馬鵬超：綠色建筑雨水收集與利用方法分析
隨著城市建設的不斷發展，城區不透水面積逐年增加，雨水徑流量增大，流出時間縮短。這不僅造成水資源的巨大浪費，加大了城市排水系統的負擔，還對城市的生產、生活造成極大的影響，并帶來巨大的經濟損失。如何將雨水有效收集利用，最大限度地恢復城市水文自然進程已成為當今研究熱點。目前，國外發達國家的雨水收集與利用措施體系已逐漸完善并趨近成熟，而我國城市水土保持中雨水收集與利用方面的經驗仍存在明顯不足。我國于21 世紀初提出了建設具有中國特色的海綿城市的思路， 2015—2016 年住建部共選取30個城市開展海綿城市試點建設，對推動我國城市建設項目的雨水收集與利用、規范技術應用和工程實踐起到了積極的推動作用。
1 建筑雨水收集現狀與問題
我國現代城市發展很快，綠色建筑已被大家普遍接受，但針對雨水利用的研究不夠，并且技術推廣偏慢。20 世紀 90 年代起，雨水收集系統逐漸在我國城市的綠色建筑內興起，雨水回收和利用技術在我國大中城市中發展勢頭良好。以北京為例，北方城市本身存在水資源匱乏的問題，政府重視程度較高，北京市自2000年開始先后采取一系列政策措施促使綠色建筑小區內雨水收集與利用工作大面積鋪展開來[1]，同時也帶動了綠色建筑小區雨水收集與利用技術的發展進步。而類似上海、武漢、南京等中東部沿江城市，水量充沛而忽略雨水收集與利用，近年來這些地區均出現嚴重內澇，雨水對人居環境的影響逐漸凸顯。
2 雨水收集與利用的意義
2.1 節約城市水資源
近年來逐漸增多的城市道路沖洗，灑水減霧治霾，甚至于城市洗車行業的逐步增多，對于城市自來水的需求也相應增多，而供水負擔加重，自來水等原水資源的浪費和過度使用，使得回用雨水作為循環用水水源的呼聲也日漸增大。
將城市雨水收集、利用的效益顯著，可以減輕城市暴雨時對排水管網的排水壓力，減輕污水處理廠的負荷，提高污水處理廠的處理效率；大大減少城市徑流量，減緩城市徑流速度，有利于減輕城市洪澇災害的壓力
2.2改善城市水環境
對城市雨水資源的開發利用，地表河流、湖泊及地下水等水體的用水將相對減少，有利于維持河、湖、地下水源等天然水體的正常生態環境用水量；另一方面通過收集雨水的調蓄構筑物的運作，既可以緩解城市的內澇災害，還可以變廢為寶，稀釋污水污染物，改善污水的水質。
2.3具有經濟和生態意義
對雨水進行收集利用，既可緩解城市對自來水依賴，又能解決水源污染，最終達到節能減排、低碳環保的目的。另一方面，回用雨水在一定程度上可以做到城市區域自給自足，對于飛速發展的城市來說，尤其是城市不斷擴張，而后續配套的管網無法跟上的時候，采用雨水回用，減少城市建設供水管道的費用，使得城市管網合理優化，而且對于雨水使用，可部分替代自來水以減少自來水的使用量。與其他非傳統水源利用對比，雨水收集利用具有明顯經濟優勢。
3國內外雨水收集與利用技術情況
3.1 國內雨水收集與利用技術情況
我國的雨水利用的研究與應用開始于80年代，發展于90年代。從80年代至今，雨水收集利用發展大概經過試驗研究，試點示范，推廣應用，蓬勃發展四個階段。
我國對于雨水資源的利用上，傳統技術還占據著主導地位，并且主要集中在西北部雨水貧乏的地區。雨水利用率低，且多數用于農業灌溉和牲畜飲用，忽略了城市雨水資源的利用。城市建筑多有完善的雨水收集系統，但沒有蓄滲、處理、回用系統，其主要原因是城市規劃設計中仍是以排為主的雨洪處置理念，沒有把雨水的貯存利用放在首位。近年來，我國才逐步將城市雨洪控制利用技術應用于實際工程，海綿城市理論，低影響開發技術，雨水收集利用技術剛剛形成較完備的體系，出臺了相應的法律法規及規范來保證雨水利用工程的實施，并進行了小規模的示范區應用研究和試點工程研究。
