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(yè)大學(xué)，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(shè)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(shù)

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(xiàn)間接利用[2]，其系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)地下車庫頂板排水系統(tǒng)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)而向四周的土壤入滲，最終滲入地下，補充地下水，實現(xiàn)雨水的間接利用。但該方法，存在一些弊端：(1)構(gòu)造層較多，施工步驟繁瑣；(2)大面積頂板，找坡困難；(3)當?shù)叵滤桓?，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(tǒng)

PDS(planting roof drainage system)，意在指明本系統(tǒng)，雖常用于地下車庫頂板而又不局限于此處，該系統(tǒng)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(tǒng),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(jié)合的排水形式，將雨水匯集到收集池，實現(xiàn)雨水回用，實現(xiàn)了對雨水間接利用到直接利用的轉(zhuǎn)變。

雨水在地下車庫頂板PDS雨水利用系統(tǒng)的變徑排水管中，能夠在較正常水位更低的情況下產(chǎn)生虹吸作用，利用虹吸吸力，實現(xiàn)零坡度有組織排水，解決了大面積找坡這一技術(shù)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)的水不斷被吸入觀察井，經(jīng)觀察井排入雨水收集系統(tǒng)內(nèi)。這樣就從以往的被動擠壓式排水轉(zhuǎn)變成了現(xiàn)在的主動虹吸式排水，從而實現(xiàn)無找坡、有組織排水，排水最終流入集水池，集水池內(nèi)設(shè)有抽水泵，可以將水抽到地面進行綠化灌溉，實現(xiàn)雨水利用。上述系統(tǒng)材料如表1所示。

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

1.2.2 系統(tǒng)原理

地下車庫頂板PDS利用系統(tǒng)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(tǒng)剖面圖如圖3所示。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(shù)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(tǒng)排水動力主要依靠重力落差及管內(nèi)負壓，落差與管內(nèi)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(tǒng)與傳統(tǒng)地下車庫頂板結(jié)構(gòu)層次對比(圖4和圖5)

圖4 傳統(tǒng)地下車庫頂板排水系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)構(gòu)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(tǒng)通過異型排水板、排水槽、排水管，實現(xiàn)對滲透水的零坡度有組織排放，無需設(shè)置保護層[3]，找坡層[4]。因排水板具有阻根性，所以可不設(shè)阻根層。

(2) 地下車庫頂板PDS雨水利用系統(tǒng)與傳統(tǒng)地下車庫頂板施工周期對比

傳統(tǒng)排水工藝構(gòu)造層次中，工程復(fù)雜且成本高，而本項目的設(shè)計方案中，取消了找坡層、保護層、隔離層，系統(tǒng)材料全是提前預(yù)制完成，現(xiàn)場安裝采用黏接的方式將系統(tǒng)各材料拼接在一起，施工方便，可節(jié)省3/4的施工周期。傳統(tǒng)工藝與本項目工藝(地下車庫頂板PDS雨水利用系統(tǒng))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(tǒng)與傳統(tǒng)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(tǒng)減少了結(jié)構(gòu)層次的設(shè)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(tài)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(yè)用水，可以通過萬元工業(yè)增產(chǎn)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(shè)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(qū)以當?shù)貎r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(tài)用水、工業(yè)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(qū)以當?shù)貎r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(tài)用水+V工業(yè)用水)

(5)

(3)因節(jié)水而增加的國家財政收益(B3)

根據(jù)相關(guān)研究，每節(jié)約 1 m3水等于創(chuàng)造了 5.48 元的收益。節(jié)省市政用水可產(chǎn)生效益如式(6)。

B3=V節(jié)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(yè)單位用水排污費來計算。南通市居民用水排污費和企事業(yè)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(yè)單位用水×1.5

(7)

(5)降低城市雨水排水設(shè)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(wǎng)雨水量。城市的排水管網(wǎng)，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(wǎng)的建設(shè)費用，但它可以減少管網(wǎng)的運行費用和污水處理的費用。按 0.08 元/m3的雨水管網(wǎng)運行費用計算，每年節(jié)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(qū)南山湖南側(cè)，地下車庫頂板面積共計37 600 m2。

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

V蓄=10cHF

(9)

其中：V蓄—調(diào)蓄回用設(shè)施容積，m3;

c—徑流系數(shù)，本項目綠化率為40%，硬質(zhì)道路面積為20%，建筑占地40%，經(jīng)計算綜合徑流系數(shù)為0.45；

H—降雨量，本次設(shè)計年徑流總量控制率為75%，對應(yīng)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(jīng)計算，此項目，實現(xiàn)年徑流總量控制率75%時，需要的雨水調(diào)蓄回用設(shè)施V計=375 m3。

(2)基于降雨間隔時段內(nèi)的用水量計算

綠化澆灌用水定額應(yīng)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(guān)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(shù)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(shù)取240次/年[6]。

經(jīng)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(qū)域雨季平均降雨間隔時間為6 d，則平均降雨間隔時段內(nèi)總用水量為V用=405.6 m3。

(3) 調(diào)蓄回用設(shè)施容積確定

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

3.3 地下車庫頂板排水系統(tǒng)設(shè)計

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

3.4 運行狀況

(1)水質(zhì)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(tǒng)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(zhì)分析方法(國家)標準匯編》[9]進行。檢測結(jié)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(tǒng)出水水質(zhì)質(zhì)要求[10]。

Tab.3 Effluent Water Quality of Roof Rainwater Utilization System

(2)雨水回用狀況

本項目設(shè)計年徑流總量控制率為75%，對應(yīng)控制水量為22.2 mm，并設(shè)有對應(yīng)面積的滲透、調(diào)蓄設(shè)施。理論上，一天內(nèi)降雨量低于22.2 mm時，可以實現(xiàn)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(tǒng)做法和地下車庫頂板PDS雨水利用系統(tǒng)進行年效益分析，因兩種系統(tǒng)的社會效益和環(huán)境效益較為相同，所以本文僅從年經(jīng)濟效益作出分析和對比，具體年經(jīng)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(tǒng)雨水間接利用系統(tǒng)地下車庫頂板PDS雨水利用系統(tǒng)1排水系統(tǒng)造價170×37 500=637.50萬元125×37 500=468.75萬元2調(diào)蓄回用系統(tǒng)造價0850×375=31.87萬元3總造價637.50萬元500.62萬元

表5 經(jīng)濟效益對比Tab.5 Comparison of Economic Benefits

4 結(jié)論

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

隨著“海綿城市建設(shè)”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(shù)日趨成熟，地下車庫頂板雨水利用亦將成為“海綿城市建設(shè)”與“綠色建筑”普及過程中的一個亮點。