上海地區(qū)住區(qū)設(shè)計中水資源利用與節(jié)水策略

YANG Chendi ZHUANG Yu

0 引言

1996 年，上海設(shè)立了基金資助節(jié)水科研工作，主要針對節(jié)水技術(shù)和器具的研究。目前，上海綠色建筑標(biāo)識項目中有近80%都運用了雨水收集利用系統(tǒng)。上海綠色建筑的建設(shè)較早，但后期的建設(shè)比例明顯下降，發(fā)展趨于遲緩，在今后的發(fā)展中仍有較大空間。

1 住區(qū)節(jié)水現(xiàn)狀

1.1 節(jié)水設(shè)施使用情況

目前，上海運用雨水收集和中水回用技術(shù)的小區(qū)有萬科朗潤園、江灣新城小區(qū)、香榭麗花園、瑞虹新城璟庭、瑞虹新城銘庭、翡麗云邸、三湘海尚福邸、碧海金沙嘉苑等。據(jù)2013 年—2015 年對上海已投入使用的綠色建筑設(shè)計項目的后期評價統(tǒng)計可知（圖1），在設(shè)計階段，建筑師利用最多的是雨水收集、節(jié)水型灌溉和透水鋪裝，所占比率均達(dá)70%以上；而后期運營階段，最難以維持正常運行的是中水回用、雨水收集和自然通風(fēng)強(qiáng)化；項目投入使用后，僅有不足一半能維持運行。因此，針對這一現(xiàn)象，選擇了瑞虹新城銘庭、瑞虹新城璟庭、香榭麗花園三個小區(qū)進(jìn)行小區(qū)節(jié)水設(shè)施使用現(xiàn)狀的調(diào)研。

瑞虹新城銘庭位于上海市虹口區(qū)，為實現(xiàn)水資源綜合利用，該小區(qū)運用了節(jié)水型綠化灌溉系統(tǒng)、透水地面等節(jié)水技術(shù)，并在住宅建筑中創(chuàng)新性地使用了中水回用系統(tǒng)，是上海同類型建設(shè)項目中的首次嘗試。瑞虹璟庭位于上海市虹口區(qū)，與瑞虹銘庭相同，瑞虹璟庭亦使用了中水回用、節(jié)水型灌溉、透水地面等技術(shù)節(jié)水，效果較銘庭有較大提升。

圖1 上海綠色住區(qū)技術(shù)設(shè)施設(shè)計與使用情況 （數(shù)據(jù)來源：上海市建科院網(wǎng)站）

根據(jù)走訪調(diào)查，兩個小區(qū)的物業(yè)中心均表示，中水回用系統(tǒng)目前并沒有繼續(xù)使用，其他節(jié)水設(shè)施的節(jié)水效果也沒有進(jìn)行定期統(tǒng)計，小區(qū)居民也表示完全不了解所居住的小區(qū)內(nèi)使用了節(jié)水技術(shù)。兩個節(jié)能小區(qū)的技術(shù)使用和后期運營管理均存在問題。

香榭麗花園位于上海浦東新區(qū)，住區(qū)使用了雨水循環(huán)利用系統(tǒng)，該雨水系統(tǒng)收集地面雨水后經(jīng)過過濾、沉淀等處理儲存在雨水塘中，之后用于景觀水補充和綠化灌溉。由于該小區(qū)的雨水收集使用范圍僅限于水景補給和小區(qū)綠化，其收集設(shè)施、凈化過程較為單一，后期維護(hù)成本低，管理較為簡單，所以投入使用后運行情況良好。

1.2 問題及原因

目前，上海地區(qū)住區(qū)雨水和中水利用設(shè)施通常一個或幾個單獨使用，而沒有形成一個綜合的水資源利用體系。而且在系統(tǒng)的設(shè)計中，處理后的水多用于補充水景、綠化灌溉、道路清洗等公共區(qū)域，并沒有和國外住區(qū)一樣同時用于住戶室內(nèi)廁所沖洗等，上海建科院相關(guān)技術(shù)人員表示，其原因主要有以下幾點：①水資源利用設(shè)施的設(shè)計手法較為單一，通常是在設(shè)計方案形成后再加入雨水系統(tǒng)設(shè)計，對場地缺乏整體考慮，達(dá)不到良好的水資源利用效果；②開發(fā)商無法預(yù)估開發(fā)后的使用狀況，為避免居民投訴而選擇不設(shè)計用于室內(nèi)的中水和雨水系統(tǒng)。

