長沙市小區綠色建筑雨水收集設施研究

張文萍，黃用賢，肖衛華，楊良玖，熊子維

（1.湖南農業大學工學院，湖南 長沙 410128；2常德市鼎城區水利局，湖南 常德 415000）

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長沙市小區綠色建筑雨水收集設施研究

張文萍1，黃用賢2，肖衛華1，楊良玖1，熊子維1

（1.湖南農業大學工學院，湖南 長沙 410128；2常德市鼎城區水利局，湖南 常德 415000）

摘 要：以小區單獨建筑物屋面雨水為研究對象，分析了長沙降雨量變化特性和屋面年徑流可利用潛力；設計了屋面雨水集雨系統，即初期雨水棄流裝置以及蓄水池系統，后者包括雨水凈化與有效容積確定；其中，設計混凝沉淀箱、過濾箱及儲水箱，微納米增氧系統增加水體溶解氧含量，可提高水體自凈能力，達到雨水回灌地下水的標準。

關鍵詞：海綿城市；屋面雨水；混凝沉淀；過濾；微納米增氧系統

近年來，隨著我國城市化進程的推進，綠色建筑迎來了新的發展機遇，2015年4月2日，財政部、住房城鄉建設部、水利部選擇常德等城市開展海綿城市建設試點，以期通過人工和自然、生態措施和工程措施，調節微氣候、改善水生態，并提出優先鼓勵舊城改造，包括城市水系統、市政道路、綠色建筑小區等，通過海綿城市建設，使70％的降雨就地消納和利用，到2030年，80％的城市建成區要達到這個要求。而綠色建筑小區建設可以激發起居民愛護水環境、呵護水環境的心態，實現人類與自然水生態和諧相處的目標，也能夠最大程度地減少對水環境的影響。雨水收集利用作為綠色建筑基本的技術要求，得到大規模的推廣利用。

長沙水資源總量雖然比較豐富，但時空分布不均，存在季節性缺水。隨著長沙市經濟快速發展，需水將不斷增大，供需水矛盾和供需水危機突出。陳勇等[2]對以往長沙市年均雨日檢測發現，降雨量及降雨天數有所減少，平均每10 a降低2 d，新氣候變化條件下綠色建筑小區建設需要對單獨建筑物原有雨水收集利用系統的改造、雨水利用形式和系統合理性進行綜合考慮，以期實現雨水資源化及低影響開發。

1　資料來源與研究方法

查找1998～2014 年的氣象資料，對長沙1998～2014 年的年總降雨天數和降雨量進行統計分析（降雨量資料來自湖南省統計年鑒）。根據長沙市1998～2014 年最大一日、最大一月降雨量系列計算水文頻率。參照文獻[3-4]計算屋面年徑流可利用潛力。設計屋面雨水集雨系統，蓄水池系統，分析雨水凈化處理后的水質。

2　結果與分析

2.1長沙降雨量變化特性

對長沙1998～2014 年的年總降雨天數和降雨量進行統計分析，結果如圖1所示。長沙市年平均降雨量為1 403.53 mm，年總降雨天數158.9 d，總體呈現分布不均勻，雨量雨季較為集中的特點，尤其近15 a降雨分布波動比較大。自1998年以來，已有1998、2003、2008和2009年出現豐水、枯水差異顯著，表現為枯水期來得更早、持續時間更長、降雨量及降雨天數有所減少，2009年當年雨勢突變減少趨勢顯著，水資源量的時空分配進一步呈不均勻趨勢[1-3]。由圖2可知，月平均降雨量為116.96 mm，月總降雨天數13.24 d，大多雨水都集中在3～7月，降雨量峰值最高集中夏季。日平均降雨量分布較為均衡，但總體降雨趨勢相對集中，2015年5月25日4:00～26日3:00，出現日最大暴雨量144.7 mm，甚至出現30 d以上的干旱氣候，這對雨水收集利用系統極為不利。降水在時間和空間上的分布不均勻易造成夏季訊期災害。如對雨水進行合理利用，可以緩解城市市政排水管道壓力，避免水漫街頭給民眾帶來的困擾和危害。

圖1　年平均降雨量與降雨日數變化

圖2　月平均降雨量與降雨日數變化

根據長沙市1998～2014 a最大一日、最大一月降雨量系列進行頻率計算，經驗公式為P=m/（n+1），利用P-Ⅲ型曲線適線，結果如表1所示。

表1　長沙市水文頻率計算

年降雨量尤其近15 a分布波動比較大，降雨量及降雨天數有所減少，因此年降雨量不能按水文中適線法對設計頻率進行計算。

2.2屋面年徑流可利用潛力分析

參考文獻[4]對屋面年徑流可利用潛力進行分析。

式中，Q：屋面年徑流可利用雨量（m3）；ψ：徑流系數，取0.9；α：季節折減系數（取0.9）；β：初期棄流系數（取0.9）；A：集水面水平投影面積（720 m2）；H：年平均降雨量（1 403.53 mm）。

在各匯水面徑流量計算中考慮了初期棄流、季節折減、地表徑流等因素，已將雨水損耗量計算在內，因此，W損耗＝0。

2.3屋面雨水集雨系統設計

2.3.1初期雨水棄流裝置的改進

初期雨水和后期雨水隨降雨量和降雨強度的變化而不同，無法簡單劃分，現有初期雨水棄流技術一般是機械閥門控制和雨量、濁度等的監控相結合，需要設備多，技術復雜，且棄流效率低、耐用性差、投資高，項目對初期雨水棄流裝置進行改進，如圖2所示。

