張文萍，黃用賢，肖衛(wèi)華，楊良玖，熊子維

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2常德市鼎城區(qū)水利局，湖南 常德 415000）

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長(zhǎng)沙市小區(qū)綠色建筑雨水收集設(shè)施研究

張文萍1，黃用賢2，肖衛(wèi)華1，楊良玖1，熊子維1

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2常德市鼎城區(qū)水利局，湖南 常德 415000）

摘 要：以小區(qū)單獨(dú)建筑物屋面雨水為研究對(duì)象，分析了長(zhǎng)沙降雨量變化特性和屋面年徑流可利用潛力；設(shè)計(jì)了屋面雨水集雨系統(tǒng)，即初期雨水棄流裝置以及蓄水池系統(tǒng)，后者包括雨水凈化與有效容積確定；其中，設(shè)計(jì)混凝沉淀箱、過(guò)濾箱及儲(chǔ)水箱，微納米增氧系統(tǒng)增加水體溶解氧含量，可提高水體自凈能力，達(dá)到雨水回灌地下水的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：海綿城市；屋面雨水；混凝沉淀；過(guò)濾；微納米增氧系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，綠色建筑迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，2015年4月2日，財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部選擇常德等城市開展海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，以期通過(guò)人工和自然、生態(tài)措施和工程措施，調(diào)節(jié)微氣候、改善水生態(tài)，并提出優(yōu)先鼓勵(lì)舊城改造，包括城市水系統(tǒng)、市政道路、綠色建筑小區(qū)等，通過(guò)海綿城市建設(shè)，使70％的降雨就地消納和利用，到2030年，80％的城市建成區(qū)要達(dá)到這個(gè)要求。而綠色建筑小區(qū)建設(shè)可以激發(fā)起居民愛護(hù)水環(huán)境、呵護(hù)水環(huán)境的心態(tài)，實(shí)現(xiàn)人類與自然水生態(tài)和諧相處的目標(biāo)，也能夠最大程度地減少對(duì)水環(huán)境的影響。雨水收集利用作為綠色建筑基本的技術(shù)要求，得到大規(guī)模的推廣利用。

長(zhǎng)沙水資源總量雖然比較豐富，但時(shí)空分布不均，存在季節(jié)性缺水。隨著長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，需水將不斷增大，供需水矛盾和供需水危機(jī)突出。陳勇等[2]對(duì)以往長(zhǎng)沙市年均雨日檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，降雨量及降雨天數(shù)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(qū)建設(shè)需要對(duì)單獨(dú)建筑物原有雨水收集利用系統(tǒng)的改造、雨水利用形式和系統(tǒng)合理性進(jìn)行綜合考慮，以期實(shí)現(xiàn)雨水資源化及低影響開發(fā)。

1　資料來(lái)源與研究方法

查找1998～2014 年的氣象資料，對(duì)長(zhǎng)沙1998～2014 年的年總降雨天數(shù)和降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（降雨量資料來(lái)自湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒）。根據(jù)長(zhǎng)沙市1998～2014 年最大一日、最大一月降雨量系列計(jì)算水文頻率。參照文獻(xiàn)[3-4]計(jì)算屋面年徑流可利用潛力。設(shè)計(jì)屋面雨水集雨系統(tǒng)，蓄水池系統(tǒng)，分析雨水凈化處理后的水質(zhì)。

2　結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)沙降雨量變化特性

對(duì)長(zhǎng)沙1998～2014 年的年總降雨天數(shù)和降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。長(zhǎng)沙市年平均降雨量為1 403.53 mm，年總降雨天數(shù)158.9 d，總體呈現(xiàn)分布不均勻，雨量雨季較為集中的特點(diǎn)，尤其近15 a降雨分布波動(dòng)比較大。自1998年以來(lái)，已有1998、2003、2008和2009年出現(xiàn)豐水、枯水差異顯著，表現(xiàn)為枯水期來(lái)得更早、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、降雨量及降雨天數(shù)有所減少，2009年當(dāng)年雨勢(shì)突變減少趨勢(shì)顯著，水資源量的時(shí)空分配進(jìn)一步呈不均勻趨勢(shì)[1-3]。由圖2可知，月平均降雨量為116.96 mm，月總降雨天數(shù)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(shì)相對(duì)集中，2015年5月25日4:00～26日3:00，出現(xiàn)日最大暴雨量144.7 mm，甚至出現(xiàn)30 d以上的干旱氣候，這對(duì)雨水收集利用系統(tǒng)極為不利。降水在時(shí)間和空間上的分布不均勻易造成夏季訊期災(zāi)害。如對(duì)雨水進(jìn)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(lái)的困擾和危害。

圖1　年平均降雨量與降雨日數(shù)變化

圖2　月平均降雨量與降雨日數(shù)變化

根據(jù)長(zhǎng)沙市1998～2014 a最大一日、最大一月降雨量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式為P=m/（n+1），利用P-Ⅲ型曲線適線，結(jié)果如表1所示。