在此背景下，城市雨水利用的研究開始受到廣泛的關注，北京、上海、西安、大連、哈爾濱等許多城市相繼開展了雨水利用的研究與應用示范。北京的雨水利用研究走在國內前列。國家會議中心主體部分的屋頂每年可收集雨水7000m3，基本能夠滿足國家會議中心綠化用水需水量。國家奧林匹克森林公園通過公園內的湖泊水系及市政河道來收集雨水，將收集的雨水用于道路噴灑及綠化灌溉等，全園的雨水利用率高達 95%。
3.1.1 國內綠色建筑雨水收集與利用主要處理技術
3.1.1.1 綠色屋頂
綠色屋頂（種植屋面或屋頂綠化）是指在房屋建筑的屋頂、天臺、露臺等進行的人工綠化。花園式、組合式、草坪式是綠色屋頂的三種主要形式。在屋頂上種植植物，對雨水進行攔截、過濾、收集與利用。屋頂上種植的植物以及各類土層、礫石層都會對屋頂產生壓迫，因此屋頂結構需要一定的強度和穩定性。為了便于排水屋頂應設置一定的坡度。我國綠色屋頂由于起步晚，屋頂花園存在漏水多、植被生長狀態差、雨水量不足等諸多問題，很多與之對應的規劃要求設計標準和施工手冊都還在研究完善階段。
草坪式所需的基質厚度小，自重輕，且一般選用抗逆性強的草本植被，養護費用低；組合式綠色屋頂為了實現高低錯落的植物搭配，一般會使用少量的低矮灌木及其他種類的植被，需要經常的澆水和維護；花園式的屋頂花園從組成內容上來說增加了許多造景元素，比如景觀小品或者小型的景觀水體，在植物選擇上可以選擇一些較為高大的樹木，養護成本高，且基質厚度大，自重大，對屋頂的荷載、屋頂防水的防根刺等有了更高的要求。
綠色屋頂具有提高城市綠化覆蓋、創造空中景觀，吸附塵埃減少噪音、減少城市熱島效應、緩解雨水屋面溢流、有效保護屋面結構等作用，不同形式的綠色屋頂對屋頂荷載、空間條件、防水等有不同的要求。
3.1.1.2 微生物濾床技術
微生態濾床技術是上世紀 70 年代發展起來的一種新型處理技術。和常規的生化處理比較，微生態濾床具有可生化性強，氮、磷去除能力高，投資及日常運行費用低等特點。微生態濾床由水生景觀植物和生態基質層兩大系統組成，利用兩大系統共同營造的生態凈化空間，綜合物理、化學、生物等處理因素并放大功效，使水凈化工藝達到最大化。該技術運作的核心是對有氧區域的尺寸和數量的管理。通過選擇不同的基質和根系，處理過程中的有氧或無氧反應會得到合理利用，提高處理效率。
3.1.1.3 雨水濕地
雨水濕地，也稱人工濕地，是一種人工淺沼澤系統，用來處理城市雨水并控制徑流水量。雨水濕地一般設計成防滲型以便維持雨水濕地植物所需要的水量，雨水濕地與濕塘的構造相似，一般由進水口、前置塘、沼澤區、出水池、溢流出水口、護坡與駁岸、維護通道等構成，主要作用是沉淀雨水中大顆粒污染物。主塘一般包括常水位以下的永久容積和儲存容積，永久容積水深一般為0.8～2.5 m，儲存容積一般根據所在區域相關規劃提出的“單位面積控制容積”確定。
3.1.1.4 下沉式綠地
下沉式綠地是指具有滯留、蓄存及下滲雨水功能的、低于周邊道牙地表5～ 10 cm 的低洼綠地。既可使雨水直接下滲補給土壤持留水和地下水，也能將部分雨水匯集到集雨式綠地內短暫滯留或蓄存，并緩慢入滲補充地下水。在城市開發建設中，下沉式綠地作為一種十分有效的雨水集蓄利用措施被廣泛應用。
3.1.1.5 淺草溝
