綠色屋頂屋面雨水集蓄利用系統初探

(1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116； 2.徐州市正源水利建筑工程監測中心，江蘇 徐州 221135； 3.江蘇省水利勘查設計研究院有限公司 徐州分公司，江蘇 徐州 221116)

設計與施工

綠色屋頂屋面雨水集蓄利用系統初探

何婷婷1宋莉2趙鵬2吳小青1高將1劉美艷3

(1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116； 2.徐州市正源水利建筑工程監測中心，江蘇徐州221135； 3.江蘇省水利勘查設計研究院有限公司徐州分公司，江蘇徐州221116)

結合綠色屋頂屋面雨水集蓄利用技術，可以就地收集并充分利用屋面雨水。從設計角度分析不同類型綠色屋頂的特點和雨水收集利用的關鍵，針對目前兩類主要的綠色屋頂提出相應的雨水集蓄利用模型，包括屋面雨水收集系統總體平面布置、蓄水池的位置、結構設計和容積確定，以及地下集水管的構造和剖面設計，并給出相應的設計圖?？蔀榫G色屋頂屋面雨水收集利用系統在工程中的具體應用提供理論依據。

綠色屋頂；雨水集蓄利用；蓄水池；集水溝；地下集水管

由于綠色屋頂具有改善生態環境、減輕城市熱島效應和溫室效應、降音除噪、美化城市上空、調蓄降雨徑流、吸納有害氣體和除塵等多重功能，近年來在全國得到了廣泛應用。很多學者分別從各個方面研究綠色屋頂的區域應用性[1]、綠色屋頂對城市水質水量、屋面徑流污染[2-3]以及城市發展和節能環保等方面的影響[4-7]等，為其今后的發展方向和路徑提供了依據。

屋面排水作為建筑排水的重要組成部分，對于整個建筑的造價和性能至關重要。近年來國內外專家學者對屋面雨水的收集和利用做了大量研究，將屋面雨水收集回用系統成功應用在世博文化中心、居住區水景和一些重要的交通樞紐工程中[8-10]。既然綠色屋頂具有調蓄屋面雨水徑流的功能，如果能將屋面雨水就地收集用于綠色屋頂的灌溉，不但能減輕建筑排水的壓力，降低建筑排水的投入，更能減輕市政管網排水的壓力和緩解城市的雨洪壓力。本文以此為切入點，主要研究綠色屋頂和屋面雨水收集回用系統的綜合應用。

1 綠色屋頂的分類

所謂“綠色屋頂”，是指全部或者部分被植物和其生長基質所覆蓋的建筑物屋頂，一般安置在一層防水膜之上，主要包括植物和人工基質兩部分。目前國際上沒有關于綠色屋頂分類的統一標準，按照植物的類型、覆蓋范圍以及綠色屋頂所起到的景觀和生態效應，綠色屋頂大體可以分為3類，即開敞式、半密植型和密植型屋頂。

開敞型綠色屋頂也稱簡單性綠色屋頂，是指在很薄的土壤種植介質層上(一般為200 mm以內)，種植一些地被類的輕型植物所形成的屋頂。這類屋頂一般種植成本較低，施工較簡單，不需要專門的維護和灌溉，但是對植物的選擇也比較局限，不太適合作為人們的休憩場所使用。

半密植型綠色屋頂是指適用于種植瓜果蔬菜或者采用模塊式種植的屋頂綠化模式。這類屋頂一般介于開敞型和密植型屋頂之間，投入成本相對較高，管理維護的成本也比較高，但是對植物的選擇上更加寬泛，屋面的視覺造型和結構功能也更加靈活多樣，對屋頂的荷載要求也較高。

密植型綠色屋頂也稱花園式綠色屋頂，是一種供人們休憩和作為景觀使用的屋頂形式。這種綠色屋頂的植物種植介質一般可以達到2 000 mm厚度，植物可以選擇地被類植物，也可以選擇喬木和灌木，屋頂上甚至可以修建亭臺樓閣、小橋流水類人工景觀，這類屋頂一般成本高、施工難度大，屋頂需要經常性的維護和灌溉，對屋頂的結構和荷載要求也非常高，適用于一些商業建筑和對景觀要求較高的建筑。

