地下車庫頂板PDS雨水利用效益分析

何 超，呂偉婭，孫程貴，張家璐

(南京工業大學，江蘇南京 210000)

1 地下車庫頂板雨水利用

目前，對于地下車庫頂板滲透雨水的處理方式，主要仍持“以防為主，以排為輔”的觀念。即比較重視防水層的設計，滲透雨水主要通過自然散滲使其消散，缺少對車庫頂板雨水利用的研究[1]。

1.1 常用技術

常見的地下車庫頂板雨水利用方式，主要為雨水向四周土壤入滲，實現間接利用[2]，其系統構造如圖1所示。

圖1 傳統地下車庫頂板排水系統構造層示意圖Fig.1 Structure of Traditional Drainage System for Underground Parking Garage Roof

因車庫頂板底部設有防水層，雨水通過土壤滲濾積蓄在排水層上，雨水無法積蓄下滲，轉而向四周的土壤入滲，最終滲入地下，補充地下水，實現雨水的間接利用。但該方法，存在一些弊端：(1)構造層較多，施工步驟繁瑣；(2)大面積頂板，找坡困難；(3)當地下水位高，或四周土壤達到一定飽水率時，散滲困難，易積水。

1.2 地下車庫頂板PDS雨水利用系統

PDS(planting roof drainage system)，意在指明本系統，雖常用于地下車庫頂板而又不局限于此處，該系統也可用于其他種植頂板，如地下廣場、綜合管廊、屋頂綠化等。

地下車庫頂板PDS雨水利用系統,將原本向四周散滲的雨水，通過排水板、排水槽、排水管，以點、線、面相結合的排水形式，將雨水匯集到收集池，實現雨水回用，實現了對雨水間接利用到直接利用的轉變。

雨水在地下車庫頂板PDS雨水利用系統的變徑排水管中，能夠在較正常水位更低的情況下產生虹吸作用，利用虹吸吸力，實現零坡度有組織排水，解決了大面積找坡這一技術難題，降低了建筑物滲漏風險、施工周期、造價成本。

1.2.1 系統介紹

如圖2所示，土壤滲入水通過防排水保護板流至虹吸排水槽，在虹吸排水槽上安裝透氣管，虹吸排水槽內的水在空隙、重力和氣壓作用下很快匯集到出水口，出水口通過管道變徑的方式使虹吸直管形成滿流從而形成虹吸，虹吸排水槽內的水不斷被吸入觀察井，經觀察井排入雨水收集系統內。這樣就從以往的被動擠壓式排水轉變成了現在的主動虹吸式排水，從而實現無找坡、有組織排水，排水最終流入集水池，集水池內設有抽水泵，可以將水抽到地面進行綠化灌溉，實現雨水利用。上述系統材料如表1所示。

圖2 地下車庫頂板PDS雨水利用系統示意圖Fig.2 PDS Rainwater Utilization System for Underground Parking Garage Roof

1.2.2 系統原理

地下車庫頂板PDS利用系統將下滲土壤的水收集起來后，匯集到出水口進行排放。雨水利用系統剖面圖如圖3所示。系統排水原理遵循水流運動的伯努利方程，如式(1)。

表1 地下車庫頂板PDS雨水利用系統材料清單Tab.1 Material List of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

圖3 地下車庫頂板PDS雨水利用系統剖面圖Fig.3 Profile of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

h1+p1/(ρg)+v12/(2g)=h2+p2/(ρg)+v22/(2g)

(1)

設垂直管段頂端為截面1，排水橫管出口為截面2。截面2壓力為Pc，速度為Vc，兩截面高差為H，橫管出口高度為0，壓力為0，速度為Vg，Hz為水流在管段中阻力損失總和。將以上參數代入伯努利方程得式(2)和式(3)。

H+Pc/(ρg) +Vc2/(2g)=Vg2/(2g) +Hz

(2)

Pc=Pg(Hz-HL) +Vg2/(2g)-Vc2/(2g)

(3)

實際情況中，Vc大于Vg，Hz小于HL，所以Pc小于0，即垂直管段頂部的壓力為負值。系統排水動力主要依靠重力落差及管內負壓，落差與管內負壓越大，排水能力越強。

1.2.3 工藝對比

(1)地下車庫頂板PDS雨水利用系統與傳統地下車庫頂板結構層次對比(圖4和圖5)

