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绿色校园雨水综合利用的实践
来源:《中国节水》杂志
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日期:2016年05月20日 16:20



绿色校园雨水综合利用的实践

江苏城乡建设职业学院副教授


基于低影响开发理念,结合区域气候、水资源、给排水工程等客观情况,构建雨水收集综合利用系统,是实现节约水资源与控制雨洪的一个重要途径。

 

在水资源短缺和水资源污染日益严峻的形势下,雨水综合利用作为实现节约水资源与控制雨洪的一个重要途径,已越来越受到社会的广泛关注。高校校园作为城市生态系统中一个独立而完整的子系统,一般占地面积大,人员密集,用水量大,具有雨水汇水面积较大、水质较好的特点,在雨水利用方面具有较大的必要性和可行性。高校作为科研开发和技术推广的前沿阵地,对雨水进行收集和综合利用的研究和实践相对较多。尤其是20世纪后期绿色校园的理念引入我国后,各高校在建设绿色校园的实践中更是加强了对作为非常规水源——雨水综合利用的研究。江苏城乡建设职业学院(简称江苏建院)作为一所建设类的高职院,在以“绿色校园”为总体目标的新校区建设中,结合区域气候、水资源、给排水工程等客观情况,对雨水收集综合利用及生态水处理技术进行了全面深入的研究和实践。


一、江苏建院雨水综合利用项目概况

1.气候、水资源概况

常州地区年降雨量在1062.4毫米左右,属于多雨区;气候属于南北气候过渡带,降雨时空分布不均,降雨量在年际之间变化大,年内降雨又集中在夏季。降雨量大的月份与需水量的时段相吻合,具有雨水利用的自然条件。

2.给排水概况

(1)给水

新校区处于常州市区边界,目前距离最近的一路市政供水管位于常金路,供水量和压力均难以满足本校区使用要求。根据殷村职教园区总体规划,未来将敷设DN600供水管一路接至校区附近可供接管使用,如对雨水资源进行充分利用,将大大减少新校区对自来水的需求量。

(2)排水

新校区内采用雨、污分流的排水体制,雨水综合利用项目对教学核心区约14万平方米用地范围地表及建筑屋面雨水进行收集利用。校区内的生活污水排至殷村职教园区新建的污水处理站,出水水质达到《城市污水再生利用—城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)标准中道路浇洒、绿化、冲厕以及景观用水等指标最高的标准,供新校区内中水系统使用,并可为雨水综合利用系统提供补水水源。

3.雨水综合利用项目概况

江苏建院新校区规划总面积约54公顷,新校区建设前大部分是农田,新校区的开发建设势必造成下垫面不透水层的增加,导致降雨后径流量增大。新校区在规划、设计和施工阶段按照低影响开发理念以及《绿色校园评价标准》中“采用多种渗透措施增加雨水渗透量,降低地表径流及合理设置雨水收集利用和调蓄系统”的要求,构建了校园雨水生态收集利用系统,使雨水景观湖水质达到地表Ⅲ类以上,实现了雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和可持续水循环。

(1)低影响开发雨水系统的建立

新校区根据项目的地形特点和气候、水资源情况,并与校园交通、园林、给排水与建筑规划设计相结合,建立了校园雨水收集和综合利用系统。在新校区中心环路内即图书馆、1-7号教学楼周边场地范围设置雨水收集系统,收集的屋面和场地雨水进入雨水管道后排放至校园景观湖A中贮留。

如图1所示,校园内相互连通的景观湖A、B、C、D作为雨水系统的蓄水池,对收集入湖的雨水,项目采用生态水处理技术,通过种植挺水、沉水植物,培育繁殖鱼、虾、螺、贝等各种生物,构建水体生态系统,净化水质、控制水体富营养化,使水质达到地表水环境质量标准Ⅲ类以上,处理后的湖水用于校区绿化浇灌、道路浇洒等。其技术流程如图2所示:

(2)低影响开发技术选择

新校区在雨水综合利用的实践中,以雨洪控制和雨水生态利用为目标,结合新校区的气候、土壤、土地利用等条件,进行技术经济分析,并与其他专业密切配合,选用了适宜的低影响开发雨水技术和设施如表1所示:

表1 新校区雨水单项技术设施一览表

编号

技术设施

设置部位

主要功能

1

透水水泥混凝土

校园滨湖步行道

削减洪峰流量、净化雨水

2

植草砖停车位

校园地面停车场

补充地下水、削减洪峰流量、净化雨水

3

绿色屋顶

乾元楼屋顶

削减洪峰流量、净化雨水

4

雨水花园

图书馆、本味楼前绿地

补充地下水、削减洪峰流量、净化雨水

5

初期雨水弃流设施

景观湖前

净化雨水

6

蓄水池(景观湖)

