水池的面积应根据当地雨水收集区，降雨量和用水量进行设计和建造。对于雨水的利用，德国的雨水屋顶花园利用系统是减少城市雨水流量的重要途径之一。该系统覆盖屋顶上的土壤，种植植物，支持防水和排水措施，并可将屋面系统的径流系数降至0.3，有效减少雨水量，美化环境，净化城市空气，减少城市的热岛效应。逐步改善城市环境。

（4）转向城市雨水和污水

建立一个单独的城市雨水系统。 目前，中国的许多城市采用联合排水系统。 这种排水系统有两个缺点：一是将雨水和污水排入排水系统，排入同一河道和海域。 这些渠道无法获得干净水的补充。不断的有污水排放，原有的淡水会变脏和变臭。其次，雨水质量好于污水，联合排水系统与污水一起排放，使得清水更加浪费或流失。

1.2城市雨水利用研究

1.2.1城市雨水利用概念及内涵

其概念具有以下几个方面：

（1）强调合理的规划和设计,而不可盲目地进行；

（2）强调通过工程设施对大气降水加以充分利用；

（3）强调通过人工方式将雨水资源向其它形态水资源的转化与调蓄；

（4）在区域上,城市雨水资源化最重要的地区是那些缺乏地表水和地下水的城市,例如缺乏淡水的沿海城市；

（5）强调以最大、最优利用雨水资源为主,同时兼顾雨洪的控制；

（6）降雨较多的地区,非常适合展开城市雨水资源化。

由于降雨量大,对于蓄水工程设施的容积、储存时间要求不高,这样的工程设施容易建成,并且投资少,而对于少雨地区,更应该进行城市雨水利用,对来之不易的汛期雨水尽可能多地进行续集,以补充可用水源^[8]。

1.2.2城市化的发展及影响

城市化指的是人们都往城市区域迁移，导致城市面积的增大过程。城市化是社会进步的表现，是必然的趋势，然而发展总是和工业化紧密相关。近年来我国各大中城市都在通过兴建和运用各种供水、排水和水处理工程措施以及制定和实施一些管理法规，来处理上述水资源的供需矛盾，从而提高城市的居民生活质量。

1.2.3城市化对降雨的影响

城市化对降水量的影响，是城市水文学中的一个重要课题。目前国外不少学者在城乡降水观测资料的基础上，从各自不同的角度作过大量对比分析研究，我国仅有北京、上海、天津等大城市进行这方面分析，目前，我省水文部门正在积极筹备设立城市水文站。太原、运城、大同等水文部门，早已提出初步规划和研究方向，由于经费原因，一直没有实施。

城市化影响降水过程的物理机制有以下几种：

（1）城市热岛效应

城市空气中的二氧化碳等气体和颗粒物含量远高于农村地区，这将不可避免地削弱空气的透明度，减少日照时数，降低太阳辐射的强度。然而，城市空气中的二氧化碳烟雾在夜间阻挡并吸收长波辐射，城市特殊的下表面具有高导热性，如高层建筑、砌体、水泥和铺设道路。由于其反射率低，因此可以吸收更多的太阳辐射能量并且具有大量的人造热源。结果，这个城市的温度显着高于附近郊区的温度。这种温度异常称为城市热岛效应。由于热岛效应的存在，城市空气层化非常不稳定，有利于热对流的产生。当城市中的水充足时，可能形成对流云和对流降水。在这方面国外有很多观察^[9]。

（2）城市阻碍效应

因城市有高低不一的建筑物，其粗糙度比附近郊区平原大。这不仅能引起湍流，而且对稳定滞缓的降水系统如静水锋、静止切变、缓进冷锋等，都有阻碍效应。使其移动速度减慢，在城市滞留的时间加 长，因而导致城区的降水强度增大，降水时间的延长。

（3）城市凝结核效应

城市空气中的凝结核比郊区多，这是众所周知的，这些凝结核对降水的形成起什么作用，是一个有争议的问题，从冷云、降水的机制来讲，云中有大量的过冷却水滴，如果缺乏凝结、不易形成降水。但在暖云中降水的形成，主要依靠大小云滴的碰撞作用，使云滴逐渐增大，这些微小凝结核善于吸收水汽形成大小均匀的云滴，这时凝结核反而不利于降水的形成。城市化影响降水的机制，以城市热岛和城市阻碍效应最为重要。至于城市空气中丰富的凝结核对降水的影响，一般认为有促进降水增多作用，城市降水量增多，很可能是这三者共同作用的结果。必须指出，由于引起城市降水量变化除有城市化因素外， 还有地形和区城气候的变化因素。因此，在对资料分析研究时，必须滤去区域气候、地形等的变化这些因素的影响。