圖4 傳統地下車庫頂板排水系統構造層示意圖Fig.4 Structure of Traditional Drainage System for Underground Parking Garage Roof

圖5 地下車庫頂板PDS雨水利用系統構造層示意Fig.5 Structure of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

地下車庫頂板PDS雨水利用系統通過異型排水板、排水槽、排水管，實現對滲透水的零坡度有組織排放，無需設置保護層[3]，找坡層[4]。因排水板具有阻根性，所以可不設阻根層。

(2) 地下車庫頂板PDS雨水利用系統與傳統地下車庫頂板施工周期對比

傳統排水工藝構造層次中，工程復雜且成本高，而本項目的設計方案中，取消了找坡層、保護層、隔離層，系統材料全是提前預制完成，現場安裝采用黏接的方式將系統各材料拼接在一起，施工方便，可節省3/4的施工周期。傳統工藝與本項目工藝(地下車庫頂板PDS雨水利用系統)的施工周期對比如圖6所示。

圖6 施工周期對比圖Fig.6 Comparison of Economic Construction Cycle

(3)地下車庫頂板PDS雨水利用系統與傳統地下車庫頂板工程造價對比(表2)

地下車庫頂板PDS雨水利用系統減少了結構層次的設置，可降低工程造價。

表2 造價對比Tab.2 Comparison of Constrution Cost

2 效益評價指標

城市雨水的回用途徑一般為可分為：①生活用水，雨水可替代的生活用水主要是沖廁和洗車等生活雜用水；②生態用水，雨水可替代的生活用水主要是沖廁和洗車等生活雜用水；③工業用水，可以通過萬元工業增產值用水量來計算[5]。

(1)滲透補充地下水費用(B1)

由于雨水利用工程的實施，每年通過入滲設施入滲回補地下水的雨水量為V1m3。以每立方米地下水源自來水價格 2.0元計(各地區以當地價格為準)，則每年補充地下水的費用如式(4)。

B1=V回補地下×2.0

(4)

(2)雨水置換自來水費用(B2)

雨水收集用于生活雜用水和生態用水、工業用水;減少的自來水費用可依照自來水價格計算。居民生活用水價格為3元/m3，非居民生活用水價格取 4 元/m3(各地區以當地價格為準)。則每年可置換自來水費用如式(5)。

B2=3×V生活雜用水+4×(V生態用水+V工業用水)

(5)

(3)因節水而增加的國家財政收益(B3)

根據相關研究，每節約 1 m3水等于創造了 5.48 元的收益。節省市政用水可產生效益如式(6)。

B3=V節省自來水×5.48

(6)

(4)因污染控制而減少的社會損失(B4)

在城市雨水利用中，污染控制所投人的費用可以采用城市居民用水排污費和企事業單位用水排污費來計算。南通市居民用水排污費和企事業單位用水排污費分別按照0.9 元/m3和 1.5 元/m3來計算，每年減少的社會損失如式(7)。

B4=V雜用水×0.9+V企事業單位用水×1.5

(7)

(5)降低城市雨水排水設施運行費用(B5)

對城市雨水收集回用，可以在較大程度上減少流向市政管網雨水量。城市的排水管網，其主要功能是排放生活污水，即使是雨污分流的雨水管道也需要排放大量的未收集雨水。因此，對雨水進行收集回用并不能顯著減少城市排水管網的建設費用，但它可以減少管網的運行費用和污水處理的費用。按 0.08 元/m3的雨水管網運行費用計算，每年節約運行費用如式(8)。

B5=V徑流控制×0.08

(8)

3 實例效益分析

3.1 項目概況

南通新瑞文化翡翠園，位于南通高新區南山湖南側，地下車庫頂板面積共計37 600 m2。

3.2 調蓄回用設施容積計算

(1)基于年徑流總量控制率的計算

本處使用的調蓄回用設施為無滲透功能的調蓄設施，其容積計算方法采用降雨量估算法。雨水調蓄回用設施的容積由匯水表面的徑流系數、降雨匯水面積和設計降雨量共同決定，計算如式(9)。

V蓄=10cHF

(9)

