绿色建筑雨水资源的利用

王志强,刘邑婷,左亚会

(山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018)

1 绿色建筑概述

1.1 绿色建筑的涵义

20世纪60年代,美籍意大利建筑师保罗◦索勒瑞在凤凰城建成了世界上第一个生态建筑阿科桑底(Arcosanti),并将生态学(Ecology)和建筑学(Architecture)两词合并为“Arology”,首次提出了“生态建筑学”的概念。1992年,在巴西里约热内卢召开的“联合国环境与发展大会”上,“绿色建筑”的概念被首次提出,“绿色建筑”这个源于西方发达国家的理念及实践活动由此逐渐被推广到了世界各国。

由于各国的经济发展水平、地理位置、资源条件等的不同,对绿色建筑的定义和理解各不相同,但基本上是围绕着三个主题,即减少资源消耗和对环境的负面影响,创造舒适、健康的生活环境,与自然环境相融合。

我国在《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)中提出,绿色建筑是“在建筑的全寿命周期内,最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,与自然和谐共生的建筑。”此定义体现了辩证唯物主义的思想,贯彻了科学发展观,强调“四节一环保”,同时要求创建一个人性化、符合大众生活和工作需求的健康、舒适的空间,体现了“人——建筑——自然”的和谐共生。

1.2 绿色建筑水系统与绿色建筑的水资源可持续利用

众所周知,全球水资源问题突出,随着我国人口增加、经济飞速发展和城市化进程的加快,水的供需矛盾已成为制约我国工农业生产和城市发展的瓶颈。据统计,全国600多座城市中,有400多座城市缺水。其中,建筑生活用水约占城市总用水量的60%。专家预测,到2020年,中国的缺水总量将超过500×108m3,超过现在全国年用水量的10%,缺水高峰将会出现[1]。2011年的中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》无疑将水利和水资源问题提高到了关系经济安全、生态安全、国家安全的国家战略高度。

建筑和城市用水息息相关。传统建筑“高消耗、低效率、难循环”的水资源利用问题,对环境影响极大;绿色建筑的水资源可持续利用不但能够节约水资源,还能够实现水资源的循环高效利用,对水资源的保护和再生具有重大意义。

1.2.1 绿色建筑的水系统

《绿色建筑评价标准》将评价指标体系的六大指标之一节水与水资源利用分为3个部分:节水规划、提高用水效率、雨污水综合利用。一般来讲,绿色建筑的水系统(包括绿色住宅小区,下文不再特别指出)包括以下几方面:给水排水系统、污水处理系统、中水利用系统、雨水利用系统、节水器材、人工水环境系统。

1.2.2 绿色建筑的水资源可持续利用

绿色建筑能够更好地适应自然,水资源的可持续利用是绿色建筑更好适应自然的主要因素之一。通常认为水的循环方式有3种,即水的自然循环、水在城市中的循环、水在建筑中的循环。三者相互独立,又相互联系。独立的一个或一组建筑同时参与不同层次的循环,能够使水资源综合利用发挥更大的效益,对水资源可持续利用有重大意义。绿色建筑水资源利用的原则可归纳为4点:①充分利用现有水资源原则;②节水、节能原则;③无害化原则;④重复与循环利用原则[2]。

绿色建筑的水系统的主要任务是实现节水目标,提高水资源利用率,把污水、废水、雨水、地表水、再生水回收利用,使“供给——用户——排放”和“雨水、地表水——径流——排放”这种一次性低利用率的线性模式改造成“供给——排放——贮存——处理——回用”循环利用模式,同时维护“降雨——渗透/调蓄——蒸发——降雨”的自然水循环,改善“净水——污水——净化——回用”的区域水循环,其工艺流程见图1。

图1 绿色生态住宅小区水环境系统工艺流程图[3]

2 雨水资源利用的意义

《绿色建筑评价标准》中对绿色建筑满足一般项和优选项的非传统水源利用率要求分别是 10%、30%。非传统水源利用率是指:采用再生水、雨水等非传统水源代替市政供水或地下水供给景观、绿化、冲厕等杂用的水量占总用水量的百分比。将经过处理后的雨水用于绿化、景观、道路冲洗、冲厕等就是提高非传统水源利用率的重要手段。从长远看,开发利用雨水等非传统水源,对可持续发展具有重要意义,主要从资源、社会、经济、生态几方面反映出来。