淺草溝是設置在綠色建筑區道路兩邊、綠地中間和不透水地面四周的淺溝，溝內種植有植物。淺草溝本身可作為雨水排除的管渠，但與普通管渠不同，淺草溝利用植物和土層除掉固體顆粒物和有機物，以及生物難以降解離子[2]。淺草溝的設計通常與建筑區的景觀、道路、排水系統相結合，其前期設計與施工、后期運行管理工作量較大。雨水流入淺溝后會發生物理沉淀過濾作用，同時大量附著在植物、土壤、基質中的微生物更是將污染物作為營養物質，降解吸收促進自身生長繁殖。淺草溝對雨水有截留和滲透作用，因此有很強的削弱徑流峰值的效果。研究表明經過淺草溝處理的雨水水質符合2010版的《城市污水再生利用 - 綠地灌溉水質》標準，匯集凈化的雨水可作灌溉植物，經過淺草溝下滲的雨水能補充地下水，也可以作為景觀水。
3.1.1.6 滲透鋪裝
透水鋪裝是指在綠色建筑小區的道路廣場以及停車場等處合理鋪設透水性地面。透水鋪裝材料有良好的通透性，水能較快的入滲，空氣無障礙交換，透水層下的蓄水層又能保持水量不輕易被蒸發掉，因此透水鋪裝地面能夠削減暴雨洪峰期地表徑流量。建筑區域中間采用透水性鋪裝可以緩解地表徑流過大問題[3]。透水路面最大的優勢是降雨期能夠及時滲透排走雨水，晴天存積在路基路床間的水汽能夠蒸發上升，緩解城市的熱島效應。另外，透水磚能改善光污染、具備吸音功能。
3.1.1.7 雨水花園
針對建筑物周邊如果有略微下沉的地形可直接建成雨水花園。綠地種植耐淹抗旱植物，花園內的雨水大部分經過土壤過濾進入地下水層中，在暴雨期水量過多時也可以收集至小區的儲水池中作為噴泉用水，這是一種有效的水量控制法和景觀設計法。雨水花園對地形有要求，通常選取項目用地標高較低的位置設置。雨水花園可作為雨水最終匯集地點，屋面、路面以及其他地面的雨水均流入花園，通過花園植物、土壤的物理、生化作用進行處理，達到下滲或回用標準。
3.1.1.8 雨水調蓄池
調蓄池適用范圍廣。由于降雨存在不均勻性，暴雨時期屋面大量的雨水超出了地面雨水管道系統的設計流量，容易形成地面積水，雨水調蓄池起到很好的水量調節作用。雨水調蓄池的形式主要有地下式、地面開敞式、地面封閉式三種。在項目建設用地非常少的條件下，可設置地下式蓄水池，這類水池能夠減少雨水的蒸發損耗，冬天結凍的概率也偏小 ；在項目場地有下凹地段，如地下停車場或綠地，可將其改造成開敞式雨水調蓄池，該類型蓄水池與周邊建筑風格、景觀園林特色相結合，使公共空間的景觀具有層次感，同時起到雨水調蓄作用 ；地面封閉式蓄水池適用于單體建筑，該類蓄水池能減少水分蒸發，蓄水池的體積大，調蓄能力強，但對應的前期投資高。
3.1.3 北京市雨水控制相關政府文件及規定
自2012 年7 月21 日遭遇“7·21”特大洪澇災害以來，北京圍繞城市雨洪防治，相繼出臺了多個政府文件及規定，如《新建建設工程雨水控制與利用技術要點暫行) 》（市規發〔2012〕1316 號）、《北京市人民政府辦公廳關于進一步加強城市雨洪控制與利用工作意見的通知》（京政辦發〔2013〕48 號） 、《雨水控制與利用工程設計規范》( DB 11 /685—2013) 、《北京市房地產建設項目水土保持方案技術導則》等。其中：《雨水控制與利用工程技術規范》規定，新建項目面積超過2 000 m2 的每1 000 m2 （含）應配建不小于30 m3 的雨水調蓄設施，下凹式綠地面積占綠地面積的50% 以上，硬化地面透水鋪裝率達到70% 以上等；《北京市房地產建設項目水土保持方案技術導則》規定，山區項目雨洪利用率大于80%，平原區項目雨洪利用率大于90%。北京城市水土保持突出雨水蓄滲措施有關內容，對構建有效的城市雨水蓄滲措施體系、加強城市洪水災害防治具有重要現實意義。
