綠色建筑雨水資源的利用

王志強,劉邑婷,左亞會

(山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271018)

1 綠色建筑概述

1.1 綠色建筑的涵義

20世紀60年代,美籍意大利建筑師保羅?索勒瑞在鳳凰城建成了世界上第一個生態建筑阿科桑底(Arcosanti),并將生態學(Ecology)和建筑學(Architecture)兩詞合并為“Arology”,首次提出了“生態建筑學”的概念。1992年,在巴西里約熱內盧召開的“聯合國環境與發展大會”上,“綠色建筑”的概念被首次提出,“綠色建筑”這個源于西方發達國家的理念及實踐活動由此逐漸被推廣到了世界各國。

由于各國的經濟發展水平、地理位置、資源條件等的不同,對綠色建筑的定義和理解各不相同,但基本上是圍繞著三個主題,即減少資源消耗和對環境的負面影響,創造舒適、健康的生活環境,與自然環境相融合。

我國在《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)中提出,綠色建筑是“在建筑的全壽命周期內,最大限度地節約資源(節能、節地、節水、節材)、保護環境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間,與自然和諧共生的建筑。”此定義體現了辯證唯物主義的思想,貫徹了科學發展觀,強調“四節一環保”,同時要求創建一個人性化、符合大眾生活和工作需求的健康、舒適的空間,體現了“人——建筑——自然”的和諧共生。

1.2 綠色建筑水系統與綠色建筑的水資源可持續利用

眾所周知,全球水資源問題突出,隨著我國人口增加、經濟飛速發展和城市化進程的加快,水的供需矛盾已成為制約我國工農業生產和城市發展的瓶頸。據統計,全國600多座城市中,有400多座城市缺水。其中,建筑生活用水約占城市總用水量的60%。專家預測,到2020年,中國的缺水總量將超過500×108m3,超過現在全國年用水量的10%,缺水高峰將會出現[1]。2011年的中央一號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》無疑將水利和水資源問題提高到了關系經濟安全、生態安全、國家安全的國家戰略高度。

建筑和城市用水息息相關。傳統建筑“高消耗、低效率、難循環”的水資源利用問題,對環境影響極大;綠色建筑的水資源可持續利用不但能夠節約水資源,還能夠實現水資源的循環高效利用,對水資源的保護和再生具有重大意義。

1.2.1 綠色建筑的水系統

《綠色建筑評價標準》將評價指標體系的六大指標之一節水與水資源利用分為3個部分:節水規劃、提高用水效率、雨污水綜合利用。一般來講,綠色建筑的水系統(包括綠色住宅小區,下文不再特別指出)包括以下幾方面:給水排水系統、污水處理系統、中水利用系統、雨水利用系統、節水器材、人工水環境系統。

1.2.2 綠色建筑的水資源可持續利用

綠色建筑能夠更好地適應自然,水資源的可持續利用是綠色建筑更好適應自然的主要因素之一。通常認為水的循環方式有3種,即水的自然循環、水在城市中的循環、水在建筑中的循環。三者相互獨立,又相互聯系。獨立的一個或一組建筑同時參與不同層次的循環,能夠使水資源綜合利用發揮更大的效益,對水資源可持續利用有重大意義。綠色建筑水資源利用的原則可歸納為4點:①充分利用現有水資源原則;②節水、節能原則;③無害化原則;④重復與循環利用原則[2]。

綠色建筑的水系統的主要任務是實現節水目標,提高水資源利用率,把污水、廢水、雨水、地表水、再生水回收利用,使“供給——用戶——排放”和“雨水、地表水——徑流——排放”這種一次性低利用率的線性模式改造成“供給——排放——貯存——處理——回用”循環利用模式,同時維護“降雨——滲透/調蓄——蒸發——降雨”的自然水循環,改善“凈水——污水——凈化——回用”的區域水循環,其工藝流程見圖1。

圖1 綠色生態住宅小區水環境系統工藝流程圖[3]