校园景观水域A、B、C、D

集蓄利用雨水、削减洪峰流量、净化雨水

7

人工水生生态系统

连通的景观湖

净化雨水

8

中水补水系统

蓄水池前

补充雨水量

9

人工湿地

中水补水管后,景观湖前

净化补水水质


二、雨水综合利用项目技术分析

雨水控制利用工程技术按功能主要包括截污净化技术、渗透技术、滞蓄技术、调节技术、转输排放技术及调蓄技术,综合采用“渗、蓄、净、用、排、补”等多种技术,提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力,维持或恢复校园的“海绵”功能,很好地体现了低影响开发的理念。

1.雨水下渗技术

城市化造成的地面硬化改变了原地面的水文特征,从而引起雨水径流速度加快、洪峰流量增大,洪水滞时和历时缩短,并造成城市地下水从降水中获得的补给量减少。低影响开发雨水系统遵循水文干扰最小化原则,强调优先采用雨水入渗技术以达到源头削减的目标。新校区在开发建设中,通过以下途径来增加入渗量:

(1)硬质地面、广场入渗

为增加雨水下渗率,新校区室外部分广场采用透水砖铺装;校区地面停车场采用植草砖停车位;并沿校园景观湖构建了环湖亲水步行道路系统,步行系统采用透水水泥混凝土铺设。上述几种透水性铺装兼具良好的渗水性及保湿性,它既兼顾了人们对于硬化地面的使用要求,又能达到补充地下水的目标,并具有一定的峰值流量削减和雨水净化作用。

(2)绿地入渗

为促进雨水下渗,校园绿地标高宜低于道路标高,在校园绿地建设规划时,采用下凹式绿地,将校园绿地建成天然的汇集池。下凹式绿地利用下凹空间充分蓄积雨水,显著增加雨水下渗时间,具有渗蓄雨水、削减洪峰流量等优点,是雨水利用的重要途径之一。新校区在景观设计中,结合环艺景观设置了适宜的低势绿地、浅草沟、仿自然冲沟、雨水花园等低冲击雨水开发技术,增加雨水的下渗量,并具有削减洪峰流量和净化水质的功能。

(3)屋面雨水入渗

在屋顶种植植物,一方面达到美化校园景观的目的,通过土壤吸收和渗滤作用,可以削减径流洪峰流量、降低径流总量,且经过绿化的屋顶由于种植层的隔热作用,对构筑物具有一定保温作用。但屋顶绿化对屋顶承重能力和屋顶防水性都有较高要求,因此新校区在一期工程中仅在三星绿色建筑乾元楼(行政与国际交流中心)进行了屋顶绿化建设,在收集利用雨水的同时获得了良好的景观效果

新校区通过对多种入渗技术的利用,保证了室外透水地面面积比大于40%,达到增加雨水渗透能力,补充地下水,减轻排水系统负荷,减少雨水外排流量的目的,并在下渗过程中,通过过滤、生物净化原理对雨水起到净化作用。

2.雨水调蓄技术

雨水调蓄技术指具有雨水调节和滞蓄功能的技术,为提高雨水设施的利用率,雨水调节设施宜与渗透塘、景观水体/湿塘、人工湿地等滞蓄设施合建,构建多功能调蓄设施。新校区将校园内相互连通的景观水域A、B、C、D兼作校园雨水系统的蓄水池,集蓄利用雨水,调节径流总量和峰值,并通过水生生态系统对雨水进行净化处理。

3.雨水净化技术

雨水截污净化技术以水质控制为主,包括初期雨水弃流设施、物理化学处理方法、生物处理方法,主要用于水质预处理或基于不同回用目标的深度处理。雨水经景观湖生态处理后用作浇洒道路和绿化用水,采用的净化技术主要有初期雨水的弃流和雨水生态处理技术。

(1)初期雨水弃流

雨水污染主要来源于大气中以及集流面上的杂质,一般初降雨水中杂质较多,《建筑与小区雨水利用工程技术规范》建议屋面弃流采用2~3毫米径流厚度,地面弃流采用3~5毫米径流厚度,一般常用初期雨水弃流装置进行控制,初期雨水弃流的方式主要有手动弃流、容积法弃流、小管弃流(水流切换法)以及自动初期弃流装置等。《新校区水资源利用规划》中采用弃流池对初雨进行弃流,截流的初期雨水排入污水管道进入园区污水处理厂进行处理。

(2)雨水生态处理技术

雨水生态利用技术是依靠土壤、植物、微生物组成的生态系统净化雨水,避免了人工处理雨水带来的能源、资源消耗,降低了城市发展对自然系统的破坏,同时构建的生态处理系统也创造了良好的城市自然景观。

