基于生態(tài)理念的校園雨水收集技術(shù)研究

楊國麗 唐中楠 劉鵬霄 王伊林

(河北建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，張家口 075000)

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，水資源匱乏、水環(huán)境惡化等問題日益突出.雨水利用日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視.建立和維護(hù)水系統(tǒng)的良性循環(huán)，是解決經(jīng)濟(jì)增長與水資源短缺之間的矛盾、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[1].張家口市地處河北省西北部，屬于干旱與半干旱地區(qū)，人均水資源量不足，水資源缺乏成為制約張家口經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素.同時(shí)，張家口地理位置特殊，位于北京官廳、密云兩大水庫的上游，面臨著既要滿足自身用水又要保證一定出境水量的雙重任務(wù).尤其在國家發(fā)展和改革委員會(huì)與河北省人民政府聯(lián)合印發(fā)了《首都水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2019—2035年)》以來，“兩區(qū)”建設(shè)成為國家深入實(shí)施京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)重大部署.深入推動(dòng)首都“兩區(qū)”建設(shè)，走出一條綠色發(fā)展、生態(tài)強(qiáng)市的新路子成為了張家口市發(fā)展的重點(diǎn).在生態(tài)優(yōu)先意識(shí)、加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、建設(shè)天藍(lán)地綠水清的理念引領(lǐng)下，大力推進(jìn)雨水資源的利用，實(shí)現(xiàn)水資源的良性循環(huán)，不僅對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要的意義，而且對(duì)城市的生態(tài)建設(shè)具有積極的支撐作用[2-3].

以河北建筑工程學(xué)院為例，從“綠色節(jié)能、資源循環(huán)、可持續(xù)利用”的角度出發(fā)，按照習(xí)近平總書記做出的建設(shè)好“兩區(qū)”的重要指示，將實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展的客觀需要落實(shí)到校園生態(tài)環(huán)境的建設(shè)上.依據(jù)校園總體規(guī)劃，結(jié)合校園用水現(xiàn)狀及校內(nèi)中水處理站的處理規(guī)模不足，運(yùn)行不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，提出校內(nèi)雨水資源收集凈化的技術(shù)方案，為校園節(jié)水的同時(shí)創(chuàng)造出諸多的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益.

1 校園氣象條件及中水回用水概況

河北建筑工程學(xué)院坐落于河北省張家口市，該市地處東亞大陸季風(fēng)氣候區(qū)，屬于半干旱氣候，晝夜溫差大.全年降雨量變化較大，圖1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，多年平均降雨量為388.8mm.根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)知，每年約75%以上的降雨集中在夏季6至9月份，蒸發(fā)量高峰值處于3至7月份，如能將豐水期的雨水收集起來有效利用，對(duì)于改善校園水環(huán)境具有積極的意義[4].

圖1 張家口市年降雨量統(tǒng)計(jì)(1987～2019)

校園占地面積1176畝，總建筑面積31萬平方米，建筑密度16%.校園地勢呈顯著的北高南低.校園內(nèi)設(shè)有一座中水處理站，建成于2015年10月，總投資近800萬元，建筑面積2400余平方米，自2016年5月通過驗(yàn)收合格后投入使用至今，日出水量約700噸.其出水水質(zhì)滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920-2002)中的相關(guān)規(guī)定，處理出水全部用于校園綠化及沖廁.但是由于處理規(guī)模有限，運(yùn)行不穩(wěn)定，只能供部分教學(xué)樓、公寓樓、辦公樓沖廁及校園綠化用水.為了彌補(bǔ)供水不足的缺點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r，提出充分收集雨水資源的具體方案，將其凈化利用不僅可以緩解校園用水的壓力，而且可以達(dá)到高效節(jié)水的效果.

2 校園雨水收集技術(shù)方案

在有限的空間內(nèi)建立一套具備雨水入滲、收集回用、調(diào)蓄排放的生態(tài)通道，滿足校園日益復(fù)雜的用水需求，是校園生態(tài)理念雨水控制的目標(biāo)[5-6].生態(tài)理念下的校園雨水利用要求因地制宜地制定雨水收集方案，考慮到景觀水體是理想的雨水調(diào)蓄設(shè)施，利用校園現(xiàn)有的景觀水系為核心組建雨水收集系統(tǒng)，將路面雨水、綠地雨水、屋面雨水等的收集在一起，經(jīng)低影響開發(fā)設(shè)施處理后轉(zhuǎn)輸至校園內(nèi)景觀水系(校園平面布置如圖2所示)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)可持續(xù)協(xié)調(diào)的雨水資源規(guī)劃方案的目的.在目前校園規(guī)劃的基礎(chǔ)上盡量實(shí)現(xiàn)校園雨水自然的積存、滲透及凈化，在維護(hù)校園生態(tài)功能的前提下進(jìn)一步提高其水生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)能力.

