长沙市小区绿色建筑雨水收集设施研究

张文萍，黄用贤，肖卫华，杨良玖，熊子维

（1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2常德市鼎城区水利局，湖南 常德 415000）



长沙市小区绿色建筑雨水收集设施研究

张文萍1，黄用贤2，肖卫华1，杨良玖1，熊子维1

（1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2常德市鼎城区水利局，湖南 常德 415000）

摘 要：以小区单独建筑物屋面雨水为研究对象，分析了长沙降雨量变化特性和屋面年径流可利用潜力；设计了屋面雨水集雨系统，即初期雨水弃流装置以及蓄水池系统，后者包括雨水净化与有效容积确定；其中，设计混凝沉淀箱、过滤箱及储水箱，微纳米增氧系统增加水体溶解氧含量，可提高水体自净能力，达到雨水回灌地下水的标准。

关键词：海绵城市；屋面雨水；混凝沉淀；过滤；微纳米增氧系统

近年来，随着我国城市化进程的推进，绿色建筑迎来了新的发展机遇，2015年4月2日，财政部、住房城乡建设部、水利部选择常德等城市开展海绵城市建设试点，以期通过人工和自然、生态措施和工程措施，调节微气候、改善水生态，并提出优先鼓励旧城改造，包括城市水系统、市政道路、绿色建筑小区等，通过海绵城市建设，使70％的降雨就地消纳和利用，到2030年，80％的城市建成区要达到这个要求。而绿色建筑小区建设可以激发起居民爱护水环境、呵护水环境的心态，实现人类与自然水生态和谐相处的目标，也能够最大程度地减少对水环境的影响。雨水收集利用作为绿色建筑基本的技术要求，得到大规模的推广利用。

长沙水资源总量虽然比较丰富，但时空分布不均，存在季节性缺水。随着长沙市经济快速发展，需水将不断增大，供需水矛盾和供需水危机突出。陈勇等[2]对以往长沙市年均雨日检测发现，降雨量及降雨天数有所减少，平均每10 a降低2 d，新气候变化条件下绿色建筑小区建设需要对单独建筑物原有雨水收集利用系统的改造、雨水利用形式和系统合理性进行综合考虑，以期实现雨水资源化及低影响开发。

1　资料来源与研究方法

查找1998～2014 年的气象资料，对长沙1998～2014 年的年总降雨天数和降雨量进行统计分析（降雨量资料来自湖南省统计年鉴）。根据长沙市1998～2014 年最大一日、最大一月降雨量系列计算水文频率。参照文献[3-4]计算屋面年径流可利用潜力。设计屋面雨水集雨系统，蓄水池系统，分析雨水净化处理后的水质。

2　结果与分析

2.1长沙降雨量变化特性

对长沙1998～2014 年的年总降雨天数和降雨量进行统计分析，结果如图1所示。长沙市年平均降雨量为1 403.53 mm，年总降雨天数158.9 d，总体呈现分布不均匀，雨量雨季较为集中的特点，尤其近15 a降雨分布波动比较大。自1998年以来，已有1998、2003、2008和2009年出现丰水、枯水差异显著，表现为枯水期来得更早、持续时间更长、降雨量及降雨天数有所减少，2009年当年雨势突变减少趋势显著，水资源量的时空分配进一步呈不均匀趋势[1-3]。由图2可知，月平均降雨量为116.96 mm，月总降雨天数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。日平均降雨量分布较为均衡，但总体降雨趋势相对集中，2015年5月25日4:00～26日3:00，出现日最大暴雨量144.7 mm，甚至出现30 d以上的干旱气候，这对雨水收集利用系统极为不利。降水在时间和空间上的分布不均匀易造成夏季讯期灾害。如对雨水进行合理利用，可以缓解城市市政排水管道压力，避免水漫街头给民众带来的困扰和危害。

图1　年平均降雨量与降雨日数变化

图2　月平均降雨量与降雨日数变化

根据长沙市1998～2014 a最大一日、最大一月降雨量系列进行频率计算，经验公式为P=m/（n+1），利用P-Ⅲ型曲线适线，结果如表1所示。

表1　长沙市水文频率计算

年降雨量尤其近15 a分布波动比较大，降雨量及降雨天数有所减少，因此年降雨量不能按水文中适线法对设计频率进行计算。

2.2屋面年径流可利用潜力分析

参考文献[4]对屋面年径流可利用潜力进行分析。

式中，Q：屋面年径流可利用雨量（m3）；ψ：径流系数，取0.9；α：季节折减系数（取0.9）；β：初期弃流系数（取0.9）；A：集水面水平投影面积（720 m2）；H：年平均降雨量（1 403.53 mm）。