上海市大部分運用了中水和雨水系統(tǒng)的住區(qū)，在前期設(shè)計和后期運營中形成巨大反差，設(shè)計的水資源處理利用系統(tǒng)，在實際使用中往往效果較差，甚至多數(shù)小區(qū)直接停止使用。導(dǎo)致這一問題的原因可以從以下兩個方面加以解釋：①目前，物業(yè)公司的職責(zé)僅僅是保證小區(qū)安全和正常運行，為了便于管理、避免投訴、減少支出，普通物業(yè)公司會盡可能簡化住區(qū)設(shè)備及管理，從而便于達(dá)到節(jié)能指標(biāo)；②雨水和中水處理成本較高，維護(hù)費用也較高，根據(jù)資料統(tǒng)計和計算，系統(tǒng)水處理成本超過3 元/t，遠(yuǎn)高于自來水成本。

2 住區(qū)水資源利用方式及形態(tài)布局建議

小區(qū)作為目前滿足城市居民居住功能的基本單元，也是水資源設(shè)計的基本單元，但各小區(qū)之間又通過城市公共道路、綠地系統(tǒng)等相互組織聯(lián)系，因此，高密度住區(qū)的水環(huán)境是由小區(qū)和其外部的公共道路共同組成的整體。低影響開發(fā)是一種可持續(xù)的雨洪管理理念，利用分散的、小規(guī)模的雨水設(shè)施控制場地徑流和污染物，維持開發(fā)區(qū)域自然水文條件，最大限度降低土地開發(fā)對周圍生態(tài)環(huán)境的影響，能有效解決城市雨水問題，其設(shè)施布局分散且規(guī)模較小，尤其適用于具有高密度開發(fā)要求的住區(qū)[1]。

2.1 規(guī)劃布局

高密度住區(qū)規(guī)劃布局建議，建筑密度與高度影響住區(qū)不透水面積，從而直接影響地表徑流，宜采用緊湊布局模式，從而增加外部空間。建筑方向應(yīng)在滿足日照條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合場地規(guī)模和降雨量來選擇，當(dāng)規(guī)模較大且降雨量豐富時，宜垂直于地表徑流方向布置以截留儲蓄雨水；當(dāng)規(guī)模較小且地勢平坦時，宜平行于地表徑流方向布置以疏導(dǎo)雨水，增加入滲（表 1）。

室外空間宜采用集中布局的方式，使住區(qū)室外空間徑流形成“住區(qū)級中心—社區(qū)級中心”的模式，從而縮短輸送路徑，有效控制徑流收集與排放，內(nèi)部道路宜采用網(wǎng)格式和盡端式相結(jié)合的混合式，道路兩側(cè)可布置植被淺溝或雨水花園。

上海地區(qū)的土質(zhì)主要為黏土，土壤的滲透系數(shù)小，如果路面帶有雜質(zhì)的地表徑流流進(jìn)綠地，會進(jìn)一步降低土壤的滲透能力，從而影響雨水徑流的滲透速度，因此，住區(qū)綠地宜采用連續(xù)程度低、分布密度高、離散度小、形狀指數(shù)高、下凹深度5～20 cm 的布局方式。

2.2 建筑設(shè)計

高密度住區(qū)住宅建筑設(shè)計建議：考慮到上海地區(qū)氣候特征有雨水收集的條件和優(yōu)勢，因此，屋面的設(shè)計要使用無污染性的材料，尤其是根據(jù)建筑荷載要求和預(yù)算，選擇拓展型、半密集型或密集型屋面綠化，可起到過濾和截留雨水的作用。其中，高層住宅宜選用形式簡單的拓展型，而住區(qū)內(nèi)裙房或公共建筑可選擇截留效果更好的半密集型或密集型（表2）。

