城镇水务系统碳减排路径|雨水系统

1.1 雨水系统

1.1.1碳减排路径分析

        雨水系统碳排放主要来自于规划建设阶段。在压力流系统以及低洼点位排水过程中，随着水泵使用也会造成一定碳排放。在雨水系统规划建设过程中，应优先使用绿色基础设施、绿色建材；在运行过程中，雨水排放量直接决定了雨水系统碳排放活动水平，应大力提倡源头减量措施、优先采用重力流系统、尽快实现雨污分流。雨水系统与城市生态系统相融，在雨水资源利用、雨水系统冷源利用、雨水系统空间利用、植物增汇等方面均具有较大潜力，有助于城镇系统整体的温室气体减排。

        在源头控制方面，减少雨水处理量是关键。优先利用自然排水系统和源头减量设施，减少雨水集中排放，实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和可持续水循环，可有效降低雨水系统碳排放量，同时实现内涝缓解、水环境改善等多重目标。在雨水系统规划建设中，优先使用绿色设施、绿色建材，可以大幅减少规划建设产生的碳排放量。

       在过程管理方面，优先重力流、实现雨污分流是关键。重力流可大幅度减少泵站相关碳排放量；雨污分流既有利于雨水资源后续利用，避免污水外排，也有利于污水系统碳减排。从碳排放角度看，雨水处理厂、深隧工程等以大型灰色设施为主，规划建设产生的碳排放量巨大；运行维护也不可避免地使用泵站设施，其碳排放量也不容小觑，应谨慎实施。

       在资源利用方面，雨水资源最大限度利用是关键。雨水是重要的非传统水源，雨水资源利用既可节约水资源，也可有效减少给水系统的碳排放量。同时，雨水系统与城镇生态系统相互融合，具有丰富的冷源和空间资源。协同雨水系统和建筑环境来减少制冷能耗、利用雨水系统空间发展光伏等可再生能源，也具有非常大的碳减排前景。

      在植物增汇方面，绿色设施是关键。在雨水系统中采用绿色设施，如绿色屋顶、雨水花园、植草沟、生物滞留池等，在实现雨水径流控制目标、提升人居环境的同时，也具有较好的碳汇功能。雨水系统具体可采取行动策略的内容和实施特点见表1-1。

雨水系统碳减排技术行动策略 表1-1

类型	策略	单位	技术内容	实施特点
源头控制	源头减量	设计规划部门	合理控制开发强度，保留足够的生态用地，控制不透水面积比例，最大限度地减少对城市原有水生态环境的破坏，同时，根据需求适当开挖河湖沟渠、增加水域面积，促进雨水的积存、渗透和净化	实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力
	绿色基础设施		发挥绿色设施本身具有的固碳功能的同时带动其他方面发展，如降低建筑能耗、节约用水量等	能够利用自身的特点提升城市面对气候变化等方面的韧性，协同效应显著
过程管理	重力流	运营部门	根据坡度、雨水水质、水量变化规律，调节、优化泵站的运行模式，确定最佳泵送方案，使用重力流，减少泵排系统使用，从而节约运行能耗	成本及作业较少，可有效降低运行能耗及成本
	雨污分流		将生活污水，工业废水和雨水混合在同渠内排除的排水系统改为各自独立的管道系统	可控制很大一部分的水质污染，在降低污水处理厂运行负荷同时也降低雨水系统的额外处理量
资源利用	雨水资源利用	运营部门	从不同途径收集的雨水经简单处理后，可回用于浇灌、冲洗厕所、洗车、墙面绿化，替代水源，作为饮用水源等	集雨效率高，增加可利用水资源量
	绿色设施冷源利用		发挥绿色设施本身具有的固碳功能的同时带动其他方面发展，如降低建筑能耗、节约用水量等	能够利用自身的特点提升城市面灭气候变化等方面的韧性，协同效应显著
	绿色设施空间利用		利用绿色设施空间，发展建设光伏电站	推广性强，有效节约能源，降低碰排放量，发展潜力高
植物增汇	植物增汇技术		在雨水系统中采用绿色设施，如绿色屋顶、雨水花园、植草沟、生物滞留池等	实现雨水径流控制目标、提升人居环境的同时，具有较好的碳汇功能

1.1.2减碳路径

1.源头减量

       源头减量的核心是构建与自然相适应的城镇排水系统，通过分散式设施减少雨水径流量。雨水径流总量减少可有效降低雨水系统运行维护的碳排放量。通过源头减量措施，一般可提高60%左右的年径流总量控制率，减少60%以上的雨水排放量。参照泵站运行能耗，单泵、双泵全速运行所用单位流量电耗在 45.50∼54.40kW/10³m³之间，在采用泵站排水的情况下，雨水径流总量控制可在运行维护阶段减少碳排放量 26.57∼31.76kg/10³m³。