對于我國這樣一個貧水國家，利用雨水資源對社會的可持續發展顯得尤為重要。雖然近年來我國的雨水綜合利用也逐漸受到了重視，但鑒于起步較晚，研究不夠系統，管理滯后等原因，相對于發達國家先進的雨水利用管理系統和體制，還存在著不小的差距。學習和借鑒發達國家在雨水綜合利用方面的先進管理體制和成功經驗，對我國在該領域的發展具有重要意義。
3.2 國外雨水收集與利用技術情況
國外一些發達國家，城市雨水資源化和雨水的收集利用已有數十年的歷史。從20 世紀70 年代，發達國家為保護水環境及充分利用水資源，開始研究、開發和應用雨水收集、處理與回用的技術，使雨水成為重要的的淡水資源之一。現代意義上的雨水利用尤其是城市雨水的利用, 是從20 世紀80 年代到90 年代發展起來的，不僅少雨的國家（如以色列等）發展較快，而且一些多雨的國家（如東南亞國家）也得到發展。一些工業發達的國家（如德國、日本、澳大利亞和美國等）都在積極開發利用雨水，并且已開展了相關的研究并建成一批不同規模的示范工程，如日本結合已有的中水道工程，在城市屋頂修建用作雨水澆灌的“空中花園”，在樓房中設置雨水收集、凈化與儲存裝置，用以沖廁和澆灑綠地。
3.2.1 美國的雨水利用技術
常用的LID（低影響開發）技術主要有：都市自然排水系統，植生滯留塘/生物滯留塘（雨水花園），可滲透路面，生態屋頂，雨水收集裝置，LID 樹池，綠色街道，雨水再生系統等。
雨水花園作為典型的LID 技術，是利用花園的形式來吸收一部分由暴雨所帶來的降水和過濾掉污染物質，如圖-1所示。它是一種生態型的雨洪控制與利用設施，是指在低洼區域種有灌木、花草乃至樹木等植物的工程設施，由具有預處理作用的植被緩沖帶、蓄水區、有機覆蓋層、種植土層、植物、地下排水暗管組成，并設有緊急溢流裝置有時還可設置一貯水池。它主要通過土壤和植物的過濾凈化雨水，將雨水暫時滯留后慢慢滲入土壤來減少徑流量。廣泛地用于滯留及凈化公共建筑、城市住宅區、商業區以及工業區的建筑、停車場、道路的雨洪徑流。但是為了保證良好的運行狀況，必須對雨水花園進行定期維護管理，比如在幾場降雨或一場大暴雨后，要檢查雨水花園表面覆蓋層的侵蝕情況以及植被的損壞情況等。
圖-1 雨水花園結構示意圖
3.2.2 德國的雨水利用技術
德國是歐洲開展雨水利用工程最好的國家之一。目前德國的雨水利用技術已經進入標準化、產業化階段，市場上已大量存在收集、過濾、儲存、滲透雨水的產品。德國的城市雨水利用方式有3 種：①屋面雨水收集系統。集下來的雨水采用簡單的處理后，使其達到雜用水水質標準，用于廁所沖洗、庭院澆灑、工業冷卻等；②雨水截污與滲透系統。將道路雨水通過下水道排入沿途大型蓄水池或通過滲透補充地下水；③生態小區雨水利用系統。在小區沿排水道修建滲透淺溝，表面植有草皮，供雨水徑流流過時下滲。
為實現土壤對雨水的直接消納，德國在降低路面硬化率方面做了大量的工作， 主要通過建設透水性路面（pervious pavement）、設立植被滲雨區（grass dump） 以及加裝地下的雨水滯留裝置實現。在易積水地區，進一步通過滲透沼澤（infiltration swale）和溝渠滲透（subsurface ditch in）的形式強化滲透效果。在城市道路整體的排水解決方案方面，漢堡市（Hamburg）已有較為成熟的案例，主要利用道路面進行生態調蓄收集，如圖-2所示。2015年5月15日漢堡市遭遇強降雨，以該道路為例，道路雨水通過坡降快速匯集于中央的生態調蓄系統，有效減少了路面積水狀況，也緩解了排水系統的洪峰壓力。
