屋顶花园雨水利用系统设计与实践

吕盛虎 梁琳琳

（新乡市人民公园，河南 新乡 453000）

随着城镇化建设进程的加快，城市用地紧张，并且出现了一系列的环境问题。为了缓解这种状况，可在城市绿化中积极采用屋顶花园的园林绿化形式。屋顶花园具有降温隔热的优良效果，而且能够美化环境、净化空气、改善局部小气候。从美观角度来说，建设屋顶花园有利于丰富和美化城市的俯仰景观，在很大程度上提高城市的绿化覆盖率。而雨水的利用是屋顶花园设计中急需解决的问题之一。

1 前期准备工作

1.1 屋顶花园结构分析

屋顶花园的空间布局受到建筑固有平面的限制和建筑结构承重的制约，屋顶花园设计复杂，必须与建筑设计、建筑构造、建筑结构等配合，因此屋顶花园的规划设计是一项难度较大、限制较多的园林规划设计项目。为了进行屋顶花园雨水利用的分析，首先要对屋顶花园有具体、全面的了解，要具体问题具体分析，不同的区域、不同的屋顶花园有各自的特点，并非所有的设计原理和理念都可以用作万金油［1］。另外，屋顶绿化需要环境和技术来配合，只有充分协调好这两方面，才能促进屋顶绿化工作的顺利开展。在前期的准备调查工作中要了解地区的自然条件，植物的种类、特点及对雨水的需求等，栽培介质的类型和特点；对屋顶花园所在地区的光照时间、昼夜温差、温度湿度、年降水量等数据进行测定，为后期的雨水利用系统设计打下坚实的基础。只有在充分了解实际情况的前提下，才能把握细节，确保设计合理、完善。

1.2 雨水利用分析

屋顶花园一般建在离地面十几米或者几十米高的屋顶，因风速大，水分极易蒸发，并且土层薄不易保持水分，因此对于雨水的有效利用成了关键环节。在雨水利用系统设计过程中，一方面要计算屋顶花园绿化植物的需水量，为雨水利用系统设计提供依据，提高雨水的利用率。具体来看，可以采用农业水土工程学科的彭曼-蒙特斯公式进行科学计算，具备充分的理论依据和较高的计算精度，能够计算出植物的需水量。在此过程中要注意园林植物的种类、植物种植密度等，综合分析并计算出屋顶花园植物的需水量。另一方面要对所在地区可利用水资源、气候类型、降水量、主要降水时期进行分析，为雨水收集提供思路。同时，将植物需水量和降水量结合起来进行对照分析，在水量不足的情况下提出解决方案，水量充足时则进行储存收集，实现高效的雨水收集利用，避免水资源的浪费［2］。

2 系统设计

2.1 雨水收集

为了满足屋顶花园植物的用水需求，减少雨水的浪费，实现雨水资源的可持续利用，首先需要对雨水进行收集处理。由于屋面受人为活动的影响较小，雨水的受污染程度较小，并且屋面雨水收集易操作、易受控制，因此为屋面雨水回收利用提供了有利的条件。雨水收集系统的设计主要涉及屋面排水坡度的确定、雨水收集区的设置及雨水的净化等。其中排水坡度要根据屋顶花园的实际地理状况进行设置，以便于满足雨水的排流需要。再者，根据需水量和地形位置设置集水区，通过雨落管进行集水，主体建筑屋面的雨水经过雨落管流入屋顶花园的植物浅沟再渗入排水层，进入排水层的雨水汇集到地下的蓄水池。因为建筑屋顶的地面材料含有化学成分，难免会造成污染，而屋顶花园的建造能够有效避免污染的产生，主要利用植物来降低雨水的径流速度和雨水流量，通过土壤的渗透作用来净化雨水。一般雨水流经植物浅沟，通过沉淀、过滤、渗透、吸收等共同作用使得雨水径流中的污染物得到去除，达到对收集的雨水进行净化的目的。另外，还可以通过在雨落管的入口处设置过滤网和过滤器来去除雨水中的残叶和碎屑等。雨水收集的主要流程为雨水降落到主体建筑屋顶，经过雨落管流入植物浅沟中，然后逐渐下渗到排水层。另外，屋顶花园道路广场和绿地内的径流雨水汇集到汇水渠再逐渐下渗到排水层，植物根系对雨水进行截留以及土壤渗透对雨水进行初步净化，雨水再通过雨落管流入地下弃流池，在弃流池蓄满时由另一出水口流入蓄水池进行储存，实现对雨水的收集工作（见图1）。

