海绵城市中单体建筑全年雨水收集利用系统研究_步佳李.pdf

2023.No.3收稿日期：20221018作者简介：步佳李（1998），男，本科在读，主要学习和研究方向是水利水电工程。通讯作者：易旻旻（2000），女，本科在读，主要学习和研究方向是水利水电工程。摘要：目前国内外对于海绵城市的研究多基于地面局部蓄水及地下管网建设，对于雨水的利用简单粗犷，该措施对中小洪涝具有一定的控制作用，但当城市遭遇暴雨或极端降雨事件时仍存在内涝灾害风险。本系统引入水资源规划理论，将海绵城市雨水控制空间上升至城市主体建筑物，利用建筑物楼顶花园的空间调整，实现空中雨水拦截，并研发针对梅雨伏旱季节的建筑通风干燥新型装置，通过与现有雨水收集体系结合，构建3级雨水调蓄利用方案，实现通过系统蓄放水推迟暴雨事件下城市地面水量峰值来临期、减轻地下管网压力和内涝风险的目标。关键词：雨水收集利用；海绵城市；水资源规划及利用；节水灌溉中图分类号：TV212.5文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0057-04DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.016海绵城市中单体建筑全年雨水收集利用系统研究步佳李，易旻旻（河海大学水利水电学院，江苏南京210024）Annual Rainwater Collection and Utilization System for SingleBuildings in Sponge CityBU Jia-li，YI Min-min（School of Water Resources and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210024，China）Abstract：At present，researches on sponge cities at home and abroad are mostly based on local ground water storage andunderground pipe network construction，which is simple and rough for the utilization of rainwater.This measure has acertain control effect on small and medium-sized floods.However，when cities encounter rainstorm or extreme rainfallevents，there is still the risk of waterlogging disaster.This system introduces water resources planning theory，and raises therainwater control space of sponge city to the main body of the citythe building.It uses the space adjustment of the roofgarden of the building to realize the rainwater interception in the air.Moreover，it develops a new ventilation and dryingdevice for the building aiming at the rainy season and dry season，so as to realize the utilization of untreated rainwater.Thethree-level rainwater regulation，storage and utilization scheme is constructed to realize the goal of delaying the peak ofurban surface water volume under rainstorm events and reducing the pressure of underground pipe network and the risk ofwaterlogging through systematic water storage and release.Key words：rainwater collection and utilization；sponge city；water resources planning and utilization；water-savingirrigation1背景国外对于雨水收集与利用的技术起步较早，在雨水收集与利用技术上相对比较成熟，并且建立了相关的保障体系。从20世纪80年代起，欧洲和日本等国家开始对雨水收集与利用技术进行分析和研究。目前，德国的雨水利用技术已发展至第三代，其特征是设备的集成化，尤其对于建筑屋面雨水的收集、截污、储存、过滤、渗透、提升、回用和控制，形成了系列化的定型产品和组装式的成套设备1。国内针对雨水收集与利用的研究相对起步较晚。我国从 20 世纪 80 年代开始对雨水进行收集和利用，屋面雨水收集利用系统发展较为落后。近年来，我国在北京、上海和天津等城市分别开展雨水收集与利用项目。2001 年，我国国务院批准了首都水资源的可持续利用规划。2003 年，北京市水利局发布 关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定，规定北京的新建工程、扩建工程和改建工程在施工时都必须对雨水利用工程进行建设2。海河水利572023年3月长期以来，我国城市规划中对水资源的综合利用一直缺乏足够的重视，水资源可持续利用已成为我国经济社会发展的战略性问题。