城市屋面雨水收集利用工程設計分析

朱 平，王維平，曹 彬，何茂強

(濟南大學資源與環境學院，山東 濟南 250022)

雨水利用不僅是開源節流的一條途徑，而且是緩解或解決缺水問題的一項重要措施，它具有節水、防洪、生態環境三個方面的效益［1］。雨水利用主要有以下兩種形式:①滲透回灌以補充地下水;②作中水回用［2］。

城市雨水作為第三水源開發利用，在雨水的3種匯流介質(屋面、道路、綠地)中，屋面雨水水質相對較好、便于收集，宜于直接利用。研究表明［3］，屋面徑流污染也比較嚴重，尤其初期雨水污染最為嚴重，水質渾濁、色度大。經試驗研究發現雨水水質不僅與降雨強度有關，也與屋面材料、空氣質量、氣溫、兩次降雨間隔時間等因素有關。

在從屋檐、屋頂匯集的雨水中，含有垃圾和灰塵。這些垃圾和灰塵主要是和剛開始降水(初期雨水)時一起流下來的。另外，也有初期雨水中融化有空氣污染物質的問題。為了有效利用雨水，排除骯臟的初期雨水，盡量將干凈的雨水引到儲水槽是十分必要的。這是因為在這個最初階段能否將大部分污染物質排除會直接影響之后的雨水儲存和利用的有效性。

1 工程區概況及設計

工程以濟南大學西校區1號教學樓(后面叫作1#樓)為例，進行了屋面雨水收集利用系統的方案設計。1#樓為12層的教學樓，屋頂總面積890 m2，本工程取其中一個雨水立管，其控制的匯水面積為144.86 m2。

1.1 降雨強度

1.1.1 設計重現期P

根據《建筑給水排水設計規范》，工程取P=3 a。

1.1.2 降雨歷時

根據《建筑給水排水設計規范》，屋面雨水收集系統的設計降雨歷時按屋面匯水時間計算，工程取10 min。

1.1.3 降雨強度

根據當地降雨強度公式(1)，計算設計降雨強度［4］

式中:q為設計降雨強度(L/(s·100 m2));P為設計重現期(a);t為降雨歷時(min);A、b、c、n為當地降雨參數。

工程設計暴雨強度q10=3.36 L/s·100 m2(其中設計重現期P=3 a;雨水管道的降雨歷時 t=10 min)，即 H=121 mm/h。

1.2 雨水設計流量

雨水設計流量應按式(2)計算［4］:

式中:Q為雨水設計流量(L/s);ψm為流量徑流系數;q為設計暴雨強度(L/(s·hm2));F為匯水面積(hm2);k為校正系數，一般取1。當屋面坡度較大時且短時積水會造成危害時(例如有的天溝沿溢水會流入室內)，取1.5。

該工程雨水設計流量 Q=4.867 L/s=15.7 m3/h(其中流量徑流系數Ψm=0.9)。

2 屋面雨水收集利用工藝流程及方案選擇

初期雨水棄流裝置是屋面雨水利用的一個關鍵裝置，其設計關鍵在于棄流雨量的確定和初期后期雨水的分離。

該屋面采用水泥建成，由于樓層較高，屋頂沒有落葉，只有一些空氣降塵堆積，屋面雨水水質較好。圖1為屋面雨水收集及處理利用工藝流程。

圖1 屋面雨水收集及處理利用工藝

在該方案中，屋面雨水經過雨水立管進入初期棄流裝置，經過前期棄流之后，初期較臟的雨水排至污水管道，后期雨水通過管道進入調節池，然后進入過濾池，最后通過管道進入回灌井，整個工程運行都采用重力自流形式。

3 主要構建物選擇及設計

3.1 初期雨水棄流裝置

根據1#樓規劃設計情況，工程所取雨水立管控制的匯水面積為144.86 m2?？紤]到后期雨水利用對水質要求較高，初期棄流量按6 mm降雨量設計，根據所收集屋面的大小，結合初期雨水棄流裝置的特征，確定所需棄流裝置的容積。經過初期棄流后的雨水，大大提高了過濾池的處理效果，最終實現達到利用要求。

圖2是一種初期雨水棄流裝置的示意圖。屋面雨水棄流裝置采用分流式原理，進水口連接雨水立管，雨水進入第一個圓柱形桶，設置有6個溢流孔對雨水進行6等分，依次設有3個圓柱形桶對初期雨水進行分流，可見進入最終棄流池的水量是設計初期棄流量的。當棄流池中的體積達到設計值，此時棄流池中的水具有一定的重量，通過杠桿原理，控制閥門轉向，使棄流管的閥門關閉，不再棄流，后期雨水進入收集管道。對于已經收集在棄流池里的初期棄流，降雨結束后可以打開閥門使其全部排盡，為下一次降雨做準備。