圖2 校園平面布置圖

2.1 路面雨水的收集

校園路面面積占總用地面積的40%左右，如何有效收集路面雨水是實(shí)現(xiàn)校園雨水資源化利用的關(guān)鍵所在.路面徑流雨水通過有組織的匯流、轉(zhuǎn)輸，經(jīng)截污等預(yù)處理后引入綠地內(nèi)，并通過設(shè)置在綠地內(nèi)的以雨水滲透、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)等為主要功能的低影響開發(fā)設(shè)施進(jìn)行處理.校園路面雨水與城市其他道路雨水相比具有污染成分單一的特點(diǎn)，加之校園道路坡度明顯，為校園路面雨水高效收集提供了基礎(chǔ)[7-10].綜合考慮校園內(nèi)地形坡度、道路規(guī)劃、路基路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性、造價(jià)成本及維護(hù)成本等因素，對(duì)校園內(nèi)的人行道、停車場、小廣場等透水路面及校園內(nèi)的主干道、機(jī)動(dòng)車道等半透水的路面采取不同的收集方式，如圖3所示.實(shí)際上對(duì)于透水及半透水的路面來講，面層與基層均具有透水能力，在降雨初期就可以吸收雨水，入滲到基層底部雨水管道，徑流雨水經(jīng)路面有組織匯流至生物滯留帶，當(dāng)降雨量過大時(shí)通過路面兩旁的溢流管道進(jìn)入雨水管道，轉(zhuǎn)輸至景觀水體[11-12].

圖3 透水及半透水道路橫斷面示意圖

2.2 操場雨水的收集

操場是校園雨水收集的另一重要場所.河北建筑工程學(xué)院校園內(nèi)操場用地主要分為塑膠跑道、足球場、籃球場等[13].以跑道與足球場為例，宜采用生態(tài)排水的方式，借助操場的地形坡度，有組織的將雨水排入跑道與足球場間的集水溝.由于操場人流大的原因，所以需要考慮操場雨水徑流污染嚴(yán)重這一顯著特點(diǎn).田宇[12]的研究表明操場雨水徑流的污染物濃度與主干路類似，懸浮物與化學(xué)需氧量等值均較高.操場下層設(shè)置蓄水模塊，其材質(zhì)為高品質(zhì)百分百優(yōu)質(zhì)回收聚丙烯，該模塊在收集雨水的同時(shí)具有控制初期雨水污染的功效，通過物理方法初步凈化后經(jīng)由下沉式綠地截留、轉(zhuǎn)輸至校內(nèi)景觀水體.圖4為操場雨水收集空間示意圖.

圖4 操場雨水收集空間示意圖

2.3 綠地雨水、屋面雨水的收集

校園綠化面積占總用地面積的30%左右，綠地分散布置在各教學(xué)樓、行政樓、圖書館等建筑的周圍，在美化校園環(huán)境的同時(shí)也改善了校園的生態(tài)環(huán)境在分析綠地規(guī)模及豎向設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，考慮在綠地內(nèi)設(shè)計(jì)可消納綠地雨水徑流的低影響設(shè)施，即當(dāng)雨水經(jīng)過植物時(shí)，經(jīng)顆粒物沉積、植被過濾、土壤滲透及微生物降解等共同作用下，不僅徑流量達(dá)到一定的消減，而且雨水中的污染物也被去除一部分，達(dá)到雨水收集利用及補(bǔ)充地下水的目的[14-16].綠地低影響設(shè)施主要設(shè)置生物滯留帶、綠地下滲帶、植草溝等.生物滯留帶寬約2m，選用根系較深、耐水性植物馬藺及千屈菜，有效去除雨水中的大顆粒污染物，同時(shí)有助于雨水下滲至土壤；綠地下滲帶根據(jù)校園整體綠化效果設(shè)置，具有徑流轉(zhuǎn)輸及雨水下滲的作用；植草溝作為生態(tài)理念排水系統(tǒng)的重要部分，與其他低影響開發(fā)設(shè)施共同建立生態(tài)理念雨水系統(tǒng)，在收集轉(zhuǎn)輸雨水的同時(shí)達(dá)到進(jìn)一步凈化雨水的目的[17].植草溝的邊坡坡度不大于1:3，縱坡不大于4%.黃俊杰[18]通過驗(yàn)證計(jì)算，植草溝對(duì)徑流水量削減率在30%以上，對(duì)洪峰流量可削減70%，蓄滲、減洪效果極為明顯.基于上述優(yōu)點(diǎn)，在綠地內(nèi)設(shè)置植草溝，雨水進(jìn)入綠地后通過植草溝進(jìn)一步凈化轉(zhuǎn)輸排入校內(nèi)景觀水體.