上海的住區(qū)有立面徑流削減措施設(shè)計的很少，個別住區(qū)使用了墻面綠化，但大部分為簡單的攀爬式，且后期缺乏統(tǒng)一的管理，效果并不顯著。建筑立面設(shè)計上考慮布置墻面綠化，高層住宅宜選用保水性較好且養(yǎng)護(hù)方便的花槽式或種植穴式，布置在5 層以下，也可通過退臺設(shè)計營造屋頂空間，在相鄰墻面上布置立面綠化，裙房和公共建筑可根據(jù)項目預(yù)算選擇簡易的攀爬式墻面綠化。

表1 住區(qū)規(guī)劃布局建議

表2 建筑設(shè)計建議

上海地區(qū)居民因衛(wèi)生問題對再生水接受程度較低，建筑再生水系統(tǒng)和建筑小區(qū)再生水系統(tǒng)的運行情況較差，建筑中水利用宜采用新型戶內(nèi)中水集成系統(tǒng)，即衛(wèi)生間模塊化戶內(nèi)中水集成系統(tǒng)，分為下沉式和側(cè)立式兩種類型，其工作原理是將沐浴用水、盥洗用水、洗衣用水這類優(yōu)質(zhì)雜排水收集起來，通過物理方式處理后進(jìn)入馬桶中進(jìn)行沖廁，在中水不足時可自動補充自來水。已在河南、河北、山東、新疆、安徽等地多個實際工程中推廣應(yīng)用。

2.3 室外空間設(shè)計

高密度住區(qū)室外空間的地下部分基本被全部開發(fā)為地下車庫，其上方覆土厚度較小。建設(shè)中，為了保證場地中低影響開發(fā)設(shè)施的正常運行和住區(qū)的建筑安全，且地下空間頂部的荷載承受能力要滿足住區(qū)地面通行條件，應(yīng)適當(dāng)增加地下空間上方的覆土，使其厚度不小于1.5 m。

高密度住區(qū)室外空間設(shè)計建議：硬質(zhì)場地盡量選擇透水鋪裝，人流量較大的中心廣場鋪裝可以以不透水石材為主，透水材料四周鋪設(shè)或間隔線性鋪設(shè)，人流量不大的宅間活動場地可全部采用透水鋪裝，采用地下停車為主的方式，盡量減少住區(qū)內(nèi)車行道寬度與長度，地面停車部分考慮結(jié)合住區(qū)景觀形成花園式布局（表3）。

景觀部分可通過小規(guī)模范圍布置雨水花園、增加樹池蓋板面積的方式，從而過濾并滲透更多的徑流。住區(qū)雨水收集系統(tǒng)的蓄水池和沉淀池結(jié)合住區(qū)水景進(jìn)行柔性設(shè)計，可分散布置在住區(qū)中地勢較低的位置。

2.4 外部街道設(shè)計

由于多種地質(zhì)和氣候因素，導(dǎo)致上海雨水的處理方式要以收集集蓄和綠地就近自然滲透為主，而不適宜使用滲透量較大的滲水溝等雨水設(shè)施。因此，上海地區(qū)的街道更不適合使用路面雨水快速下排的方式處理雨水徑流，而需要結(jié)合街道兩側(cè)的綠地景觀進(jìn)行生態(tài)排水的設(shè)計。

高密度住區(qū)外部街道設(shè)計建議：單幅路可設(shè)計為單坡或雙坡兩種形式，并在車行道與人行道中間設(shè)置由植被淺溝、生物滯留帶組成的綠化帶，或設(shè)置過濾樹池等低影響開發(fā)設(shè)施；雙幅路可設(shè)計為坡向兩側(cè)或坡向中央的雙坡形式，坡向兩側(cè)的形式在車行道和人行道之間及車行道中央，設(shè)置由植被淺溝組成的綠化帶，坡向中央的形式在車行道與人行道之間設(shè)置生物滯留帶或過濾樹池，在車行道中央設(shè)置植被淺溝；三幅路可設(shè)計為坡向兩側(cè)的雙坡形式，車行道和非機(jī)動車道中間設(shè)置由植被淺溝組成的綠化帶，非機(jī)動車道和人行道之間設(shè)置生物滯留帶或過濾樹池；四幅路可設(shè)計為坡向兩側(cè)或坡向中央的雙坡形式，坡向兩側(cè)的形式在車行道中央、車行道與非機(jī)動車道之間、非機(jī)動車道與人行道之間設(shè)置由植被淺溝組成的綠化帶，坡向中央的形式在車行道中央、車行道與非機(jī)動車道之間設(shè)置由植被淺溝組成的綠化帶，在非機(jī)動車道和人行道之間設(shè)置生物滯留帶或過濾樹池（表4）。

