城市屋面雨水收集利用工程设计分析

2011-06-06王维平何茂强

地下水 2011年6期

朱平，王维平，曹彬，何茂强

(济南大学资源与环境学院，山东济南 250022)

雨水利用不仅是开源节流的一条途径，而且是缓解或解决缺水问题的一项重要措施，它具有节水、防洪、生态环境三个方面的效益［1］。雨水利用主要有以下两种形式:①渗透回灌以补充地下水;②作中水回用［2］。

城市雨水作为第三水源开发利用，在雨水的3种汇流介质(屋面、道路、绿地)中，屋面雨水水质相对较好、便于收集，宜于直接利用。研究表明［3］，屋面径流污染也比较严重，尤其初期雨水污染最为严重，水质浑浊、色度大。经试验研究发现雨水水质不仅与降雨强度有关，也与屋面材料、空气质量、气温、两次降雨间隔时间等因素有关。

在从屋檐、屋顶汇集的雨水中，含有垃圾和灰尘。这些垃圾和灰尘主要是和刚开始降水(初期雨水)时一起流下来的。另外，也有初期雨水中融化有空气污染物质的问题。为了有效利用雨水，排除肮脏的初期雨水，尽量将干净的雨水引到储水槽是十分必要的。这是因为在这个最初阶段能否将大部分污染物质排除会直接影响之后的雨水储存和利用的有效性。

1 工程区概况及设计

工程以济南大学西校区1号教学楼(后面叫作1#楼)为例，进行了屋面雨水收集利用系统的方案设计。1#楼为12层的教学楼，屋顶总面积890 m2，本工程取其中一个雨水立管，其控制的汇水面积为144.86 m2。

1.1 降雨强度

1.1.1 设计重现期P

根据《建筑给水排水设计规范》，工程取P=3 a。

1.1.2 降雨历时

根据《建筑给水排水设计规范》，屋面雨水收集系统的设计降雨历时按屋面汇水时间计算，工程取10 min。

1.1.3 降雨强度

根据当地降雨强度公式(1)，计算设计降雨强度［4］

式中:q为设计降雨强度(L/(s·100 m2));P为设计重现期(a);t为降雨历时(min);A、b、c、n为当地降雨参数。

工程设计暴雨强度q10=3.36 L/s·100 m2(其中设计重现期P=3 a;雨水管道的降雨历时 t=10 min)，即 H=121 mm/h。

1.2 雨水设计流量

雨水设计流量应按式(2)计算［4］:

式中:Q为雨水设计流量(L/s);ψm为流量径流系数;q为设计暴雨强度(L/(s·hm2));F为汇水面积(hm2);k为校正系数，一般取1。当屋面坡度较大时且短时积水会造成危害时(例如有的天沟沿溢水会流入室内)，取1.5。

该工程雨水设计流量 Q=4.867 L/s=15.7 m3/h(其中流量径流系数Ψm=0.9)。

2 屋面雨水收集利用工艺流程及方案选择

初期雨水弃流装置是屋面雨水利用的一个关键装置，其设计关键在于弃流雨量的确定和初期后期雨水的分离。

该屋面采用水泥建成，由于楼层较高，屋顶没有落叶，只有一些空气降尘堆积，屋面雨水水质较好。图1为屋面雨水收集及处理利用工艺流程。

图1 屋面雨水收集及处理利用工艺

在该方案中，屋面雨水经过雨水立管进入初期弃流装置，经过前期弃流之后，初期较脏的雨水排至污水管道，后期雨水通过管道进入调节池，然后进入过滤池，最后通过管道进入回灌井，整个工程运行都采用重力自流形式。

3 主要构建物选择及设计

3.1 初期雨水弃流装置

根据1#楼规划设计情况，工程所取雨水立管控制的汇水面积为144.86 m2。考虑到后期雨水利用对水质要求较高，初期弃流量按6 mm降雨量设计，根据所收集屋面的大小，结合初期雨水弃流装置的特征，确定所需弃流装置的容积。经过初期弃流后的雨水，大大提高了过滤池的处理效果，最终实现达到利用要求。

