建筑屋面雨水資源化利用措施及適用性分析

摘 要：【目的】建筑屋面雨水是城市雨水徑流的重要來源之一，對其資源化利用及適用性進行分析，有利于城市健康水循環(huán)的恢復(fù)和構(gòu)建、城市生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復(fù)?！痉椒ā垦芯扛倪M現(xiàn)有的建筑雨水排水系統(tǒng)，對屋面雨水進行截留、滯蓄，降低城市雨水排水系統(tǒng)的壓力，使其與雨水資源化利用的目的相適應(yīng)?！窘Y(jié)果】與傳統(tǒng)雨水排水系統(tǒng)相比，種植屋面、雨水花箱和垂直綠化等形式不僅可以有效排除屋面雨水，增加綠化面積，保溫隔熱，提高人們生活舒適性，還能對屋面雨水收集利用，降低市政雨水管網(wǎng)負荷?！窘Y(jié)論】建筑屋面雨水資源化利用，對于緩解城市內(nèi)澇危害風(fēng)險，提高雨水資源利用率，都具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：建筑雨水排水系統(tǒng)；種植屋面;水花箱;垂直綠化;雨水資源利用

中圖分類號：TU992" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）09-0109-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.023

Analysis of Resource Utilization and Adaptation of Building Roof

Rainwater

ZHAO Dongmei1 WANG Xuan2 WU" Yifan3

（1. Henan University of" Technology" Luohe Institute of" Technology， Luohe 462000，China;2.Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 102616，China;3.Anyang Institute of" Technology， Anyang 455000，China ）

Abstract： [Purposes] Rainwater on building roofs is one of the important sources of urban rainwater runoff. The analysis of its resource utilization and adaptability is conducive to the restoration and construction of urban healthy water cycle and the protection and restoration of urban ecosystem. [Methods] This paper studies and then improves the existing building rainwater drainage system， intercepts and retains roof rainwater， and reduces the pressure of urban rainwater drainage system， so as to make it adapt to the purpose of rainwater resource utilization. [Findings] Compared with the traditional rainwater drainage system， planting roof， rainwater flower box and vertical greening can not only effectively eliminate the roof rainwater， increase the green area， keep warm， insulate heat， and improve people's living comfort， but also strengthen the collection and utilization of roof rainwater and reduce the load of municipal rainwater pipe network. [Conclusions] Resource utilization of rainwater on the building roofs is of great practical significance for alleviating the risk of urban waterlogging harm and improving the utilization rate of rainwater resources.

Keywords： building rainwater drainage system; planting roof; water flower box; vertical greening; utilization of rainwater resources

0 引言

水是生命之源，也是經(jīng)濟發(fā)展的重要資源、生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障［1］。建筑屋面雨水是城市雨水徑流的重要來源之一，在推進城市可持續(xù)發(fā)展的背景下，雨水作為非常規(guī)水資源開始被重視，它對于城市健康水循環(huán)的恢復(fù)和構(gòu)建、城市生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復(fù)具有重要意義［2］。

1 建筑屋面雨水收集利用現(xiàn)狀

2012年4月，在“2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇”中， “海綿城市”概念首次提出。期望城鎮(zhèn)可以如同海綿，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，實現(xiàn)對雨水的存積、下滲及凈化處理，既有助于城鎮(zhèn)雨水的就地消納和利用，又能夠在節(jié)約水資源、提高城市治理內(nèi)澇的能力等方面發(fā)揮作用。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年制定《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50400—2016）。2019年國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)《國家節(jié)水行動方案》［3］要求全方面促進節(jié)水型城鎮(zhèn)建設(shè)，要求結(jié)合海綿城市建設(shè)，提高雨水資源的利用水平。

德國的雨水收集利用可分為三方面［4］。一是屋面雨水蓄積利用。主要用于非飲用水如生活、綠化、道路等。二是綠地雨水截污與滲透系統(tǒng)。雨水通過立管時，被設(shè)置在立管上的截污掛籃過濾，而后通過滲透補充地下水。三是建筑與小區(qū)雨水收集利用。小區(qū)內(nèi)沿雨水立管設(shè)置植草溝、滲透溝渠等補充地下水，過量雨水進入雨水蓄水池、人工濕地等雨水調(diào)蓄設(shè)施。

