建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水理念與潛力評(píng)估

王兆庚，郭祺忠，2，練繼建，陳 亮

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354；2.羅格斯大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新澤西州，美國(guó) 08854）

1 研究背景

城市雨水回補(bǔ)地下水是雨水利用及資源化的一種重要形式，對(duì)于城市的發(fā)展具有重大意義。城鎮(zhèn)化加快，不透水面積（硬化路面及建筑面積等）不斷增加，改變了自然雨水水文過程［1］。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、住建部公開數(shù)據(jù)，近40年內(nèi)（1978—2017年），中國(guó)人口城鎮(zhèn)化率增加了40.6%（由17.9%增長(zhǎng)為58.5%），同時(shí)伴隨著不透水面積的急劇增長(zhǎng)，其中建筑與小區(qū)占城區(qū)面積的近70%［2］。該過程加大了地表徑流，減少了雨水下滲量；使得近80%的降雨形成徑流，雨水徑流量增加70%左右，下滲量減少約40%，導(dǎo)致城市地下水無(wú)法得到補(bǔ)給、地表徑流增加，引起城市水資源短缺及內(nèi)澇頻發(fā)問題［3-5］。《中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》［6］公開數(shù)據(jù)顯示，近10年內(nèi)（2008—2017年），北方平原區(qū)地下水含蓄量平均每年減少38 億m3，逐步造成地下水空洞，且每年有近170 多個(gè)城市遭受不同程度的進(jìn)水受淹或暴雨內(nèi)澇，造成平均每年2000 億元左右的經(jīng)濟(jì)損失。因此增加地下水含蓄量，減少城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生，迫在眉睫。然而，有關(guān)研究表明［7-9］，降落至地表的雨水，尤其是屋面雨水水質(zhì)較好、污染較輕，較路面雨水具有更高的利用價(jià)值。而且降落至建筑屋面的雨水本身具有勢(shì)能，這部分勢(shì)能對(duì)于提高雨水利用效率，具有很高的開發(fā)價(jià)值。故加強(qiáng)雨水尤其是建筑屋面雨水的利用，以及屋面雨水資源化對(duì)于上述問題的緩解具有重大意義。

目前城市雨水利用方式有兩大方面：雨水集蓄回用（二次回用、回補(bǔ)地下水等）［10］，以及人工滯留滲透技術(shù)（透水鋪裝［11］、生物滯留系統(tǒng)［12］、綠色屋頂［13］、植草溝［14］、下凹式綠地［15］、植物緩沖帶［16］等）。此兩方面中各項(xiàng)方式的側(cè)重功能不同，但總體是以滲、滯、蓄、凈、用為主，從而較大程度地發(fā)揮雨水的資源利用價(jià)值［17］。但針對(duì)上述兩方面技術(shù)在增加地下水含蓄量方面，均存在空間利用矛盾的問題，其中人工滯留滲透技術(shù)（滲、滯）需布設(shè)相關(guān)措施，占據(jù)城市較大空間；雨水集蓄回用（蓄、凈、用）需修建蓄水池，一個(gè)一般規(guī)模的蓄水池容積需200～400 m3/hm2［18-19］，同樣涉及空間不足問題，與城市空間利用之間存在矛盾。而且，上述技術(shù)（除回補(bǔ)地下水外）原理基本為增大雨水滯留時(shí)間，使雨水自然下滲［20］，但這一過程時(shí)間周期長(zhǎng)，對(duì)快速增加地下水含蓄量、有效緩解城市洪澇等問題，效果不明顯。然而，現(xiàn)有的雨水回補(bǔ)地下水技術(shù)在快速增加地下水含蓄量方面具有優(yōu)勢(shì)［21］；不過這一途徑仍存在不足：（1）目前的雨水回補(bǔ)地下水模式，均采用先集蓄、后凈化、再回補(bǔ)的方式［17］，但在集蓄的過程中，使得降落到建筑屋面雨水的勢(shì)能損失；且在集蓄中伴隨長(zhǎng)期蓄存易使雨水水質(zhì)惡化，導(dǎo)致水中色度、濁度、COD、氨氮、細(xì)菌以及pH 值等多項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)［22-24］，引起雨水二次污染、更難凈化的問題，增加了雨水的利用成本［25］；（2）雨水回補(bǔ)地下水的常用方法有地面入滲法和管井注入法兩種［26-29］，但這兩種方法具有不足之處。地面入滲法以自然入滲為主，時(shí)間周期長(zhǎng)，且對(duì)場(chǎng)地（滲透性、占地面積）要求高；管井注入法，又可分為重力注入法、真空灌注法及加壓灌注法。其中，加壓灌注法為3 種方式中回補(bǔ)效率最高的一種，較無(wú)壓自然回補(bǔ)，回補(bǔ)效率可提高15%～200%左右［30］，但加壓回補(bǔ)需布設(shè)加壓泵、儲(chǔ)水罐等大型回補(bǔ)設(shè)備，且需要外界持續(xù)提供電能，使用成本高［31］。基于上述兩方面問題增大了雨水的綜合利用成本，因此應(yīng)考慮開發(fā)一種將雨水收集、快速凈化，并不需外界能量輸入、直接回補(bǔ)地下水的模式，進(jìn)而緩解上述問題。