表1　長(zhǎng)沙市水文頻率計(jì)算

年降雨量尤其近15 a分布波動(dòng)比較大，降雨量及降雨天數(shù)有所減少，因此年降雨量不能按水文中適線法對(duì)設(shè)計(jì)頻率進(jìn)行計(jì)算。

2.2屋面年徑流可利用潛力分析

參考文獻(xiàn)[4]對(duì)屋面年徑流可利用潛力進(jìn)行分析。

式中，Q：屋面年徑流可利用雨量（m3）；ψ：徑流系數(shù)，取0.9；α：季節(jié)折減系數(shù)（取0.9）；β：初期棄流系數(shù)（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(jì)算中考慮了初期棄流、季節(jié)折減、地表徑流等因素，已將雨水損耗量計(jì)算在內(nèi)，因此，W損耗＝0。

2.3屋面雨水集雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1初期雨水棄流裝置的改進(jìn)

初期雨水和后期雨水隨降雨量和降雨強(qiáng)度的變化而不同，無(wú)法簡(jiǎn)單劃分，現(xiàn)有初期雨水棄流技術(shù)一般是機(jī)械閥門控制和雨量、濁度等的監(jiān)控相結(jié)合，需要設(shè)備多，技術(shù)復(fù)雜，且棄流效率低、耐用性差、投資高，項(xiàng)目對(duì)初期雨水棄流裝置進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。

圖2　屋面雨水集雨系統(tǒng)

根據(jù)初期棄流時(shí)間和降雨強(qiáng)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(jì)算[5-7]：

式中，t：棄流時(shí)間（3 min）；i：當(dāng)?shù)仄骄涤陱?qiáng)度（mm/min）；F：屋面雨水的收集面積（720 m2）；q：設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度[L/(s.hm2)]，P：設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期（a=10年）；t：降雨歷時(shí)（10 min）。經(jīng)計(jì)算，W=0.84 m3。

2.3.2蓄水池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及雨水凈化與有效容積的確定[8]。

（1）雨水凈化。對(duì)初期棄流后的屋面雨水，采用“混凝－沉淀－過(guò)濾－微納米增氧系統(tǒng)”處理工藝，處理后的水質(zhì)可達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)入濾柱系統(tǒng)，由濾料對(duì)水中雜質(zhì)截留、吸附，達(dá)到凈水的目的，濾柱濾料為石英砂和活化沸石[9-10]。肖衛(wèi)華發(fā)明的污染水體微納米增氧系統(tǒng)，利用高速水流摻氣的水力現(xiàn)象，結(jié)合改進(jìn)的文丘里管與增氧泵，將氣體注入水中，通過(guò)改進(jìn)的“碎泡”水泵，使氧氣能在水中達(dá)到極微小納米氣泡，這可大大提高水體增氧效率，從而促進(jìn)水體微生物生長(zhǎng)，提高水體自凈能力。

（2）蓄水池容積設(shè)計(jì)。集水面積只與屋頂?shù)乃酵队懊娣e相關(guān)。雨水收集須參考當(dāng)?shù)氐臍庀缶纸y(tǒng)計(jì)資料，利用水量平衡原理，計(jì)算地區(qū)的降雨量數(shù)據(jù)，其體積可按公式（5）計(jì)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(shè)計(jì)越大，發(fā)生溢流情況就少，安全系數(shù)越高，但設(shè)施建造的投資費(fèi)用也越大。因此，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。

研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置在住宅小區(qū)、學(xué)校等場(chǎng)所收集雨水進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，就可以達(dá)到市政雜用水標(biāo)準(zhǔn)（表2），用于綠地灌溉、道路澆灑等。若通過(guò)混凝加沉淀處理，并利用微納米增氧系統(tǒng)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(dá)到地下水排放的標(biāo)準(zhǔn)。

表2　雨水凈化處理后的水質(zhì)分析結(jié)果

3　結(jié) 論

屋面雨水收集系統(tǒng)相對(duì)投資小，管理維護(hù)簡(jiǎn)單，可為節(jié)能型建筑的一個(gè)組成部分。雨水經(jīng)簡(jiǎn)單處理可達(dá)到市政雜用水標(biāo)準(zhǔn)。原水投加混凝劑出水效果優(yōu)于直接過(guò)濾。石英砂濾柱對(duì)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(guò)濾，出水水質(zhì)更加優(yōu)越，可達(dá)到生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 周 征.長(zhǎng)沙市住宅小區(qū)雨水收集工程設(shè)計(jì)研究[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

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

[3] 過(guò) 亮，王柏俊，李宇森.基于實(shí)效的雨水收集利用應(yīng)用現(xiàn)狀分析[A].第十屆國(guó)際綠色建筑與建筑節(jié)能大會(huì)論文集[C].北京：城市發(fā)展研究編輯部，2014.

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（責(zé)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(jiǎn)介：張文萍（1977-），山西文水縣人，副教授，研究方向?yàn)樗Y源。

基金項(xiàng)目：湖南省水利廳科技項(xiàng)目

收稿日期：2015-11-15

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.022

中圖分類號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2015）12-0075-03