在各汇水面径流量计算中考虑了初期弃流、季节折减、地表径流等因素，已将雨水损耗量计算在内，因此，W损耗＝0。

2.3屋面雨水集雨系统设计

2.3.1初期雨水弃流装置的改进

初期雨水和后期雨水随降雨量和降雨强度的变化而不同，无法简单划分，现有初期雨水弃流技术一般是机械阀门控制和雨量、浊度等的监控相结合，需要设备多，技术复杂，且弃流效率低、耐用性差、投资高，项目对初期雨水弃流装置进行改进，如图2所示。

图2　屋面雨水集雨系统

根据初期弃流时间和降雨强度确定一根雨落管屋面初期雨水弃装置的容积。按公式（2）、（3）、（4）计算[5-7]：

式中，t：弃流时间（3 min）；i：当地平均降雨强度（mm/min）；F：屋面雨水的收集面积（720 m2）；q：设计降雨强度[L/(s.hm2)]，P：设计降雨重现期（a=10年）；t：降雨历时（10 min）。经计算，W=0.84 m3。

2.3.2蓄水池系统设计

屋面雨水收集利用方式为屋面雨水收集→蓄水→下渗。其中蓄水箱系统设计主要涉及雨水净化与有效容积的确定[8]。

（1）雨水净化。对初期弃流后的屋面雨水，采用“混凝－沉淀－过滤－微纳米增氧系统”处理工艺，处理后的水质可达到较高的标准，屋面雨水径流中含有粘土颗粒，选取聚合氯化铝为混凝剂聚集成大的絮凝体，然后进入滤柱系统，由滤料对水中杂质截留、吸附，达到净水的目的，滤柱滤料为石英砂和活化沸石[9-10]。肖卫华发明的污染水体微纳米增氧系统，利用高速水流掺气的水力现象，结合改进的文丘里管与增氧泵，将气体注入水中，通过改进的“碎泡”水泵，使氧气能在水中达到极微小纳米气泡，这可大大提高水体增氧效率，从而促进水体微生物生长，提高水体自净能力。

（2）蓄水池容积设计。集水面积只与屋顶的水平投影面积相关。雨水收集须参考当地的气象局统计资料，利用水量平衡原理，计算地区的降雨量数据，其体积可按公式（5）计算[7-8]：

式中，V：蓄水池体积（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值设计越大，发生溢流情况就少，安全系数越高，但设施建造的投资费用也越大。因此，应进行综合考虑。

研究发现，设置在住宅小区、学校等场所收集雨水进行简单处理，就可以达到市政杂用水标准（表2），用于绿地灌溉、道路浇洒等。若通过混凝加沉淀处理，并利用微纳米增氧系统高效增加水体溶解氧含量，提高水体增氧效率，可提高水体自净能力，达到地下水排放的标准。

表2　雨水净化处理后的水质分析结果

3　结 论

屋面雨水收集系统相对投资小，管理维护简单，可为节能型建筑的一个组成部分。雨水经简单处理可达到市政杂用水标准。原水投加混凝剂出水效果优于直接过滤。石英砂滤柱对屋面雨水中的浊度、SS、COD的去除效果较好。投加混凝剂后充分混凝稍加沉淀后再过滤，出水水质更加优越，可达到生活饮用水的标准。

[1] 周 征.长沙市住宅小区雨水收集工程设计研究[D].湖南农业大学，2010.

[2] 陈 勇.近60年长沙雨日及降水量的气候变化研究[J].安徽农业科学，2012，40（12）：7266-7268，7391.

[3] 过 亮，王柏俊，李宇森.基于实效的雨水收集利用应用现状分析[A].第十届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集[C].北京：城市发展研究编辑部，2014.

[4] 周赛军，任伯帜，邓仁健.湘潭市地表雨水径流污染的特性研究[J].环境科学与管理，2008，10（33）：43-46.

[5] 胡茂川.城市屋面雨水利用潜力分析[J].长江流域资源与环境，2012，21（4）：489-493.

[6] 王甜甜.扬州市屋面雨水径流水质分析及处理试验研究[D].扬州：扬州大学，2013.

[7 ] 张沛沛，屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究[D].济南：济南大学，2011.

[8] 张自杰.排水工程（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[9] 王兆吉.城市雨水在地下水回灌中的利用分析[J].地下水，2012，34（2）：51-52.

[10] 陈辉霞.沸石渗滤床在城市初期雨水径流污染控制的应用研究[J].环境工程学报，2012，（2）：57-60.

（责任编辑：夏亚男）

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

通讯作者：黄用贤

作者简介：张文萍（1977-），山西文水县人，副教授，研究方向为水利水资源。

基金项目：湖南省水利厅科技项目

收稿日期：2015-11-15

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.022

中图分类号：TV213.9

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2015）12-0075-03