雨水收集與利用在民用建筑中的應用

張穎

【摘要】我國是一個嚴重缺水的國家，各個城市缺水問題已經(jīng)到了非解決不可的地步。將雨水這種非傳統(tǒng)水資源利用起來，可以成為解決這一問題的有效途徑。雨水利用有幾個方面的功能：利用雨水沖洗廁所， 澆灑路面， 澆灌草坪， 水景補水，可節(jié)省城市自來水；雨水的入滲， 增加土壤的含水量， 利用雨水回灌提升地下水的水位， 改善了水環(huán)境乃至生態(tài)環(huán)境；土壤的雨水入滲量增加和雨水徑流的存儲都會減少進入雨水排除系統(tǒng)的流量， 從而提高城市排洪系統(tǒng)的可靠性， 減少城市內(nèi)澇。屋面雨水和小區(qū)地面雨水是城市排水系統(tǒng)的起端，因此建筑與小區(qū)雨水利用是城市雨水利用工程的關鍵部分，決定著城市雨水利用的效果。本文根據(jù)現(xiàn)行的相關規(guī)范和資料，結合工作經(jīng)驗，介紹建筑雨水收集利用系統(tǒng)的應用，以上海某辦公樓項目雨水收集利用系統(tǒng)為例，對該系統(tǒng)的設計方案和主要設施的計算進行闡述，并對雨水可利用量進行了分析；以北京某健身中心項目雨水收集系統(tǒng)為例，對該系統(tǒng)主要設施的計算進行闡述?！娟P鍵詞】雨水收集；雨水利用；雨水調(diào)蓄池1、導言我國是一個水資源短缺的國家，人均水資源占有量排在世界109位，僅為世界平均水平的四分之一，被聯(lián)合國列為世界13個貧水國家之一。我國有將近400座城市缺水，其中嚴重缺水的城市達130 多個。隨著城市建設和社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市用水量的不斷增長造成水資源日益不足，水環(huán)境惡化，城市缺水問題已經(jīng)到了非解決不可的地步。與此同時，我國城市內(nèi)澇問題頻發(fā)，市政排水系統(tǒng)老化，當遭遇強降雨或是連續(xù)性降雨時，排放雨水超過管系排水能力，導致城市內(nèi)產(chǎn)生積水災害。從2012年開始，國務院出臺了一系列關于海綿城市的指導意見，指出采用滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，將70%的降雨就地消納和利用，確保城市“澇時吸水，旱時吐水”。把雨水作為各項水質(zhì)指標較低的重要非傳統(tǒng)水資源加以收集利用，實行綜合治理已經(jīng)成為一個重要的新興課題。2、雨水收集與利用的現(xiàn)狀城市化前，雨水落到天然的土地時，大多數(shù)的雨水直接滲入地面，然后慢慢地滲透到地下水或溪流及江河中，其中一部分滲入地面的雨水會通過植物蒸發(fā)，僅有大約20%的雨水直接從地面流入河道中。隨著城市住宅、商業(yè)及工業(yè)的發(fā)展，城市建設增多，人工鋪裝地面增多，原來的植被、土壤等地面變成了水泥硬地面，導致了大量的地面被不透水地面，如屋面、停車場及公路等所覆蓋。當雨水降落到這些下墊面時，大量雨水以地面徑流的形式排出，迅速流入排水溝及排水管，然后排入附近的市政管網(wǎng)、溪流及江河中。下墊面徑流量增加到80%，而地面入滲量大為降低，造成了地下水補給不足，土壤含水率低，空氣干燥，洪峰流量容易形成，水澇災害頻繁出現(xiàn)等不利影響。近年來，越來越多城市由于一場暴雨而陷入癱瘓，道路被淹，居民的生命及財產(chǎn)受到嚴重威脅的事情屢見不鮮，內(nèi)澇問題已被各級政府部門重視起來。3、工程設計行業(yè)對雨水收集與利用的推廣為了從技術上規(guī)范、指導建筑與小區(qū)雨水利用工程的設計、施工安裝、運行維護管理，國家有關部門及時編制了相關規(guī)范，如：《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》（GB50400-2006），各省市也有各自關于雨水收集與利用規(guī)定、規(guī)范，如：北京市地標《雨水控制與利用工程設計規(guī)范》（DB11/685-2013）。