2.1 资源意义

雨水资源的开发,一方面可以间接补充城市水源;另一方面通过净化后的雨水,可以直接补充水资源用于非饮用水,使自然资源得到了充分有效的利用,增加了可供水量,减少了市政供水量,缓解了城市供水压力。据预测,2030年、2050年全国城市雨洪量分别为207×108m3、255×108m3,若按40%的雨水资源化率计算,则城市雨洪利用量分别为82.9×108m3、102×108m3。上海世博会仅四大永久场馆收集雨水量就达10.94×104m3。目前,雨水的资源价值日益显著。

2.2 社会意义

雨水是天赐之水,与人们的生活息息相关。全社会的共同参与是开展雨水利用的坚实基础,是城市水资源可持续利用的必备条件。在全社会中普及雨水利用知识,开展雨水利用实践,使雨水利用观念深入人心,在日常生活和生产活动中化作从我做起的实际行动,对于保护水资源,形成节约用水的观念,提高资源利用意识具有重要意义。

2.3 经济意义

雨水资源利用减少了居民使用市政供水的数量,减少了水费开支。雨水收集、利用工程建设和改造的投资并不会增加太多,工程建成后的运行费用也很低,实际所节省的水费足以填补工程建设和改造及运行管理的支出,这已经被实际工程所验证。如北京市某雨水利用工程,雨水收集基本建设投资不到20元/m3,运行费用不足0.1元/m3,而污水处理工程投资远远高于此。南京银城东苑小区2005年投用了雨水收集利用系统,小区建成仅4年,累计节水13.2×104m3,节约水费约30万元。

2.4 生态意义

雨水是非传统水源,利用雨水能够减少城市对地下水的开采,缓解由于过度开采地下水导致的地下水位下降、地下漏斗、地面沉降、海水入侵等问题,还能够将收集的雨水用于地下水回灌、涵养地下水等。利用雨水资源建设的绿色建筑水景环境对于改善环境、美化城市、休憩娱乐都具有很大作用。

3 绿色建筑雨水资源的利用与管理

“雨水利用”,在国外又称“雨水管理”,并有相应的技术规范和标准。雨水利用作为一个新兴的领域,将水的自然循环、水在城市中的循环和水在建筑中的循环紧密地联系在一起,能够产生节水、削减洪峰流量、改善生态环境、涵养地下水源、维持水量和缓解地面沉降等诸多效益。在水资源严重缺乏的今天,雨水资源的利用势在必行。

3.1 绿色建筑雨水利用的水量与水质控制

雨水直接利用是将雨水收集经沉淀、过滤、消毒等处理后,用于生活杂用水如洗车、绿化、水景用水等,或将径流引入小区中水处理站作为中水水源之一。雨水间接利用是指将雨水适当处理后回灌至地下水层或将径流经土壤渗透净化后涵养地下水。径流进入雨水收集管系后既能渗透也能流动,对于小于或等于设计重现期的降雨,全部径流均能通过渗透设施渗入地下;对于大于设计重现期的降雨,径流通过渗透设施仅能渗下一部分径流,其余部分径流排出供用户使用,在降雨量较大时,多余的雨水将排至城市雨水管道系统,最终排放至水体[4]。

绿色建筑雨水主要来源于屋面、道路、绿地三种汇流介质。其中,道路初期雨水中COD通常高达3 000 mg/L～4 000 mg/L,水质较差;而绿地径流雨水又基本以渗透为主,可收集雨量有限;比较而言屋面雨水便于收集利用且水质较好,利用价值最高[5]。一些研究表明,屋面径流污染也比较严重,特别是下雨过程的初始阶段,雨水污染最为严重[6]。研究表明,雨水水质不仅与降雨强度有关,还与屋面材料、空气质量、气温、两次降雨间隔时间等因素有关。在绿色建筑的设计和施工中应该妥善处理此类问题。