2.绿色基础设施

       城市雨水系统规划建设中采用绿色设施替代钢筋混凝土设施，可大幅度减少雨水系统规划建设温室气体排放。例如，在达到相同雨水控制率条件下，根据指南核算结果,钢筋混凝土雨水调蓄池建设总碳排放强度为513.32kgCO2-eq/m³(按蓄水容量计算)，而大多绿色设施规划建设碳排放强度在 200kg>co_2-eq/㎡ 以下，甚至低于 100kg>co_2-eq/㎡ ，减排率达80%以上。在规划建设中混凝土衬砌沟渠建设碳排放量为钢筋混凝土管的50%左右，植草沟建设碳排放量几乎为零。

       绿色基础设施可减少不可再生材料使用量，减少施工过程中的土方工程量，在正常维护情况下比灰色设施具有更长使用寿命，在资产重置与拆除阶段只有少量设施需要异地处置，大幅度降低了资产重置与拆除阶段碳排放量。再加上由于水流在灰色设施无法下渗，在达到相同雨水控制率的条件下，灰色设施往往要建造更大，消耗更多排放系数较大的建材。同时绿色设施中的植物可作为碳汇。

所以在满足设计需求情况下，可考虑采用绿色基础设施代替灰色设施，例如，用生态沟渠替代灰色明渠。

3.重力流管渠

       在雨水管道设计时，要同时保障设计最小坡度与最小流速，同时，受当地地下水位、管道覆土厚度、排放位点距离和管道服务区域水量等因素影响，对管道进行铺设。排水管渠系统的设计，应以重力流为主，不设或少设提升泵站。

       雨水管渠系统碳排放主要来自管网泵站建设和泵站提升时造成的碳排放，采用压力流，泵站运行消耗大量电力，造成间接碳排放，同时对泵站、泵房的额外建设产生的间接碳排放量相对较多。从雨水控制角度看，暴雨径流量大，泵站建设规模与投资也随之增加，部分地区从全年来看，雨水泵站所需运行时间并不长，利用率低，并不经济。

    参照泵站运行能耗，单泵、双泵全速运行所用单位流量电耗在 26.57∼31.75k gCO_2-eq/10 ³m³之间，碳排放量占比较大。所以，应尽可能充分利用当地水系流向、地形等，尽可能减少泵排系统，调整为重力流排放。

4.雨污分流制排水系统

       合流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在同渠内排除的排水系统、分流制排水系统则将生活污水、工业废水和雨水分别在两个或两个以上各自独立管道内排除。在降雨时，雨水、生活污水等混合后进入合流制排水系统，在进入雨水湿地等绿色设施时，由于污染物浓度高、进水水质差，提高了设施的处理负荷，并且混合水中微生物、更多的有机物质也加大了雨水湿地碳排放量。若采用分流制排水系统，保证进入雨水设施内的是污染物浓度低、水质较为干净的雨水，则会避免这个问题。此外，当分流制排水系统内雨水进入调蓄池等集蓄设施后，由于其水质较洁净，经过简单的沉淀和消毒后，可作为绿化、道路浇洒用水等就地利用。而当采用合流制排水系统时，调蓄池进水污染物浓度高，导致在利用时需要更复杂的净化处理过程，甚至只能在降雨过后排入污水处理厂做后续处理，进而大幅增加碳排放量。不仅如此，合流制排水系统管道内污水与雨水一同流入污水处理厂，再经由水泵提升至处理设施。而分流制排水系统中雨水有独立的排放管道，不会与生活污水或工业废水混合，可控制 70%∼80% 的水质污染，因此，大幅降低了降雨期间污水处理厂的运行负荷。流量更小且更稳定的污水避免了厂前水泵高负荷运转，同时也不用在降雨时因为管道内水流的负荷启动备用泵。在7.5.2节污水系统减碳技术分析中也有提到，若采用分流制排水系统，不仅可以为污水处理厂减少大量的电能消耗，同时为雨水处理系统减少额外的处理过程，减少间接碳排放量。

1.1.3替碳路径

1.雨水资源利用

      雨水污染程度轻，pH呈中性，含盐量很少，硬度很低，无需进行软化，收集的雨水经简单处理后，可用于家庭、公共场所和企业的非饮用水，也可直接回用于浇灌、冲厕、洗车等。由于雨水不进入城市雨水管网，也可同时减轻城市防洪排水和处理系统的负荷。在严重缺水区域，可利用雨水生产饮用水。雨水生产饮用水具有很好的经济性，运营成本预为1. 5∼2.5 /m³。