美國的屋面雨水收集利用目標(biāo)是加強雨水入滲。屋面匯水經(jīng)過下滲池、井草地及滲透地面后回灌地下。最大限度地利用城市降雨蓄水區(qū)周圍的積存、下滲、作物蒸騰和散發(fā)能力，增強雨水的滯留作用和蓄滲能力，有效回補地下水資源。

國內(nèi)建筑屋面雨水收集利用一般有三種措施：種植屋面、雨水蓄滲利用和雨水集蓄利用。

種植屋面是指用土壤和植被覆蓋建筑物屋頂［5］，一般由植被層、種植層、排水系統(tǒng)和防滲層組成［6］。 降雨時，雨水被植物截蓄利用，過量雨水通過敷設(shè)在植被下層的集水管道收集統(tǒng)一排除。種植屋面可以減少雨水徑流總量，調(diào)節(jié)雨水徑流過程，推遲小徑流峰值到來的時間，降低徑流峰值，減緩城市排水壓力。除此之外，種植屋面還可發(fā)揮生態(tài)功能，改善人居環(huán)境。

雨水滲蓄利用［7］是指將屋面雨水通過雨水管就近排放到綠地、花園，使雨水下滲。降雨時，城市中不透水面積短時間形成大量徑流，且初期雨水水質(zhì)較差，雨水直接進入排水系統(tǒng)，既增加了排水系統(tǒng)和受納水體的負荷，又不利于水的自然循環(huán)，破壞城市水生態(tài)環(huán)境。綠地、花園等可截蓄一部分雨水用于自身利用，過量雨水滲透補充地下水，有利于水文循環(huán)。

雨水集蓄利用是指將建筑屋面雨水通過雨水管、雨水收集箱統(tǒng)一收集，并處理回用［8］，一般包括初期雨水棄流設(shè)施和過量雨水排除設(shè)施。住宅、商業(yè)建筑樓等人員密集場所可采用雨水集蓄利用的措施。雨水回用和再生水回用共同改善建筑用水結(jié)構(gòu)，節(jié)約市政供水。

2 建筑屋面雨水資源化利用方式

2.1 通過建筑雨水排水系統(tǒng)收集雨水

建筑占據(jù)了城市大量的匯水面積，且均為不透水區(qū)域，建筑雨水排水量不容忽視。建筑屋面雨水水質(zhì)一般較好，屋面雨水經(jīng)初期棄流后化學(xué)需氧量一般為80 ～200 mg/L；懸浮物一般為6～15 mg/L；色度一般為10度至40度，水質(zhì)較好［9］。建筑雨水具有量大、收集及處理方便等優(yōu)點。

建筑雨水排水系統(tǒng)如下：檐溝外排水由檐溝、雨水斗及立管（雨落水管）組成，一般用于居住建筑、屋面面積較小的公共建筑和單跨工業(yè)建筑。屋面雨水匯集到屋頂檐溝，經(jīng)雨落水管收集后排至室外雨水管網(wǎng)或室外地面。天溝外排水由天溝、雨水斗、排水立管及排出管組成，屋面雨水沿天溝流向建筑物兩端，經(jīng)雨落水管排至外雨水管網(wǎng)或室外地面。內(nèi)排水系統(tǒng)由雨水斗、連接管、懸吊管、立管、排除管及清通設(shè)備等組成，屋面雨水流入雨水斗，經(jīng)連接管、懸吊管、立管、排出管至室外雨水檢查井。

通過建筑雨水排水系統(tǒng)設(shè)計與雨水資源化利用相結(jié)合，可實現(xiàn)建筑屋面雨水的回用，減少建筑小區(qū)的常規(guī)水資源消耗；實現(xiàn)雨水徑流調(diào)節(jié)，既能緩解城市排水壓力，也有利于改善城市水的循環(huán)，使其更接近土地開發(fā)利用前的水循環(huán)狀態(tài)。通過與建筑垂直綠化結(jié)合，改善人居環(huán)境，建設(shè)綠色建筑。