如上所述，根据国内外现有资料分析，城市地区降水量比其它地区将会有所增加，一般平均为10％左右。应当看到，随着烟尘治理，绿地面积扩大，城市化对降水量的增加将会有所减少。

1.2.4城市化与城市雨水利用关系

城市完全是人类社会的产物，也是生态系统中最薄弱的部分、生物多样性最为匮乏的部分。同时，由于人口和资产密集程度高，城市也是水资源问题最集中，水资源管理最复杂的地区。

城市化对市区的水资源将产生很大的影响：

（1）城市化将使水循环的下垫面发生变化。城市化的特征之一是楼房、道路、广场等大量人工建筑使透水地面减少，不透水地面增加，截断了雨水通过地表下渗土壤的途长，从而导致地表径流产流系数加大；

（2）随着城市的扩大和居民生活质量的提高，城市用水量不断增加，对现有水资源造成巨大的压力，发生缺水的机会增多；

（3）工业污水、生活污水、固体废弃物增多，对城区河流等地表水产生污染，使原本紧张的水资源供给更加紧张，使水环境恶化；

（4）城市自然景观贫乏，随着人们生态环境意识的提高，人们对水边自然景观及生态系统的恢复有较高的期望。恢复“碧水蓝天”的生态环境，必然要从城市水资源中流出部分水量用于生态环境建设。因此，如何有效利用城市水资源，缓解水资源紧张局面就成为水利工作者亟待解决的课题。

城市化发展一方面带来城市水资源短缺,水环境恶化等一系列负面影响另一方面促进经济、科技的迅速发展。而城市雨水利用在城市化发展基础上,可以解决城市水资源不足,同时改善城市的生态环境。所以城市化与城市雨水利用关系相辅相成,相互依存。

1.3城市雨水利用技术

1.3.1雨水蓄积利用系统

（1）生物滞留系统

生物滞留系统与缓冲区类似，但是它是由植物和土壤形成的过滤和保留系统，可以储存雨水然后进行利用。

生物保留系统由地表雨水保留层、植被覆土层、植被和植被土层、砂滤层和雨水收集层组成。

地表雨水保留层：系统表面的空间必须低于周围地表的高程，以收集径流雨水，并在径流大时临时存储雨水。

种植土壤覆盖层：覆盖种植土壤表面的树叶和树皮，防止直接冲刷地表土壤造成雨水径流，减少土壤流失。它还可以保持植物的根部潮湿，为有机体生长和分解有机物以及过滤污染物提供媒介^[10]。

植被和人工土壤层：该层结构用于过滤径流雨水。种植土层可以由50％的砂土和50％的粒径约2.5mm的矿渣组成。植物的选择应注意选择当地常见的花草树木，品种最好保持在三种以上。

砂滤层：在砂滤层与种植土层之间加入200g / m2的土工布，防止土层侵入砂滤池，堵塞渗水管。渗透管的渗透率不小于2％的砂滤层使用大豆大小的过滤材料。

（2）路面雨水收集系统

路面雨水收集系统可以利用水管、水渠甚至地形对雨水进行收集，但是由于地表的污染等因素，导致收集的水资源受到污染，不易于直接利用。

雨水管设计施工经验成熟，但接入雨水利用系统时，由于雨水管埋深影响，靠重力流汇集至贮水池会使贮水池的深度加大，增加造价。雨水暗渠或明渠埋深较浅，有利于提高系统的高程和降低造价，便于清理和与外管系的衔接，但有时受地面坡度等条件的制约。

在道路两侧使用低绿地或带植被的天然浅水渠是一种非常有效的道路雨水收集和拦截系统。雨水浅沟渠自然会流经某些斜坡和路段，地表植被会拦截一些微粒物质，小雨或早期的雨水会部分渗透，使得收集的雨水径流质量得到改善^[11]。 但由于地面坡度的原因，还涉及景观和道路的关系; 浅沟的宽度和深度往往受到外观，场地等条件的制约，导流面积有限，可收集的雨水量也有限，会相应减少。 因此，根据对该地区各种情况和当地情况的综合分析，有时可能将这些方法结合起来。

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