對(duì)于城市而言，存在較多的建筑群（住宅建筑、商業(yè)建筑等），降落到建筑屋面上的雨水，其總量具有很高的可利用性，且建筑物屋頂雨水水質(zhì)較好［32］。更為重要的，降落到建筑群屋面上的雨水具有高水頭特點(diǎn)，該部分勢(shì)能可用于提供回補(bǔ)所需壓力，但這部能量很少被應(yīng)用。因此在對(duì)建筑物屋面雨水進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速凈化處理的基礎(chǔ)上，利用該部分雨水具有的高壓水頭特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑屋面雨水有壓條件下回補(bǔ)地下水的雨水利用模式，對(duì)上述問題的解決具有重大意義。該項(xiàng)技術(shù)理念提出后，尚處于研究階段，故本文基于上述內(nèi)容以及國(guó)內(nèi)外有壓回補(bǔ)地下水的相關(guān)研究，以天津大學(xué)新校區(qū)為研究區(qū)，結(jié)合現(xiàn)有的加壓回補(bǔ)數(shù)據(jù)建立計(jì)算模型，對(duì)建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水的潛力進(jìn)行評(píng)估，為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和推廣提供參考。

2 建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下理念及計(jì)算模型

2.1 雨水利用潛力分析與計(jì)算雨水總量是指一個(gè)流域或封閉地區(qū)的降水總量，對(duì)于校園雨水集流面包括建筑屋頂、道路和綠地，該量的計(jì)算、評(píng)估方法目前多采用徑流分析法［33］。針對(duì)本文中的研究對(duì)象所涉及的集流面為建筑屋面，故雨水總量的計(jì)算具體可闡述為：對(duì)特定研究區(qū)域、特定時(shí)間的雨水收集量的計(jì)算。其具體公式如下：

雨水總量計(jì)算式［34］為：

式中：W 為某區(qū)域內(nèi)的雨水總量，m3；H 為某地區(qū)的降雨量，mm；A 為匯水面積，m2。

雨水可利用總量的計(jì)算公式［34-36］為：

式中：W′為某區(qū)域內(nèi)的雨水可利用總量，m3；a 為徑流系數(shù)；φ為有效雨量系數(shù)。

2.2 建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水理念及回補(bǔ)量計(jì)算建筑屋面雨水有壓條件下回補(bǔ)地下水模式，如圖1所示，在回補(bǔ)原理方面與目前加壓回補(bǔ)地下水相同。其具體實(shí)施方式為：以建筑屋面為集流面，且建筑屋面兼具短暫儲(chǔ)水功能，通過與屋面雨水收集、凈化裝置，雨水管，以及有壓回補(bǔ)井相組合、連接，從而提升雨水回補(bǔ)時(shí)的水頭壓力，實(shí)現(xiàn)建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水模式。由于沒有成熟的回補(bǔ)理論指導(dǎo)，本文依據(jù)目前加壓研究、相關(guān)回補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)論，以及相關(guān)參數(shù)的定義，對(duì)建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行等效、概化處理（具體闡述見本文3.3 章節(jié)），以此為基礎(chǔ)，對(duì)該模式下的回補(bǔ)量進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。

