上海地区住区设计中水资源利用与节水策略

YANG Chendi ZHUANG Yu

0 引言

1996 年，上海设立了基金资助节水科研工作，主要针对节水技术和器具的研究。目前，上海绿色建筑标识项目中有近80%都运用了雨水收集利用系统。上海绿色建筑的建设较早，但后期的建设比例明显下降，发展趋于迟缓，在今后的发展中仍有较大空间。

1 住区节水现状

1.1 节水设施使用情况

目前，上海运用雨水收集和中水回用技术的小区有万科朗润园、江湾新城小区、香榭丽花园、瑞虹新城璟庭、瑞虹新城铭庭、翡丽云邸、三湘海尚福邸、碧海金沙嘉苑等。据2013 年—2015 年对上海已投入使用的绿色建筑设计项目的后期评价统计可知（图1），在设计阶段，建筑师利用最多的是雨水收集、节水型灌溉和透水铺装，所占比率均达70%以上；而后期运营阶段，最难以维持正常运行的是中水回用、雨水收集和自然通风强化；项目投入使用后，仅有不足一半能维持运行。因此，针对这一现象，选择了瑞虹新城铭庭、瑞虹新城璟庭、香榭丽花园三个小区进行小区节水设施使用现状的调研。

瑞虹新城铭庭位于上海市虹口区，为实现水资源综合利用，该小区运用了节水型绿化灌溉系统、透水地面等节水技术，并在住宅建筑中创新性地使用了中水回用系统，是上海同类型建设项目中的首次尝试。瑞虹璟庭位于上海市虹口区，与瑞虹铭庭相同，瑞虹璟庭亦使用了中水回用、节水型灌溉、透水地面等技术节水，效果较铭庭有较大提升。

图1 上海绿色住区技术设施设计与使用情况 （数据来源：上海市建科院网站）

根据走访调查，两个小区的物业中心均表示，中水回用系统目前并没有继续使用，其他节水设施的节水效果也没有进行定期统计，小区居民也表示完全不了解所居住的小区内使用了节水技术。两个节能小区的技术使用和后期运营管理均存在问题。

香榭丽花园位于上海浦东新区，住区使用了雨水循环利用系统，该雨水系统收集地面雨水后经过过滤、沉淀等处理储存在雨水塘中，之后用于景观水补充和绿化灌溉。由于该小区的雨水收集使用范围仅限于水景补给和小区绿化，其收集设施、净化过程较为单一，后期维护成本低，管理较为简单，所以投入使用后运行情况良好。

1.2 问题及原因

目前，上海地区住区雨水和中水利用设施通常一个或几个单独使用，而没有形成一个综合的水资源利用体系。而且在系统的设计中，处理后的水多用于补充水景、绿化灌溉、道路清洗等公共区域，并没有和国外住区一样同时用于住户室内厕所冲洗等，上海建科院相关技术人员表示，其原因主要有以下几点：①水资源利用设施的设计手法较为单一，通常是在设计方案形成后再加入雨水系统设计，对场地缺乏整体考虑，达不到良好的水资源利用效果；②开发商无法预估开发后的使用状况，为避免居民投诉而选择不设计用于室内的中水和雨水系统。

上海市大部分运用了中水和雨水系统的住区，在前期设计和后期运营中形成巨大反差，设计的水资源处理利用系统，在实际使用中往往效果较差，甚至多数小区直接停止使用。导致这一问题的原因可以从以下两个方面加以解释：①目前，物业公司的职责仅仅是保证小区安全和正常运行，为了便于管理、避免投诉、减少支出，普通物业公司会尽可能简化住区设备及管理，从而便于达到节能指标；②雨水和中水处理成本较高，维护费用也较高，根据资料统计和计算，系统水处理成本超过3 元/t，远高于自来水成本。

2 住区水资源利用方式及形态布局建议

小区作为目前满足城市居民居住功能的基本单元，也是水资源设计的基本单元，但各小区之间又通过城市公共道路、绿地系统等相互组织联系，因此，高密度住区的水环境是由小区和其外部的公共道路共同组成的整体。低影响开发是一种可持续的雨洪管理理念，利用分散的、小规模的雨水设施控制场地径流和污染物，维持开发区域自然水文条件，最大限度降低土地开发对周围生态环境的影响，能有效解决城市雨水问题，其设施布局分散且规模较小，尤其适用于具有高密度开发要求的住区[1]。

