雨水收集与利用在民用建筑中的应用

张颖

【摘要】我国是一个严重缺水的国家，各个城市缺水问题已经到了非解决不可的地步。将雨水这种非传统水资源利用起来，可以成为解决这一问题的有效途径。雨水利用有几个方面的功能：利用雨水冲洗厕所， 浇洒路面， 浇灌草坪， 水景补水，可节省城市自来水；雨水的入渗， 增加土壤的含水量， 利用雨水回灌提升地下水的水位， 改善了水环境乃至生态环境；土壤的雨水入渗量增加和雨水径流的存储都会减少进入雨水排除系统的流量， 从而提高城市排洪系统的可靠性， 减少城市内涝。屋面雨水和小区地面雨水是城市排水系统的起端，因此建筑与小区雨水利用是城市雨水利用工程的关键部分，决定着城市雨水利用的效果。本文根据现行的相关规范和资料，结合工作经验，介绍建筑雨水收集利用系统的应用，以上海某办公楼项目雨水收集利用系统为例，对该系统的设计方案和主要设施的计算进行阐述，并对雨水可利用量进行了分析；以北京某健身中心项目雨水收集系统为例，对该系统主要设施的计算进行阐述。【关键词】雨水收集；雨水利用；雨水调蓄池1、导言我国是一个水资源短缺的国家，人均水资源占有量排在世界109位，仅为世界平均水平的四分之一，被联合国列为世界13个贫水国家之一。我国有将近400座城市缺水，其中严重缺水的城市达130 多个。随着城市建设和社会经济的发展，城市用水量的不断增长造成水资源日益不足，水环境恶化，城市缺水问题已经到了非解决不可的地步。与此同时，我国城市内涝问题频发，市政排水系统老化，当遭遇强降雨或是连续性降雨时，排放雨水超过管系排水能力，导致城市内产生积水灾害。从2012年开始，国务院出台了一系列关于海绵城市的指导意见，指出采用渗、滞、蓄、净、用、排等措施，将70%的降雨就地消纳和利用，确保城市“涝时吸水，旱时吐水”。把雨水作为各项水质指标较低的重要非传统水资源加以收集利用，实行综合治理已经成为一个重要的新兴课题。2、雨水收集与利用的现状城市化前，雨水落到天然的土地时，大多数的雨水直接渗入地面，然后慢慢地渗透到地下水或溪流及江河中，其中一部分渗入地面的雨水会通过植物蒸发，仅有大约20%的雨水直接从地面流入河道中。随着城市住宅、商业及工业的发展，城市建设增多，人工铺装地面增多，原来的植被、土壤等地面变成了水泥硬地面，导致了大量的地面被不透水地面，如屋面、停车场及公路等所覆盖。当雨水降落到这些下垫面时，大量雨水以地面径流的形式排出，迅速流入排水沟及排水管，然后排入附近的市政管网、溪流及江河中。下垫面径流量增加到80%，而地面入渗量大为降低，造成了地下水补给不足，土壤含水率低，空气干燥，洪峰流量容易形成，水涝灾害频繁出现等不利影响。近年来，越来越多城市由于一场暴雨而陷入瘫痪，道路被淹，居民的生命及财产受到严重威胁的事情屡见不鲜，内涝问题已被各级政府部门重视起来。3、工程设计行业对雨水收集与利用的推广为了从技术上规范、指导建筑与小区雨水利用工程的设计、施工安装、运行维护管理，国家有关部门及时编制了相关规范，如：《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400-2006），各省市也有各自关于雨水收集与利用规定、规范，如：北京市地标《雨水控制与利用工程设计规范》（DB11/685-2013）。2014年11月建设部出台了《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建（试行）》，其中要求雨水规划应兼顾径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用等不同的控制目标，构建从源头到末端的全过程控制雨水系统。这些规范对于这一产业的健康发展，对于提高水资源综合利用率，保护生态环境是非常重要的。4、雨水收集与利用系统在实际工程中的应用4.1雨水利用的几种方式下垫面主要包括建筑物屋面、庭院等铺装地面、裸地或绿地、道路硬地面等类型，可以采用以下三种形式的一种或几种组合对这些下垫面的雨水进行利用，即雨水入渗、收集回用和调蓄排放。雨水入渗是通过收集设施把雨水引至渗透设施，使雨水渗透到地下转化为土壤水，此种方法对涵养地下水，抑制暴雨径流有显著作用。