圖1 建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水示意圖

目前的回補(bǔ)地下水的理論研究仍處于探索階段，還沒有成熟的回補(bǔ)應(yīng)用理論；而地下水抽取理論研究已相對(duì)成熟，故學(xué)者們將回補(bǔ)地下水看做抽水的逆過程［37］，將抽水理論應(yīng)用到回補(bǔ)地下水中，在一定程度上解決了現(xiàn)有問題，但并不完全適用。降水井的影響半徑可采用庫(kù)薩金公式進(jìn)行計(jì)算［38-39］，雖然可將回補(bǔ)看做降水的逆過程，但降水與回補(bǔ)過程中水的總“勢(shì)能”不同，對(duì)同一場(chǎng)地，井內(nèi)水位降低或升高相同高度時(shí)，抽水量遠(yuǎn)大于回補(bǔ)量，降水井影響半徑也比回補(bǔ)井的影響半徑大［30，37，40］。因此回補(bǔ)井的回補(bǔ)量不能完全按降水井的求解公式進(jìn)行計(jì)算，需要對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行必要的修正。

2.2.1 現(xiàn)有理論公式 地下含水層回補(bǔ)量的裘布依公式［41-43］及影響半徑的庫(kù)薩金公式［38-39］：

式中：Q 為地下含水層回補(bǔ)量，m3/d；k 為潛水含水層滲透系數(shù)，m/d；hw為回灌后井水位到含水層底部距離，m；h0為潛水含水層飽和層的初始厚度，m；R 為影響半徑，m；rw為回補(bǔ)井半徑，m。

式中：sw為回灌后井內(nèi)水位到含水層頂部距離，m。

2.2.2 推求適用于本模式的半經(jīng)驗(yàn)公式 王會(huì)剛等［30］通過現(xiàn)場(chǎng)水泵加壓回補(bǔ)試驗(yàn)研究，得出相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)位于濟(jì)南市城區(qū)，在地質(zhì)與地理?xiàng)l件方面可代表北方平原、丘陵地區(qū)城市，與天津各方面條件十分接近；且試驗(yàn)中采用恒壓回補(bǔ)地下水的方式，進(jìn)行了0.05～0.20 MPa 的壓力回補(bǔ)試驗(yàn)。該試驗(yàn)中所用壓力與本文計(jì)算中所涉及的壓力水頭十分相近，故本文基于其所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合本課題組針對(duì)該模式正在開展的試驗(yàn)研究，借用式（3）、式（4）的計(jì)算形式，采用更加適合于本模式計(jì)算評(píng)估的參數(shù)，推求出適用于建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)潛水含水層模式的回補(bǔ)影響半徑及回補(bǔ)量的計(jì)算公式，并通過回歸得出了系數(shù)。回補(bǔ)影響半徑及回補(bǔ)量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，見圖2。

式中：R′為推求后的影響半徑，m；he為建筑屋面距潛水含水層飽和層頂部距離（圖3），m；k 為潛水含水層滲透系數(shù)，m/d；h0為潛水含水層飽和層的初始厚度，m。

圖2 推求后半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

式中：Q′為建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水量，m3/h；k 為潛水含水層滲透系數(shù)，m/d；hi為屋面距潛水含水層底部距離（圖3），m；h0為潛水含水層飽和層的初始厚度，m；R′為推求后的影響半徑，m；rw為回補(bǔ)井半徑，m。

圖3 建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水回補(bǔ)量計(jì)算參數(shù)示意圖