圖-2 利用道路面進行生態調蓄收集（漢堡市）
3.2.3 日本的雨水利用技術
日本對雨水資源的利用也十分重視。日本于1963 年開始興建儲存雨水和滯洪的蓄水池，其雨水利用的特色是多功能調蓄設施，修建在地上和地下的蓄水池都可以滿足不同的用途。1980 年開始，日本建設省在國內開始推廣雨水貯留滲透計劃，在公園、綠地、廣場、停車場、運動場等建設雨水貯留滲透設施。在建筑物上設計雨水收集設施，收集雨水用于消防、洗車、沖廁等，也可以處理供居民飲用。20 世紀 80 年代，蓄存雨水的工程設施開始在日本大量興建，這些設施可以儲存多余的暴雨徑流，降低市政管網的壓力，也可將其作為城市水資源加以利用。1992 年，日本政府就頒布了“第二代城市排水總體規劃"，正式將雨水滲透渠、滲透塘及滲透鋪裝納入城市總體規劃，政策要求要求新建、改建的大型公共建筑必須增加雨水滲透設施的規劃設計。
滲透渠、滲透管、滲透井、可滲透路面、調節池和綠地等各種雨水滲透設施在日本迅速發展，收集并且處理后的雨水可以用于消防、澆灑綠地、洗車、沖廁所，也可以深度處理后供居民使用。這些設施占地面積小，可因地制宜的修建在門前屋后。 資料顯示，日本現已建成的建筑物中，屋頂集水面積可達 20 余萬m2。東京江東區文化中心修建的雨水收集利用設施面積可達 5600 m2，雨水調蓄池容積 400 m3，每年可用于中水和城市雜用水的雨水占其年用水量的 45%。
21 世紀初，日本商人已經將雨水作為一種貿易產品遠銷更為缺水的中東國家，阿拉伯聯合酋長國每年從日本進口雨水約 2000 萬 m3，主要用于農業灌溉。表明雨水利用技術在日本已相當成熟，可以作為經濟產業鏈為國家創造財富。
4、綠色建筑小區雨水收集與利用發展趨勢
4.1 在綠色建筑小區中實現“零用水”
“零用水”這一概念由建筑專家 Jerry Yudelso 提出，旨在倡導雨水收集、中水回用、污水凈化處理來實現建筑用水量的平衡。
4.2 利用綠色建筑小區進行雨水控制
當前建筑小區域內內澇問題頻發，可通過“雨水花園”對削減洪峰，同時凈化雨水美化環境，雨水花園包括建筑的在屋頂上培育植物和再建筑物四周建成綠地。
4.3 利用建筑設備進行“雨水回用”
大多數傳統建筑注重的雨水收集與排放，大量的雨水資源直接匯入自然水體，降雨增加了排水管網負荷卻無法作為生活和生產用水的源頭，綠色建筑小區將通過技術手段直接將收集的雨水進行處理回用，在建筑區域內部進行消解循環。
4.4 綠色建筑小區融入城市“水敏感”設計
“水敏感設計”應用于建筑與小區、城區與整個城市等多個層次的雨水管理。水敏感設計關注任何雨水有關的因素和水資源的變化引起的所有環境變化。該概念最初是為了控制暴雨對城區的影響，隨著研究和應用的滲入，人們發現該理念可以應用于小到獨棟建筑的庭院，大到整個城區的雨水管理中。綠色建筑小區雨水利用應與小區域、城區域的整體雨水規劃設計相協調，共同服務于“綠色城市”“海綿城市”。
總之，綠色建筑小區雨水收集和利用可按照“低影響開發”理念進行建設，即在項目規劃到運行的整個過程根據實際情況調整方案和方法，合理選用淺草溝、滲透鋪裝、雨水花園、綠化屋頂、雨水調蓄池等措施，實現項目建成后接近于建成前環境和條件，使綠色小區的雨水能夠以自然的方式進行雨水調節，減少資源浪費和環境污染。
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