其中：V蓄—調蓄回用設施容積，m3;

c—徑流系數，本項目綠化率為40%，硬質道路面積為20%，建筑占地40%，經計算綜合徑流系數為0.45；

H—降雨量，本次設計年徑流總量控制率為75%，對應日容蓄回用水量為22.2 mm；

F—匯水面積，hm2，本項目為3.76 hm2,1 hm2=104m2。

經計算，此項目，實現年徑流總量控制率75%時，需要的雨水調蓄回用設施V計=375 m3。

(2)基于降雨間隔時段內的用水量計算

綠化澆灌用水定額應該因地制宜，綜合考慮氣候、植物、土壤、澆灌方式以及管理制度等因素進行確定。當沒有相關資料時，綠化澆灌用水定額可取1.0～3.0 L/(m2·d)計算，本研究取2.0 L/(m2·d)，年澆灌次數取180 次/年。道路廣場的沖洗用水定額按2.0～3.0 L/(m2·d)計算，本研究取2.5 L/(m2·d),年沖洗次數取240次/年[6]。

經計算，日綠化用水量如式(11)。

V日綠化=2×37 600×0.4/1 000=30.08 m3

(10)

日道路沖洗用水量如式(12)。

V日道路=2.5×37 600×0.4/1 000=37.6 m3

(11)

日總用水量如式(13)。

V日總=67.68 m3

(12)

該區域雨季平均降雨間隔時間為6 d，則平均降雨間隔時段內總用水量為V用=405.6 m3。

(3) 調蓄回用設施容積確定

計算出調蓄容積V計后, 需與降雨間隔時間內的用水量V用進行比較, 最終確定設計調蓄容積V蓄。 本項目[7]：V計

3.3 地下車庫頂板排水系統設計

地下車庫頂板PDS雨水利用系統排水管排水能力，經試驗測試后，最大排水能力達12 L/s。結合本項目地下車庫頂板面積共計37 600 m2及設計年徑流總量控制在75%，對應需控制的水量在22.2 mm等條件，按照實際經驗，每3 000 m3車庫頂板設一根排水管，共設有10根排水管，10根透氣管；排水槽間距，參照盲溝設置為每隔20 m設置一根[8]；集水設施設置為375 m3。

3.4 運行狀況

(1)水質狀況

本項目于2016年12月建成，2017年6月對地下車庫頂板PDS雨水利用系統出水進行了取樣，并對水樣的CODCr與SS進行了檢測。以上指標的檢測均參照《水質分析方法(國家)標準匯編》[9]進行。檢測結果如表3所示。

由表3可知，徑流通過車庫頂板1.2 m覆土滲透以后，CODCr去除率達到了86%，SS去除率達到了93%，且CODCr<30 m/L，SS<10 mg/L，滿足雜用水水表3地下車庫頂板PDS雨水利用系統出水水質質要求[10]。

Tab.3 Effluent Water Quality of Roof Rainwater Utilization System

(2)雨水回用狀況

本項目設計年徑流總量控制率為75%，對應控制水量為22.2 mm，并設有對應面積的滲透、調蓄設施。理論上，一天內降雨量低于22.2 mm時，可以實現對雨水資源的100%利用；超過22.2 mm的降雨量時，雨水將形成徑流，并通過溢流措施匯入市政管道。

3.5 年化效益對比

對本項目年降雨量取1 000 mm，按照上文介紹的指標及計算方法，分別采用傳統做法和地下車庫頂板PDS雨水利用系統進行年效益分析，因兩種系統的社會效益和環境效益較為相同，所以本文僅從年經濟效益作出分析和對比，具體年經濟效益及對比如表4和表5所示。

表4工程造價對比
Tab.4 Comparison of Construction Cost

序號目錄傳統雨水間接利用系統地下車庫頂板PDS雨水利用系統1排水系統造價170×37 500=637.50萬元125×37 500=468.75萬元2調蓄回用系統造價0850×375=31.87萬元3總造價637.50萬元500.62萬元

表5 經濟效益對比Tab.5 Comparison of Economic Benefits

4 結論

通過分析比較，采用地下車庫頂板PDS雨水利用系統，不僅能縮短施工周期，降低工程造價，還能將傳統的車庫頂板雨水的間接利用模式轉換為了直接利用模式，創造出更高的經濟效益，說明地下車庫頂板PDS雨水利用系統具有突出優勢，值得推廣運用。

隨著“海綿城市建設”與“綠色建筑”的普及，雨水利用概念將更為廣泛地涉及到工程的各個角落，在屋面雨水與地面雨水回用技術日趨成熟，地下車庫頂板雨水利用亦將成為“海綿城市建設”與“綠色建筑”普及過程中的一個亮點。