2.3 回補(bǔ)率計(jì)算本文中以回補(bǔ)率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本文所述模式進(jìn)行評(píng)估。該值為回補(bǔ)量與雨水可利用總量的比值，具體公式如下。

式中：rx為回補(bǔ)率，%；Q′建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水量，m3/h；W′為某區(qū)域內(nèi)的雨水可利用總量，m3/h。

3 實(shí)例研究——以天津大學(xué)新校區(qū)為例

3.1 研究區(qū)概況天津大學(xué)新校區(qū)位于天津市津南區(qū)大學(xué)城內(nèi)，校園建設(shè)融合“海綿城市”建設(shè)理念，為天津市重點(diǎn)建設(shè)工程之一。校區(qū)占地總面積243.6 萬(wàn)m2，規(guī)劃總建筑面積155 萬(wàn)m2，目前已完成一期90 萬(wàn)m2建設(shè)，其中建筑屋面總面積為217 699 m2，研究區(qū)建筑物高度為4.6～50.65 m，面積加權(quán)平均高度為17.45 m；圖4為天津大學(xué)新校區(qū)所處地理位置及整體建筑分布概況。校園所屬地區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為522.2～663.4 mm；在年內(nèi)分布上，6—9月降水量占全年降水總量的85%左右，且主要集中在7月下旬和8月上旬，占全年降雨總量的65%左右［44-45］。

圖4 天津大學(xué)新校區(qū)建筑分布示意圖

3.2 研究區(qū)屋面設(shè)計(jì)雨水可利用量計(jì)算

3.2.1 設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度計(jì)算 參照《天津市雨水徑流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》DB/T29-236-2016 中天津暴雨分區(qū)下的第1 區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式（8），以及通過式（9）對(duì)平均暴雨強(qiáng)度q 進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，對(duì)研究區(qū)所屬地區(qū)的1年一遇、5年一遇、10年一遇、25年一遇、50年一遇、100年一遇小時(shí)平均降雨強(qiáng)度Hx，y進(jìn)行推求；計(jì)算過程中，降雨歷時(shí)是一個(gè)十分重要的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)該參數(shù)通常取為研究對(duì)象的匯水時(shí)間，該值的取值大小直接影響到小時(shí)平均降雨強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果；因本模式以建筑屋面為集流面，且建筑屋面兼具儲(chǔ)水功能，故匯水時(shí)間也是本模式的一個(gè)重要控制參數(shù)；本文在綜合考慮屋面集匯流時(shí)間、屋面最大可滯留雨水時(shí)間等因素前提下，將該參數(shù)分別假設(shè)為：5、10、30、60、120、1440及4320 min，以上述取值進(jìn)行計(jì)算，分別得出不同重現(xiàn)期、不同降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）下的設(shè)計(jì)雨強(qiáng)；具體計(jì)算結(jié)果見表1。

式中：q 為平均暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；P 為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時(shí)，min。

式中：Hx,y為變換單位后的平均暴雨強(qiáng)度，mm/h；q 為平均暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）。

3.2.2 不同重現(xiàn)期、不同降雨歷時(shí)（匯水時(shí)間）下的屋面雨水可利用總量計(jì)算 不同重現(xiàn)期下的校園屋面雨水可利用總量的計(jì)算以重現(xiàn)期為1年一遇、降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）為5 min 為例，其他假設(shè)情況的計(jì)算結(jié)果見表1。通過雨水可利用潛力的計(jì)算公式（1）—（2），結(jié)合式（8）—（9）所得降雨強(qiáng)度，

計(jì)算出重現(xiàn)期為1年，降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）為5 min 的屋面雨水可利用總量W ′1,5min。

表1 研究區(qū)不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、屋面不同匯水時(shí)間下的有壓回補(bǔ)參數(shù)

