朱 平，王維平，曹 彬，何茂強(qiáng)

(濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)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(xiàng)重要措施，它具有節(jié)水、防洪、生態(tài)環(huán)境三個(gè)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(bǔ)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(duì)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(yàn)研究發(fā)現(xiàn)雨水水質(zhì)不僅與降雨強(qiáng)度有關(guān)，也與屋面材料、空氣質(zhì)量、氣溫、兩次降雨間隔時(shí)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(shí)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(chǔ)水槽是十分必要的。這是因?yàn)樵谶@個(gè)最初階段能否將大部分污染物質(zhì)排除會(huì)直接影響之后的雨水儲(chǔ)存和利用的有效性。

1 工程區(qū)概況及設(shè)計(jì)

工程以濟(jì)南大學(xué)西校區(qū)1號(hào)教學(xué)樓(后面叫作1#樓)為例，進(jìn)行了屋面雨水收集利用系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。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(gè)雨水立管，其控制的匯水面積為144.86 m2。

1.1 降雨強(qiáng)度

1.1.1 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，工程取P=3 a。

1.1.2 降雨歷時(shí)

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，屋面雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)按屋面匯水時(shí)間計(jì)算，工程取10 min。

1.1.3 降雨強(qiáng)度

根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度公式(1)，計(jì)算設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度［4］

式中:q為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(L/(s·100 m2));P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(a);t為降雨歷時(shí)(min);A、b、c、n為當(dāng)?shù)亟涤陞?shù)。

工程設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q10=3.36 L/s·100 m2(其中設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=3 a;雨水管道的降雨歷時(shí) t=10 min)，即 H=121 mm/h。

1.2 雨水設(shè)計(jì)流量

雨水設(shè)計(jì)流量應(yīng)按式(2)計(jì)算［4］:

式中:Q為雨水設(shè)計(jì)流量(L/s);ψm為流量徑流系數(shù);q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)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(shí)且短時(shí)積水會(huì)造成危害時(shí)(例如有的天溝沿溢水會(huì)流入室內(nèi))，取1.5。

該工程雨水設(shè)計(jì)流量 Q=4.867 L/s=15.7 m3/h(其中流量徑流系數(shù)Ψm=0.9)。

2 屋面雨水收集利用工藝流程及方案選擇

初期雨水棄流裝置是屋面雨水利用的一個(gè)關(guān)鍵裝置，其設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)入調(diào)節(jié)池，然后進(jìn)入過濾池，最后通過管道進(jìn)入回灌井，整個(gè)工程運(yùn)行都采用重力自流形式。

3 主要構(gòu)建物選擇及設(shè)計(jì)

3.1 初期雨水棄流裝置

根據(jù)1#樓規(guī)劃設(shè)計(jì)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(duì)水質(zhì)要求較高，初期棄流量按6 mm降雨量設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)達(dá)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(jìn)水口連接雨水立管，雨水進(jìn)入第一個(gè)圓柱形桶，設(shè)置有6個(gè)溢流孔對(duì)雨水進(jìn)行6等分，依次設(shè)有3個(gè)圓柱形桶對(duì)初期雨水進(jìn)行分流，可見進(jìn)入最終棄流池的水量是設(shè)計(jì)初期棄流量的。當(dāng)棄流池中的體積達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)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(jìn)入收集管道。對(duì)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

3.2 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池是整個(gè)工程的重要構(gòu)筑物，是雨水進(jìn)入過濾池之前的緩沖設(shè)施，同時(shí)具有一定的沉淀作用。調(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度 L=26.7 m，內(nèi)徑d2=15 cm。雨水在落水管管道里流動(dòng)是貼壁流，跟脈沖一樣，有時(shí)會(huì)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(shí)的水量。而所有管道滿管時(shí)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(jì)為矩形柱體(為長(zhǎng)1 m、寬1 m、高1 m)。

3.3 過濾池

過濾池是整個(gè)工程最重要的構(gòu)建物，它的處理效果是實(shí)現(xiàn)雨水回灌地下的重要保障。在工程設(shè)計(jì)中，選擇過濾效果較好的沸石作為濾料。沸石對(duì)雨水中氨氮的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1 mm粒徑改性沸石對(duì)氨氮的去除效果相當(dāng)好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 沸石吸附氨氮濃度隨時(shí)間變化 mg/L

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)初期棄流6 mm后的屋面雨水，半小時(shí)的去除率達(dá)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(jì)濾速為3.3 m/h，過濾池設(shè)計(jì)為矩形柱體，底面積為4.8 m2矩形(長(zhǎng) 2.4 m，寬 2.0 m)，沸石濾料厚度 1.5 m。整個(gè)池體設(shè)計(jì)成組裝式的，加工好現(xiàn)場(chǎng)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?jī)?nèi)圍一圈設(shè)有一個(gè)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(gè)水表，監(jiān)測(cè)最終回灌到地下的水量。由于井臺(tái)高程為0.7 m，因此在過濾池底部應(yīng)建一個(gè)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(tái)。

3.4 回灌井

過濾池出水采用管道通向回灌井?；毓嗑捎靡粋€(gè)已經(jīng)閑置的機(jī)井，由于井壁已經(jīng)生銹，如果直接從井口回灌，會(huì)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。

4 回灌量

通過對(duì)雨水水量、水質(zhì)分析，建筑屋面可利用雨量按下式［2］計(jì)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(jì)資料分析確定，如濟(jì)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(qiáng)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(jì)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(jì)南市區(qū)年平均降雨量為687.6 mm。據(jù)此式計(jì)算本工程年平均可利用雨量為64.7 m3。

5 工程量

該屋面雨水收集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要工程量統(tǒng)計(jì)見表2。設(shè)計(jì)中對(duì)該雨水利用進(jìn)行多種方案設(shè)計(jì)比較，經(jīng)初步經(jīng)濟(jì)比較發(fā)現(xiàn)，該方案工程造價(jià)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

6 結(jié)論

城市屋面雨水收集利用系統(tǒng)需要對(duì)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(jìn)行綜合分析，以優(yōu)化設(shè)計(jì)雨水收集利用系統(tǒng)［2］。

(1)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨量計(jì)，對(duì)屋面雨水水質(zhì)進(jìn)行多次取樣檢測(cè)，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(jì)，對(duì)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(gè)工程的造價(jià)比較貴，比起傳統(tǒng)的直接排放，沒有直接體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，但雨水收集利用對(duì)社會(huì)、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(jì)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(jì)手冊(cè)第二版(上冊(cè))［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:219-222.