2.1 规划布局

高密度住区规划布局建议，建筑密度与高度影响住区不透水面积，从而直接影响地表径流，宜采用紧凑布局模式，从而增加外部空间。建筑方向应在满足日照条件的基础上，结合场地规模和降雨量来选择，当规模较大且降雨量丰富时，宜垂直于地表径流方向布置以截留储蓄雨水；当规模较小且地势平坦时，宜平行于地表径流方向布置以疏导雨水，增加入渗（表 1）。

室外空间宜采用集中布局的方式，使住区室外空间径流形成“住区级中心—社区级中心”的模式，从而缩短输送路径，有效控制径流收集与排放，内部道路宜采用网格式和尽端式相结合的混合式，道路两侧可布置植被浅沟或雨水花园。

上海地区的土质主要为黏土，土壤的渗透系数小，如果路面带有杂质的地表径流流进绿地，会进一步降低土壤的渗透能力，从而影响雨水径流的渗透速度，因此，住区绿地宜采用连续程度低、分布密度高、离散度小、形状指数高、下凹深度5～20 cm 的布局方式。

2.2 建筑设计

高密度住区住宅建筑设计建议：考虑到上海地区气候特征有雨水收集的条件和优势，因此，屋面的设计要使用无污染性的材料，尤其是根据建筑荷载要求和预算，选择拓展型、半密集型或密集型屋面绿化，可起到过滤和截留雨水的作用。其中，高层住宅宜选用形式简单的拓展型，而住区内裙房或公共建筑可选择截留效果更好的半密集型或密集型（表2）。

上海的住区有立面径流削减措施设计的很少，个别住区使用了墙面绿化，但大部分为简单的攀爬式，且后期缺乏统一的管理，效果并不显著。建筑立面设计上考虑布置墙面绿化，高层住宅宜选用保水性较好且养护方便的花槽式或种植穴式，布置在5 层以下，也可通过退台设计营造屋顶空间，在相邻墙面上布置立面绿化，裙房和公共建筑可根据项目预算选择简易的攀爬式墙面绿化。

表1 住区规划布局建议

表2 建筑设计建议

上海地区居民因卫生问题对再生水接受程度较低，建筑再生水系统和建筑小区再生水系统的运行情况较差，建筑中水利用宜采用新型户内中水集成系统，即卫生间模块化户内中水集成系统，分为下沉式和侧立式两种类型，其工作原理是将沐浴用水、盥洗用水、洗衣用水这类优质杂排水收集起来，通过物理方式处理后进入马桶中进行冲厕，在中水不足时可自动补充自来水。已在河南、河北、山东、新疆、安徽等地多个实际工程中推广应用。

2.3 室外空间设计

高密度住区室外空间的地下部分基本被全部开发为地下车库，其上方覆土厚度较小。建设中，为了保证场地中低影响开发设施的正常运行和住区的建筑安全，且地下空间顶部的荷载承受能力要满足住区地面通行条件，应适当增加地下空间上方的覆土，使其厚度不小于1.5 m。

高密度住区室外空间设计建议：硬质场地尽量选择透水铺装，人流量较大的中心广场铺装可以以不透水石材为主，透水材料四周铺设或间隔线性铺设，人流量不大的宅间活动场地可全部采用透水铺装，采用地下停车为主的方式，尽量减少住区内车行道宽度与长度，地面停车部分考虑结合住区景观形成花园式布局（表3）。

景观部分可通过小规模范围布置雨水花园、增加树池盖板面积的方式，从而过滤并渗透更多的径流。住区雨水收集系统的蓄水池和沉淀池结合住区水景进行柔性设计，可分散布置在住区中地势较低的位置。

2.4 外部街道设计

由于多种地质和气候因素，导致上海雨水的处理方式要以收集集蓄和绿地就近自然渗透为主，而不适宜使用渗透量较大的渗水沟等雨水设施。因此，上海地区的街道更不适合使用路面雨水快速下排的方式处理雨水径流，而需要结合街道两侧的绿地景观进行生态排水的设计。