上述計(jì)算中：W ′1，5min為1年一遇、5 min 降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）下的校園內(nèi)屋面雨水可利用總量，m3/h；H1，5min為研究區(qū)所屬區(qū)域1年一遇、5 min 降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）下的降雨強(qiáng)度，mm/h；A為匯水面積，m2，校園建筑物屋面匯水總面積為：217 699 m2；a 為徑流系數(shù)，φ為有效雨量系數(shù)。因本研究涉及的集流面為屋面，其徑流系數(shù)取值范圍一般為0.9～1，其取值對(duì)屋面雨水可利用總量影響很小，且本模式中雨水是滯留于屋面，不存在棄流狀況，因此基于上述兩方面原因?qū)蓞?shù)均取為1。

3.3 研究區(qū)建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水總量計(jì)算據(jù)相關(guān)研究［46-47］及地質(zhì)勘查報(bào)告，天津地下含水層由于滲透系數(shù)較小的黏土弱透水層阻隔，在約100 m 勘察深度范圍內(nèi)主要形成一個(gè)潛水層與4 個(gè)承壓含水層，潛水含水層主要由粉土組成。潛水層大致分布于地面至標(biāo)高-10 m 范圍內(nèi)，初始水位埋深（hs）約2 m，潛水含水層厚度（ho）約為8 m。且相關(guān)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，研究區(qū)域潛水層滲透系數(shù)（k）為0.2 m/d。

對(duì)于研究區(qū)建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水總量的計(jì)算，具體步驟如下：①確定不同建筑回補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)目m。回補(bǔ)系統(tǒng)的數(shù)目直接關(guān)系到回補(bǔ)總量的大小，本文所研究的回補(bǔ)模式中對(duì)于回補(bǔ)系統(tǒng)的布置，是在建筑雨水管布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，首先參照《屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB 50345-2012 相關(guān)要求，將每個(gè)雨水管的屋面輻射匯流面積確定為150 m2，依據(jù)不同建筑的屋面面積確定雨水管數(shù)目，后將每個(gè)雨水管與有壓回補(bǔ)井對(duì)接，即得到回補(bǔ)系統(tǒng)的布設(shè)數(shù)目；②計(jì)算單個(gè)回補(bǔ)系統(tǒng)回補(bǔ)能力Q′。以高度為控制因素，通過上述式（5）—（6）計(jì)算單個(gè)回補(bǔ)系統(tǒng)的回補(bǔ)能力；③計(jì)算單元建筑屋面雨水回補(bǔ)量Q′j。以單個(gè)建筑屋面為單元，該單元回補(bǔ)能力為該單元建筑高度下對(duì)應(yīng)的全部回補(bǔ)系統(tǒng)的回補(bǔ)能力總和Q′i，如式（10）所示；并采用式（1）—（2）計(jì)算單元建筑屋面所對(duì)應(yīng)的雨水可利用量，然后與單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力進(jìn)行對(duì)比，從二者中選取最小值（當(dāng)單元建筑屋面雨水可利用量大于單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力時(shí)，取單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力，將多余雨水做棄流處理；當(dāng)單元建筑屋面雨水可利用量小于單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力時(shí)，取單元建筑屋面雨水可利用量；如式（11）所示），即為該單元建筑屋面所對(duì)應(yīng)的的雨水回補(bǔ)量；④計(jì)算研究區(qū)不同高度建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水總量Qt。對(duì)③中所得單元建筑屋面對(duì)應(yīng)的回補(bǔ)量進(jìn)行求和，如式（12）所示，即可得研究區(qū)內(nèi)不同高度建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水的總量，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

式中：Q′i為單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力，m3/h；m 為不同建筑回補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)目，個(gè)；Q′為單個(gè)回補(bǔ)系統(tǒng)回補(bǔ)能力，m3/h。

式中：Q′j為單元建筑屋面雨水回補(bǔ)量，m3/h；Q′i為單元建筑屋面雨水回補(bǔ)能力，m3/h；W′(x,y)-i為單元建筑屋面所對(duì)應(yīng)的雨水可利用量，m3/h。