2.2 通過種植屋面利用雨水

屋面是建筑物的重要組成部分，占整個城市表面積的20%～25%［10］。因此，高效設(shè)計和集成的種植屋面具有影響建筑和城市環(huán)境的巨大潛力。

種植屋面，又稱為“生態(tài)屋頂”“有生命的屋頂”和“植被覆蓋的屋頂”，被認為是一種集建筑藝術(shù)和綠化技術(shù)于一體的新型雨水利用技術(shù)，具有綠色植物所需的植被和生長介質(zhì)［11］。種植屋面自上而下由植被、生長基質(zhì)、濾布、排水元件、保護層、根系屏障、保溫層、防水膜和屋面板組成［12］，可適用于各種類型的建筑物。

Wang等［13］研究表明，種植屋面在不同季節(jié)、不同降雨量的保水率在55%～88%之間，在相同的建筑基底條件下，種植不同植物的屋面對雨水徑流的減少效果為62%～80%。Ayub等［14］研究表明，種植合適的植物可以將洪峰流量減少30.5%～67%。Simmons等研究［15］ 表明當(dāng)降雨量小于10 mm時，會被種植屋面吸收。張賢巍等［16］基于天然降雨長期監(jiān)測和人工模擬降雨試驗，分析簡單式種植屋面對雨水徑流營養(yǎng)鹽的調(diào)控效果。結(jié)果表明：徑流中的NH4+-N、NO3--N和TP得到部分削減；基質(zhì)層材料和排水層材料的不同不明顯影響不同營養(yǎng)鹽的總量削減；降雨量和雨前干期對出水污染物濃度、營養(yǎng)鹽總量及總量削減率有重要影響。

3 屋面雨水資源化利用措施及適用性分析

降雨過程中，雨水經(jīng)短暫的屋面徑流沿，匯水分區(qū)排至天溝或雨水斗，收集后排至雨水立管，再由立管轉(zhuǎn)輸散排至地面或排入市政雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。建筑雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計可以和種植屋面、垂直綠化和雨水花箱三者的設(shè)計結(jié)合起來。

傳統(tǒng)的硬化屋面徑流系數(shù)一般為1.0，采用種植屋面后，徑流系數(shù)可減小至0.15。大部分雨水徑流被截留至屋頂花園、綠化或蓄水箱內(nèi)，從而減少流至地面的徑流，減小雨水管徑。垂直綠化則能在有效利用垂直空間增加工程總體綠化率的同時，很大程度地吸收屋面的雨水徑流。雨水花箱設(shè)置在雨水立管底部，可降低小區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險，增加小區(qū)綠化率。

3.1 種植屋面的適用性分析

種植屋面是指用種植土或鋸末、蛭石等松散材料鋪設(shè)在屋面上，并種植植物的屋面，具有防水、保溫、隔熱和綠色環(huán)保的作用。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集14J206中，有保溫（隔熱）層的種植屋面建筑構(gòu)造做法如圖1所示。種植屋面按形式可分為：地下建筑頂板覆土種植屋面、簡單式種植屋面（只種植低矮灌木和地被植物）、花園式種植屋面（主要種植地被、喬灌木植物，可設(shè)置小型兒童樂園、小水景、涼亭等，可供人們休息娛樂）。

屋面經(jīng)種植綠化覆蓋后，能有效儲存2/3的屋面雨水，通過自然蒸發(fā)和植物蒸騰作用散發(fā)到大氣中，參與自然水循環(huán)系統(tǒng)，進而調(diào)節(jié)氣候。種植屋面截留的雨水還可通過屋面植物及土壤凈化處理后，進行收集回用，用于景觀綠化用水、道路沖洗等。

種植屋面可以增加城鎮(zhèn)綠化，改善居民生活環(huán)境，降低室外排水管網(wǎng)負荷，降低建筑物能耗，增加保溫性能，降噪和降低城鎮(zhèn)霧霾，有效地提高城鎮(zhèn)的綠化覆蓋率等。但種植屋面也存在蚊蟲多，屋面易滲水，植物根部會貫穿建筑屋面，養(yǎng)護困難等問題。由于種植層有一定的厚度要求，屋面結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計需滿足種植地荷載要求。種植屋面適用屋面坡度小于50%的屋面，當(dāng)坡度大于0.2時，種植層應(yīng)有防滑措施。由于其處于建筑最高處，受大風(fēng)影響較大，因此不宜在常年6級風(fēng)以上地區(qū)種植大型喬木。

