雨水收集利用系統(tǒng)的探討

糜思慧

（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司市政工程設(shè)計(jì)院，上海200041）

0 前言

隨著城市化的進(jìn)一步加速，城市缺水的矛盾也進(jìn)一步加深，環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題也同步擴(kuò)展。為了解決缺水、環(huán)境、生態(tài)等一連串的矛盾，人們開(kāi)始關(guān)注雨水的收集和利用。近十年來(lái)，城市雨水利用技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代化城市對(duì)水資源的保護(hù)和城市水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以及可持續(xù)發(fā)展的要求。

現(xiàn)代城市雨水利用是一種新型的多目標(biāo)綜合性技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有節(jié)水、水資源保護(hù)、控制城市水土流失和水澇、減少水污染和改善城市生態(tài)環(huán)境等。目前上海許多住宅小區(qū)也以改善和提高人們居住環(huán)境和生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，已逐步建設(shè)了分散住宅和建筑群集中式的雨水集蓄利用中水系統(tǒng)；屋頂綠化雨水利用系統(tǒng)；生態(tài)小區(qū)雨水綜合利用系統(tǒng)等。

1 雨水收集利用的必要性

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，一方面澆灌綠化、沖洗馬路、消防等公益用水及洗車等新興用水行業(yè)的增加加重了自來(lái)水供應(yīng)的負(fù)擔(dān)，另一方面在暴雨季節(jié)也會(huì)給城市帶來(lái)雨水排放的困難。雨水收集利用正好解決了上述兩個(gè)問(wèn)題，并且可以減少城市道路雨水徑流量，減輕城市排水的壓力，所以雨水收集利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分必要和及時(shí)的。

2 雨水收集利用的可行性

根據(jù)雨水利用的相關(guān)規(guī)范，權(quán)衡技術(shù)帶來(lái)的效益和所投資金，雨水收集利用適合于年降雨量400 mm以上的地區(qū)，對(duì)于年降雨量小于400 mm則不提倡。參照農(nóng)業(yè)雨水利用的經(jīng)驗(yàn)，年降雨量小于300 mm的地區(qū)不提倡發(fā)展人工匯集雨水灌溉農(nóng)業(yè)，而注重發(fā)展強(qiáng)化降水就地下入滲技術(shù)與配套農(nóng)藝高效用水技術(shù)。所以年降雨量小于400 mm的城市可采用雨水入滲。

因此雨水充沛是雨水收集利用的先決條件，根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，上海市年均降雨量1 164.5 mm，年均最大月降雨量169.6 mm（6月），南京市年均降雨量1 062.4 mm，年均最大月降雨量193.4 mm（6月），杭州市年均降雨量1 454.6 mm，年均最大月降雨量231.1 mm（6月），江浙滬一帶的氣候特征可以發(fā)展這一系統(tǒng)。匯流的介質(zhì)里屋面是一個(gè)最好的雨水收集點(diǎn)，其水質(zhì)相對(duì)較好，便于收集，宜于直接利用。另外馬路、廣場(chǎng)、操場(chǎng)、綠地等也是收集雨水的好地方。所以江浙一帶有足夠的雨水，有足夠的雨水收集場(chǎng)所，雨水收集利用是可行的。

3 收集雨水的方法

（1）地下蓄水池，用于收集屋頂、庭院和地面的雨水，所收集的雨水主要用于洗車、澆灌綠化、水景噴泉或消防用水等。蓄水池的結(jié)構(gòu)主要為鋼筋混凝土，并設(shè)有去除初期雨水、過(guò)濾、沉淀池等裝置。這種蓄水池還需要收集、輸送系統(tǒng)，因此，技術(shù)要求高，投資較大。

（2）地上儲(chǔ)雨容器（桶、罐），多用于收集屋頂雨水，所收集的雨水主要用于庭院灑水、澆灌花草，節(jié)約自來(lái)水。儲(chǔ)雨容器主要為鐵桶、塑料罐和其他容器等，體積一般都小于1 m3。根據(jù)水的用途可以考慮安裝或不安裝初期雨水去除器。這種儲(chǔ)雨裝置可以直接接在雨水立管上，制作簡(jiǎn)單。

