涿州市校园雨水利用系统研究

2022-02-19刘祚俊

居业 2022年1期

刘祚俊

(华北水利水电大学,河南郑州 450045)

引言

涿州市处于河北省保定市北部，是保定市县级市之一。作为京畿南大门，涿州市总面积为742.5平方千米。伴随着涿州市经济蓬勃发展，水资源供需矛盾与每况愈下的水资源污染问题逐渐在城市化建设进程中凸显出来。雨水作为一种常见的微污染水资源，愈来愈得到专家学者的重视。雨水资源化不仅能有效缓解水资源短缺，而且对改善当地生态具有重要意义。学校具有人群密集且单一，绿化场地较大、用水方向集中且水量消耗大等典型特征。涿州拥有各类学校共计60余所，这为在校园推广高效利用雨水工程奠定了基础。本文以涿州校园建立雨水收集与利用的深化地方特色的新型设计方案为指引，通过理论的深入研究与相关环境信息模型的引入，期冀此项工程能够激励更多同行产生兴趣，开拓更严谨更具前瞻性的研究工作。

1 雨水利用研究进展

源自北美的雨水利用是将雨水用作道路喷洒，灌溉绿化与储水的项目。上述含义体现在三方面：(一)减少城市洪水，降低以雨水为介质的污染物排放和建设雨水利用系统。1989年在颁布《雨水设施使用标准》后，德国城市兴起大量设施逐步实现了利用雨水工程的总聚化与集成化，其中基于家庭与建筑群为单位的屋面雨水集蓄是德国雨水利用的特色之一[3]。如在柏林波茨坦广场屋顶花园、人工湿地与雨水储存池的有机统一使其成为雨水利用与城市功能良好配合的典范。(二)建成地表回灌系统、开发屋面雨水利用技术用以提升雨水天然入渗能力，是美国雨水利用的主要方向。基于雨水花园设计理念，2005年乔治亚州采取雨水生态与景观结合的构思建立万人工厂停车场，充分展现环境系统效益[3]。在国内亦不乏雨水利用典型，天津市以节约水资源为首要目标形成了“一核三片，多级驱动”的与城市功能区密切关联的生态圈，在其设计思路中尤其注重雨水资源的多级循环利用与相应配置的优先级，也已取得良好成效。(三)通过表土剥离、表层径流重修进行生态修复，利用下凹式绿地、铺装渗透等多重设施收集日常降雨，先对巨大水土流失风险的北京新机场以雨水利用模拟计算、施工严格管理与后期工程防护为主要步骤，降低了雨水对机场及周边环境的危害等级，使充分利用雨水资源由构思转为现实[2]。总体上国外雨水利用经多年发展形成诸多极具代表性的案例与和璧隋珠的经验供国内行业借鉴。概括来说雨水利用须建立起一种不破坏周围地区生态的设计方法，规范正确的法律章程并出台具备良好弹性的经济模式使雨水利用系统具备可持续性的调控措施与成熟的激励方法。

2 校园雨水利用研究

如图1所示流程，系统分析是综合分析与处理庞杂问题，构建最优方案的有效方法理论[1]。它包括以大量实验数据中选取有限典型为依据以及对信息的处理。如战国都江堰灌溉、防洪及其他子系统的巧妙协作就是秦国李冰应用系统分析实践的典范。工程协调各个子系统实现了河水分配和调度自动化，并控制了江水流量，无愧为水利史上占据突出地位的绝妙工程。现今国内，王建龙等学者在雨水开发理论、设计与评价等方面取得了独树一帜的成果。涿州校园作为工程主体，可对其进行雨水利用系统的经济效益量化分析。

图1

通过考量学校地形并应用层次分析法与加权分析法，工程可建立一套配备综合雨水管理设施的水利模型来得到标准化系统评价指标体系。工程目标分为环境、经济、工程、社会目标四个方面。环境目标包括对雨水净化质量的目标、景观美化目标以及校园降噪的目的。经济目标主要体现于系统建设费用与后期运行维护及管理成本的降低。工程目标包括雨水利用工程建立周期目标与兼顾可靠性、兼容性、安全性的工程目标。社会目标体现在对学生、教职工健康与对涿州城市整体建设的影响。

3 涿州雨水利用气候基础

通过对图2和图3气候数据剖析，涿州市温带大陆性气候特征显著，涿州市年平均降雨量为554.14mm。当地冬季寒冷少降水，降雨主要集中在6～9月份。夏天降雨充沛经常造成城市内涝以至对市民生产生活影响巨大。以涿州松林店某村1981～2010年共三十年数据为例，其状况不容乐观：其水位以年平均1.03m的降幅一路下降11.32m。其水位埋深由2000年始的7.43m突变至2010年末的18.75m，这极大说明了涿州雨水利用的可开发性与必要性。