2014年11月建設部出臺了《海綿城市建設技術指南———低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）》，其中要求雨水規(guī)劃應兼顧徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等不同的控制目標，構建從源頭到末端的全過程控制雨水系統(tǒng)。這些規(guī)范對于這一產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對于提高水資源綜合利用率，保護生態(tài)環(huán)境是非常重要的。4、雨水收集與利用系統(tǒng)在實際工程中的應用4.1雨水利用的幾種方式下墊面主要包括建筑物屋面、庭院等鋪裝地面、裸地或綠地、道路硬地面等類型，可以采用以下三種形式的一種或幾種組合對這些下墊面的雨水進行利用，即雨水入滲、收集回用和調(diào)蓄排放。雨水入滲是通過收集設施把雨水引至滲透設施，使雨水滲透到地下轉(zhuǎn)化為土壤水，此種方法對涵養(yǎng)地下水，抑制暴雨徑流有顯著作用。該系統(tǒng)宜設置雨水收集、入滲等設施。雨水收集回用是將雨水收集后進行水質(zhì)凈化處理，達到相應的水質(zhì)標準后可做景觀用水、綠化用水、汽車沖洗用水、沖廁、消防用水等。這種方法能夠使雨水得到直接利用，減少自來水的用量，這樣既減少了雨水排放量，又節(jié)約了水資源。該系統(tǒng)應設置雨水收集、儲存、處理和回用水管網(wǎng)等設施。調(diào)蓄排放是利用洼地、池塘、景觀水體或調(diào)蓄池將雨洪暫存在內(nèi)，待洪峰流量下降后雨水從調(diào)蓄池緩慢排出從而削減洪峰。該系統(tǒng)應設置雨水收集、儲存和排放管道等設施。4.2雨水收集回用系統(tǒng)規(guī)模的確定《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》規(guī)定：雨水回用水量宜按雨水設計徑流總量的90%確定，回用管網(wǎng)最高日設計用水量不宜小于集水面日雨水設計總量的40%，也就是要求管網(wǎng)系統(tǒng)在3日或更短時間內(nèi)把日收集雨水量用完，這樣可以提高雨水的利用率，使小區(qū)及建筑盡可能的利用雨水供應。雨水儲存設施的有效儲水容積不宜小于集水面重現(xiàn)期1-2年日雨水設計徑流總量扣除設計初期徑流棄流量。當雨水回用系統(tǒng)設有清水池時，其容積可按雨水回用系統(tǒng)最高日設計用水量的25%～35%確定。5、上海某辦公樓項目5.1工程概況：本項目位于上海市虹橋臨空經(jīng)濟園區(qū)內(nèi)，項目建設用地位于園區(qū)的西北部，北臨朱家浜，西至金輪路，南鄰通協(xié)路，東鄰協(xié)和路。功能主要為自用辦公、出租辦公、商業(yè)、餐廳、廚房等。項目總用地面積47182.7平方米，限高40米，總建筑面積約159591平方米，其中地下建筑面積63263平方米，地上建筑面積94965平方米。屋面面積16772平方米，其中屋面綠化面積5004平方米。室外綠化面積為16619平方米，道路、廣場等室外地面面積約為9590平方米。本工程按照綠色建筑二星級標準進行設計，根據(jù)《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2006 中關于節(jié)水和水資源利用的相關規(guī)定，綠化、景觀、洗車等用水采用非傳統(tǒng)水源，本工程屋面面積較大，有充足且水質(zhì)良好的雨水可以利用，設置雨水回收利用系統(tǒng)，用于澆灑綠地、廣場道路、車庫沖洗、汽車沖洗及景觀補水。