表3 室外空間布局建議

3 設(shè)計方案評估

住區(qū)設(shè)計中的水資源利用策略主要體現(xiàn)在雨水和中水兩個方面。

影響中水部分的關(guān)鍵指標(biāo)是居民生活用水量，可分為設(shè)計中水系統(tǒng)和不設(shè)計兩種情況。根據(jù)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50180—2018），在以街坊為單位的住區(qū)中，若將沐浴、盥洗、洗衣三類用水組成的優(yōu)質(zhì)雜排水處理后全部用于戶內(nèi)沖廁，可以完全滿足日常沖廁用水量。在住區(qū)住宅內(nèi)使用中水系統(tǒng)可比不使用的情況節(jié)水960～3 600 t/月。

影響雨水系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)體現(xiàn)在形態(tài)設(shè)計要素方面。根據(jù)低影響開發(fā)理念，其主要目標(biāo)是減少住區(qū)徑流。在相同區(qū)域與環(huán)境下，影響徑流量的變量中,決定性因素是徑流系數(shù)，因此，將以徑流系數(shù)作為住區(qū)水資源設(shè)計方案量化評估的主要指標(biāo)。

3.1 影響因子

徑流系數(shù)是一個動態(tài)變量，需要根據(jù)住區(qū)場地的不同布局情況進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，其結(jié)果由各種與形態(tài)布局設(shè)計相關(guān)聯(lián)的影響因子決定。徑流系數(shù)的影響因子包括建筑物的布局和密度、地面材質(zhì)和坡度、土壤性質(zhì)、降雨強(qiáng)度、降雨歷時、地形地貌等[2]，本文設(shè)計量化評估所需要討論的影響因子有下墊面類型、綠地坡度、降雨強(qiáng)度、綠地下凹深度、植物配置?！督ㄖc小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50400—2016）《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015—2009）和《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2016）中，雖然對徑流系數(shù)的取值和計算方法已經(jīng)做了詳細(xì)規(guī)定，但是徑流系數(shù)作為動態(tài)變量，在不同氣候條件、布局、材料下的取值也各有差異，需要對其重要影響因子的影響作用進(jìn)一步量化計算，以得到相應(yīng)條件下的徑流系數(shù)取值。

表4 外部街道布局建議

3.2 雨水徑流量計算

住區(qū)方案的雨水設(shè)計流量可采用推理公式計算[3]，公式如下：Qs=qφF，式中，Qs為雨水設(shè)計流量（L/s）；q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度[ L / （shm2）]；φ為綜合徑流系數(shù)；F為匯水面積（hm2）。

雨水設(shè)計流量計算中所涉及到的設(shè)計暴雨強(qiáng)度q和綜合徑流系數(shù)φ均可通過相關(guān)公式計算求得。

3.2.1 設(shè)計暴雨強(qiáng)度計算

設(shè)計暴雨強(qiáng)度q可根據(jù)不同地區(qū)水務(wù)部門所提供的參數(shù)代入暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計算：

式中，q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度[ L / （shm2）]；P為設(shè)計重現(xiàn)期（年）；t為降雨歷時（min）；A1、C、n、b為經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法進(jìn)行計算確定，按照不同地區(qū)地方規(guī)范取值。

以上海地區(qū)為例，其暴雨強(qiáng)度計算公式[4]為：

式中，q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度[ L / （shm2）]；P為設(shè)計重現(xiàn)期（a）；t為降雨歷時（min），通常取值＜120。