2.绿色设施冷源利用

      绿色基础设施不仅能够通过自身的韧性有效应对气候变化，也能够利用自身特点提升城市面对气候变化的韧性。绿色设施通过生态滞留设施、下沉式绿地、绿色屋顶等技术手段，可以大幅增加绿化面积，而绿化率提高可以明显改善城市热环境。首先，植物可以通过蒸腾作用吸收大量的热，绿色植被本身就有固碳功能，利用植物的光合作用吸收CO2,减小大气中CO2的浓度，抑制温室效应，释放O2,从而达到降温的效果。其次，绿地中的水体比热容较大，可以控制温度快速升高。最后，植物可以滞留大气中的粉尘，减少太阳辐射热吸收，进一步发挥削减热岛效应的作用。研究表明，绿色基础设施的使用会使环境温度降低 7∼8°C 。

       通过与环境融合，绿色设施可以有效降低城市热岛效应，从而降低建筑制冷能耗；同时，对居民生活以及健康产生积极的影响，热岛效应缓解为居民提供了更加舒适的居住环境，室内空气流通更加顺畅，减小了因热岛效应而引起疾病的病发率。热岛效应缓解使得神经系统患病率降低30%。建筑内制冷系统使用时间大幅降低，节省大量电力消耗的同时间接减少碳排放量。以绿色屋顶为例，通过植物的蒸腾作用以及大面积遮阳，避免了太阳光的直射，可明显降低屋顶表面和周围环境空气的温度，从而减少其所在建筑制冷能耗。研究表明，简单式绿色屋顶绿化系统每年可节省空调降温能耗 6.31kWh/m^2 ,减少碳排放量1 0.00kg⋅co_2-eq/(m^2⋅a) 。

3.绿色设施空间利用

       太阳能是一种适合就地、就近开发利用的清洁可再生能源。以绿色基础设施为主体的雨水控制利用系统与光伏发电设施有机结合，可以充分利用绿色设施的空隙以及向阳面等适宜空间场地，保证雨水系统运行效率的同时达到降碳减耗的目的。例如，绿色屋顶这类具有较高无遮挡平面的绿色设施，可以发挥其空间优势安装分布式光伏发电设施或雨水花园这类所处平面较低的绿色设施，可充分利用其向阳面安装小面积光伏发电设施，同时绿色设施的绿色生态环境还能使光伏组件温度保持在更低的范围内从而助力光伏发电量的提升，为雨水系统提供更多的绿色电能。在使用光伏设施发电后，绿色设施使用的能源将从传统能源转向低碳能源。例如，光伏发电设施可利用太阳能发电从而代替雨水管渠系统的提升泵所使用的传统常规能源。并且光伏发电设施还能应用于雨水花园等这类具有景观性的雨水控制设施的自动化雨水灌溉装置或其公共照明系统，如地灯的供电等。

1.1.4碳汇路径

     碳固存指将大气中的CO2作为有机物长期储存于植物和土壤当中。绿色植被覆盖区域是产生碳汇的主要区域。与其他水务系统不同，雨水系统中绿色设施在实现雨水径流源头控制目标、提升人居环境质量的同时，设施组合形成的绿色空间还具有不同程度的碳汇潜力。此外，雨水系统绿色空间与城市其他绿色区域衔接、串联，形成点一线一面相结合的城市绿色网络，为水务系统碳中和提供绿色支撑。

      生物多样性高的生态系统比生物多样性低的生态系统可吸收和封存更多的碳，绿色设施组成的绿色空间在其生命周期中的碳汇能力具有显著差异。研究表明（表1-2),超过30年生命周期的生物滞留设施的固碳量约为 44.2±35.8kgCO_2-eq/㎡；30年生命周期植被过滤带的固碳量约为 8.57±2.3kgCO_2-eq/㎡ ；据估计，30 年生命周期内雨水花园固碳量约为 75.5±68.4kgCO_2-eq/㎡ ；40 年生命周期绿色屋顶的固碳量约为 58.4±24.7kgCO_2-eq/㎡。在众多绿色设施中，植被缓冲带、生物滞留设施、雨水花园、绿色屋顶的固碳量显著。因此，可根据规划区域条件，适当提高绿色屋顶、雨水花园等固碳量显著的绿色设施比例；依据地区环境条件等，选取固碳系数高的植物作为绿色空间主要植被等。对于不同设施的具体碳汇潜力，还需实地测量获取更精确的数据；在实际应用方面，应综合考虑多方因素，因地制宜合理规划建设。

典型雨水控制绿色设施固碳量 表1-2

绿色设施	生物滞留设施	植被过滤带	雨水花园	绿色屋顶
生命周期（a）	30	30	30	50
固碳量（kg co2-ep/㎡）	44.2±35.8	8.75±2.3	75.5±68.4	58.4±24.7

      在实际规划建设应用中，应综合考虑地理位置、气候条件、植物多样性和生长状况等因素，因地制宜统筹规划、优化空间布局，完善城市绿色空间体系，实现可观的“碳回收”效益。