雨水收集與回用系統在工程中的應用
——以巢湖市“三館”建設項目為例

許良梅

(巢湖市建設工程質量監督站，安徽 合肥 238000)

近年來,在國家大力推行新型城鎮化戰略的背景下,2020年合肥市常住人口城鎮化率達75%以上。城市土地資源的稀缺性決定了城市人口的高度密集性,必然對城市淡水資源的需求提出了更高的要求。然而城市的發展與擴大,必然伴隨著大量人工構筑物及其附屬設施的出現。這些服務于城市居民的構筑物及設施(如民用建筑、公共建筑、市政道路、廣場等)改變了原區域的水文循環,大量雨水流失,城市地下水的補給也在逐年減少。大量的硬化地面致使原區域土壤含水率下降,這也帶來城市熱島效應的加劇,對城市的生態環境產生了負面影響。在城市化中大量產生的硬化面層,在梅雨季節短時匯集的雨水徑流對城市管網系統的負荷提出了更高的要求,這種矛盾也是城市發生內澇的主因。所以城市雨水資源的利用可緩解國家新型城鎮化進程中面臨的城市淡水資源的日益短缺及其衍生問題[1,2,6]。

1 合肥市雨水資源利用潛力分析

合肥地處亞熱帶季風氣候區,氣候四季分明,雨水資源較為豐富。根據1971-2000年合肥市降雨資料統計,合肥區域年平均降雨量約995.3 mm,合肥市建設用地規劃,到2020年,合肥市主城區年雨水資源量(降雨徑流量)約為3.58億m3,提高合肥市雨水資源量利用率,可以緩解部分合肥市淡水資源日趨嚴峻的情況,故合肥市雨水資源有較大的利用潛力[2]。

2 雨水收集和回用系統在工程中的應用實例

2.1 項目概況

巢湖市圖書館、檔案館、城建檔案館項目(以下簡稱巢湖市“三館”建設項目)用地位于巢湖市健康西路以南，銀屏路以西,本工程為圖書館、檔案館、城建檔案館三館合建,如圖1所示，屬于二類公共建筑,總建筑面積為25 990 m2,其中地上面積22 950 m2(圖書館9 500 m2、檔案館10 000 m2、城建檔案館2 600 m2、公共建筑850 m2),地下面積為3 040 m2。建筑物南北長約為118 m,東西寬約為46 m;建筑物地上5層,局部地下室1層。建筑物總高度約為23.95 m。占地面積14 694 m2,綠地面積4 862 m2,屋面面積有4 318 m2。2016年12月開始,2020年3月竣工。項目雨水利用系統主要收集屋面、道路這兩種下墊面的降雨徑流,在項目東側綠化帶下方設置了120 m3的PP模塊雨水處理收集系統,收集雨水在該系統處理后在該項目作后續日常雜用水使用。對綠地雨水主要通過原狀土下滲補充地下水。

圖1 巢湖市“三館”項目鳥瞰圖

2.2 雨水收集利用平衡量分析

W=α·β·Ψ·A·H

(1)

式中：W為年雨水收集量,m3;α為折減系數;(取值0.78)；β為雨水初期棄流系數;(取值0.86)；Ψ為降雨徑流系數;(道路、屋面取值為0.9,綠地取值0.15)；H為平均年降雨量,m;A為匯水面積,m2。

2.2.1 項目年雨水收集量

根據式(1)分別計算三種下墊面(道路、屋面、綠地)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) 綠地年雨水收集量:

W3=0.78×0.86×0.15×4862×995.3÷1000

=486.9 m3

該項目年雨水收集量:

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

2.2.2 項目年雜用水量

該項目雨水收集用途為項目內綠化帶的澆灑和內部道路的沖洗。根據《民用建筑節水設計標準》(GB 50555-2010)確定相關用水定額[2](表1):綠化澆灌日用水定額為2 L/(m2·次),綠地面積為4 862 m2;道路清洗日用水定額為0.5 L/(m2·次),道路面積5 514 m2。

表1 雜用水日使用量

項目全年綠化澆灌次數定為180次,項目全年道路清洗次數定為24次,則可以得出項目全年雜用水量[2](表2)。

表2 目全年雜用水使用量

故本項目年雨水收集量可以滿足全年總雜用水量,該雨水收集利用系統的運行具有一定的經濟價值。

2.3 雨水收集利用系統分析

本項目三種下墊面的雨水利用工藝流程如圖2所示,該項目屋面雨水收集量就已可以滿足項目雜用水需求,故綠地雨水主要利用下滲途徑補充地下水。項目道路雨水一部分通過波紋透水軟管下滲對地下水進行補充,另外部分通過初期棄流后進入PP模塊雨水收集處理系統。通過后續處理流程后作雜用水使用[3]。