3.2 雨水花箱的適配性分析

雨水花箱是設(shè)置于小區(qū)地面或者建筑外墻承臺用于承接屋面雨落水管雨水的裝置。雨水花箱一般由建筑雨落水管、花箱（生物處理箱）、蓄水箱等組成。目前雨水花箱形式有：①建筑雨水經(jīng)落水管進入沉淀箱后，排至花箱，在花箱中經(jīng)物理生物處理后收集回用或排至市政雨水管網(wǎng)；②建筑雨水落水管經(jīng)三通分別進入兩側(cè)的兩個雨水花箱中，經(jīng)花箱處理后排至中間的儲水箱內(nèi)；③建筑雨水落水管經(jīng)消能后通過布水管排至生物處理箱，經(jīng)處理后一部分供植物生長，多余的排至蓄水箱內(nèi)（如圖2所示）［17］。

雨水花箱設(shè)于雨水立管下，并能夠降解雨水中的懸浮物和溶解性污染物，保水層儲存部分雨水，雨水自重壓力將其余部分雨水由穿孔排水管壓入排水立管，最終進入蓄水箱內(nèi)。因為屋面雨水未直接排入市政雨水管網(wǎng)，從而達到錯峰減排的目的，當(dāng)連續(xù)晴天時，經(jīng)過水分蒸發(fā)作用，保水層中的雨水提供水分給生物處理箱內(nèi)的植物，蓄水箱內(nèi)的水可取出用于澆灌綠化或洗車等，使得雨水花箱發(fā)揮“滯”“滲”“凈”的作用，以實現(xiàn)雨水資源化的有效利用。

雨水花箱是相對獨立的系統(tǒng)，設(shè)置于地面，改造施工量小、成本低、改造周期短，適用于各種新建、改建項目，尤其在老舊小區(qū)的改造中優(yōu)勢顯著。但雨水花箱增加綠地覆蓋率有限，對大多建筑立面有影響。

3.3 垂直綠化的適用性分析

垂直綠化是指將植物栽植或鋪貼在各種構(gòu)筑物立面上，是城市立體綠化的形式之一，也是城市綠化的重要組成部分。它有助于進一步增加城市植被覆蓋面積，調(diào)節(jié)城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境，同時可以豐富城市的整體景觀效果。對建筑來說，垂直綠化可以吸塵、減少噪聲、凈化有害氣體、保溫隔熱、美化建筑的立體效果；此外可利用垂直綠化進行建筑雨水的滯留，緩解城市排水壓力。垂直綠化一般有攀緣式、鋪貼式、骨架擺盆式、模塊式、布袋式和垂吊式等六種結(jié)構(gòu)形式。

垂直綠化在垂直空間綠化率高、所占平面面積少，大大解決城市現(xiàn)有綠化面積少的問題，更能截留雨水，緩解城鎮(zhèn)下雨時的排水負擔(dān)。適用建筑外墻、戶外垂直表面、室內(nèi)墻壁（垂直表面），或道路兩旁的隔音屏障、斜坡等處。高層建筑不適宜使用垂直綠化，高層需要輔助構(gòu)筑物來幫助植物生長，存在植物掉落甚至構(gòu)筑物掉落的風(fēng)險。

4 結(jié)論

本研究針對我國快速城市化進程中面臨的水資源短缺和城市內(nèi)澇災(zāi)害問題，結(jié)合海綿城市建設(shè)理念，分析了建筑雨水排水系統(tǒng)的主要組成部分，并通過種植屋面、雨水花箱和垂直綠化三種形式對屋面雨水資源利用進行了分析。與傳統(tǒng)雨水排水系統(tǒng)相比，層面雨水資源利用不僅可以有效排除屋面雨水，還能對屋面雨水收集利用，降低市政雨水管網(wǎng)負荷，增加綠化面積，保溫隔熱，可提高人們生活舒適性等。同時，分析了種植屋面、雨水花箱和垂直綠化三種技術(shù)措施與雨水資源化利用的適用性，種植屋面適用坡度不超過50%的建筑屋面，垂直綠化和雨水花箱均適宜多層且屋面面積較大的建筑。

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