下面分別從各類綠色屋頂雨水集蓄利用系統的總體布置以及具體構筑物的細部構造方面來詳細說明綠色屋頂的雨水收集利用設計。

2 開敞型和半密植型雨水集蓄利用系統

2.1 系統總體布置

由于開敞型綠色屋頂的屋面植物大多為地被類的輕型植物，因此適合修建在一些屋頂承重較小的結構上。這類綠色屋頂雨水集蓄利用的關鍵是收集植被表面所產生的徑流，存蓄起來以供缺水時灌溉使用，但是因為種植基質薄，土壤對雨水的存蓄能力有限，所以還應當考慮超過設計重現期的雨水排除問題。

圖1 開敞型和半密植型屋面雨水集蓄利用系統平面示意

圖1給出了一種充分利用屋頂坡度的雨水集蓄利用系統的平面布置圖，利用綠地集水溝充分收集綠地表面所產生的徑流，綠地集水溝內的水通過U型集水溝最終匯入到各個蓄水池中，由于徑流不可避免地會有土粒和雜質，因此在雨水進入蓄水池前設置濾網進行過濾，蓄水池采用開敞式蓄水池，其容積根據所收集綠地雨水的面積和設計降雨強度確定，考慮到屋面承重的要求，因此蓄水池容積不宜太大，以1～2 m3為宜。同時由于屋面本身具有一定的坡度，當坡度大于10°時，上一級蓄水池內蓄積的雨水又可以作為下一級綠地的灌溉使用，此時可在上級蓄水池中接入導流管直接將雨水引入下級綠地中，具體布置見圖2。這種平面布置模式設計簡單，施工方便，也能盡可能充分地利用屋面雨水。結合建筑結構和建筑美觀等方面的相關要求，屋面蓄水池的深度不宜太大，一般取和基質層深度相同即可，其平面尺寸宜為矩形并靠近屋頂女兒墻設置，以便多余雨水可以通過女兒墻外的溢流管排出。

圖2 開敞型和半密植型屋頂雨水集蓄利用系統剖面示意

2.2 蓄水池結構設計

根據蓄水池在屋頂的位置不同，開敞型和半密植型綠色屋頂的蓄水池大體分為2種類型，如圖3和圖4所示。

圖3 Ⅰ型蓄水池結構示意

圖4 Ⅱ型蓄水池結構示意

由于Ⅱ型蓄水池設置在屋頂靠近屋檐的角落，因此蓄水池的平面形式和容積都受到一定限制，蓄水池中蓄積的雨水也不能用于下一級屋面植物的灌溉，因此將排水管和泄水管都布置在墻體里，并且和豎向排水立管相連。由于蓄水池設置在屋頂上，為了防止蓄水池內的雨水滲入室內影響建筑的使用和壽命，在蓄水池下部和屋頂混凝土結構層之間需設置防水層，并用結合層與屋面相連，蓄水池的平面形式可以布置成矩形、圓形等多種形式，位置也不一定受上圖限制。蓄水池的容積對于雨水利用效率和屋面荷載有較大影響，也直接影響系統的工程造價，其具體的容積要根據屋面植物的類型、人工基質的厚度、蓄水能力和灌溉的頻率合理確定。在設計蓄水池時，可按照水量平衡原則進行設計，但也要充分考慮植物對雨水的截留和基質的雨水入滲，當綠地徑流量大于灌溉需求量時，以灌溉需求量作為蓄水池設計依據；當灌溉需求量大于綠地徑流量時，以綠地徑流量作為蓄水池設計依據。總之，在滿足灌溉需要的前提下，充分考慮屋頂對于荷載的要求，蓄水池容積不宜過大。

根據南京市建筑設計院應用數理統計法(計算機迭代)，江蘇徐州地區屋面雨水設計流量采用下列公式：

(1)

式中，q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設計重現期，a；t為降雨歷時，min。

根據室外給水設計規范規定，澆灑綠地用水可按澆灑面積取1～3 L /(m2·d)，此處取屋面面積為20 m×20 m，澆灑定額取2L /(m2·d)，則澆灑屋頂綠地用水800 L /d，設計考慮儲存一周的灌溉用水，則為 5.6 m3/周。

設計雨水流量采用公式

Q=qΨF

(2)

式中，Q為雨水設計流量，L/s；q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；Ψ為徑流系數；F為匯水面積，hm2。其中Ψ按綠化屋面取0.35；按一般建筑考慮，設計重現期取5 a；集水時間按5 min計，代入式(2)，則有Q=5.3 L /s