该系统宜设置雨水收集、入渗等设施。雨水收集回用是将雨水收集后进行水质净化处理，达到相应的水质标准后可做景观用水、绿化用水、汽车冲洗用水、冲厕、消防用水等。这种方法能够使雨水得到直接利用，减少自来水的用量，这样既减少了雨水排放量，又节约了水资源。该系统应设置雨水收集、储存、处理和回用水管网等设施。调蓄排放是利用洼地、池塘、景观水体或调蓄池将雨洪暂存在内，待洪峰流量下降后雨水从调蓄池缓慢排出从而削减洪峰。该系统应设置雨水收集、储存和排放管道等设施。4.2雨水收集回用系统规模的确定《建筑与小区雨水利用工程技术规范》规定：雨水回用水量宜按雨水设计径流总量的90%确定，回用管网最高日设计用水量不宜小于集水面日雨水设计总量的40%，也就是要求管网系统在3日或更短时间内把日收集雨水量用完，这样可以提高雨水的利用率，使小区及建筑尽可能的利用雨水供应。雨水储存设施的有效储水容积不宜小于集水面重现期1-2年日雨水设计径流总量扣除设计初期径流弃流量。当雨水回用系统设有清水池时，其容积可按雨水回用系统最高日设计用水量的25%～35%确定。5、上海某办公楼项目5.1工程概况：本项目位于上海市虹桥临空经济园区内，项目建设用地位于园区的西北部，北临朱家浜，西至金轮路，南邻通协路，东邻协和路。功能主要为自用办公、出租办公、商业、餐厅、厨房等。项目总用地面积47182.7平方米，限高40米，总建筑面积约159591平方米，其中地下建筑面积63263平方米，地上建筑面积94965平方米。屋面面积16772平方米，其中屋面绿化面积5004平方米。室外绿化面积为16619平方米，道路、广场等室外地面面积约为9590平方米。本工程按照绿色建筑二星级标准进行设计，根据《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006 中关于节水和水资源利用的相关规定，绿化、景观、洗车等用水采用非传统水源，本工程屋面面积较大，有充足且水质良好的雨水可以利用，设置雨水回收利用系统，用于浇洒绿地、广场道路、车库冲洗、汽车冲洗及景观补水。5.2雨水回用系统的组成屋面雨水经室内雨水管网收集后，经过弃流装置，进入室外雨水收集池。收集的雨水经雨水收集池内的提升泵提升至雨水机房，雨水经混凝加药装置后送入多介质过滤器及活性炭过滤器进行过滤处理，处理后的出水经杀菌剂投加装置处理后进入清水池中，清水池设置补水装置，出水指标达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002）标准。清水池内的水经变频回用水泵提升作为回用水。工艺流程如下：屋面雨水→雨水弃流装置→雨水收集池→雨水提升泵→混凝加药装置→多介质过滤器→活性炭过滤器→杀菌剂投加装置→清水箱→变频供水泵组→回用。降雨初期由于雨水对下垫面的冲刷，初期径流雨水水质较差，随降雨过程的延续逐渐改善，表面污染物减少，水质趋于稳定，故在雨水收集系统前端设置弃流装置。弃流装置每次将初期雨水自动弃流至室外雨水管网，然后将弃流后的雨水送入雨水收集池。雨水收集池未满时，雨水进入雨水收集池，而当雨水池液位到达高位时，则不再将雨水输送至雨水收集池，雨水通过弃流装置直接排放至室外雨水管网。当出现故障雨水收集池液位到达超高液位时，高位报警，雨水通过溢流管排入室外雨水管网。5.3雨水收集利用系统设计计算1E雨A水收集利用系统需水量计算：绿化浇洒：根据《民用建筑节水设计标准》（GB50555-2010）中规定，本项目绿化的浇洒用水定额按冷季型取0.28m3/m2·a，每年浇洒235天计，日用水指标按1L/m2·d计，本项目室外绿化面积约为16619m2，则浇洒用水量Q绿化浇洒为：Q绿化浇洒=0.28×16619=4653.32m3/a=1x16619/1000=16.62m3/d （2-1）室外道路冲洗道路及广场冲洗用水指标按0.3L/m2次计，冲洗时每天2次，每年浇洒30天计，本项目道路、广场等室外地面面积约为9590m2，则浇洒用水量Q道路冲洗为：Q道路冲洗=0.3×9590x2/1000=5.75m3/d=172.62m3/a （2-2）车库冲洗地下车库冲洗用水指标按2L/m2/次，每12天冲洗1次，本项目地下车库总面积为39058m2，其中仅80%的地下场所考虑冲洗，则地下室实际冲洗面积为31246m2，则地下车库冲洗用水量Q地下车库冲洗为：Q地下车库冲洗=2×31246/1000/12=5.20m3/d=1222m3/a （2-3）汽车冲洗汽车冲洗用水量定额按20L/辆·次计，洗车辆按50辆·次计，则汽车冲洗用水总计平均日杂用水量总计：Q绿化浇洒+ Q道路冲洗+ Q地下车库冲洗+ Q汽车冲洗+ Q景观补水=35.56 m3/d以上通过定额法将各用水项目的平均日用水量及年用水量进行计算。