朱 平,王維平,曹 彬,何茂強
(濟南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東 濟南 250022)
雨水利用不僅是開源節(jié)流的一條途徑,而且是緩解或解決缺水問題的一項重要措施,它具有節(jié)水、防洪、生態(tài)環(huán)境三個方面的效益[1]。雨水利用主要有以下兩種形式:①滲透回灌以補充地下水;②作中水回用[2]。
城市雨水作為第三水源開發(fā)利用,在雨水的3種匯流介質(zhì)(屋面、道路、綠地)中,屋面雨水水質(zhì)相對較好、便于收集,宜于直接利用。研究表明[3],屋面徑流污染也比較嚴(yán)重,尤其初期雨水污染最為嚴(yán)重,水質(zhì)渾濁、色度大。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)雨水水質(zhì)不僅與降雨強度有關(guān),也與屋面材料、空氣質(zhì)量、氣溫、兩次降雨間隔時間等因素有關(guān)。
在從屋檐、屋頂匯集的雨水中,含有垃圾和灰塵。這些垃圾和灰塵主要是和剛開始降水(初期雨水)時一起流下來的。另外,也有初期雨水中融化有空氣污染物質(zhì)的問題。為了有效利用雨水,排除骯臟的初期雨水,盡量將干凈的雨水引到儲水槽是十分必要的。這是因為在這個最初階段能否將大部分污染物質(zhì)排除會直接影響之后的雨水儲存和利用的有效性。
工程以濟南大學(xué)西校區(qū)1號教學(xué)樓(后面叫作1#樓)為例,進行了屋面雨水收集利用系統(tǒng)的方案設(shè)計。1#樓為12層的教學(xué)樓,屋頂總面積890 m2,本工程取其中一個雨水立管,其控制的匯水面積為144.86 m2。
1.1.1 設(shè)計重現(xiàn)期P
根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》,工程取P=3 a。
1.1.2 降雨歷時
根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》,屋面雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計降雨歷時按屋面匯水時間計算,工程取10 min。
1.1.3 降雨強度
根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陱姸裙?1),計算設(shè)計降雨強度[4]
式中:q為設(shè)計降雨強度(L/(s·100 m2));P為設(shè)計重現(xiàn)期(a);t為降雨歷時(min);A、b、c、n為當(dāng)?shù)亟涤陞?shù)。
工程設(shè)計暴雨強度q10=3.36 L/s·100 m2(其中設(shè)計重現(xiàn)期P=3 a;雨水管道的降雨歷時 t=10 min),即 H=121 mm/h。
雨水設(shè)計流量應(yīng)按式(2)計算[4]:
式中:Q為雨水設(shè)計流量(L/s);ψm為流量徑流系數(shù);q為設(shè)計暴雨強度(L/(s·hm2));F為匯水面積(hm2);k為校正系數(shù),一般取1。當(dāng)屋面坡度較大時且短時積水會造成危害時(例如有的天溝沿溢水會流入室內(nèi)),取1.5。
該工程雨水設(shè)計流量 Q=4.867 L/s=15.7 m3/h(其中流量徑流系數(shù)Ψm=0.9)。
初期雨水棄流裝置是屋面雨水利用的一個關(guān)鍵裝置,其設(shè)計關(guān)鍵在于棄流雨量的確定和初期后期雨水的分離。
該屋面采用水泥建成,由于樓層較高,屋頂沒有落葉,只有一些空氣降塵堆積,屋面雨水水質(zhì)較好。圖1為屋面雨水收集及處理利用工藝流程。
圖1 屋面雨水收集及處理利用工藝
在該方案中,屋面雨水經(jīng)過雨水立管進入初期棄流裝置,經(jīng)過前期棄流之后,初期較臟的雨水排至污水管道,后期雨水通過管道進入調(diào)節(jié)池,然后進入過濾池,最后通過管道進入回灌井,整個工程運行都采用重力自流形式。
根據(jù)1#樓規(guī)劃設(shè)計情況,工程所取雨水立管控制的匯水面積為144.86 m2??紤]到后期雨水利用對水質(zhì)要求較高,初期棄流量按6 mm降雨量設(shè)計,根據(jù)所收集屋面的大小,結(jié)合初期雨水棄流裝置的特征,確定所需棄流裝置的容積。經(jīng)過初期棄流后的雨水,大大提高了過濾池的處理效果,最終實現(xiàn)達到利用要求。
圖2是一種初期雨水棄流裝置的示意圖。屋面雨水棄流裝置采用分流式原理,進水口連接雨水立管,雨水進入第一個圓柱形桶,設(shè)置有6個溢流孔對雨水進行6等分,依次設(shè)有3個圓柱形桶對初期雨水進行分流,可見進入最終棄流池的水量是設(shè)計初期棄流量的。當(dāng)棄流池中的體積達到設(shè)計值,此時棄流池中的水具有一定的重量,通過杠桿原理,控制閥門轉(zhuǎn)向,使棄流管的閥門關(guān)閉,不再棄流,后期雨水進入收集管道。對于已經(jīng)收集在棄流池里的初期棄流,降雨結(jié)束后可以打開閥門使其全部排盡,為下一次降雨做準(zhǔn)備。
圖2 初期雨水棄流裝置示意圖