初期徑流棄流量

Wi=10×δ×F

(3)

屋面雨水的初期棄流主要是采用棄流裝置進行，詳見圖5。

圖5 初期雨水棄流裝置示意

屋面雨水設計徑流總量

=133.07 m3

式中，Ψc為雨量徑流系數；hy為設計降雨厚度，mm。雨水儲存設施的有效儲水容積不宜小于集水面重現期1～2 a的日雨水設計徑流總量扣除初期徑流棄流量，即為133.07-1=132.07 m3，由此可見，在滿足屋頂結構承重設計的基礎上，為滿足屋頂綠地一周澆灑用水需求，只需設置1～2m3蓄水池3～6個即可滿足要求，多余雨水可通過溢流管排出，同時考慮女兒墻的高度限制，蓄水池的高度宜為1m以下，避免為了保證水池的容積而增加女兒墻高度。

3 密植型屋面雨水集蓄利用系統

3.1 系統平面布置

密植型綠色屋頂主要是作為景觀和供人們休憩使用，因此對屋頂的結構和承載能力要求較高，這類屋頂的人工基質往往較厚，可種植物類型也較多，還可以配合景觀水體和亭臺水榭一起使用，因此屋面植物對雨水的截留和土壤的需水能力都比較強，這類屋頂設計雨水集蓄利用系統的關鍵是收集滲入土壤深層的多余雨水，防止雨水進入室內，收集的雨水可以集中用于屋頂植物的灌溉。

圖6是花園式綠色屋頂雨水集蓄利用系統的平面布置圖，為了方便收集整個屋面滲入基質中的多余雨水，在屋頂中間設計蓄水池，考慮屋頂美觀，蓄水池上部有蓋板，蓋板上部有20 cm厚的人工基質，上部可種植草類植物；蓄水池池壁下端設計地下集水管，集水管有一定坡度，通過地下集水管將種植基質中的多余雨水收集到蓄水池，用于屋頂植物的集中灌溉?？紤]到集水管的布置比較密集，蓄水池靠近池底的池壁需要接較多雨水管，會影響蓄水池池壁的結構強度，另外考慮雨水的有組織匯流，將每8根集水管靠近蓄水池池壁處連在一起，并加設一個雨水檢查井，檢查井后用管道直接和蓄水池池壁相連。整個雨水集蓄利用系統位于人工基質中，人工基質厚度在2 000 mm，位于屋頂結構層之上，人工基質上部種植各種植物。

圖6 密植型綠色屋頂雨水集蓄利用系統平面示意

3.2 蓄水池結構設計

考慮到屋頂的美觀，蓄水池設計的比屋頂種植面低200 mm，采用磚結構，上面設計蓋板以防人員跌入，并且由于蓄水池容積較大，為了防止池內產生的有害氣體溢出池外造成污染和意外，在蓄水池蓋板中間設置通氣孔，在蓋板上覆蓋一定厚度的人工基質并種植地被類輕型植物滿足美觀需要，蓄水池底部同樣要做防水處理，考慮到收集的雨水對水質的要求，在集水管周圍一定厚度設置粗砂過濾層并且在集水管外部設計土工布進行滲水過濾。蓄水池的具體結構見圖7。

圖7 蓄水池結構示意

滲透設施的滲透量應按下式計算：

Ws=αKJAsts

(4)

式中，Ws為滲透量，m3；α為綜合安全系數，一般可取 0.5～0.8；K為土壤滲透系數，m/s；J為水力坡降，一般可取 10-6；As為有效滲透面積，m2；ts為滲透時間，s。

表層雜填土土壤滲透系數取 5.0×10-6m/s，土壤滲透時間取5 h，穿孔管孔徑按直徑40 mm取，間距100 mm，交錯布置成兩排，如圖8所示。

圖8 地下集水管剖面布置示意(單位：mm)

將上述數據代入式(4)，則滲透量Ws=2.71 m3。

滲透設施產流歷時內的蓄積雨水量應按下式計算：

Wp=max(Wc-Ws)

(5)

式中,Wp為產流歷時內的蓄積水量，m3，產流歷時經計算確定，并宜小于120 min；Wc為滲透設施進水量，m3。

日雨水設計徑流總量

(6)

式中，Fy為滲透設施受納的集水面積，hm2；F0為滲透設施的直接受水面積，hm2，埋地滲透設施為0；tc為滲透設施產流歷時，min；qc為滲透設施產流歷時對應的暴雨強度，L/(s·hm2)。