目前，2018 年的《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2017—2035）》對上海地區(qū)的雨水排水設(shè)計重現(xiàn)期提出了規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)容見表5。

3.2.2 綜合徑流系數(shù)計算

綜合徑流系數(shù)φ是住區(qū)內(nèi)所有下墊面徑流系數(shù)的加權(quán)平均值，包括屋面、綠地、硬質(zhì)鋪地等。不同材質(zhì)的屋面和路面、不同坡度和下凹深度的綠地等下墊面的單一徑流系數(shù)可通過上文給出的徑流系數(shù)取值表及擬合方程得出，再通過加權(quán)平均公式得到設(shè)計方案的綜合徑流系數(shù)[5]。綜合徑流系數(shù)計算公式如下：

表5 上海地區(qū)雨水排水設(shè)計重現(xiàn)期

式中，φ為綜合徑流系數(shù)；Si為單一下墊面面積；φi為單一下墊面徑流系數(shù)；S為所有下墊面面積總和；i為下墊面編號。

住區(qū)設(shè)計方案在水資源設(shè)計方面的評估需要，根據(jù)具體情況運用上述相關(guān)公式進(jìn)行量化計算，為了便于設(shè)計者能應(yīng)用所需其他專業(yè)的相關(guān)知識來達(dá)到評估住區(qū)水資源管理能力的目的，可根據(jù)以上影響因子及其取值，結(jié)合Excel 制作簡易徑流計算器,通過輸入設(shè)計指標(biāo)而得出更直觀的結(jié)果。其中：①設(shè)計暴雨強(qiáng)度（L / shm2）計算只需輸入?yún)^(qū)域的設(shè)計重現(xiàn)期（a）和降雨歷時（min）獲得；②硬質(zhì)鋪裝綜合徑流系數(shù)計算只需輸入各鋪裝類型（不透水鋪裝、透水鋪裝、植草磚）、面積（m2）、坡度（僅植草磚輸入此項）和單一徑流系數(shù)獲得 ；③ 綠地綜合徑流系數(shù)計算只需輸入各綠地類型（單一草坪、草坪灌木結(jié)合、喬灌草結(jié)合）、面積（m2）、坡度、下凹深度（mm）和單一徑流系數(shù)獲得；④屋面綜合徑流系數(shù)計算只需輸入各屋面類型（瀝青屋面、鋪石子屋面、綠化屋面）、面積（m2）和單一徑流系數(shù)獲得；⑤住區(qū)雨水設(shè)計流量計算則由住區(qū)綜合徑流系數(shù)（硬質(zhì)鋪裝、綠地和屋面的綜合徑流系數(shù)的加權(quán)平均）、下墊面面積（hm2）（硬質(zhì)鋪裝、綠地和屋面的面積總和）和設(shè)計暴雨強(qiáng)度[L /（shm2）]得出。

4 住區(qū)水資源管理

國內(nèi)外優(yōu)秀的住區(qū)水資源利用實踐經(jīng)驗表明，住區(qū)水資源利用系統(tǒng)的良好運營，需要依靠先進(jìn)的技術(shù)、激勵和強(qiáng)制性政策和可持續(xù)的管理體系共同構(gòu)成。目前，上海已投入使用的水資源管理項目中，以政府為主導(dǎo)投資建設(shè)的公共建筑類項目運營情況較好，而以開發(fā)商為主導(dǎo)建設(shè)的市場調(diào)節(jié)型住區(qū)項目多處于停用狀態(tài)。由此可見，在上海地區(qū)水資源利用與管理方面，政府的主導(dǎo)作用是促進(jìn)住區(qū)水資源管理項目發(fā)展更為有效的方式。上海地區(qū)的政府及相關(guān)部門在住區(qū)水資源管理方面可從以下三個方面入手。

4.1 法規(guī)政策

4.1.1 增加對開發(fā)區(qū)域低影響開發(fā)的規(guī)定

借鑒德國水法對新開發(fā)區(qū)域低影響開發(fā)的規(guī)定，要求新建設(shè)區(qū)域的徑流洪峰流量不能超過其開發(fā)前水平，上海地區(qū)可將該規(guī)定加入現(xiàn)行規(guī)范中。