圖2　屋面雨水集雨系統

根據初期棄流時間和降雨強度確定一根雨落管屋面初期雨水棄裝置的容積。按公式（2）、（3）、（4）計算[5-7]：

式中，t：棄流時間（3 min）；i：當地平均降雨強度（mm/min）；F：屋面雨水的收集面積（720 m2）；q：設計降雨強度[L/(s.hm2)]，P：設計降雨重現期（a=10年）；t：降雨歷時（10 min）。經計算，W=0.84 m3。

2.3.2蓄水池系統設計

屋面雨水收集利用方式為屋面雨水收集→蓄水→下滲。其中蓄水箱系統設計主要涉及雨水凈化與有效容積的確定[8]。

（1）雨水凈化。對初期棄流后的屋面雨水，采用“混凝－沉淀－過濾－微納米增氧系統”處理工藝，處理后的水質可達到較高的標準，屋面雨水徑流中含有粘土顆粒，選取聚合氯化鋁為混凝劑聚集成大的絮凝體，然后進入濾柱系統，由濾料對水中雜質截留、吸附，達到凈水的目的，濾柱濾料為石英砂和活化沸石[9-10]。肖衛華發明的污染水體微納米增氧系統，利用高速水流摻氣的水力現象，結合改進的文丘里管與增氧泵，將氣體注入水中，通過改進的“碎泡”水泵，使氧氣能在水中達到極微小納米氣泡，這可大大提高水體增氧效率，從而促進水體微生物生長，提高水體自凈能力。

（2）蓄水池容積設計。集水面積只與屋頂的水平投影面積相關。雨水收集須參考當地的氣象局統計資料，利用水量平衡原理，計算地區的降雨量數據，其體積可按公式（5）計算[7-8]：

式中，V：蓄水池體積（m3）；V'：每月末剩余的雨水量（m3）；Q：每月雨水收集量（m3）；Q'：每月雨水利用量（m3）。

V值設計越大，發生溢流情況就少，安全系數越高，但設施建造的投資費用也越大。因此，應進行綜合考慮。

研究發現，設置在住宅小區、學校等場所收集雨水進行簡單處理，就可以達到市政雜用水標準（表2），用于綠地灌溉、道路澆灑等。若通過混凝加沉淀處理，并利用微納米增氧系統高效增加水體溶解氧含量，提高水體增氧效率，可提高水體自凈能力，達到地下水排放的標準。

表2　雨水凈化處理后的水質分析結果

3　結 論

屋面雨水收集系統相對投資小，管理維護簡單，可為節能型建筑的一個組成部分。雨水經簡單處理可達到市政雜用水標準。原水投加混凝劑出水效果優于直接過濾。石英砂濾柱對屋面雨水中的濁度、SS、COD的去除效果較好。投加混凝劑后充分混凝稍加沉淀后再過濾，出水水質更加優越，可達到生活飲用水的標準。

[1] 周 征.長沙市住宅小區雨水收集工程設計研究[D].湖南農業大學，2010.

[2] 陳 勇.近60年長沙雨日及降水量的氣候變化研究[J].安徽農業科學，2012，40（12）：7266-7268，7391.

[3] 過 亮，王柏俊，李宇森.基于實效的雨水收集利用應用現狀分析[A].第十屆國際綠色建筑與建筑節能大會論文集[C].北京：城市發展研究編輯部，2014.

[4] 周賽軍，任伯幟，鄧仁健.湘潭市地表雨水徑流污染的特性研究[J].環境科學與管理，2008，10（33）：43-46.

[5] 胡茂川.城市屋面雨水利用潛力分析[J].長江流域資源與環境，2012，21（4）：489-493.

[6] 王甜甜.揚州市屋面雨水徑流水質分析及處理試驗研究[D].揚州：揚州大學，2013.

[7 ] 張沛沛，屋面雨水水質處理與地下水化學動態變化研究[D].濟南：濟南大學，2011.

[8] 張自杰.排水工程（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[9] 王兆吉.城市雨水在地下水回灌中的利用分析[J].地下水，2012，34（2）：51-52.

[10] 陳輝霞.沸石滲濾床在城市初期雨水徑流污染控制的應用研究[J].環境工程學報，2012，（2）：57-60.

（責任編輯：夏亞男）

Rainwater Collection Facilities of Community Green Building in Changsha

ZHANG Wen-ping1，HUANG Yong-xian2，XIAO Wei-hua2，YANG Liang-jiu1，XIONG Zi-wei1
（1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 2.Hydropower Bureau of Dingcheng District, Changde 415000, PRC）

Abstract：The groundwater resources protection and restoration has been important for sponge urban construction, green building residential construction could be conducive to the water pollution control, so rainwater collection, as a basic technical requirement of green building, has been in large-scale promotion of its use.This study has discussed roofing rainwater collection of community separate buildings based on analyses of rainfall variation characteristics in Changsha and available potential of annual roof rain runoff, and designed roof rainwater collection systems composed of initial rainwater discarding device, and reservoir system with rainwater purification and effective volume determination, including coagulation-sedimentation tank, filter tank and storage tank with micro nano-aerobic system, which could increase the dissolved oxygen content in water to improve water self-purification ability up to the standard of rainwater for recharging groundwater.The study has provided certain reference for old village renovation construction of the green building community, and improvement of urban water environment.

Key words：sponge city; roof runoff; coagulation precipitation; filtering; micro nano aerobic system

通訊作者：黃用賢

作者簡介：張文萍（1977-），山西文水縣人，副教授，研究方向為水利水資源。

基金項目：湖南省水利廳科技項目

收稿日期：2015-11-15

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.022

中圖分類號：TV213.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2015）12-0075-03