式中：Qt為不同高度建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水總量，m3/h；Q′j為單元建筑屋面雨水回補(bǔ)量，m3/h。

3.4 回補(bǔ)效果評(píng)估

3.4.1 有壓回補(bǔ)率計(jì)算 利用式（7），并結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，可對(duì)研究區(qū)在該模式下的回補(bǔ)率進(jìn)行計(jì)算。

式中：rx為回補(bǔ)率，%；Qt為不同高度建筑屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水總量，m3/h；W ′x，y為不同重現(xiàn)期、不同降雨歷時(shí)（匯水時(shí)間）下的屋面雨水可利用總量，m3/h。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

3.4.2 無(wú)壓回補(bǔ)計(jì)算 無(wú)壓回補(bǔ)地下水即雨水降落至地面后自然下滲至地下水的過程。在相同降雨強(qiáng)度、同樣假設(shè)雨水降落至地面后可在地面滯留一定時(shí)間的情況下，無(wú)壓回補(bǔ)量主要與滲透面積、土壤滲透系數(shù)及降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）有關(guān)，且在降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）、土壤滲透系數(shù)一定的情況下，無(wú)壓回補(bǔ)量與滲透面積成正比。若假定無(wú)壓回補(bǔ)在相同的滯留時(shí)間下與有壓回補(bǔ)具有相同的回補(bǔ)率，即無(wú)壓回補(bǔ)總量與有壓回補(bǔ)總量相同，則可通過式（14）計(jì)算無(wú)壓回補(bǔ)所需滲透面積，從而對(duì)無(wú)壓回補(bǔ)進(jìn)行粗略評(píng)估。

式中：Aw為無(wú)壓回補(bǔ)所需滲透面積，m2；Qw為無(wú)壓回補(bǔ)總量，m3/h；k 為土壤滲透系數(shù)，m/d；t 為降雨歷時(shí)，min。

如表2所示，在降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）同樣取為24 h 的情形下，無(wú)壓回補(bǔ)要達(dá)到有壓回補(bǔ)的相同的效果，需要提供上表中所示的滲透面積來(lái)消納屋面排下的雨水，而現(xiàn)實(shí)中對(duì)于城市建設(shè)而言，無(wú)法為該種回補(bǔ)方式直接配置如此大的地面滲透面積（60% ～130%的屋頂面積，即表2地面滲透面積占217 699 m2建筑屋面總面積的比例）；無(wú)壓回補(bǔ)方式將會(huì)占據(jù)城市較大空間，與城市土地利用存在矛盾；而在此方面，屋面雨水有壓回補(bǔ)方式相對(duì)無(wú)壓回補(bǔ)更加具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。

表2 無(wú)壓回補(bǔ)計(jì)算

3.4.3 回補(bǔ)效果分析 通過表1中數(shù)據(jù)以及圖5，對(duì)研究區(qū)不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、屋面不同匯水時(shí)間下的回補(bǔ)情況進(jìn)行對(duì)比分析；在本文所述研究模式下，降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）、降雨重現(xiàn)期是影響回補(bǔ)率的兩個(gè)最為重要的參數(shù)；通過表中數(shù)據(jù)以及圖中趨勢(shì)顯示：①回補(bǔ)率與降雨重現(xiàn)期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即回補(bǔ)率隨降雨重現(xiàn)期的增加而呈減小趨勢(shì)，具體闡述為，在建筑屋面高度、數(shù)量一定的前提下，研究區(qū)域內(nèi)的回補(bǔ)總量為定值，若單位時(shí)間降雨量越大，則回補(bǔ)率越小，棄流量越多。②回補(bǔ)率與降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）呈正相關(guān)關(guān)系，即回補(bǔ)率隨降雨歷時(shí)（雨水滯留時(shí)間）的增加呈增加趨勢(shì)，具體描述為，對(duì)于一場(chǎng)降雨，建筑屋面可滯留或儲(chǔ)存雨水的時(shí)間越長(zhǎng)，可為本回補(bǔ)模式提供越長(zhǎng)的回補(bǔ)時(shí)間，則回補(bǔ)率越高；反映到工程實(shí)際中，體現(xiàn)為可通過相應(yīng)工程措施，延長(zhǎng)建筑屋面的匯水時(shí)間而增大該模式下的回補(bǔ)率；如本文中計(jì)算顯示，若建筑屋面可將雨水滯留或儲(chǔ)存24 h，則在本模式下，對(duì)于25年一遇以內(nèi)降雨可實(shí)現(xiàn)將90%以上降雨回補(bǔ)至地下水，對(duì)于50年一遇和100年一遇降雨回補(bǔ)率也可達(dá)85%以上。上述計(jì)算結(jié)果表明本文所提回補(bǔ)模式，其回補(bǔ)利用量十分可觀。對(duì)于需要外排的雨水在屋面設(shè)置溢流口，將其從屋面排出，排至城市管網(wǎng)或另行收集，可用于其他方面。