產流歷時宜小于120 mim，此處取90 min，一般建筑設計重現期取5 a，代入公式(1)和(6)，則可得qc=108.462 L/(s·hm2)；Wc=4.37 m3;產流歷時內蓄積雨水量為Wp=max(Wc-Ws)=4.37-2.71=1.66 m3

由此可見，密植型屋面雨水集蓄利用系統僅可滿足屋面綠地澆灑2 d的蓄水量要求，設置1～2 m3蓄水池1～2個可滿足2 d澆灌用水要求，若要滿足更長時間澆灌要求則需補充其他水源。

3.3 集水管結構設計

整個設計的關鍵是集水管，集水管要沿其長度方向設置縱坡，以便雨水能夠順坡流入蓄水池，另外，為了種植基質中的雨水能夠更好的入滲，集水管的頂部和上部設計了滲水孔，至于滲水孔的大小和面積則要根據基質的種類、雨水的滲入量和集水管的設置坡度綜合確定，滲水管的細部構造見圖9和圖10。

圖9 地下集水管縱剖面示意

圖10 地下集水管斷面示意

4 結 語

近年來，綠色屋頂作為集生態和節能于一體的新型屋面理念，已經得到廣泛應用。屋面雨水集蓄利用技術目前也已成熟，并在很多重要建筑中相繼使用。將屋面雨水集蓄利用技術和綠色屋頂結合起來，能實現雨水就近收集和利用，減輕城市排水壓力，是建筑節能減耗的重要創新。

目前建筑中的綠色屋頂大體可以分為開敞型和密集型兩種類型，針對不同的綠色屋頂形式提出不同的雨水收集利用模式，并就主要構筑物如蓄水池、集水管等進行詳細設計，不僅能為綠色屋頂屋面雨水集蓄利用系統的具體工程應用提供重要參考，也能為綠色節能建筑模式的創建提供重要依據，真正實現低碳城市的創建。

目前綠色屋頂和屋面雨水集蓄的結合利用主要是系統總體布置和規劃，包括典型建筑物的設計，但并未進行經濟性和節水節能效益的分析，未來發展的趨勢應該是結合節能建筑和低碳城市創建的相關考核指標，應對系統進行全面的分析和考核，并在此基礎上對系統進一步優化。

[1] 周林園,狄育慧,陳愛娟.北方地區綠色屋頂推廣應用瓶頸及應對策略分析[J].潔凈與空調技術，2013(4):57-60.

[2] 王書敏,李興揚,張峻華，等.城市區域綠色屋頂普及對水量水質的影響[J].應用生態學報，2014，25(7):2026-2032.

[3] Emilsson T. The influence of extensive vegetated roofs on run off water quality[J].Science of The Total Environment, 2006(355):48-63.

[4] 段丙政,趙建偉,高勇，等.綠色屋頂對屋面徑流污染的控制效應[J].環境科學與技術，2013，36(9):57-59.

[5] 陳小平,黃佩,周志翔，等.綠色屋頂徑流調控研究進展[J].應用生態學報，2015，26(8):2581-2590.

[6] 吳罡.綠色屋頂對城市環境發展的價值[J].鄖陽師范高等?？茖W校學報，2015，35(5):103-105.

[7] Eleftheria A, Phil J. Temperature decreases in an urban canyon due to green walls and green roofs in diverse climates[J].Building and Environment, 2008,43(4):480-493.

[8] 譚奕蔣,田鋼柱.世博文化中心屋面雨水收集利用介紹[J].給水排水，2010，36(10):90-93.

[9] Adams Barry J. Analysis of storage facilities for urban storm water quantity control[J].Advances in Water Resources, 2005, 28(4): 377-392.

[10] Hermann T, Schmida U. Rainwater utilization in Germany: efficiency, dimensioning, hydraulic and environmental aspects[J]. Urban Water, 2006(4):307-316.

(編輯：陳紫薇)

TV213.4

A

2017-04-26

住房和城鄉建設部2016年科學技術項目(2016-K1-028)；江蘇省住房和城鄉建設廳2016年科學技術項目(2016ZD80)；江蘇建筑職業技術學院2016校級項目(JYA316-02)；2016江蘇省大學生創新項目(201610849027H)

何婷婷，女，江蘇建筑職業技術學院，講師.

1006-0081(2017)09-0022-05