新校区中的雨水花园、下凹式绿地除提高雨水下渗率外,植物根系和土壤中微生物对污染物进行吸收和分解的物理、化学、生物等净化作用其实质也是雨水生态处理技术。本项目的雨水回用目标是作为道路浇洒、城市绿化的杂用水,出水水质达到GB/T 18920《城市污水再生利用—城市杂用水水质》中的城市绿化用水水质标准即可。但新校区是常州市未成年人社会实践基地,又是江苏省首个以校园为单位的建筑节能和绿色建筑示范区项目,为达到更好的景观效果,并更好展示生态水净化技术和生态水循环理念,本项目对收集入景观湖的雨水,通过种植挺水、沉水植物,培育繁殖鱼、虾、螺、贝等各种生物构建水生生态系统为主导,辅以一定物理循环设施使景观湖水水质得到净化处理,使水质达到国家地表水环境质量标准Ⅲ类以上,水体能见度不低于1.2米,保障景观水体的娱乐与生态功能,并克服了传统水处理系统运行成本高、易二次污染的弊端,充分体现了雨水生态利用的思想。

(3)雨水系统补水

由于雨水回用系统很难做到连续有雨水可用,因此必须设置稳定可靠的补水水源在非雨季进行补水。补水可以是生活饮用水,也可以是再生水。而学校新校区建有园区污水处理站,其出水用作道路浇洒、绿化、冲厕以及景观用水补充水。出水水质执行《城市污水再生利用—城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)标准中道路浇洒、绿化、冲厕以及景观用水等指标最高标准,对补充景观湖的中水通过人工湿地处理后达地表V类水水质后排入景观水系,由景观水系水生态系统自净后达到地表水III类标准。另外,在中水进入景观湖前设计了水平人工潜流湿地,利用自然生态系统中的物理、化学和生物三重协同作用来实现对污水的净化作用,污水从一端水平流过填料床,床体填充基质,床底设有防渗层。与自由表面流人工湿地相比,人工潜流湿地水力负荷较大,对BOD5(生化需氧量)、CODcr(重铬酸盐指数)、SS(固体悬浮物浓度)、重金属等污染指标的去除效果好,而且很少有恶臭和滋生蚊蝇现象。

新校区雨水收集利用系统及景观湖已按规划设计方案进行建设,但人工湖各生物要素构建后,需要微生物群落把生产者、消费者进行有机的整合以形成自净系统,才能实现长效水质净化功能,这个稳定过程需要两年左右的时间。在水生生态系统的稳定过程中,需要定期对项目水体水质进行检测,采取针对性的措施,以使景观水域生态系统趋于生态平衡。


三、江苏建院雨水综合利用项目效益分析

1.经济效益分析

经计算,新校区雨水收集回用工程可利用雨水量54335立方米,实际利用雨水量36730立方米,收集和处理雨水进行回用,虽然初期成本会增加,但建成后的未来综合成本仍是其全寿命周期成本的重要构成部分,从全寿命周期成本及增量成本分析,新校区的雨水综合利用项目具有良好的经济效益。

2.社会效益分析

项目在规划、设计和建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段,通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术,实现了区域良性水文循环,符合低碳、环保、经济的理念,并建设了优美和谐的校园景观,作为常州市青少年社会实践基地及江苏省建筑节能和绿色建筑示范区,其示范意义和教育意义显著。同时,从科研教育角度出发,项目对多种集雨技术和雨水处理技术进行了实践和研究,具有科研示范意义,并起到良好的科普教学和专业教学效果。

3.环境效益分析

项目建立雨水收集、储存和调节系统,充分发挥了校园绿地、道路和水系对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,紧密结合校园道路交通、园林绿地和景观水系建设,构建了实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和可持续水循环的低影响开发雨水系统,减小了雨水径流对水体的污染,达到了节约水资源、改善校园生态环境的目标。储存于景观湖的雨水通过水系生态处理后获得良好的水体景观效果,有效提高校园水系水质,改善校园水系环境。

在今后的雨水系统维护和二期工程建设中,可考虑对研发成熟的雨水成品设施加以应用,并将景观设计规划与雨水利用很好地结合起来,建设不同景观效果的屋顶花园、雨水花园和下凹式绿地。另外,在后期的水生生态系统的管理和维护中,应定期对景观湖水质总氮、氨氮、总磷、粪大肠菌群、pH(酸碱度)、溶解氧、BOD5(生化需氧量)、高锰酸盐指数等指标进行监测,并依据水质检测结果快速判断水质变化趋势,从而采取相应的水质保障措施。



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