4 某基地屋面雨水收集利用的設(shè)計(jì)實(shí)例

該基地的水是作為主要景觀元素提供了多樣性的景觀效果，水系設(shè)計(jì)的主旨體現(xiàn)為水資源的節(jié)約利用——最為理想和經(jīng)濟(jì)的凈水資源是通過(guò)屋頂排水收集而來(lái)的自然降水。為了在非雨季也能夠有可利用的水資源，收集的屋頂雨水將被儲(chǔ)存在地下蓄水池中，并通過(guò)砂濾池處理后經(jīng)水泵打入湖內(nèi)，以此來(lái)彌補(bǔ)湖水的蒸發(fā)損失（見(jiàn)圖1）。

圖1 屋面雨水收集利用實(shí)例示意圖

4.1 屋面雨水量計(jì)算參數(shù)

（1）江蘇省某市暴雨強(qiáng)度公式：

式中：P——暴雨重現(xiàn)期，屋面P=10 a；

t——降雨歷時(shí)，min。降雨歷時(shí)公式如下：t=t1+m·t2（min）

式中：t1——地面積水時(shí)間，t1=5 min；

t2——管內(nèi)雨水徑流時(shí)間， min；m——管道折減系數(shù)，m=1～2；

q——暴雨強(qiáng)度，L／s·hm2。

（2）雨水量計(jì)算公式：

Q=q·ψ·F(L/s)

式中：Q——雨水設(shè)計(jì)流量，L／s；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L／s·hm2；

ψ——徑流系數(shù)，平屋頂0.85，綠化屋頂0.35；F——匯水面積， hm2。

（3）粗糙系數(shù)：塑料管 n=0.01。

（4）管道最小設(shè)計(jì)流速為0.75 m/s。

4.2 雨水利用系統(tǒng)

基地屋面雨水利用系統(tǒng)是利用生態(tài)學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，通過(guò)人工凈化和自然凈化的結(jié)合，雨水集蓄利用、滲透與園藝水景等相結(jié)合的綜合性設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)建筑、園林、景觀和水系的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一，以及人與自然的和諧共存。這種系統(tǒng)具有良好的可持續(xù)性，能實(shí)現(xiàn)效益最大化，達(dá)到意想不到的效果。一般包括屋頂綠化、水景、滲透、雨水回用、收集與排放系統(tǒng)等。

基地的屋頂總面積約7.5 hm2，屋面雨水由屋面雨水管道收集經(jīng)沉淀池預(yù)處理后進(jìn)入5 000 m3的蓄水池中，主要用于基地內(nèi)人工湖的補(bǔ)水、景觀水供給以及澆灌。該基地為了保證收集雨水的干凈，設(shè)計(jì)了兩套雨水收集系統(tǒng)，將屋面雨水收集與其他雨水分開(kāi)?；貎?nèi)屋面雨水由立管接至屋面雨水管道集中收集后至平流式沉砂池，然后經(jīng)格柵間由1#提升泵房提升至蓄水池，接著再由2#提升泵房提升至沙濾池處理，最后排放至人工湖。工藝流程見(jiàn)圖2所示。

圖2 工藝流程圖

雨水通過(guò)沉砂池、蓄水池去除了較大顆粒的污染物，然后再經(jīng)過(guò)沙濾池進(jìn)一步凈化，最后接至人工水體。通過(guò)水體基層、水生植物和沙等處理，使水系統(tǒng)達(dá)到一種良性循環(huán)，使建筑、生物、水等元素達(dá)到自然的和諧與統(tǒng)一（見(jiàn)圖3）。

圖3 屋頂雨水收集示意圖

4.2.1 屋頂設(shè)計(jì)

屋頂綠化是一種削減徑流量、減輕污染和城市熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)建筑溫度和美化城市環(huán)境新的生態(tài)技術(shù)，也可作為雨水集蓄利用和滲透的預(yù)處理措施。

植物和種植土壤的選擇是屋頂綠化的技術(shù)關(guān)鍵，防滲漏則是安全保障。植物應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀粭l件，篩選本地生的耐旱植物，還應(yīng)與土壤類型、厚度相適應(yīng)。上層土壤應(yīng)選擇孔隙率高、密度小、耐沖刷、且適宜植物生長(zhǎng)的天然或人工材料。屋頂綠化系統(tǒng)可提高雨水水質(zhì)并減小屋面徑流系數(shù)，有效地削減雨水徑流量。

