基于生态理念的校园雨水收集技术研究

杨国丽 唐中楠 刘鹏霄 王伊林

(河北建筑工程学院 市政与环境工程系，张家口 075000)

0 引 言

随着我国城市化进程的加快，水资源匮乏、水环境恶化等问题日益突出.雨水利用日益受到国内外学者的重视.建立和维护水系统的良性循环，是解决经济增长与水资源短缺之间的矛盾、实现可持续发展的有效途径之一[1].张家口市地处河北省西北部，属于干旱与半干旱地区，人均水资源量不足，水资源缺乏成为制约张家口经济和社会发展的重要因素.同时，张家口地理位置特殊，位于北京官厅、密云两大水库的上游，面临着既要满足自身用水又要保证一定出境水量的双重任务.尤其在国家发展和改革委员会与河北省人民政府联合印发了《首都水源涵养功能区和生态环境支撑区建设规划(2019—2035年)》以来，“两区”建设成为国家深入实施京津冀协同发展战略的一项重大部署.深入推动首都“两区”建设，走出一条绿色发展、生态强市的新路子成为了张家口市发展的重点.在生态优先意识、加强生态建设、建设天蓝地绿水清的理念引领下，大力推进雨水资源的利用，实现水资源的良性循环，不仅对于改善城市生态环境具有重要的意义，而且对城市的生态建设具有积极的支撑作用[2-3].

以河北建筑工程学院为例，从“绿色节能、资源循环、可持续利用”的角度出发，按照习近平总书记做出的建设好“两区”的重要指示，将实现城市生态优先和绿色发展的客观需要落实到校园生态环境的建设上.依据校园总体规划，结合校园用水现状及校内中水处理站的处理规模不足，运行不稳定等缺点，提出校内雨水资源收集净化的技术方案，为校园节水的同时创造出诸多的经济、环境、社会效益.

1 校园气象条件及中水回用水概况

河北建筑工程学院坐落于河北省张家口市，该市地处东亚大陆季风气候区，属于半干旱气候，昼夜温差大.全年降雨量变化较大，图1的统计数据显示，多年平均降雨量为388.8mm.根据中国气象数据共享网的统计知，每年约75%以上的降雨集中在夏季6至9月份，蒸发量高峰值处于3至7月份，如能将丰水期的雨水收集起来有效利用，对于改善校园水环境具有积极的意义[4].

图1 张家口市年降雨量统计(1987～2019)

校园占地面积1176亩，总建筑面积31万平方米，建筑密度16%.校园地势呈显著的北高南低.校园内设有一座中水处理站，建成于2015年10月，总投资近800万元，建筑面积2400余平方米，自2016年5月通过验收合格后投入使用至今，日出水量约700吨.其出水水质满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中的相关规定，处理出水全部用于校园绿化及冲厕.但是由于处理规模有限，运行不稳定，只能供部分教学楼、公寓楼、办公楼冲厕及校园绿化用水.为了弥补供水不足的缺点，结合当地的降雨情况，提出充分收集雨水资源的具体方案，将其净化利用不仅可以缓解校园用水的压力，而且可以达到高效节水的效果.

2 校园雨水收集技术方案

在有限的空间内建立一套具备雨水入渗、收集回用、调蓄排放的生态通道，满足校园日益复杂的用水需求，是校园生态理念雨水控制的目标[5-6].生态理念下的校园雨水利用要求因地制宜地制定雨水收集方案，考虑到景观水体是理想的雨水调蓄设施，利用校园现有的景观水系为核心组建雨水收集系统，将路面雨水、绿地雨水、屋面雨水等的收集在一起，经低影响开发设施处理后转输至校园内景观水系(校园平面布置如图2所示)，从而达到实现可持续协调的雨水资源规划方案的目的.在目前校园规划的基础上尽量实现校园雨水自然的积存、渗透及净化，在维护校园生态功能的前提下进一步提高其水生态系统的自然修复能力.

图2 校园平面布置图

2.1 路面雨水的收集

校园路面面积占总用地面积的40%左右，如何有效收集路面雨水是实现校园雨水资源化利用的关键所在.路面径流雨水通过有组织的汇流、转输，经截污等预处理后引入绿地内，并通过设置在绿地内的以雨水渗透、储存、调节等为主要功能的低影响开发设施进行处理.校园路面雨水与城市其他道路雨水相比具有污染成分单一的特点，加之校园道路坡度明显，为校园路面雨水高效收集提供了基础[7-10].综合考虑校园内地形坡度、道路规划、路基路面强度和稳定性、造价成本及维护成本等因素，对校园内的人行道、停车场、小广场等透水路面及校园内的主干道、机动车道等半透水的路面采取不同的收集方式，如图3所示.实际上对于透水及半透水的路面来讲，面层与基层均具有透水能力，在降雨初期就可以吸收雨水，入渗到基层底部雨水管道，径流雨水经路面有组织汇流至生物滞留带，当降雨量过大时通过路面两旁的溢流管道进入雨水管道，转输至景观水体[11-12].