5.2雨水回用系統(tǒng)的組成屋面雨水經(jīng)室內(nèi)雨水管網(wǎng)收集后，經(jīng)過棄流裝置，進入室外雨水收集池。收集的雨水經(jīng)雨水收集池內(nèi)的提升泵提升至雨水機房，雨水經(jīng)混凝加藥裝置后送入多介質(zhì)過濾器及活性炭過濾器進行過濾處理，處理后的出水經(jīng)殺菌劑投加裝置處理后進入清水池中，清水池設置補水裝置，出水指標達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920-2002）標準。清水池內(nèi)的水經(jīng)變頻回用水泵提升作為回用水。工藝流程如下：屋面雨水→雨水棄流裝置→雨水收集池→雨水提升泵→混凝加藥裝置→多介質(zhì)過濾器→活性炭過濾器→殺菌劑投加裝置→清水箱→變頻供水泵組→回用。降雨初期由于雨水對下墊面的沖刷，初期徑流雨水水質(zhì)較差，隨降雨過程的延續(xù)逐漸改善，表面污染物減少，水質(zhì)趨于穩(wěn)定，故在雨水收集系統(tǒng)前端設置棄流裝置。棄流裝置每次將初期雨水自動棄流至室外雨水管網(wǎng)，然后將棄流后的雨水送入雨水收集池。雨水收集池未滿時，雨水進入雨水收集池，而當雨水池液位到達高位時，則不再將雨水輸送至雨水收集池，雨水通過棄流裝置直接排放至室外雨水管網(wǎng)。當出現(xiàn)故障雨水收集池液位到達超高液位時，高位報警，雨水通過溢流管排入室外雨水管網(wǎng)。5.3雨水收集利用系統(tǒng)設計計算1E雨A水收集利用系統(tǒng)需水量計算：綠化澆灑：根據(jù)《民用建筑節(jié)水設計標準》（GB50555-2010）中規(guī)定，本項目綠化的澆灑用水定額按冷季型取0.28m3/m2·a，每年澆灑235天計，日用水指標按1L/m2·d計，本項目室外綠化面積約為16619m2，則澆灑用水量Q綠化澆灑為：Q綠化澆灑=0.28×16619=4653.32m3/a=1x16619/1000=16.62m3/d （2-1）室外道路沖洗道路及廣場沖洗用水指標按0.3L/m2次計，沖洗時每天2次，每年澆灑30天計，本項目道路、廣場等室外地面面積約為9590m2，則澆灑用水量Q道路沖洗為：Q道路沖洗=0.3×9590x2/1000=5.75m3/d=172.62m3/a （2-2）車庫沖洗地下車庫沖洗用水指標按2L/m2/次，每12天沖洗1次，本項目地下車庫總面積為39058m2，其中僅80%的地下場所考慮沖洗，則地下室實際沖洗面積為31246m2，則地下車庫沖洗用水量Q地下車庫沖洗為：Q地下車庫沖洗=2×31246/1000/12=5.20m3/d=1222m3/a （2-3）汽車沖洗汽車沖洗用水量定額按20L/輛·次計，洗車輛按50輛·次計，則汽車沖洗用水總計平均日雜用水量總計：Q綠化澆灑+ Q道路沖洗+ Q地下車庫沖洗+ Q汽車沖洗+ Q景觀補水=35.56 m3/d以上通過定額法將各用水項目的平均日用水量及年用水量進行計算?！餉2E雨A水可利用量分析：由于建筑條件限制，本項目雨水收集受水面由部分建筑屋面組成，各部分的徑流系數(shù)及場地綜合徑流系數(shù)詳見表2-1。表2-1 用地規(guī)劃與綜合徑流系數(shù)計算表上表通過雨水設計徑流總量公式算出每月屋面收集雨水量=10x徑流系數(shù)x降雨厚度x匯水面積，蓄水池的進水量等于屋面雨水收集量；下雨天時景觀水體無需補水，道路綠化無需澆灌，也不產(chǎn)生車庫沖洗和洗車用水，故由（各月天數(shù)—各月降雨天數(shù)）x各用水項平均日用水量=各項各月用水量，各項之和即為每月調(diào)蓄池總用水量；通過調(diào)蓄池的總進水量與總用水量的差值可計算出每月盈虧水量，盈虧水量為負數(shù)時則需要補水，為正數(shù)時則需要說明收集的雨水使用不完。