图2

图3

4 雨水的直接利用

4.1 屋面雨水收集与利用

屋面雨水污染程度低、易于收集、流量较大。在校园这个特定环境下，林林总总的构筑物构成校园建筑网络。屋面雨水主要污染物为微小尘埃颗粒。实践证实：对其屋顶材质的不同会造成屋面污水污染程度不同。科研表明：屋顶建材采用铝合金材质可明显降低屋面雨水污染程度。降雨时，大量雨水借助雨落管等初级管网运送至雨水沉沙池，在池中进行自我沉淀后利用雨水泵提升至净化设施处，应用混凝、沙滤罐处理等耗资低却成效明显即产投比较高的前期技术可将雨水进行初级处理，即为雨水的一级处理[4]。处理完备的雨水达到中水标准便利用水泵提升用于校园绿化灌溉与室内冲厕等需水量大的场所，或者储藏在雨水储存池用以补充未降雨时的系统用水。

4.2 校园道路雨水的利用

校园道路雨水受路况信息如车辆流量、路面材质与卫生状况等综合性影响，其水质难以保证。所以道路雨水的高效采集与利用较之屋面雨水更加繁杂。故可根据涿州市各学校实际情况协调资源并研判方案，甚至在地形路况信息复杂、雨水利用率低的地区，考虑成本过高造成产投比低可舍弃对道路雨水的采集与利用。校园人行道可采用透水设计，而机动车道要采用雨污分流的前期设计降低雨水污染程度。在具有一定坡度的路面可方便地采集雨水，在雨水混入雨水池前设置拦污装置可阻挡小型厨余垃圾、枯叶与废弃纸制品的截留工作。在汇入储存池后雨水可自我沉淀与混凝工艺做进一步净化，后期可利用泵站将雨水提升至校园绿化场地做灌溉之用，同时利用校园文化景观中具有不同特性的水生植物将其进一步的绿色净化。

5 雨水的间接利用

雨水的渗透回灌用以增添地下水的流程称为雨水的间接利用。自然景观与屋顶绿化的有机融合、城市的内涝解决和土壤渗透性的应用技术都属于此项利用雨水的内容。企业工程可通过对各校园土壤渗透性的高低研判是否引进增深设备。校园人工湖、渗透渠、雨水花园、下凹式绿地等皆属于间接利用雨水的典型设施。以下对雨水花园与下沉式绿地进行介绍。

5.1 雨水花园应用分析

现代的雨水花园于二十世纪末正式出现，其最初构想在美国马里兰州首次得以实施。它是指使用原始自然或人工放置的土壤和植物来实现雨水净化、地下水补给和实现其他辅助功能。多数雨水花园建筑载体为浅凹池。通常砾石层、砂层、穿孔管、种植土壤层、覆盖层、溢流管与蓄水层共同构成其主体结构。雨水花园不仅可接收大量校园噪音，并能调控核心区域内温度，为学生营造一个更加舒适的学习环境。雨水花园模式里植物通过自身生命活动与土壤中的微生物一同降解某些有机污染物质并去除部分油类物质，同时植被还具有净化空气吸收有害有毒气体、释放负氧离子的能力，并起到吸附尘埃的作用。此外，雨水公园可激发参观者产生良好的感官体验进而作为校园标志性景观进行取景，可谓“百利而无一害”。此项目理论方案架构、空间尺度选取与根据特性不同而配置的植物与造型多方面地影响着最终实际效果。工程可在规划场区内安置下沉式绿地搭配各种植物，在草坪设置植草沟，利用蒸发作用减少径流，以期建立可持续的小型校园生态。

5.2 下沉式绿地探析应用

高程低于四周地面并具有减少雨水径流外排能力的绿地是下沉式绿地。现今，在建筑中大多数绿地采用上凸式以及平地式绿地，而应用下沉式绿地可最大限度地防止水土流失并可形成汇集池将雨水蓄渗[5]。提高校园雨水渗透效率，净化能力大幅度提升便是下沉式绿地巨大优势所在。水质达标的雨水可通过排水管网汇入地下水系以及校园池塘等地表景观径流以此补充整体布局下的水资源。而在绿地植被的选取上，要尽可能选用抗旱性、实用性、耐涝性等性能综合度高的适于涿州市气候的植物。

6 系统维护与前景分析

6.1 系统后期维护

为巩固系统正常运行并更新系统设备完善架构以求稳定发展，系统后期维护不可或缺。管理人员应安排对系统主要设施结构层的定期检查与表层清理，并对可能的隐患做好排查、记录。维护员应及时更换受损植物并记录植被生长情况。内部高层应收集系统反馈努力改进不足，安排专业人员关注新型材料迭代老旧设备并采用更先进的模式推动系统升级。

6.2 前景分析

校园雨水利用系统初步兴起，虽符合当代雨水利用构思，但在全国范围内还未推广并成熟运营。关于校园雨水利用如何直接与间接的进行有机协同还需长期探究。政府部门与社会应加大对校园雨水项目资金投资力度发展复合型系统，提高其科学性与保障性[6]。涿州市校园雨水利用将朝着雨水利用的深度与广度方向发展，在不影响绿色环保前提下提升工作性能并推广校园雨水利用的“普适”系统。