高密度住区外部街道设计建议：单幅路可设计为单坡或双坡两种形式，并在车行道与人行道中间设置由植被浅沟、生物滞留带组成的绿化带，或设置过滤树池等低影响开发设施；双幅路可设计为坡向两侧或坡向中央的双坡形式，坡向两侧的形式在车行道和人行道之间及车行道中央，设置由植被浅沟组成的绿化带，坡向中央的形式在车行道与人行道之间设置生物滞留带或过滤树池，在车行道中央设置植被浅沟；三幅路可设计为坡向两侧的双坡形式，车行道和非机动车道中间设置由植被浅沟组成的绿化带，非机动车道和人行道之间设置生物滞留带或过滤树池；四幅路可设计为坡向两侧或坡向中央的双坡形式，坡向两侧的形式在车行道中央、车行道与非机动车道之间、非机动车道与人行道之间设置由植被浅沟组成的绿化带，坡向中央的形式在车行道中央、车行道与非机动车道之间设置由植被浅沟组成的绿化带，在非机动车道和人行道之间设置生物滞留带或过滤树池（表4）。

表3 室外空间布局建议

3 设计方案评估

住区设计中的水资源利用策略主要体现在雨水和中水两个方面。

影响中水部分的关键指标是居民生活用水量，可分为设计中水系统和不设计两种情况。根据《城市居住区规划设计标准》（GB 50180—2018），在以街坊为单位的住区中，若将沐浴、盥洗、洗衣三类用水组成的优质杂排水处理后全部用于户内冲厕，可以完全满足日常冲厕用水量。在住区住宅内使用中水系统可比不使用的情况节水960～3 600 t/月。

影响雨水系统的关键指标体现在形态设计要素方面。根据低影响开发理念，其主要目标是减少住区径流。在相同区域与环境下，影响径流量的变量中,决定性因素是径流系数，因此，将以径流系数作为住区水资源设计方案量化评估的主要指标。

3.1 影响因子

径流系数是一个动态变量，需要根据住区场地的不同布局情况进行数据计算，其结果由各种与形态布局设计相关联的影响因子决定。径流系数的影响因子包括建筑物的布局和密度、地面材质和坡度、土壤性质、降雨强度、降雨历时、地形地貌等[2]，本文设计量化评估所需要讨论的影响因子有下垫面类型、绿地坡度、降雨强度、绿地下凹深度、植物配置。《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》（GB 50400—2016）《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2009）和《室外排水设计规范》（GB 50014—2016）中，虽然对径流系数的取值和计算方法已经做了详细规定，但是径流系数作为动态变量，在不同气候条件、布局、材料下的取值也各有差异，需要对其重要影响因子的影响作用进一步量化计算，以得到相应条件下的径流系数取值。

表4 外部街道布局建议

3.2 雨水径流量计算

住区方案的雨水设计流量可采用推理公式计算[3]，公式如下：Qs=qφF，式中，Qs为雨水设计流量（L/s）；q为设计暴雨强度[ L / （shm2）]；φ为综合径流系数；F为汇水面积（hm2）。

雨水设计流量计算中所涉及到的设计暴雨强度q和综合径流系数φ均可通过相关公式计算求得。

3.2.1 设计暴雨强度计算

设计暴雨强度q可根据不同地区水务部门所提供的参数代入暴雨强度公式进行计算：

式中，q为设计暴雨强度[ L / （shm2）]；P为设计重现期（年）；t为降雨历时（min）；A1、C、n、b为经验参数，根据统计方法进行计算确定，按照不同地区地方规范取值。

以上海地区为例，其暴雨强度计算公式[4]为：

式中，q为设计暴雨强度[ L / （shm2）]；P为设计重现期（a）；t为降雨历时（min），通常取值＜120。

目前，2018 年的《上海市城镇雨水排水规划（2017—2035）》对上海地区的雨水排水设计重现期提出了规划标准，具体内容见表5。

3.2.2 综合径流系数计算

综合径流系数φ是住区内所有下垫面径流系数的加权平均值，包括屋面、绿地、硬质铺地等。不同材质的屋面和路面、不同坡度和下凹深度的绿地等下垫面的单一径流系数可通过上文给出的径流系数取值表及拟合方程得出，再通过加权平均公式得到设计方案的综合径流系数[5]。综合径流系数计算公式如下：