雨水作为每个城市都拥有的一种非常规水源，尚未普遍性地得到合理应用，通常直接进入城市地下管网，与城市污水混合，雨污同流，在增加污水处理负担的同时也造成了严重的城市内涝。对于一个严重缺水的国家来说，城市雨水的资源化利用问题应当引起重视3。针对目前国内城市雨水收集利用水平较低、管理模式粗犷等问题，本团队提出基于新型海绵城市系统框架，依托空间维度扩展，致力于雨水收集利用精细化、系统化，最大程度将原本排入下水管道的雨水实现调蓄利用，带动海绵城市发展新方向，达到变废为宝、节约资源的目的。2设计方案2.1系统整体布局以单个建筑为例，我们将空间分为 3 个层次，即楼顶花园蓄水层、地面蓄水池以及地下蓄水库。三者之间通过管道连接，依托于建筑物形成整体，如图1所示。其中，楼顶花园在现有依托生物进行雨水拦截蓄水的方案基础上，类比目前抽水蓄能电站模式增加楼顶蓄水层，使传统蓄水手段空间上移，配合地面蓄水池及地下蓄水库形成3级雨水拦截方案，最大程度减少雨水进入下水管道，造成水资源浪费。2.2楼顶蓄水层楼顶蓄水层采用分区设计，蓄水层与种植层用钢丝笼鹅卵石石笼网隔开，钢丝笼鹅卵石石笼网易于制作兼具防冲引流和观赏作用。花园与蓄水层设计比例为 800 350.37。楼顶花园剖面如图 2所示，楼顶花园整体如图3所示。2.3梅雨季节通风干燥装置目前，梅雨季节大量雨水资源得不到合理转化，部分家庭选择空调进行梅雨季节除湿，造成大量电能损耗。针对此现象，本系统内置一套通风干燥装置，如图4所示。本系统基于 建筑结构荷载规范（GB50009-2012）计算得到楼顶花园最大蓄水量，通过模拟地区南京梅雨季节降水，得到梅雨季节中后期空气湿度达到最大时楼顶蓄水层蓄满需要排水的结论。多余雨水通过管道排入地下蓄水池过程中，雨水和水轮机之间相互作用，水流能量传递给水轮机，水轮机旋转做功，由此收集到的机械能既可以驱动通风管中的潮湿空气，使其在干燥区流通，实现对室内空气的除湿干燥，又可以通过锂电池储存为电能，供给家用物联网的运作。同时，通过家用物联网图1整体示意简图图2楼顶花园剖面图3楼顶花园整体图4通风干燥装置整体示意通风干燥口楼顶蓄水池楼顶花园水轮机外墙管道地下室地下蓄水库景观用水城市排污管少量排向土壤步佳李，易旻旻：海绵城市中单体建筑全年雨水收集利用系统研究582023.No.3系统，可以对机械能的转换功率进行挡位控制，精确控制不同降雨量时的转换效率。通风平面如图5所示，通风整体如图6所示。2.4雨水调蓄过程梅雨季节来临前，楼顶花园蓄水层以及地下蓄水池进行预泄，腾空库容。在城市进入梅雨季节后，首先由屋顶花园蓄水层和地面蓄水池进行空中及地面雨水拦截，减少进入下水道的雨水量，缓解下水道的排泄压力。进入梅雨季节中后期，楼顶花园蓄水层首先进入满库状态，多余雨水通过下泄管道排入地下蓄水池。梅雨季节结束前，楼顶花园蓄水层、地面蓄水池及地下蓄水库均达到满库状态，为伏旱期大量需水做好调节准备。进入秋季后，本系统依旧可以存蓄雨水以备冬天及来年春天降水稀少情况。地下蓄水库，如图7所示。3理论设计计算3.1南京梅雨季节降水量南京气象局统计资料显示，南京2021年入梅时间为 6 月 13 日，出梅时间为 7 月 11 日，6 月降水量77.7 mm，7月降水量385.6 mm。以南京碧桂园凤凰城小区22栋为例，单体建筑屋面有效面积在梅雨季节流经雨量为379.91 m3。3.2楼顶花园蓄水层计算为了调蓄雨水以及满足雨水利用的目的，在楼顶花园部分区域设置一层蓄水池，设计蓄水量由屋面有效面积和最大蓄水深度确定，计算公式如下：Qx=Hw M（1）式中：Qx为蓄水池容量（m3）；Hw为最大蓄水深度（m）；M为屋面有效面积（m2）。通过确定屋顶荷载所允许的最大蓄水深度，从而进行蓄水池大小设计，计算公式如下：Hw=(Wj-Mr-Mp)/w（2）式中：Hw为最大蓄水深度（m）；Wj为屋顶静荷载（kg/m2）；Mr为单位面积屋面结构重量（kg/m2）；Mp为单位面积池体重量（kg/m2）；w为水的密度（103kg/m3）4。以南京碧桂园凤凰城小区22栋为例，部分参数详见表1。由以上公式计算，得出单体建筑最大蓄水深度为0.247 m、最大蓄水容量为88.705 m3。3.3屋面花园少雨季节需水量计算植物需水量与最大ET值（蒸发蒸腾量）、植物系数 CF、灌溉效率 CI和喷头分组效率 CP相关，计算公式为：PDA=CF ET/(CI CP)（3）式中：PDA为实际日需水量（m3）；最大ET值取决于气候条件，一般取月平均值；植物系数CF取决于植物类型和养护要求；灌溉效率CI取决于灌溉方式和灌水器；喷头分组效率CP一般取95%。4工作原理及性能分析本系统在原有海绵城市的基础上，扩大了海绵城市雨水处理的空间层面，引入水资源规划理论，变害为宝。具体循环利用过程记述如下。（1）11月次年3月冬春降雨稀少季节，楼顶蓄水层中储蓄的雨水对屋面花园进行灌溉。由式（3）和南京地区相应参数可以计算得到南京少雨季节屋图5通风平面图6通风整体图7地下蓄水库示意表1凤凰城小区22栋建筑基本参数项目设计值屋顶有效面积/m2820屋顶静荷载/（kgm-2）300单位面积屋面结构重量/（kgm-2）37.5单位面积池体重量/（kgm-2）15.9海河水利592023年3月面花园用水量为86.25 m3。此部分用水量完全由楼顶蓄水层提供，一方面可以节约屋顶花园灌溉用水，另一方面减少了将灌溉用水增压到楼顶的水泵电能，实现了就地蓄水、就地用水的目标。而地下蓄水库可以对小区内外绿化区域进行灌溉，不再使用城市自来水管网供水。（2）45月降雨量逐渐增多，楼顶蓄水层收集多余雨水，可用作干燥天气灌溉用水。6月初，进入梅雨季节前，楼顶蓄水层和地下蓄水库提前对内部少量未用完雨水进行泄放，腾空库容，这部分排泄的雨水由地下蓄水库直接排入地下，补充地下水5。（3）进入梅雨季节后，随着降雨量逐步增多，楼顶蓄水层达到饱和，在潮湿天气里由楼外排水立管向地下蓄水池排水，同时带动排水立管中通风干燥装置开展室内除湿工作，减少居民除湿机和空调等大功率电器的使用量。7月末进入伏旱期后，屋面花园以及小区绿化需水量增多。根据历史统计资料，2021年南京7月末到8月初