圖2 初期雨水棄流裝置示意圖

3.2 調節池

調節池是整個工程的重要構筑物，是雨水進入過濾池之前的緩沖設施，同時具有一定的沉淀作用。調節池的設計需要考慮有效容積的確定。雨水由屋面匯集沿雨水立管流下，經過棄流裝置，由地埋管(匯水管)通向調節池。屋面雨水立管高度h=45 m，內徑d1=11 cm;地埋管長度 L=26.7 m，內徑d2=15 cm。雨水在落水管管道里流動是貼壁流，跟脈沖一樣，有時會形成驟然的滿管。因此調節池的體積不能小于所有管道滿管時的水量。而所有管道滿管時體積 V=0.9 m3。因此，調節池體積 V≥0.9 m3，故調節池設計為矩形柱體(為長1 m、寬1 m、高1 m)。

3.3 過濾池

過濾池是整個工程最重要的構建物，它的處理效果是實現雨水回灌地下的重要保障。在工程設計中，選擇過濾效果較好的沸石作為濾料。沸石對雨水中氨氮的吸附實驗結果表明，1 mm粒徑改性沸石對氨氮的去除效果相當好。實驗結果見表1。

表1 沸石吸附氨氮濃度隨時間變化 mg/L

實驗結果表明，對初期棄流6 mm后的屋面雨水，半小時的去除率達到95%。所以采用上述收集處理工藝流程，其出水水質(氨氮濃度)能滿足《地下水質量標準》Ⅲ類水體標準。

設計濾速為3.3 m/h，過濾池設計為矩形柱體，底面積為4.8 m2矩形(長 2.4 m，寬 2.0 m)，沸石濾料厚度 1.5 m。整個池體設計成組裝式的，加工好現場裝料，過濾池總高2.3 m。

過濾池出水采用頂部溢流的形式。沿著過濾池頂部內圍一圈設有一個集水槽，然后通過管道通向回灌井。在通向井里的管道上安裝一個水表，監測最終回灌到地下的水量。由于井臺高程為0.7 m，因此在過濾池底部應建一個同樣高的水泥墩或支架，保證過濾池底部高于回灌井的井臺。

3.4 回灌井

過濾池出水采用管道通向回灌井。回灌井采用一個已經閑置的機井，由于井壁已經生銹，如果直接從井口回灌，會將井壁上的鐵銹沖下。根據井中常年地下水位埋深，采用30米軟管直接通向地下水位以下。

4 回灌量

通過對雨水水量、水質分析，建筑屋面可利用雨量按下式［2］計算:

式中:Q為屋面年平均可利用雨量，m3;Ψ為徑流系數，取0.9;α為季節折減系數;β為初期棄流系數;A為屋面水平投影面積，m2;H為年平均降雨量，mm。

季節折減系數α應根據當地氣象局多年統計資料分析確定，如濟南市區降雨量主要集中在汛期(6～9月)，約占到全年降雨總量的85%左右，其它月份不僅雨量少而且降雨的強度一般也比較小，有的降雨過程甚至不能形成徑流，也就無法收集利用。故考慮了氣候、季節等因素后，濟南市的可利用雨量季節折減系數α定為0.85。初期棄流系數β根據降雨和水質資料定為0.85。濟南市區年平均降雨量為687.6 mm。據此式計算本工程年平均可利用雨量為64.7 m3。

5 工程量

該屋面雨水收集系統方案設計主要工程量統計見表2。設計中對該雨水利用進行多種方案設計比較，經初步經濟比較發現，該方案工程造價為56 000元。

表2 屋面雨水收集系統主要構建物及設備數量

6 結論

城市屋面雨水收集利用系統需要對不同地方、不同氣候條件下的水資源狀況、可利用降雨量大小，以及最終的用途進行綜合分析，以優化設計雨水收集利用系統［2］。

(1)根據實時監測雨量計，對屋面雨水水質進行多次取樣檢測，考慮到過濾池的過濾處理能力，將初期雨水棄流量定為6 mm。

(2)結合文中屋面雨水收集利用工程的方案設計，對初期棄流后的屋面雨水，采用上述收集處理工藝流程，其出水水質(氨氮濃度)能滿足《地下水質量標準》Ⅲ類水體標準。

(3)由于整個工程的造價比較貴，比起傳統的直接排放，沒有直接體現出經濟上的優勢，但雨水收集利用對社會、環境和生態效益具有更廣泛的意義。

［1］吳守榮，喻國良，許唯臨.屋頂雨水管除葉器的初葉效率研究［J］.水利水電技術，2007，38(1):65-68.

［2］曹秀芹，車伍.城市屋面雨水收集利用系統方案設計分析［J］.中國給水排水，2002，28(1):13-15.

［3］車武，歐嵐，劉紅，等.屋面雨水土壤層滲透凈化研究［J］.給水排水，2001，27(9):38-41.

［4］陳耀宗，劉振印，趙世明，等，建筑給水排水設計手冊第二版(上冊)［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008:219-222.