2 雨水資源利用的意義

《綠色建筑評價標準》中對綠色建筑滿足一般項和優選項的非傳統水源利用率要求分別是 10%、30%。非傳統水源利用率是指:采用再生水、雨水等非傳統水源代替市政供水或地下水供給景觀、綠化、沖廁等雜用的水量占總用水量的百分比。將經過處理后的雨水用于綠化、景觀、道路沖洗、沖廁等就是提高非傳統水源利用率的重要手段。從長遠看,開發利用雨水等非傳統水源,對可持續發展具有重要意義,主要從資源、社會、經濟、生態幾方面反映出來。

2.1 資源意義

雨水資源的開發,一方面可以間接補充城市水源;另一方面通過凈化后的雨水,可以直接補充水資源用于非飲用水,使自然資源得到了充分有效的利用,增加了可供水量,減少了市政供水量,緩解了城市供水壓力。據預測,2030年、2050年全國城市雨洪量分別為207×108m3、255×108m3,若按40%的雨水資源化率計算,則城市雨洪利用量分別為82.9×108m3、102×108m3。上海世博會僅四大永久場館收集雨水量就達10.94×104m3。目前,雨水的資源價值日益顯著。

2.2 社會意義

雨水是天賜之水,與人們的生活息息相關。全社會的共同參與是開展雨水利用的堅實基礎,是城市水資源可持續利用的必備條件。在全社會中普及雨水利用知識,開展雨水利用實踐,使雨水利用觀念深入人心,在日常生活和生產活動中化作從我做起的實際行動,對于保護水資源,形成節約用水的觀念,提高資源利用意識具有重要意義。

2.3 經濟意義

雨水資源利用減少了居民使用市政供水的數量,減少了水費開支。雨水收集、利用工程建設和改造的投資并不會增加太多,工程建成后的運行費用也很低,實際所節省的水費足以填補工程建設和改造及運行管理的支出,這已經被實際工程所驗證。如北京市某雨水利用工程,雨水收集基本建設投資不到20元/m3,運行費用不足0.1元/m3,而污水處理工程投資遠遠高于此。南京銀城東苑小區2005年投用了雨水收集利用系統,小區建成僅4年,累計節水13.2×104m3,節約水費約30萬元。

2.4 生態意義

雨水是非傳統水源,利用雨水能夠減少城市對地下水的開采,緩解由于過度開采地下水導致的地下水位下降、地下漏斗、地面沉降、海水入侵等問題,還能夠將收集的雨水用于地下水回灌、涵養地下水等。利用雨水資源建設的綠色建筑水景環境對于改善環境、美化城市、休憩娛樂都具有很大作用。

3 綠色建筑雨水資源的利用與管理

“雨水利用”,在國外又稱“雨水管理”,并有相應的技術規范和標準。雨水利用作為一個新興的領域,將水的自然循環、水在城市中的循環和水在建筑中的循環緊密地聯系在一起,能夠產生節水、削減洪峰流量、改善生態環境、涵養地下水源、維持水量和緩解地面沉降等諸多效益。在水資源嚴重缺乏的今天,雨水資源的利用勢在必行。

3.1 綠色建筑雨水利用的水量與水質控制

雨水直接利用是將雨水收集經沉淀、過濾、消毒等處理后,用于生活雜用水如洗車、綠化、水景用水等,或將徑流引入小區中水處理站作為中水水源之一。雨水間接利用是指將雨水適當處理后回灌至地下水層或將徑流經土壤滲透凈化后涵養地下水。徑流進入雨水收集管系后既能滲透也能流動,對于小于或等于設計重現期的降雨,全部徑流均能通過滲透設施滲入地下;對于大于設計重現期的降雨,徑流通過滲透設施僅能滲下一部分徑流,其余部分徑流排出供用戶使用,在降雨量較大時,多余的雨水將排至城市雨水管道系統,最終排放至水體[4]。

綠色建筑雨水主要來源于屋面、道路、綠地三種匯流介質。其中,道路初期雨水中COD通常高達3 000 mg/L～4 000 mg/L,水質較差;而綠地徑流雨水又基本以滲透為主,可收集雨量有限;比較而言屋面雨水便于收集利用且水質較好,利用價值最高[5]。一些研究表明,屋面徑流污染也比較嚴重,特別是下雨過程的初始階段,雨水污染最為嚴重[6]。研究表明,雨水水質不僅與降雨強度有關,還與屋面材料、空氣質量、氣溫、兩次降雨間隔時間等因素有關。在綠色建筑的設計和施工中應該妥善處理此類問題。

