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城市建筑绿色生态中的雨洪利用研究

城市建筑绿色生态中的雨洪利用研究

2013年8月30日 4:37:30
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随着人们对人类与环境关系认识的提高,与人类息息相关的住宅建设中也开始渗透“绿色”、“生态”的内涵,出现了绿色建筑的概念。绿色建筑可以概括为在建筑生命周期中,以最节约能源、最有效利用资源的方式,建造最低环境负荷情况下,最安全、健康、高效及舒适的居住空间,达到人及建筑与环境共生共荣、永续发展。因此,绿色建筑又可称为绿色生态,这意味着建筑不仅被作为非生命元素来对待,更被视为自然生态循环系统的一个有机组成部分[1]。在绿色生态建筑设计中如何节省水资源,高效利用水成为许多专家学者研究的热点。雨洪利用工程就是改善水环境、维系绿色生态的一个重要手段。
  近20年来,雨水利用技术迅速的发展。美国、加拿大、日本、澳大利亚、新西兰和德国等澳洲国家相继开展了不同规模、不同内容的雨水利用和控制的研究和系统建设。在以色列、印度、东南亚和非洲等国家和地区,也修建了无数的雨水收集利用系统。雨水利用已成为国际上普遍重视的课题,随着雨水利用技术的发展,研究雨水利用的学术活动也日趋频繁,并成立了国际雨水收集利用系统协会(IRCSA),加强国际雨水利用研究的学术交流。
  北京团城历史悠久,其采用干铺倒梯形青砖和深埋渗排涵洞方法来收集利用雨水,体现了古人的聪明才智。近20年来雨洪利用技术手段研究得到重视,1990年开始屋顶雨水回灌试验研究[1],将屋顶雨水收集后,利用回灌井注入地下,取得了一些初步成果。2000年,中德合作在该试验点开展了回灌水量、水质及回灌效果的系统研究。但总体而言,我国的研究大部分还处于试验阶段,雨洪的控制和利用情况还有待遇发展。


  1.城市雨洪利用的内涵


  城市雨洪利用从应用的目的来讲有两个含义,一种是指在大尺度范围内,通过工程性和非工程性措施,分散实施,就地拦蓄、储存和利用城市雨洪,避减洪涝灾害,实施对地下水的补给,来增添城市供水;另一种专指城市建筑(或小区)中通过一些工程手段,来收集雨水,用于绿化、冲厕等用水,或用于回灌地下水,以达到节约用水和增加地下水资源的目的。
  北京是一个严重缺水的城市,而维持城市生态环境的用水量占有一定的比例。另一方面,北京年内降雨的80%左右多集中在几次大的暴雨过程,而城市化的发展又使城市不透水面积增加,加大了城市防洪负担。如果利用汛期雨水资源,不仅可缓解北京水资源短缺状况,也可减轻城市排水、河道行洪压力,保证北京防洪安全;同时利用屋顶收集雨水、采用透水地面砖铺地接水、用草坪蓄集雨水、建造各种渗灌系统将地面上的水“尽收池底”,雨水被净化后,可用于洗车、住宅冲厕、小区绿化,减少城市生态环境取用新鲜水的份额,真正体现绿色生态的意义。
  城市雨洪利用的总体目标应为开发大气降水资源,增加可利用水量;合理利用水资源,实现分质供水,增加环境用水;回补地下水,缓解地下水超采的趋势;减少小区雨洪流储量,减缓城市防洪压力;最终达到构造以人为本的社区水环境,改善城市生态环境的目标。
  由此可见,本文所涉及的城市绿色生态中的雨洪利用涵义更广,不仅涵盖了绿色建筑中所涉及的节约和高效利用水资源,改善人类居住环境;且更大程度上指的是通过城市雨洪利用来涵养水资源(补充水资源),实现水资源的合理分配(分质供水)。