○A2E雨A水可利用量分析：由于建筑条件限制，本项目雨水收集受水面由部分建筑屋面组成，各部分的径流系数及场地综合径流系数详见表2-1。表2-1 用地规划与综合径流系数计算表上表通过雨水设计径流总量公式算出每月屋面收集雨水量=10x径流系数x降雨厚度x汇水面积，蓄水池的进水量等于屋面雨水收集量；下雨天时景观水体无需补水，道路绿化无需浇灌，也不产生车库冲洗和洗车用水，故由（各月天数—各月降雨天数）x各用水项平均日用水量=各项各月用水量，各项之和即为每月调蓄池总用水量；通过调蓄池的总进水量与总用水量的差值可计算出每月盈亏水量，盈亏水量为负数时则需要补水，为正数时则需要说明收集的雨水使用不完。本项目主要收集裙楼和主楼屋面雨水，收集的雨水经处理后用于项目的绿化浇洒、道路和地下车库冲洗、汽车冲洗及景观水体补水，根据表2-2可知，全年有3个月的时间不需补水，全年室外杂用水需水量7927.5m3，全年补水量为3456.0m3，全年雨水实际用量为4471.5m3，也就是室外杂用水需水量中的雨水替代量可达56.4%，达到了雨洪利用的目的。○A3E雨A水蓄水池容积：雨水储存设施的有效容积不宜不小于集水面2年重现期的日雨水设计径流总量扣除设计初期弃流流量，计算得：雨水设计径流总量 W日=10·Ψc·hy·F=10x0.7x86.8x0.6295=382.5m3 （2-6）初期弃用 W=10x2x0.6295=12.59m3 （2-7）可收集利用的雨水量约为370 m3，因此，取雨水蓄水池有效容积400m3，根据建筑条件，本项目在主出入口东侧南北两块绿地下各1座容积250m3雨水综合利用一体化构筑物，收集裙楼和主楼屋面雨水，用于项目的绿化浇洒、道路和地下车库冲洗、汽车冲洗及景观水体补水。6、结论雨水是一种很好的天然水资源，对雨水资源的再利用，可以减少用户的用水量，减轻供水压力；对雨水资源的收集，可以减小建筑物周边的雨水径流量，进而减小城市排水系统的排水压力，有效的解决城市内涝问题；雨水的入渗可以补充地下水。雨水收集回用系统的最直接目的是节约自来水，有自然降雨的城市就可以应用，但必须在进行过技术经济比较后才能取得更好的效益，比如北京地区雨水量少，降雨相对集中在6-8月，其他时间雨水汇集量不足，雨水收集处理回用并不是最经济的应用，而雨水利用的其他两种方式入渗和调蓄排放更有实际意义，雨水的自然入渗不会对地下水水质产生不利影响，雨水渗透到地下涵养地下水，抑制暴雨径流，对北京缓解缺水都是很有利的。调蓄排放是利用調蓄池等将雨水暂存，待洪峰过后雨水从调蓄池缓慢排入市政管网，减少了暴雨时市政管网的压力，防止内涝水患。对于南方多雨城市，更好地利用雨水资源，减少自来水的使用更加可行。大量的雨水收集处理后，用于景观、绿化用水、汽车冲洗用水、冲厕用水等，从而既减少了雨水排放量，又节约了水资源。同时在设计中也应该关注雨水收集回用系统的水量平衡，收集来的雨水应与雨水的使用量相匹配，规范也提出宜在三天内用完，提高蓄水池的周转利用率，使雨水回用设施能够连续性运行，更加节能环保。随着绿色建筑、节能环保、海绵城市等概念以及国家相关规范规定的推广，雨水这种非传统水源的使用必将得到更广泛的应用。做为工作在一线的设计人员，我们应当将节能环保和经济合理性有机结合起来，尽力推广和使用雨水收集与利用系统，使工程设计做到科学合理。参考文献：[1]建筑与小区雨水利用工程技术规范 GB 50400-2006[2]雨水控制与利用工程设计规范 DB11/685-2013[3]翟立晓 康晓鹍 刘强，郑克白 北京市雨水规划与主要实施措施分析[4]王晓楠 民用建筑雨水利用工程实例浅谈[5]刘琉 雨水收集利用在工程设计中的应用