3.2 綠色建筑雨水利用技術

綠色建筑的雨水利用技術可分為雨水收集技術和雨水滲透技術兩類。雨水收集技術主要有屋面雨水收集利用系統、屋面花園雨水收集利用系統;雨水滲透技術主要有滲透地面、滲透管溝、滲水池、滲水盆地等。

3.2.1 屋面雨水收集利用系統

屋面雨水收集利用系統有兩種:單體建筑分散式系統和建筑群或小區集中系統。兩者工藝流程基本相同。其工藝流程見圖2。

圖2 屋面雨水收集利用系統工藝流程

雨水初期棄流裝置能夠降低雨水利用的難度,提高凈化系統效率,降低運行成本。一般可將初期棄流量定為2 mm。

國內外許多專家都提出了貯水池的體積確定方法,本文介紹晏中華提出的計算方法:

式中:QM為最大降雨月的日集水量(m3/d);k為流出系數,可取0.9;A為實際的屋面集水面積(m2);h為最大降雨月的月降水量(mm/月);V為貯水池體積(m3)。

屋面雨水水質除受大氣質量、降雨量、降雨間隔等自然因素的影響,也受屋面材料的影響。因此,屋面材料成為綠色建筑設計中必須考慮的問題,集水最佳屋頂材料是金屬、陶瓦和以混凝土為基面的材料(如瓦片或纖維接合劑),不允許采用含鉛材料(如塑料)作為集水屋頂。

試驗研究表明,屋面雨水水質的可生化性差,因此屋面雨水宜使用物化方法處理,即接觸過濾加消毒的方法。初期棄流的屋面雨水,在最佳投藥條件下經接觸過濾,COD一般可去除65%左右,SS可去除90%以上,色度可去除55%左右,水質可滿足生活雜用水水質標準[7]。

3.2.2 屋面花園雨水收集利用系統

屋面花園是指在各種建筑物的屋頂上進行綠化、種植花草的統稱,可用于平屋頂和坡屋頂。屋面花園各構造層次自上而下一般可分為:植被層、基質層、隔離過濾層、排(蓄)水層、隔根層、分離滑動層等[8]。

植被層是屋面花園的關鍵,植物和土壤的選擇是植被層的關鍵。植被層土壤必須有一定滲透性并能滿足植被生長的需要,植被必須適應當地的氣候條件,并且與植被層土壤性質相匹配。植物品種要合理搭配,盡量采用多種植物。另外,由于屋頂承重所限,要求種植層應具有自重輕、不板結、保水保肥、適宜植物培育生長、施工方便和經濟環保等性能。

屋面花園有很多優點:夏天防曬,改善屋頂隔熱性能;冬天保溫;種植層的覆蓋可延長防水層壽命;降低屋面雨水徑流系數;可增加對雨水的利用量;可以作為休閑放松之地。

3.2.3 滲透地面

滲透地面分為天然滲透地面和人工滲透地面兩種。天然滲透地面以綠地為主,人工滲透地面是人為鋪裝透水性地面,如多孔嵌草磚、碎石地面、多孔混凝土或多孔瀝青路面等。其目的是使水滲透接近水源來保持和恢復自然循環。

綠地是天然滲水地面,優點是:透水性能好;在小區或建筑物周圍分布,便于雨水的引入和利用;減少綠化用水實現節水;對雨水中的一些污染物具有較強的截流和凈化作用。缺點是:滲透量受土壤性質的限制;雨水中如果含有較多的雜質和懸浮物,影響綠地質量和滲透性能。為了增加滲透量,在綠地中做淺溝可以達到降雨時臨時貯水的目的,但要避免溢流,避免綠地過度積水而破壞植被。

低于周圍地面適當深度,能夠接受周邊地面雨水徑流的綠地稱為下凹綠地。下凹式綠地是一種生態型的雨水滲透設施,具有投資少、滲蓄效果明顯、截留凈化徑流雨水、不易堵塞等優點[9]。研究表明,綠地低于周圍路面0.1 m～0.2 m,其入滲量是綠地高于或平于路面時的3～4倍。