4.1.2 由建議性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制性

在法規(guī)政策編制和修改的過程中，可逐步將部分起關(guān)鍵性作用的水資源建議性條例改為強(qiáng)制性規(guī)范，使住區(qū)水資源管理得到真正的落實。

4.1.3 提供相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則

由于不同地區(qū)氣候特征和地質(zhì)條件的差異，對雨水利用技術(shù)要求有所不同，為了提高中水和雨水管理項目的可行性，需要根據(jù)上海的實際情況制定因地制宜、經(jīng)濟(jì)適用的地方性技術(shù)導(dǎo)則。

4.1.4 建立經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制

借鑒德國和日本的補貼和征稅政策，確定上海地區(qū)可以短期補貼獎勵、遠(yuǎn)期征稅懲罰為目標(biāo)。在推行工作初期，先通過向采用了水資源管理的住區(qū)項目給予獎金補貼或降低水費等獎勵措施，鼓勵開發(fā)商建設(shè)各項系統(tǒng)和設(shè)施，達(dá)到大范圍推廣普及的目的；再在遠(yuǎn)期發(fā)展中，考慮對徑流流量過大、不透水面積超標(biāo)，及水資源管理系統(tǒng)后期運行不達(dá)標(biāo)的住區(qū)征收雨水和污水排放費，從而確保住區(qū)水資源項目的良好運行。

4.2 管理制度

4.2.1 確定主管部門

目前，水資源項目通常由多個部門共同管理，決策和工作效率較低。上海在進(jìn)行水資源項目管理工作時可借鑒德國的經(jīng)驗，確立唯一的主管部門，所有與雨水和中水利用相關(guān)的項目可由上海市水務(wù)局統(tǒng)一管理。

4.2.2 成立多專業(yè)專家技術(shù)團(tuán)隊

住區(qū)水資源項目在技術(shù)實施過程中涉及到生態(tài)、水文、景觀設(shè)計等多個專業(yè)。上海地區(qū)應(yīng)成立在主管部門領(lǐng)導(dǎo)下的多學(xué)科專業(yè)人員組成的技術(shù)指導(dǎo)團(tuán)隊，從技術(shù)層面為水資源管理工作的落實提供支持。

4.2.3 加強(qiáng)可持續(xù)管理

為了加強(qiáng)住區(qū)水資源項目的可持續(xù)管理，可設(shè)立監(jiān)督管理部門，分別從設(shè)計、施工、運行和維護(hù)的項目管理全過程，對住區(qū)水資源工程進(jìn)行定期檢查和評估，確保項目各階段均處于良好的狀態(tài)。

4.3 公眾宣傳

4.3.1 建設(shè)水資源管理試點項目

上海地區(qū)可選擇典型區(qū)域，開展基于低影響開發(fā)的中水和雨水系統(tǒng)的建設(shè)和改造試點，逐步消除居民對非傳統(tǒng)水源利用可靠性和安全性的顧慮，通過優(yōu)秀試點的示范效應(yīng)，帶動全市住區(qū)水資源項目工程的進(jìn)一步發(fā)展。

4.3.2 強(qiáng)化居民節(jié)水意識

目前，相關(guān)部門和居民對非傳統(tǒng)水源管理重視程度不高，因此，應(yīng)加大公眾宣傳教育力度，促進(jìn)居民對再生水的進(jìn)一步了解，提高對非傳統(tǒng)水源回用的重視度和接受度。

5 結(jié)語

住區(qū)水資源利用與設(shè)計的落實需要考慮不同的相關(guān)利益者，從而達(dá)到真正意義上的住區(qū)水資源管理的目的，而政府及相關(guān)部門、開發(fā)商、居民是住區(qū)水資源設(shè)計中最直接的受益者，也是能決定和影響住區(qū)水資源利用與設(shè)計落實的利益相關(guān)者。因此，為了將水資源設(shè)計與住區(qū)開發(fā)相結(jié)合，形成一套真正可行且有效的住區(qū)水資源利用策略，需要設(shè)計者和利益相關(guān)者的共同努力。