表5 上海地区雨水排水设计重现期

式中，φ为综合径流系数；Si为单一下垫面面积；φi为单一下垫面径流系数；S为所有下垫面面积总和；i为下垫面编号。

住区设计方案在水资源设计方面的评估需要，根据具体情况运用上述相关公式进行量化计算，为了便于设计者能应用所需其他专业的相关知识来达到评估住区水资源管理能力的目的，可根据以上影响因子及其取值，结合Excel 制作简易径流计算器,通过输入设计指标而得出更直观的结果。其中：①设计暴雨强度（L / shm2）计算只需输入区域的设计重现期（a）和降雨历时（min）获得；②硬质铺装综合径流系数计算只需输入各铺装类型（不透水铺装、透水铺装、植草砖）、面积（m2）、坡度（仅植草砖输入此项）和单一径流系数获得 ；③ 绿地综合径流系数计算只需输入各绿地类型（单一草坪、草坪灌木结合、乔灌草结合）、面积（m2）、坡度、下凹深度（mm）和单一径流系数获得；④屋面综合径流系数计算只需输入各屋面类型（沥青屋面、铺石子屋面、绿化屋面）、面积（m2）和单一径流系数获得；⑤住区雨水设计流量计算则由住区综合径流系数（硬质铺装、绿地和屋面的综合径流系数的加权平均）、下垫面面积（hm2）（硬质铺装、绿地和屋面的面积总和）和设计暴雨强度[L /（shm2）]得出。

4 住区水资源管理

国内外优秀的住区水资源利用实践经验表明，住区水资源利用系统的良好运营，需要依靠先进的技术、激励和强制性政策和可持续的管理体系共同构成。目前，上海已投入使用的水资源管理项目中，以政府为主导投资建设的公共建筑类项目运营情况较好，而以开发商为主导建设的市场调节型住区项目多处于停用状态。由此可见，在上海地区水资源利用与管理方面，政府的主导作用是促进住区水资源管理项目发展更为有效的方式。上海地区的政府及相关部门在住区水资源管理方面可从以下三个方面入手。

4.1 法规政策

4.1.1 增加对开发区域低影响开发的规定

借鉴德国水法对新开发区域低影响开发的规定，要求新建设区域的径流洪峰流量不能超过其开发前水平，上海地区可将该规定加入现行规范中。

4.1.2 由建议性逐步转变为强制性

在法规政策编制和修改的过程中，可逐步将部分起关键性作用的水资源建议性条例改为强制性规范，使住区水资源管理得到真正的落实。

4.1.3 提供相关技术导则

由于不同地区气候特征和地质条件的差异，对雨水利用技术要求有所不同，为了提高中水和雨水管理项目的可行性，需要根据上海的实际情况制定因地制宜、经济适用的地方性技术导则。

4.1.4 建立经济激励机制

借鉴德国和日本的补贴和征税政策，确定上海地区可以短期补贴奖励、远期征税惩罚为目标。在推行工作初期，先通过向采用了水资源管理的住区项目给予奖金补贴或降低水费等奖励措施，鼓励开发商建设各项系统和设施，达到大范围推广普及的目的；再在远期发展中，考虑对径流流量过大、不透水面积超标，及水资源管理系统后期运行不达标的住区征收雨水和污水排放费，从而确保住区水资源项目的良好运行。

4.2 管理制度

4.2.1 确定主管部门

目前，水资源项目通常由多个部门共同管理，决策和工作效率较低。上海在进行水资源项目管理工作时可借鉴德国的经验，确立唯一的主管部门，所有与雨水和中水利用相关的项目可由上海市水务局统一管理。

4.2.2 成立多专业专家技术团队

住区水资源项目在技术实施过程中涉及到生态、水文、景观设计等多个专业。上海地区应成立在主管部门领导下的多学科专业人员组成的技术指导团队，从技术层面为水资源管理工作的落实提供支持。

4.2.3 加强可持续管理

为了加强住区水资源项目的可持续管理，可设立监督管理部门，分别从设计、施工、运行和维护的项目管理全过程，对住区水资源工程进行定期检查和评估，确保项目各阶段均处于良好的状态。

4.3 公众宣传

4.3.1 建设水资源管理试点项目

上海地区可选择典型区域，开展基于低影响开发的中水和雨水系统的建设和改造试点，逐步消除居民对非传统水源利用可靠性和安全性的顾虑，通过优秀试点的示范效应，带动全市住区水资源项目工程的进一步发展。

4.3.2 强化居民节水意识

目前，相关部门和居民对非传统水源管理重视程度不高，因此，应加大公众宣传教育力度，促进居民对再生水的进一步了解，提高对非传统水源回用的重视度和接受度。

5 结语

住区水资源利用与设计的落实需要考虑不同的相关利益者，从而达到真正意义上的住区水资源管理的目的，而政府及相关部门、开发商、居民是住区水资源设计中最直接的受益者，也是能决定和影响住区水资源利用与设计落实的利益相关者。因此，为了将水资源设计与住区开发相结合，形成一套真正可行且有效的住区水资源利用策略，需要设计者和利益相关者的共同努力。