雨水收集与回用系统在工程中的应用——以巢湖市“三馆”建设项目为例

许良梅

(巢湖市建设工程质量监督站，安徽 合肥 238000)

近年来,在国家大力推行新型城镇化战略的背景下,2020年合肥市常住人口城镇化率达75%以上。城市土地资源的稀缺性决定了城市人口的高度密集性,必然对城市淡水资源的需求提出了更高的要求。然而城市的发展与扩大,必然伴随着大量人工构筑物及其附属设施的出现。这些服务于城市居民的构筑物及设施(如民用建筑、公共建筑、市政道路、广场等)改变了原区域的水文循环,大量雨水流失,城市地下水的补给也在逐年减少。大量的硬化地面致使原区域土壤含水率下降,这也带来城市热岛效应的加剧,对城市的生态环境产生了负面影响。在城市化中大量产生的硬化面层,在梅雨季节短时汇集的雨水径流对城市管网系统的负荷提出了更高的要求,这种矛盾也是城市发生内涝的主因。所以城市雨水资源的利用可缓解国家新型城镇化进程中面临的城市淡水资源的日益短缺及其衍生问题[1,2,6]。

1 合肥市雨水资源利用潜力分析

合肥地处亚热带季风气候区,气候四季分明,雨水资源较为丰富。根据1971-2000年合肥市降雨资料统计,合肥区域年平均降雨量约995.3 mm,合肥市建设用地规划,到2020年,合肥市主城区年雨水资源量(降雨径流量)约为3.58亿m3,提高合肥市雨水资源量利用率,可以缓解部分合肥市淡水资源日趋严峻的情况,故合肥市雨水资源有较大的利用潜力[2]。

2 雨水收集和回用系统在工程中的应用实例

2.1 项目概况

巢湖市图书馆、档案馆、城建档案馆项目(以下简称巢湖市“三馆”建设项目)用地位于巢湖市健康西路以南，银屏路以西,本工程为图书馆、档案馆、城建档案馆三馆合建,如图1所示，属于二类公共建筑,总建筑面积为25 990 m2,其中地上面积22 950 m2(图书馆9 500 m2、档案馆10 000 m2、城建档案馆2 600 m2、公共建筑850 m2),地下面积为3 040 m2。建筑物南北长约为118 m,东西宽约为46 m;建筑物地上5层,局部地下室1层。建筑物总高度约为23.95 m。占地面积14 694 m2,绿地面积4 862 m2,屋面面积有4 318 m2。2016年12月开始,2020年3月竣工。项目雨水利用系统主要收集屋面、道路这两种下垫面的降雨径流,在项目东侧绿化带下方设置了120 m3的PP模块雨水处理收集系统,收集雨水在该系统处理后在该项目作后续日常杂用水使用。对绿地雨水主要通过原状土下渗补充地下水。

图1 巢湖市“三馆”项目鸟瞰图

2.2 雨水收集利用平衡量分析

W=α·β·Ψ·A·H

(1)

式中：W为年雨水收集量,m3;α为折减系数;(取值0.78)；β为雨水初期弃流系数;(取值0.86)；Ψ为降雨径流系数;(道路、屋面取值为0.9,绿地取值0.15)；H为平均年降雨量,m;A为汇水面积,m2。

2.2.1 项目年雨水收集量

根据式(1)分别计算三种下垫面(道路、屋面、绿地)的年雨水收集量。

(1) 屋面年雨水收集量:

W1=0.78×0.86×0.9×4318×995.3÷1000

=2 594.6 m3

(2) 道路年雨水收集量:

W2=0.78×0.86×0.9×5514×995.3÷1000

=3 313.3 m3

(3) 绿地年雨水收集量:

W3=0.78×0.86×0.15×4862×995.3÷1000

=486.9 m3

该项目年雨水收集量:

W=W1+W2+W3=2 594.6+3 313.3+486.9=8 989.4 m3

2.2.2 项目年杂用水量

该项目雨水收集用途为项目内绿化带的浇洒和内部道路的冲洗。根据《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)确定相关用水定额[2](表1):绿化浇灌日用水定额为2 L/(m2·次),绿地面积为4 862 m2;道路清洗日用水定额为0.5 L/(m2·次),道路面积5 514 m2。

表1 杂用水日使用量

项目全年绿化浇灌次数定为180次,项目全年道路清洗次数定为24次,则可以得出项目全年杂用水量[2](表2)。

表2 目全年杂用水使用量

故本项目年雨水收集量可以满足全年总杂用水量,该雨水收集利用系统的运行具有一定的经济价值。

2.3 雨水收集利用系统分析

本项目三种下垫面的雨水利用工艺流程如图2所示,该项目屋面雨水收集量就已可以满足项目杂用水需求,故绿地雨水主要利用下渗途径补充地下水。项目道路雨水一部分通过波纹透水软管下渗对地下水进行补充,另外部分通过初期弃流后进入PP模块雨水收集处理系统。通过后续处理流程后作杂用水使用[3]。