图3 透水及半透水道路横断面示意图

2.2 操场雨水的收集

操场是校园雨水收集的另一重要场所.河北建筑工程学院校园内操场用地主要分为塑胶跑道、足球场、篮球场等[13].以跑道与足球场为例，宜采用生态排水的方式，借助操场的地形坡度，有组织的将雨水排入跑道与足球场间的集水沟.由于操场人流大的原因，所以需要考虑操场雨水径流污染严重这一显著特点.田宇[12]的研究表明操场雨水径流的污染物浓度与主干路类似，悬浮物与化学需氧量等值均较高.操场下层设置蓄水模块，其材质为高品质百分百优质回收聚丙烯，该模块在收集雨水的同时具有控制初期雨水污染的功效，通过物理方法初步净化后经由下沉式绿地截留、转输至校内景观水体.图4为操场雨水收集空间示意图.

图4 操场雨水收集空间示意图

2.3 绿地雨水、屋面雨水的收集

校园绿化面积占总用地面积的30%左右，绿地分散布置在各教学楼、行政楼、图书馆等建筑的周围，在美化校园环境的同时也改善了校园的生态环境在分析绿地规模及竖向设计基础上，考虑在绿地内设计可消纳绿地雨水径流的低影响设施，即当雨水经过植物时，经颗粒物沉积、植被过滤、土壤渗透及微生物降解等共同作用下，不仅径流量达到一定的消减，而且雨水中的污染物也被去除一部分，达到雨水收集利用及补充地下水的目的[14-16].绿地低影响设施主要设置生物滞留带、绿地下渗带、植草沟等.生物滞留带宽约2m，选用根系较深、耐水性植物马蔺及千屈菜，有效去除雨水中的大颗粒污染物，同时有助于雨水下渗至土壤；绿地下渗带根据校园整体绿化效果设置，具有径流转输及雨水下渗的作用；植草沟作为生态理念排水系统的重要部分，与其他低影响开发设施共同建立生态理念雨水系统，在收集转输雨水的同时达到进一步净化雨水的目的[17].植草沟的边坡坡度不大于1:3，纵坡不大于4%.黄俊杰[18]通过验证计算，植草沟对径流水量削减率在30%以上，对洪峰流量可削减70%，蓄渗、减洪效果极为明显.基于上述优点，在绿地内设置植草沟，雨水进入绿地后通过植草沟进一步净化转输排入校内景观水体.

目前校园内建筑屋顶以平屋顶为主，建筑未考虑屋面绿化荷载，所以不能采用绿色屋顶减少屋面径流总量和径流污染负荷[19].结合校园的实际情况，将建筑屋面的径流雨水通过地面有组织的汇流及转输，引入绿地，经绿地内的低影响设施处理后转输至校内景观水体.

雨水调蓄设施是水生态“弹性”的核心部分，围绕雨水调蓄把单一的雨水控制转变为多方位综合雨水管理正是雨水控制生态理念的核心内容[20].校园景观水系作为独具优势的雨水调蓄池，承担了路面雨水、操场雨水、绿地雨水、屋面雨水汇集与净化的重任.校园内景观水体的总面积达1.1.综合考虑雨水收集的途径，在景观水体周围分散设置自然生态水岸，如图5所示，将校园内各渠道收集到的雨水进行净化处理.通过设置消能区与植物快慢生长区分层次逐步沉淀、吸附污染物，在消能区种植草本植物减缓雨水流速，在快慢生长区分别种植乔木或湿生植物稳固河床.使其在具备景观功能的同时成为生态理念下雨水控制中枢平台.景观水体周围的绿化不但有利于校园水环境的提升，而且对于建造一个集收集、转输、净化雨水于一体的可“呼吸”的校园水生态系统具有积极的作用.

图5 校园雨水收集系统示意图

3 结 论

高校作为城市的一个重要系统，具有较强的独立运行能力，其拥有人数多、面积大、用水基数较大、节能节水潜力大等特点.本文以河北建筑工程学院校园为例，就如何在校园建设一套基于生态理念的雨水收集技术方案，从而能够实现系统性、综合性、多样化地收集利用雨水，并将雨水纳入到校园的节水及水生态文明建设中去，以此统筹协调地综合管理校园水环境进行了综合的考虑.结合校园的总体规划，在生态理念的引领下提出校园路面、绿地及屋面雨水收集的技术方案，并以校园内景观水系为核心集调蓄、净化于一体.一方面可以弥补校园中水处理站处理规模有限的缺点，为学校节约部分开支的同时可以创造出诸多的经济、环境及社会效益，对其他校园及科技园区的生态环境建设具有推广的价值；另一方面可以促进校园生态化建设的进程，结合张家口市“两区”建设的重大战略部署为尽早实现区域生态优先和绿色发展做出重要贡献，尤其对于提升区域的水源涵养功能具有重要的意义.