本項目主要收集裙樓和主樓屋面雨水，收集的雨水經(jīng)處理后用于項目的綠化澆灑、道路和地下車庫沖洗、汽車沖洗及景觀水體補水，根據(jù)表2-2可知，全年有3個月的時間不需補水，全年室外雜用水需水量7927.5m3，全年補水量為3456.0m3，全年雨水實際用量為4471.5m3，也就是室外雜用水需水量中的雨水替代量可達56.4%，達到了雨洪利用的目的?！餉3E雨A水蓄水池容積：雨水儲存設施的有效容積不宜不小于集水面2年重現(xiàn)期的日雨水設計徑流總量扣除設計初期棄流流量，計算得：雨水設計徑流總量 W日=10·Ψc·hy·F=10x0.7x86.8x0.6295=382.5m3 （2-6）初期棄用 W=10x2x0.6295=12.59m3 （2-7）可收集利用的雨水量約為370 m3，因此，取雨水蓄水池有效容積400m3，根據(jù)建筑條件，本項目在主出入口東側南北兩塊綠地下各1座容積250m3雨水綜合利用一體化構筑物，收集裙樓和主樓屋面雨水，用于項目的綠化澆灑、道路和地下車庫沖洗、汽車沖洗及景觀水體補水。6、結論雨水是一種很好的天然水資源，對雨水資源的再利用，可以減少用戶的用水量，減輕供水壓力；對雨水資源的收集，可以減小建筑物周邊的雨水徑流量，進而減小城市排水系統(tǒng)的排水壓力，有效的解決城市內(nèi)澇問題；雨水的入滲可以補充地下水。雨水收集回用系統(tǒng)的最直接目的是節(jié)約自來水，有自然降雨的城市就可以應用，但必須在進行過技術經(jīng)濟比較后才能取得更好的效益，比如北京地區(qū)雨水量少，降雨相對集中在6-8月，其他時間雨水匯集量不足，雨水收集處理回用并不是最經(jīng)濟的應用，而雨水利用的其他兩種方式入滲和調(diào)蓄排放更有實際意義，雨水的自然入滲不會對地下水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，雨水滲透到地下涵養(yǎng)地下水，抑制暴雨徑流，對北京緩解缺水都是很有利的。調(diào)蓄排放是利用調(diào)蓄池等將雨水暫存，待洪峰過后雨水從調(diào)蓄池緩慢排入市政管網(wǎng)，減少了暴雨時市政管網(wǎng)的壓力，防止內(nèi)澇水患。對于南方多雨城市，更好地利用雨水資源，減少自來水的使用更加可行。大量的雨水收集處理后，用于景觀、綠化用水、汽車沖洗用水、沖廁用水等，從而既減少了雨水排放量，又節(jié)約了水資源。同時在設計中也應該關注雨水收集回用系統(tǒng)的水量平衡，收集來的雨水應與雨水的使用量相匹配，規(guī)范也提出宜在三天內(nèi)用完，提高蓄水池的周轉(zhuǎn)利用率，使雨水回用設施能夠連續(xù)性運行，更加節(jié)能環(huán)保。隨著綠色建筑、節(jié)能環(huán)保、海綿城市等概念以及國家相關規(guī)范規(guī)定的推廣，雨水這種非傳統(tǒng)水源的使用必將得到更廣泛的應用。做為工作在一線的設計人員，我們應當將節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟合理性有機結合起來，盡力推廣和使用雨水收集與利用系統(tǒng)，使工程設計做到科學合理。參考文獻：[1]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范 GB 50400-2006[2]雨水控制與利用工程設計規(guī)范 DB11/685-2013[3]翟立曉 康曉鹍 劉強，鄭克白 北京市雨水規(guī)劃與主要實施措施分析[4]王曉楠 民用建筑雨水利用工程實例淺談[5]劉琉 雨水收集利用在工程設計中的應用