3.2 绿色建筑雨水利用技术

绿色建筑的雨水利用技术可分为雨水收集技术和雨水渗透技术两类。雨水收集技术主要有屋面雨水收集利用系统、屋面花园雨水收集利用系统;雨水渗透技术主要有渗透地面、渗透管沟、渗水池、渗水盆地等。

3.2.1 屋面雨水收集利用系统

屋面雨水收集利用系统有两种:单体建筑分散式系统和建筑群或小区集中系统。两者工艺流程基本相同。其工艺流程见图2。

图2 屋面雨水收集利用系统工艺流程

雨水初期弃流装置能够降低雨水利用的难度,提高净化系统效率,降低运行成本。一般可将初期弃流量定为2 mm。

国内外许多专家都提出了贮水池的体积确定方法,本文介绍晏中华提出的计算方法:

式中:QM为最大降雨月的日集水量(m3/d);k为流出系数,可取0.9;A为实际的屋面集水面积(m2);h为最大降雨月的月降水量(mm/月);V为贮水池体积(m3)。

屋面雨水水质除受大气质量、降雨量、降雨间隔等自然因素的影响,也受屋面材料的影响。因此,屋面材料成为绿色建筑设计中必须考虑的问题,集水最佳屋顶材料是金属、陶瓦和以混凝土为基面的材料(如瓦片或纤维接合剂),不允许采用含铅材料(如塑料)作为集水屋顶。

试验研究表明,屋面雨水水质的可生化性差,因此屋面雨水宜使用物化方法处理,即接触过滤加消毒的方法。初期弃流的屋面雨水,在最佳投药条件下经接触过滤,COD一般可去除65%左右,SS可去除90%以上,色度可去除55%左右,水质可满足生活杂用水水质标准[7]。

3.2.2 屋面花园雨水收集利用系统

屋面花园是指在各种建筑物的屋顶上进行绿化、种植花草的统称,可用于平屋顶和坡屋顶。屋面花园各构造层次自上而下一般可分为:植被层、基质层、隔离过滤层、排(蓄)水层、隔根层、分离滑动层等[8]。

植被层是屋面花园的关键,植物和土壤的选择是植被层的关键。植被层土壤必须有一定渗透性并能满足植被生长的需要,植被必须适应当地的气候条件,并且与植被层土壤性质相匹配。植物品种要合理搭配,尽量采用多种植物。另外,由于屋顶承重所限,要求种植层应具有自重轻、不板结、保水保肥、适宜植物培育生长、施工方便和经济环保等性能。

屋面花园有很多优点:夏天防晒,改善屋顶隔热性能;冬天保温;种植层的覆盖可延长防水层寿命;降低屋面雨水径流系数;可增加对雨水的利用量;可以作为休闲放松之地。

3.2.3 渗透地面

渗透地面分为天然渗透地面和人工渗透地面两种。天然渗透地面以绿地为主,人工渗透地面是人为铺装透水性地面,如多孔嵌草砖、碎石地面、多孔混凝土或多孔沥青路面等。其目的是使水渗透接近水源来保持和恢复自然循环。

绿地是天然渗水地面,优点是:透水性能好;在小区或建筑物周围分布,便于雨水的引入和利用;减少绿化用水实现节水;对雨水中的一些污染物具有较强的截流和净化作用。缺点是:渗透量受土壤性质的限制;雨水中如果含有较多的杂质和悬浮物,影响绿地质量和渗透性能。为了增加渗透量,在绿地中做浅沟可以达到降雨时临时贮水的目的,但要避免溢流,避免绿地过度积水而破坏植被。

低于周围地面适当深度,能够接受周边地面雨水径流的绿地称为下凹绿地。下凹式绿地是一种生态型的雨水渗透设施,具有投资少、渗蓄效果明显、截留净化径流雨水、不易堵塞等优点[9]。研究表明,绿地低于周围路面0.1 m～0.2 m,其入渗量是绿地高于或平于路面时的3～4倍。