故由以上分析可得，建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水這一雨水利用模式，具有較強(qiáng)的適用性和應(yīng)用價(jià)值，一方面基本解決雨水收集后難以儲(chǔ)存的問題，可增加地下水含蓄量；另一方面，可短時(shí)、有效減少地表徑流量，有效緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害。

圖5 研究區(qū)建筑屋面有壓回補(bǔ)地下水回補(bǔ)率～降雨重現(xiàn)期～降雨歷時(shí)（建筑屋面雨水滯留時(shí)間）相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

本文提出了建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水理念，通過水泵加壓回補(bǔ)地下水的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了半經(jīng)驗(yàn)公式，并以天津大學(xué)新校區(qū)為研究區(qū)，選取與實(shí)地狀況基本相符的土壤滲透系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，對(duì)該模式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與潛力評(píng)估。利用天津市暴雨公式計(jì)算了假設(shè)的不同降雨重現(xiàn)年及歷時(shí)的設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，并以此為基礎(chǔ)，計(jì)算出本模式應(yīng)用于研究區(qū)中不同設(shè)計(jì)情況下的回補(bǔ)率。計(jì)算結(jié)果表明，本模式的回補(bǔ)率與降雨歷時(shí)（建筑屋面匯水或滯留時(shí)間）有直接關(guān)系，對(duì)于一場(chǎng)降雨，建筑屋面可滯留或儲(chǔ)存雨水的時(shí)間越長(zhǎng)，則回補(bǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)回補(bǔ)率越高。反映到具體的工程實(shí)踐中，可通過相應(yīng)工程措施，延長(zhǎng)建筑屋面的匯水、儲(chǔ)水時(shí)間而增大本模式的回補(bǔ)率。如本文中計(jì)算顯示，對(duì)降雨歷時(shí)（建筑屋面可將雨水滯留或儲(chǔ)存時(shí)間）假設(shè)為24 h 情形下，25年一遇以內(nèi)降雨可實(shí)現(xiàn)將90%以上降雨回補(bǔ)至地下水，對(duì)于50年一遇和100年一遇降雨回補(bǔ)率也可達(dá)85%以上。

通過本文的計(jì)算評(píng)估，建筑物屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水這一創(chuàng)新型雨水利用模式，是對(duì)雨水回補(bǔ)地下水方法的一種提高和拓展。對(duì)于本模式正在進(jìn)一步研究中，其應(yīng)用效果仍在深入探索與驗(yàn)證。在對(duì)建筑物屋面雨水進(jìn)行處理至水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，充分利用了建筑物屋面雨水所具有的水頭壓力，從而在不借助外界措施和能量、不占據(jù)多余空間的前提下，形成屋面雨水有壓回補(bǔ)地下水模式，進(jìn)而提高雨水回補(bǔ)效率。該模式具有較高的推廣性和應(yīng)用價(jià)值，可節(jié)約城市雨水利用空間及成本，并對(duì)增加城市水資源利用量及減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害具有重大意義。