調(diào)節(jié)池是整個工程的重要構(gòu)筑物,是雨水進入過濾池之前的緩沖設(shè)施,同時具有一定的沉淀作用。調(diào)節(jié)池的設(shè)計需要考慮有效容積的確定。雨水由屋面匯集沿雨水立管流下,經(jīng)過棄流裝置,由地埋管(匯水管)通向調(diào)節(jié)池。屋面雨水立管高度h=45 m,內(nèi)徑d1=11 cm;地埋管長度 L=26.7 m,內(nèi)徑d2=15 cm。雨水在落水管管道里流動是貼壁流,跟脈沖一樣,有時會形成驟然的滿管。因此調(diào)節(jié)池的體積不能小于所有管道滿管時的水量。而所有管道滿管時體積 V=0.9 m3。因此,調(diào)節(jié)池體積 V≥0.9 m3,故調(diào)節(jié)池設(shè)計為矩形柱體(為長1 m、寬1 m、高1 m)。
過濾池是整個工程最重要的構(gòu)建物,它的處理效果是實現(xiàn)雨水回灌地下的重要保障。在工程設(shè)計中,選擇過濾效果較好的沸石作為濾料。沸石對雨水中氨氮的吸附實驗結(jié)果表明,1 mm粒徑改性沸石對氨氮的去除效果相當(dāng)好。實驗結(jié)果見表1。
表1 沸石吸附氨氮濃度隨時間變化 mg/L
實驗結(jié)果表明,對初期棄流6 mm后的屋面雨水,半小時的去除率達到95%。所以采用上述收集處理工藝流程,其出水水質(zhì)(氨氮濃度)能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。
設(shè)計濾速為3.3 m/h,過濾池設(shè)計為矩形柱體,底面積為4.8 m2矩形(長 2.4 m,寬 2.0 m),沸石濾料厚度 1.5 m。整個池體設(shè)計成組裝式的,加工好現(xiàn)場裝料,過濾池總高2.3 m。
過濾池出水采用頂部溢流的形式。沿著過濾池頂部內(nèi)圍一圈設(shè)有一個集水槽,然后通過管道通向回灌井。在通向井里的管道上安裝一個水表,監(jiān)測最終回灌到地下的水量。由于井臺高程為0.7 m,因此在過濾池底部應(yīng)建一個同樣高的水泥墩或支架,保證過濾池底部高于回灌井的井臺。
過濾池出水采用管道通向回灌井。回灌井采用一個已經(jīng)閑置的機井,由于井壁已經(jīng)生銹,如果直接從井口回灌,會將井壁上的鐵銹沖下。根據(jù)井中常年地下水位埋深,采用30米軟管直接通向地下水位以下。
通過對雨水水量、水質(zhì)分析,建筑屋面可利用雨量按下式[2]計算:
式中:Q為屋面年平均可利用雨量,m3;Ψ為徑流系數(shù),取0.9;α為季節(jié)折減系數(shù);β為初期棄流系數(shù);A為屋面水平投影面積,m2;H為年平均降雨量,mm。
季節(jié)折減系數(shù)α應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶侄嗄杲y(tǒng)計資料分析確定,如濟南市區(qū)降雨量主要集中在汛期(6~9月),約占到全年降雨總量的85%左右,其它月份不僅雨量少而且降雨的強度一般也比較小,有的降雨過程甚至不能形成徑流,也就無法收集利用。故考慮了氣候、季節(jié)等因素后,濟南市的可利用雨量季節(jié)折減系數(shù)α定為0.85。初期棄流系數(shù)β根據(jù)降雨和水質(zhì)資料定為0.85。濟南市區(qū)年平均降雨量為687.6 mm。據(jù)此式計算本工程年平均可利用雨量為64.7 m3。
該屋面雨水收集系統(tǒng)方案設(shè)計主要工程量統(tǒng)計見表2。設(shè)計中對該雨水利用進行多種方案設(shè)計比較,經(jīng)初步經(jīng)濟比較發(fā)現(xiàn),該方案工程造價為56 000元。
表2 屋面雨水收集系統(tǒng)主要構(gòu)建物及設(shè)備數(shù)量
城市屋面雨水收集利用系統(tǒng)需要對不同地方、不同氣候條件下的水資源狀況、可利用降雨量大小,以及最終的用途進行綜合分析,以優(yōu)化設(shè)計雨水收集利用系統(tǒng)[2]。
(1)根據(jù)實時監(jiān)測雨量計,對屋面雨水水質(zhì)進行多次取樣檢測,考慮到過濾池的過濾處理能力,將初期雨水棄流量定為6 mm。
(2)結(jié)合文中屋面雨水收集利用工程的方案設(shè)計,對初期棄流后的屋面雨水,采用上述收集處理工藝流程,其出水水質(zhì)(氨氮濃度)能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。
(3)由于整個工程的造價比較貴,比起傳統(tǒng)的直接排放,沒有直接體現(xiàn)出經(jīng)濟上的優(yōu)勢,但雨水收集利用對社會、環(huán)境和生態(tài)效益具有更廣泛的意義。
[1]吳守榮,喻國良,許唯臨.屋頂雨水管除葉器的初葉效率研究[J].水利水電技術(shù),2007,38(1):65-68.
[2]曹秀芹,車伍.城市屋面雨水收集利用系統(tǒng)方案設(shè)計分析[J].中國給水排水,2002,28(1):13-15.
[3]車武,歐嵐,劉紅,等.屋面雨水土壤層滲透凈化研究[J].給水排水,2001,27(9):38-41.
[4]陳耀宗,劉振印,趙世明,等,建筑給水排水設(shè)計手冊第二版(上冊)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:219-222.