圖2 三種下墊面雨水利用工藝流程圖

2.3.1 雨水預處理系統

綠地雨水預處理系統包括改良土壤種植層和建筑砂礫石蓄水層。本項目綠地類型選用下凹式綠地,降雨事件中產生的雨水徑流主要通過雨水下滲,并經過改良土壤種植層和建筑砂礫石層的過濾預處理后通過滲透管下滲補充地下水。屋面雨水和道路雨水的預處理系統包括截流溢流井和棄流井,截流溢流井由兩口井并聯組合,雨水先流入A井內,通過5 mm不銹鋼網,5 mm以上的雜質進入清掏井B,定期對其中雜質過濾物進行清掏。棄流井采用小管棄流的方式對降雨初期雨水進行棄流。降雨初期,雨水徑流初步形成,其中污染物濃度較高,這一部分雨水通過低位敞口棄流管作棄流處理;降雨中后期,雨水通過兩根進出水管進入后續的PP模塊雨水收集處理系統[6]。

2.3.2 雨水處理系統

降雨徑流經過截流溢流井和棄流井初步處理后，進入PP模塊雨水儲存沉淀池，經過初步沉淀再經側壓過濾器過濾，該側壓過濾器規格為10 m×0.25 m×1.2 m；材質為PP。濾料采用纖維濾料，濾料需要定期進行沖洗。雨水經過側壓過濾器過濾后，進一步經過生物自潔層深化處理。綜合經過該雨水處理系統凈化，可以有效降低雨水中SS、COD、TP、TN等污染物濃度[4]。

2.3.3 雨水儲存系統

在該項目綠化區域下方設置120 m3PP模塊雨水收集處理系統,該雨水儲存系統采用PP模塊組合而成。PP模塊之間采十字形、T字形插件連接,使各PP模塊之間相互連接形成整體。在PP模塊雨水儲存系統外側包裹防水材料,防水包裹材料為兩布一膜結構,即中間為HDPE膜,外部為緩沖布。防水包裹材料通過熱熔機焊接而成,焊縫外側通過防護板保護,防止填埋覆土過程中大粒徑砂石劃破防水土工布。這種結構布局和施工工藝保障了PP模塊組成的雨水儲存系統具有良好的密封性。

2.3.4 雨水反沖洗系統

PP模塊雨水儲存系統底部需鋪設反沖洗管道，反沖洗管道均勻布置φ10 mm沖洗孔，孔隙間距20 cm。反沖洗泵對沖洗管道加壓供水，通過切換管路中的反沖洗閥門和至設備間處理器閥門進而控制沖洗水流的方向[5]。反沖洗系統可以對池底進行定期沖洗，防止泥沙在池底形成死泥區，污染水質。

2.3.5 雨水收集系統附屬設備選型

PP模塊雨水處理收集處理系統附屬設備選型見表3[7]。

表3 水收集處理系統附屬設備選型(泵)

2.4 雨水收集利用綜合經濟效益分析

2.4.1 直接經濟效益

根據《合肥市人民政府辦公廳關于調整我市污水處理費、水資源費征收標準和理順城市供水價格的通知》(合政辦〔2015〕53號)非居民(行政事業)到戶水價3.4元/m3,其中基本水價1.88元/m3、污水處理費1.4元/m3、水資源費0.12元/m3。該項目雨水利用系統收集的年雨水資源替代市政自來水可節省費用為3.4元/m3×8 989.4 m3=30 563.96元。初步估算合肥市主城區年雨水利用而節省費用為3.4元/m3×3.58億m3=12.17億元。

2.4.2 間接經濟效益

合肥市推行雨水資源化利用,可有效降低城市排水管網在暴雨事件中負荷過載概率,減少城市內澇發生的頻次。減少城市降雨徑流隨排水管網進入污水處理廠,緩解城市污水處理廠的運行荷載。而收集的部分雨水可以通過下滲途徑補充地下水,恢復城市水文循環,減緩城市熱島效應。緩解多年來過度開發城市地下水資源而造成的地面沉降問題[8-9]。

3 結論及展望

通過初步探討雨水資源化利用在實際工程中的應用,根據項目三種下墊面雨水利用工藝處理流程,對項目綠地雨水利用主要以下滲補充地下水為主,收集部分道路雨水和屋面雨水,經過處理凈化替代市政自來水作雜用水使用。簡要分析了雨水回用系統所產生的綜合經濟效益。驗證了在合肥市推廣雨水回用可以產生較高的經濟效益,通過合肥市該公共建筑項目的雨水回用系統的深入分析,為合肥市后續新建項目雨水回用系統的實施提供借鑒。