图2是一种初期雨水弃流装置的示意图。屋面雨水弃流装置采用分流式原理，进水口连接雨水立管，雨水进入第一个圆柱形桶，设置有6个溢流孔对雨水进行6等分，依次设有3个圆柱形桶对初期雨水进行分流，可见进入最终弃流池的水量是设计初期弃流量的。当弃流池中的体积达到设计值，此时弃流池中的水具有一定的重量，通过杠杆原理，控制阀门转向，使弃流管的阀门关闭，不再弃流，后期雨水进入收集管道。对于已经收集在弃流池里的初期弃流，降雨结束后可以打开阀门使其全部排尽，为下一次降雨做准备。

图2 初期雨水弃流装置示意图

3.2 调节池

调节池是整个工程的重要构筑物，是雨水进入过滤池之前的缓冲设施，同时具有一定的沉淀作用。调节池的设计需要考虑有效容积的确定。雨水由屋面汇集沿雨水立管流下，经过弃流装置，由地埋管(汇水管)通向调节池。屋面雨水立管高度h=45 m，内径d1=11 cm;地埋管长度 L=26.7 m，内径d2=15 cm。雨水在落水管管道里流动是贴壁流，跟脉冲一样，有时会形成骤然的满管。因此调节池的体积不能小于所有管道满管时的水量。而所有管道满管时体积 V=0.9 m3。因此，调节池体积 V≥0.9 m3，故调节池设计为矩形柱体(为长1 m、宽1 m、高1 m)。

3.3 过滤池

过滤池是整个工程最重要的构建物，它的处理效果是实现雨水回灌地下的重要保障。在工程设计中，选择过滤效果较好的沸石作为滤料。沸石对雨水中氨氮的吸附实验结果表明，1 mm粒径改性沸石对氨氮的去除效果相当好。实验结果见表1。

表1 沸石吸附氨氮浓度随时间变化 mg/L

实验结果表明，对初期弃流6 mm后的屋面雨水，半小时的去除率达到95%。所以采用上述收集处理工艺流程，其出水水质(氨氮浓度)能满足《地下水质量标准》Ⅲ类水体标准。

设计滤速为3.3 m/h，过滤池设计为矩形柱体，底面积为4.8 m2矩形(长 2.4 m，宽 2.0 m)，沸石滤料厚度 1.5 m。整个池体设计成组装式的，加工好现场装料，过滤池总高2.3 m。

过滤池出水采用顶部溢流的形式。沿着过滤池顶部内围一圈设有一个集水槽，然后通过管道通向回灌井。在通向井里的管道上安装一个水表，监测最终回灌到地下的水量。由于井台高程为0.7 m，因此在过滤池底部应建一个同样高的水泥墩或支架，保证过滤池底部高于回灌井的井台。

3.4 回灌井

过滤池出水采用管道通向回灌井。回灌井采用一个已经闲置的机井，由于井壁已经生锈，如果直接从井口回灌，会将井壁上的铁锈冲下。根据井中常年地下水位埋深，采用30米软管直接通向地下水位以下。

4 回灌量

通过对雨水水量、水质分析，建筑屋面可利用雨量按下式［2］计算:

式中:Q为屋面年平均可利用雨量，m3;Ψ为径流系数，取0.9;α为季节折减系数;β为初期弃流系数;A为屋面水平投影面积，m2;H为年平均降雨量，mm。

季节折减系数α应根据当地气象局多年统计资料分析确定，如济南市区降雨量主要集中在汛期(6～9月)，约占到全年降雨总量的85%左右，其它月份不仅雨量少而且降雨的强度一般也比较小，有的降雨过程甚至不能形成径流，也就无法收集利用。故考虑了气候、季节等因素后，济南市的可利用雨量季节折减系数α定为0.85。初期弃流系数β根据降雨和水质资料定为0.85。济南市区年平均降雨量为687.6 mm。据此式计算本工程年平均可利用雨量为64.7 m3。