目前國(guó)內(nèi)還推出一種積水樹(shù)脂雨水屋檐槽，并且和雨水立管連接為一體。這種樹(shù)脂雨水屋檐槽首先不會(huì)因?yàn)橛晁仍蜃冑|(zhì)，能夠柔和的阻擋負(fù)荷；其次它的形狀將滴水量控制在最小范圍，大量雨水不會(huì)從屋檐流下，并且不容易受污染，具有清潔感的檐頭還能清晰地勾勒出住宅的輪廓。

4.2.2 平流沉砂池

雨水中可能存在很多漂浮物和大型顆粒物，為防止這些雜物進(jìn)入蓄水池，之前設(shè)置沉砂池。初期雨水的污染物含量很高，如果將這部分雨水排除可以大幅度減輕處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)將初期雨水（2～5 mm）棄流，就近排入基地另一路雨水管道。平流沉砂池內(nèi)設(shè)有進(jìn)水井、沉砂池和排渣泵房。

進(jìn)水井首先接納屋面雨水收集系統(tǒng)的雨水，井內(nèi)設(shè)有溢流管、進(jìn)水閘門，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)水井后進(jìn)入沉砂池，設(shè)計(jì)水平流速0.25 m/s，有效水深1.04 m。沉砂池設(shè)二格，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池底泥砂斗集中排至排渣泵房，泥渣經(jīng)潛污泵提升后打入市政污水管道。

4.2.3 格柵間

水流經(jīng)過(guò)平流式沉砂池后去除大顆粒后進(jìn)入格柵間，再去除小顆粒進(jìn)入蓄水池，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。過(guò)濾掉的顆粒選用格柵除污機(jī)2臺(tái)，柵條間隙為20 mm，格柵安裝角度75°。鑒于格柵間空間較小，選用回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)。

4.2.4 1#提升泵房

格柵間后為1#提升泵房，泵房?jī)?nèi)設(shè)潛水混流泵4臺(tái)。泵房采用地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

控制方式：集中與就地相結(jié)合，潛水泵根據(jù)水池水位啟停，設(shè)有水池高低水位報(bào)警裝置。

為了便于建成后的運(yùn)行管理，泵站內(nèi)應(yīng)配備下列主要附屬設(shè)備：泵站內(nèi)設(shè)液壓計(jì)、流量計(jì)、H2S監(jiān)測(cè)儀。設(shè)置信號(hào)及電器控制系統(tǒng)。水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉由液位計(jì)就地自動(dòng)控制，同時(shí)又可人工控制。

4.2.5 雨水蓄水池

水流由1#提升泵房提升后進(jìn)入蓄水池。由于雨水的收集和使用是不同步的，所以雨水蓄水池可用于平衡雨水收集量和使用量。

雨水蓄水池設(shè)置溢流管，溢流管的直徑大于或等于進(jìn)水管直徑，管內(nèi)底標(biāo)高應(yīng)高于水池內(nèi)最高蓄水水位100 mm。蓄水池內(nèi)設(shè)進(jìn)水管、出水管、溢流管、通氣管。蓄水池容積按5 000 m3考慮。為防止蓄水池內(nèi)水質(zhì)變壞，池內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墻。蓄水池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

為了防止沉淀物在水池內(nèi)聚集，設(shè)計(jì)沖洗系統(tǒng)，靠近水池底部沿著周邊呈環(huán)形布置，在管道上等距離分布著具有導(dǎo)向性水流作用的噴水口。噴水口與水平成45°夾角，既可以沖刷池底，也可以對(duì)水池水進(jìn)行擾動(dòng)，使其產(chǎn)生環(huán)形的流動(dòng)，擴(kuò)大攪動(dòng)范圍。

4.2.6 2#提升泵房

蓄水池內(nèi)水流由2#提升泵房提升至沙濾池。泵房與集水池合建，采用漸擴(kuò)渠過(guò)渡。泵房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)污水泵，將蓄水池內(nèi)的污水提升至砂濾池。

4.2.7 沙濾池（見(jiàn)圖4）

圖4 沙過(guò)濾系統(tǒng)示意圖

沙循環(huán)系統(tǒng)引入德國(guó)的技術(shù)應(yīng)用于屋面雨水的收集和再利用。沙過(guò)濾采用自然的形式，帶有底部種植區(qū)的開(kāi)放盆地作為過(guò)濾池。在過(guò)濾池底部鋪設(shè)排水管，用于將過(guò)濾后的雨水引流至人工湖，底部作防水膜以防流入地下。通過(guò)雨水徑流過(guò)濾，阻止水體富營(yíng)養(yǎng)化和水體的淤塞，分離水體中的碳、重金屬及磷元素。