图2 三种下垫面雨水利用工艺流程图

2.3.1 雨水预处理系统

绿地雨水预处理系统包括改良土壤种植层和建筑砂砾石蓄水层。本项目绿地类型选用下凹式绿地,降雨事件中产生的雨水径流主要通过雨水下渗,并经过改良土壤种植层和建筑砂砾石层的过滤预处理后通过渗透管下渗补充地下水。屋面雨水和道路雨水的预处理系统包括截流溢流井和弃流井,截流溢流井由两口井并联组合,雨水先流入A井内,通过5 mm不锈钢网,5 mm以上的杂质进入清掏井B,定期对其中杂质过滤物进行清掏。弃流井采用小管弃流的方式对降雨初期雨水进行弃流。降雨初期,雨水径流初步形成,其中污染物浓度较高,这一部分雨水通过低位敞口弃流管作弃流处理;降雨中后期,雨水通过两根进出水管进入后续的PP模块雨水收集处理系统[6]。

2.3.2 雨水处理系统

降雨径流经过截流溢流井和弃流井初步处理后，进入PP模块雨水储存沉淀池，经过初步沉淀再经侧压过滤器过滤，该侧压过滤器规格为10 m×0.25 m×1.2 m；材质为PP。滤料采用纤维滤料，滤料需要定期进行冲洗。雨水经过侧压过滤器过滤后，进一步经过生物自洁层深化处理。综合经过该雨水处理系统净化，可以有效降低雨水中SS、COD、TP、TN等污染物浓度[4]。

2.3.3 雨水储存系统

在该项目绿化区域下方设置120 m3PP模块雨水收集处理系统,该雨水储存系统采用PP模块组合而成。PP模块之间采十字形、T字形插件连接,使各PP模块之间相互连接形成整体。在PP模块雨水储存系统外侧包裹防水材料,防水包裹材料为两布一膜结构,即中间为HDPE膜,外部为缓冲布。防水包裹材料通过热熔机焊接而成,焊缝外侧通过防护板保护,防止填埋覆土过程中大粒径砂石划破防水土工布。这种结构布局和施工工艺保障了PP模块组成的雨水储存系统具有良好的密封性。

2.3.4 雨水反冲洗系统

PP模块雨水储存系统底部需铺设反冲洗管道，反冲洗管道均匀布置φ10 mm冲洗孔，孔隙间距20 cm。反冲洗泵对冲洗管道加压供水，通过切换管路中的反冲洗阀门和至设备间处理器阀门进而控制冲洗水流的方向[5]。反冲洗系统可以对池底进行定期冲洗，防止泥沙在池底形成死泥区，污染水质。

2.3.5 雨水收集系统附属设备选型

PP模块雨水处理收集处理系统附属设备选型见表3[7]。

表3 水收集处理系统附属设备选型(泵)

2.4 雨水收集利用综合经济效益分析

2.4.1 直接经济效益

根据《合肥市人民政府办公厅关于调整我市污水处理费、水资源费征收标准和理顺城市供水价格的通知》(合政办〔2015〕53号)非居民(行政事业)到户水价3.4元/m3,其中基本水价1.88元/m3、污水处理费1.4元/m3、水资源费0.12元/m3。该项目雨水利用系统收集的年雨水资源替代市政自来水可节省费用为3.4元/m3×8 989.4 m3=30 563.96元。初步估算合肥市主城区年雨水利用而节省费用为3.4元/m3×3.58亿m3=12.17亿元。

2.4.2 间接经济效益

合肥市推行雨水资源化利用,可有效降低城市排水管网在暴雨事件中负荷过载概率,减少城市内涝发生的频次。减少城市降雨径流随排水管网进入污水处理厂,缓解城市污水处理厂的运行荷载。而收集的部分雨水可以通过下渗途径补充地下水,恢复城市水文循环,减缓城市热岛效应。缓解多年来过度开发城市地下水资源而造成的地面沉降问题[8-9]。

3 结论及展望

通过初步探讨雨水资源化利用在实际工程中的应用,根据项目三种下垫面雨水利用工艺处理流程,对项目绿地雨水利用主要以下渗补充地下水为主,收集部分道路雨水和屋面雨水,经过处理净化替代市政自来水作杂用水使用。简要分析了雨水回用系统所产生的综合经济效益。验证了在合肥市推广雨水回用可以产生较高的经济效益,通过合肥市该公共建筑项目的雨水回用系统的深入分析,为合肥市后续新建项目雨水回用系统的实施提供借鉴。