人工渗透地面的优点是:利用表层土壤对雨水的净化能力,对雨水的预处理要求相对较低;技术简单,便于管理;建筑物周围或小区内的道路、停车场、人行道等都可以充分利用。缺点是:渗透能力受土质限制,需要较大的透水面积;对雨水径流量调蓄能力差[10]。

3.2.4 渗透管沟

渗透管、沟是传统雨水管的良好替代装置,它是由无砂混凝土或穿孔管等透水材料制成,设于地下,周围填充砾石。渗透管沟占地面积小,投资少,调蓄能力强,但是一旦发生堵塞或渗透能力下降时,难以清洗恢复,对水质有要求,不能含有过多的固体悬浮物,需要进行预处理[11]。因此,其适用于一些地下水位不高、雨水水质较好的地区。

3.2.5 渗水池

渗水池是将集中径流转移到有植被的池子中,而不构筑排水沟或管道。渗水池的渗透面积大,具有较大的渗水和储水容量;净化能力强,对水质预处理要求低;管理方便,具有渗透、调节、净化、改善景观等多重功能。这种渗透技术代表了与自然的相互作用,基本不需要维护。但其通常需占用大面积土地,设计管理不当会造成水质恶化,渗透能力下降等负面影响。渗水池在绿色住宅小区中改善生态环境、提供水景、节水、水资源高效利用的效果十分显著。

3.2.6 渗水盆地

渗水盆地与渗水池的功能基本相同,水唯一的出路是渗入土壤。渗透可以使雨水通过土壤滤掉污染物,因此是对径流最理想的管理和保护。修建渗水盆地时,应注意以下问题[12]:

(1)按照敞开系统或封闭系统设计渗水盆地。有些渗水盆地敞开且长有植被,起到了维护多孔土壤结构的作用。另外一些建在地面以下,其表面被改造为停车场或其它用途。建设地下水盆地材料费用高昂,因此只有在土地非常紧张,迫切需要将该地表建成双重用途时,才倾向于采用地下盆地;

(2)靠近径流源设置渗水盆地最为经济有效;

(3)应避免使盆地靠近建筑的基础,也应避免建在陡峭不稳的坡地。

4 绿色建筑雨水利用的评价指标

根据《绿色建筑评价标准》,采用了雨水利用技术或设备的绿色建筑,其雨水利用的评价指标主要有两个:雨水资源利用率和节水率。通过这两项指标,能够客观地衡量绿色建筑的节水效率。

4.1 雨水资源利用率

《绿色建筑评价标准》中对绿色建筑满足一般项和优选项的非传统水源利用率要求分别是 10%、30%。目前,与水资源作为非传统水源的最主要来源,提高雨水资源利用率成为了提高非传统水源利用率的重要手段,其计算公式为:

式中:R为与水资源利用率;Uy为实际雨水利用量;W为实际用水总量。

4.2 节水率

节水率反映的是总用水量定额中未使用实际市政供水用水总量的部分占总用水量定额的百分比,其公式为:

式中:C为节水率;Wd为总用水量定额值;Us为实际市政供水用水总量。

5 总 结

水资源短缺与水质污染是城市建设所面临的严重危机,它制约着人类经济的发展,影响了人类的生存环境。绿色建筑所提出的“四节一环保”的目的之一,就是要解决水资源短缺带来的诸多问题,绿色建筑要求人们理解环境,理解自然,所以其在设计上比传统建筑更贴近自然,能更好地适应环境,并且对环境的影响大大减小。

绿色建筑雨水资源的利用是绿色建筑非传统水源利用的重要部分,是实现建筑节水的重要途径和有力保证,也是城市水资源可持续利用的必然。绿色建筑雨水资源的利用作为一个新兴的领域,既有传统的雨水利用技术,又有新兴的雨水利用技术。相关技术的选用需要根据有关规范,并结合不同的条件如气候及降雨、水文、地质、建筑、风俗等,因地制宜综合考虑使用的雨水收集或渗透技术的优缺点、适用条件和使用目的,从水量平衡、经济实用、技术可行等方面确定最佳技术方案,同时兼顾经济、社会、生态效益,达到绿色建筑节水的要求。

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