目前校園內(nèi)建筑屋頂以平屋頂為主，建筑未考慮屋面綠化荷載，所以不能采用綠色屋頂減少屋面徑流總量和徑流污染負(fù)荷[19].結(jié)合校園的實(shí)際情況，將建筑屋面的徑流雨水通過地面有組織的匯流及轉(zhuǎn)輸，引入綠地，經(jīng)綠地內(nèi)的低影響設(shè)施處理后轉(zhuǎn)輸至校內(nèi)景觀水體.

雨水調(diào)蓄設(shè)施是水生態(tài)“彈性”的核心部分，圍繞雨水調(diào)蓄把單一的雨水控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾轿痪C合雨水管理正是雨水控制生態(tài)理念的核心內(nèi)容[20].校園景觀水系作為獨(dú)具優(yōu)勢的雨水調(diào)蓄池，承擔(dān)了路面雨水、操場雨水、綠地雨水、屋面雨水匯集與凈化的重任.校園內(nèi)景觀水體的總面積達(dá)1.1.綜合考慮雨水收集的途徑，在景觀水體周圍分散設(shè)置自然生態(tài)水岸，如圖5所示，將校園內(nèi)各渠道收集到的雨水進(jìn)行凈化處理.通過設(shè)置消能區(qū)與植物快慢生長區(qū)分層次逐步沉淀、吸附污染物，在消能區(qū)種植草本植物減緩雨水流速，在快慢生長區(qū)分別種植喬木或濕生植物穩(wěn)固河床.使其在具備景觀功能的同時(shí)成為生態(tài)理念下雨水控制中樞平臺(tái).景觀水體周圍的綠化不但有利于校園水環(huán)境的提升，而且對(duì)于建造一個(gè)集收集、轉(zhuǎn)輸、凈化雨水于一體的可“呼吸”的校園水生態(tài)系統(tǒng)具有積極的作用.

圖5 校園雨水收集系統(tǒng)示意圖

3 結(jié) 論

高校作為城市的一個(gè)重要系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的獨(dú)立運(yùn)行能力，其擁有人數(shù)多、面積大、用水基數(shù)較大、節(jié)能節(jié)水潛力大等特點(diǎn).本文以河北建筑工程學(xué)院校園為例，就如何在校園建設(shè)一套基于生態(tài)理念的雨水收集技術(shù)方案，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性、綜合性、多樣化地收集利用雨水，并將雨水納入到校園的節(jié)水及水生態(tài)文明建設(shè)中去，以此統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地綜合管理校園水環(huán)境進(jìn)行了綜合的考慮.結(jié)合校園的總體規(guī)劃，在生態(tài)理念的引領(lǐng)下提出校園路面、綠地及屋面雨水收集的技術(shù)方案，并以校園內(nèi)景觀水系為核心集調(diào)蓄、凈化于一體.一方面可以彌補(bǔ)校園中水處理站處理規(guī)模有限的缺點(diǎn)，為學(xué)校節(jié)約部分開支的同時(shí)可以創(chuàng)造出諸多的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)效益，對(duì)其他校園及科技園區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有推廣的價(jià)值；另一方面可以促進(jìn)校園生態(tài)化建設(shè)的進(jìn)程，結(jié)合張家口市“兩區(qū)”建設(shè)的重大戰(zhàn)略部署為盡早實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，尤其對(duì)于提升區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能具有重要的意義.