過(guò)濾池的體積主要按照雨水蓄水量來(lái)計(jì)算，沙過(guò)濾池面積大于100 m3/hm2，最大累計(jì)高度值40 m/a。過(guò)濾基質(zhì)通過(guò)對(duì)過(guò)濾雨水成分以及最終過(guò)濾凈化需求進(jìn)行計(jì)算。

4.2.7.1 植物種植

沙過(guò)濾系統(tǒng)的種植目的在于防止淤積，蘆葦是比較理想的植物，而草、鳶尾屬、香蒲等植物不適合。草對(duì)于土壤為過(guò)濾基的過(guò)濾系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致水分滯留時(shí)間過(guò)程及過(guò)度沉淀等不良后果，香蒲則會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾層種生物量增多，使過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)載。在水流入口區(qū)域的種植區(qū)種植蘆葦，可分離過(guò)濾系統(tǒng)表層的沉淀物和懸浮物，進(jìn)一步穩(wěn)固過(guò)濾池底部土壤層以及增加過(guò)濾層氧氣。

4.2.7.2 沙過(guò)濾系統(tǒng)

為保證基地內(nèi)的優(yōu)良水質(zhì)，要保持低濃度的磷酸鹽含量。沙過(guò)濾系統(tǒng)能確?；貎?nèi)部水質(zhì)的長(zhǎng)期安全性。 循環(huán)周期分為（1）注水期；（2）過(guò)濾期；（3）干燥期。每次循環(huán)保證最少5d的干燥期，以恢復(fù)過(guò)濾材料的性能，讓砂層補(bǔ)充氧氣。

沙過(guò)濾系統(tǒng)——礫石沙和礫石可濾除細(xì)小顆粒；

——含碳酸鹽成分的濾沙，可濾除細(xì)小顆粒，微生物，中和COD及氨基鹽含量；

——優(yōu)質(zhì)沙可濾除細(xì)小顆粒，微生物，中和COD及氨基鹽含量，以及降低磷元素和重金屬元素含量。

過(guò)濾層設(shè)計(jì)0.8 m厚的堿性沙單層過(guò)濾層，顆粒直徑 0～2 mm，CaCO3含量大于 2 mg/kg。

沙過(guò)濾池設(shè)計(jì)為至少2 mm厚的HDPE膜密封的泥土地，可確保地下水不上滲，濾池水不下滲到土壤層。密封性需通過(guò)滲水測(cè)試來(lái)確保其不滲透性。

4.2.7.3排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)鋪設(shè)于密封層上的25～30 cm厚礫石層中，布滿氣孔的排水管最小直徑150 mm，氣孔的氣口寬度1.0～1.3 mm。排水集水管由封閉管道構(gòu)成。

排水管間距3～5 m；

排水管長(zhǎng)度不大于20 m；

接至蓄水池的排水管數(shù)量≤10根。

為防止蘆葦根系造成的負(fù)面影響，排水管需覆保護(hù)膜。

4.2.7.4安全保障

沙過(guò)濾池的浮力上升安全保障取決于過(guò)濾池和地下水的標(biāo)高比例；

為防止過(guò)濾系統(tǒng)淤積，沿過(guò)濾池的上基線設(shè)置緊急溢流槽；

為防止出水口水流湍急而造成的沖蝕，需鋪設(shè)石塊等作為防御措施。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)對(duì)城市雨水水質(zhì)特性和相應(yīng)處理技術(shù)的研究尚處于初級(jí)階段，隨著城市雨水利用技術(shù)的推廣和城市非點(diǎn)源污染控制的開(kāi)展，雨水凈化處理會(huì)受到越來(lái)越多的重視。現(xiàn)代城市雨水利用是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程，根據(jù)項(xiàng)目各種因素和條件的不同，宜采用的方案也可能完全不同，要充分考慮收集利用和各種滲透設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)及適用

條件，通過(guò)水量平衡、水力計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)確定方案，力求最佳效

果。關(guān)于屋面雨水的收集利用形式及方案仍有待于進(jìn)一步研究和探討。

[1]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院.國(guó)家體育場(chǎng)雨水收集池設(shè)計(jì)[R].

[3]北京泰寧科創(chuàng)科技有限公司.雨水收集與利用系統(tǒng)[Z].