  2.雨洪利用方式和技术手段


  2.1利用方式
  城市雨水利用的用途概括有以下三个方面:一是利用城市绿(草)地、透水路面的铺装、建筑屋顶面集水等手段增加雨水入渗或进行人工回灌,补充日益匮乏的地下水资源,同时减轻城市排水工程的负担;二是将雨水利用可作为城市生态环境用水、生态景观的水源,也可作为部分工业用水、杂用水的水源;三是利用雨水可解决缺水地区人畜饮水问题。
  国外雨水收集利用技术已经得到了广泛的应用,从绿色建筑角度考虑,日、美、德等国家的地方法规中还将该技术作为一种政府行为强制执行。美国许多城市建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统,所有新开发区必须强制实行“就地滞洪蓄水”;英国,伦敦世纪圆顶的雨水收集利用系统每天回收100立方米雨水作为冲洗厕所用水;丹麦,城市从屋顶收集雨水,收集后的雨水经过收集管过滤设备,进入贮水池,用于冲洗厕所和洗衣服;在日本,要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水收集下渗设施,配置各种入渗设施的设置密度,强化雨水入渗;而德国长期致力于雨水利用技术的研究与开发,从规划、设计到应用,不但形成了完善的技术体系,而且制定了配套的法规和管理规定。
  2.2雨洪利用技术
  2.2.1集流技术
  雨水收集就是指利用工程手段,尽量减少土壤入渗,增加地表径流,并且将这部分径流按照人们所设计的方式收集起来。
  雨水收集的核心问题是根据不同的材料确定集水效率,从而确定集流面积、集流量和成本。集水效率与集雨面材料、坡度,降雨雨量、雨强有关。集雨面一般分为自然集雨面和人工集雨面两种。在运用上应根据利用的目的和具体条件来选择。
  2.2.2蓄水技术
  雨水存贮即以一定的方式,经济合理的存贮雨水的地表径流,解决降雨和利用在时间上错位的矛盾。从工程设施的地理位置上分为就地存贮和异地存贮两种,就地存贮即将降雨就近存蓄起来,一般来说集雨面较小,存贮量不大,如水窑、塘坝、小水库等;异地存贮是指当集雨量较大无法就地存贮时,通过工程设施调到远处存贮,如河道、水库等。
  2.2.3雨洪利用系统
  ①地下水回灌系统:位于山前冲洪积扇地带的城市及其郊区,其土壤颗粒粗,有利于雨水入渗,可利用这一有利条件,积极开展雨洪回灌,人工补给地下水研究。目前人工回灌的方式主要有:砂石坑回灌、井灌(大口井回灌、深井回灌)、和其他回灌方式,如在河道上建橡胶坝、分洪闸等调蓄工程来增加地表水对地下水的补给、渗水洼地、渗水廊道、集成水路等回灌方式。
  ②屋顶集雨系统:可为分散的住宅提供生活水源。城市别墅式住宅也可发展雨水收集系统,作为生活杂用水和生态环境用水。屋顶渗井系统可回补地下水。③道路集雨人工湖系统:新建居住小区、道路、广场和停车场等改为透水路面,同时利用居住小区、道路、广场和停车场等收集雨水,并修建人工湖或蓄水池,可作为生活小区绿化清洁用水,也可增加水面面积,美化环境。④绿地草坪滞蓄汛雨回补:利用绿地入渗回补地下水,可大量增加地下水补给量。低绿地草坪不仅能接纳其上的降雨,还可以将附近的屋顶、路面等不透水面积上的径流导入绿地,将日降雨量近100mm的次降雨全部入渗[4]。这部分径流滞蓄于草地,可减少草地灌溉用水,且为排水河道减轻防洪负担,补给超采地下水的环境效益更加显著。⑤增加滞洪水面:利用汛期雨洪增加城市湖泊等水体面积,不仅改善了城市景观和生态环境,还具有一定的防洪功能。将绿地(草坪)同渗井、蓄水池系统相结合,可明显减轻城市的防洪负担,缓解城市化对地下水补给的影响。
  2.2.4关键技术
  雨洪利用工程是一项复杂的系统工程,涉及研究的内容很多,要想进行大规模雨洪利用工程的推广,还应解决下列的关键技术。
  ①对自然环境的认识。包括对周边地区地理、地貌、水文、气象、地质、水文地质条件的调查分析,这是建立雨洪利用工程的基础。
  ②雨洪利用工程设计。应针对不同尺度的雨洪利用目的,对不同下垫面降水情况进行分析研究,从而确定最大控制洪峰,计算工程设施规模尺寸,以发挥最大经济效益。
  ③雨洪水质处理技术。在绿色建筑中,要依据不同用水水质要求,对收集的雨水进行必要的水质处理。完备的水质监测系统是整个雨洪利用工程能够正常运行的关键一环。
  ④除此之外,雨洪利用工程还要符合城市建设规划,遵守相应法令法规等。做到为经济服务,为发展服务。


  3.城市雨洪利用中的不足


  总体看来,我国雨洪利用技术的应用主要存在以下几个方面的不足:
  ①缺乏雨洪利用意识,无论是管理部门、科研部门,还是公众,普遍对雨洪利用意义认识不足,对城市雨洪利用概念和作用还不足,在城市规划和建设过程中缺乏统筹考虑。
  ②缺少基础性研究,体现在雨水对环境、资源影响的研究不足,对于雨洪利用技术的研究程度较低,应用很薄弱。
  ③没有可行的技术与管理规范,缺乏配套的法规、政策和管理体系。
  ④雨洪利用产业化程度低,相应的设备、专业工程队伍欠缺。
  总之,城市绿色生态中的雨洪利用,完全可以借鉴发达国家“堵疏结合,蓄泄并重”的防洪、避洪理念,“亲近自然河流”、恢复自然、美化环境、分水集雨的规划思想,利用“屋顶集雨”等技术,因地制宜地拦蓄、储存、利用雨洪,改善城市生态系统和景观环境。