图1 屋面雨水收集系统设计图

图2 雨水储存系统设计图

2.2 储存设计

为了有效利用屋顶花园的雨水，雨水储存系统设计是一个关键环节，主要流程是初期雨水经过多道预处理环节，保证了所收集雨水的水质，然后可以采用蓄水池或者蓄水模块进行蓄水，有效保证蓄水水质，再通过压力控制泵和雨水控制器实时反映雨水储存的水位状况，合理进行灌溉（见图2）。在这一过程中一般可以采用蓄排水板，集蓄水和排水于一体，一方面实现及时排水，更重要的是在雨水过多时可以储存一部分水分，干旱时及时供给植物水分，避免植物干枯。其次，注重初期的弃流池和蓄水池两部分的系统设计。首先要计算出弃流池和蓄水池的容积，以保障弃流和储存的顺利进行，并且留有一定的余地。弃流池的设计是因为污染物集中在初期的数毫米雨量中，由于初期雨水污染程度高，处理难度大，因此对初期雨水的控制主要采用弃流处理。所以，在储存雨水时要先进行弃流、分流排放，待雨水质量较为稳定时再进行储存，将可利用的雨水引流入蓄水池中。另外，关于蓄水池的设计建造，要根据雨水重现期年限内日雨水径流总量去除初期弃流量后产生的径流量来确定蓄水池的容积，因为其容积直接决定了雨水收集的效率。在设计与建设过程中，要想实现高效率储水且具备超强的抗压能力，可以建设模块式蓄水池。相对于混凝土水池来说，其施工周期短、安装方便、组合灵活、使用寿命更长等，其在完成蓄水的同时具有超强的承压能力，在水池上可以继续作为绿地，而且不受土壤微生物、海藻、细菌和沥青等的影响。最后，在雨水储存的设计过程中要注意防水问题和屋顶花园的承重能力。

2.3 灌溉系统

由于屋顶花园地理位置独特，面临的风速较大，水分较易蒸发，土壤层较薄，因而植物的水分不易保存，这就使得植物较易面临干涸的状况，从而缺水枯萎。因此，对于屋顶花园的植物进行自动灌溉系统设置显得尤为重要。关于灌溉系统的设计，需要秉承节约利用的理念，灌溉时采用前期储存的雨水进行灌溉。该系统的设计主要涉及传感系统、中央控制系统、动力系统、输送系统及相应的通讯设备等。其中的传感系统主要设置于土壤层，用于监控土壤的湿度，因为土壤的含水量直接决定土壤的湿度，影响植物的正常生长需求，只有土壤达到一定的湿度，才能满足植物的生长，湿度不够会使植物枯死。土壤湿度传感器的安置则能够自动监控土壤的湿度状况，作为开启灌溉装置的一个重要指标，放置在不同的区域，实现全面的土壤湿度监控，能够实时将屋顶花园的土壤湿度信号传送到中央控制系统。然后由中央计算机来分析土壤传感器传送的信息，自动实现与系统预设湿度值进行比较，对此作出判断决定电磁阀的启闭程度，如果没有达到要求，则开启电磁阀进行灌溉。动力系统功能主要由潜水泵来实施完成，将蓄水池中的水提升到屋顶花园，为灌溉水提供压力。而输送系统主要是进行灌溉用水的输送，当收集储存的雨水不足时，通过市政用水来进行补水。最后，湿度达到要求时系统自动关闭阀门结束灌溉。由于自然降水具有很大的不确定性，自动灌溉系统的设计采用了先进的电子科学设计，能够有效满足降水量分布不均衡情况，节省人力和物力，实现屋顶花园植物的有效生长，并且实现对雨水资源的节约利用。屋顶花园自动灌溉系统的工作控制流程具体如图3所示。

图3 屋顶花园自动灌溉系统工作控制流程

3 注意事项

在屋顶花园雨水利用系统的设计和实践中，首先要注意安全问题，屋顶花园的造园过程是在已建成的屋顶的防水层上进行的，极易造成屋顶漏水，因此要引起重视，了解屋顶的结构、承重力来选择不同的植物，并且由专业的人士进行操作。另外，要做好防水处理，这直接影响着屋顶花园的使用效率和建筑物的安全性。提高防水技术的重要性认识，综合考虑防水工程造价和使用期，精心进行施工，重视防水设计和施工工艺的匹配，进而避免一切漏水安全隐患。此外，对于材质的选择，应选择一些高温不流淌、低温不碎裂、不宜老化、防水效果较好的防水材料。例如，在国外尝试用中空类泡沫塑料制品作为绿化土层与屋顶之间一种良好的填充物。最后，在实现高效合理设计的过程中要注重美感，注重艺术性，提高屋顶花园的观赏性。

屋顶花园的建造对城市发展有着重要的影响，增加城市绿地面积，改善日益恶化的人类生存环境，减少城市热岛效应和沙尘暴的影响，改善人民的生活和居住条件，对于美化环境、改善生态环境有着至关重要的意义。本文针对屋顶花园的雨水利用系统进行了研究，为今后的屋顶花园雨水利用提供了理论指导和设计建议。但是，在屋顶花园的建造过程中所面临的情况较为复杂，容易出现漏水等问题，未来仍需进一步改进。

参考文献

［1］曹传生，刘慧民，王南.屋顶花园雨水利用系统设计与实践［J］.农业工程学报，2013（9）：76-85.

［2］杨卫敬.平原城市住宅小区雨水调蓄系统设计初探［J］.低温建筑技术，2016（6）：128-130.