人工滲透地面的優點是:利用表層土壤對雨水的凈化能力,對雨水的預處理要求相對較低;技術簡單,便于管理;建筑物周圍或小區內的道路、停車場、人行道等都可以充分利用。缺點是:滲透能力受土質限制,需要較大的透水面積;對雨水徑流量調蓄能力差[10]。

3.2.4 滲透管溝

滲透管、溝是傳統雨水管的良好替代裝置,它是由無砂混凝土或穿孔管等透水材料制成,設于地下,周圍填充礫石。滲透管溝占地面積小,投資少,調蓄能力強,但是一旦發生堵塞或滲透能力下降時,難以清洗恢復,對水質有要求,不能含有過多的固體懸浮物,需要進行預處理[11]。因此,其適用于一些地下水位不高、雨水水質較好的地區。

3.2.5 滲水池

滲水池是將集中徑流轉移到有植被的池子中,而不構筑排水溝或管道。滲水池的滲透面積大,具有較大的滲水和儲水容量;凈化能力強,對水質預處理要求低;管理方便,具有滲透、調節、凈化、改善景觀等多重功能。這種滲透技術代表了與自然的相互作用,基本不需要維護。但其通常需占用大面積土地,設計管理不當會造成水質惡化,滲透能力下降等負面影響。滲水池在綠色住宅小區中改善生態環境、提供水景、節水、水資源高效利用的效果十分顯著。

3.2.6 滲水盆地

滲水盆地與滲水池的功能基本相同,水唯一的出路是滲入土壤。滲透可以使雨水通過土壤濾掉污染物,因此是對徑流最理想的管理和保護。修建滲水盆地時,應注意以下問題[12]:

(1)按照敞開系統或封閉系統設計滲水盆地。有些滲水盆地敞開且長有植被,起到了維護多孔土壤結構的作用。另外一些建在地面以下,其表面被改造為停車場或其它用途。建設地下水盆地材料費用高昂,因此只有在土地非常緊張,迫切需要將該地表建成雙重用途時,才傾向于采用地下盆地;

(2)靠近徑流源設置滲水盆地最為經濟有效;

(3)應避免使盆地靠近建筑的基礎,也應避免建在陡峭不穩的坡地。

4 綠色建筑雨水利用的評價指標

根據《綠色建筑評價標準》,采用了雨水利用技術或設備的綠色建筑,其雨水利用的評價指標主要有兩個:雨水資源利用率和節水率。通過這兩項指標,能夠客觀地衡量綠色建筑的節水效率。

4.1 雨水資源利用率

《綠色建筑評價標準》中對綠色建筑滿足一般項和優選項的非傳統水源利用率要求分別是 10%、30%。目前,與水資源作為非傳統水源的最主要來源,提高雨水資源利用率成為了提高非傳統水源利用率的重要手段,其計算公式為:

式中:R為與水資源利用率;Uy為實際雨水利用量;W為實際用水總量。

4.2 節水率

節水率反映的是總用水量定額中未使用實際市政供水用水總量的部分占總用水量定額的百分比,其公式為:

式中:C為節水率;Wd為總用水量定額值;Us為實際市政供水用水總量。

5 總 結

水資源短缺與水質污染是城市建設所面臨的嚴重危機,它制約著人類經濟的發展,影響了人類的生存環境。綠色建筑所提出的“四節一環保”的目的之一,就是要解決水資源短缺帶來的諸多問題,綠色建筑要求人們理解環境,理解自然,所以其在設計上比傳統建筑更貼近自然,能更好地適應環境,并且對環境的影響大大減小。

綠色建筑雨水資源的利用是綠色建筑非傳統水源利用的重要部分,是實現建筑節水的重要途徑和有力保證,也是城市水資源可持續利用的必然。綠色建筑雨水資源的利用作為一個新興的領域,既有傳統的雨水利用技術,又有新興的雨水利用技術。相關技術的選用需要根據有關規范,并結合不同的條件如氣候及降雨、水文、地質、建筑、風俗等,因地制宜綜合考慮使用的雨水收集或滲透技術的優缺點、適用條件和使用目的,從水量平衡、經濟實用、技術可行等方面確定最佳技術方案,同時兼顧經濟、社會、生態效益,達到綠色建筑節水的要求。

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