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马鹏超：绿色建筑雨水收集与利用方法分析

随着城市建设的不断发展，城区不透水面积逐年增加，雨水径流量增大，流出时间缩短。这不仅造成水资源的巨大浪费，加大了城市排水系统的负担，还对城市的生产、生活造成极大的影响，并带来巨大的经济损失。如何将雨水有效收集利用，最大限度地恢复城市水文自然进程已成为当今研究热点。目前，国外发达国家的雨水收集与利用措施体系已逐渐完善并趋近成熟，而我国城市水土保持中雨水收集与利用方面的经验仍存在明显不足。我国于21 世纪初提出了建设具有中国特色的海绵城市的思路，2015—2016年住建部共选取30个城市开展海绵城市试点建设，对推动我国城市建设项目的雨水收集与利用、规范技术应用和工程实践起到了积极的推动作用。

1 建筑雨水收集现状与问题

我国现代城市发展很快，绿色建筑已被大家普遍接受，但针对雨水利用的研究不够，并且技术推广偏慢。20 世纪 90 年代起，雨水收集系统逐渐在我国城市的绿色建筑内兴起，雨水回收和利用技术在我国大中城市中发展势头良好。以北京为例，北方城市本身存在水资源匮乏的问题，政府重视程度较高，北京市自2000年开始先后采取一系列政策措施促使绿色建筑小区内雨水收集与利用工作大面积铺展开来[1]，同时也带动了绿色建筑小区雨水收集与利用技术的发展进步。而类似上海、武汉、南京等中东部沿江城市，水量充沛而忽略雨水收集与利用，近年来这些地区均出现严重内涝，雨水对人居环境的影响逐渐凸显。

2 雨水收集与利用的意义

2.1 节约城市水资源

近年来逐渐增多的城市道路冲洗，洒水减雾治霾，甚至于城市洗车行业的逐步增多，对于城市自来水的需求也相应增多，而供水负担加重，自来水等原水资源的浪费和过度使用，使得回用雨水作为循环用水水源的呼声也日渐增大。

将城市雨水收集、利用的效益显著，可以减轻城市暴雨时对排水管网的排水压力，减轻污水处理厂的负荷，提高污水处理厂的处理效率；大大减少城市径流量，减缓城市径流速度，有利于减轻城市洪涝灾害的压力

2.2改善城市水环境

对城市雨水资源的开发利用，地表河流、湖泊及地下水等水体的用水将相对减少，有利于维持河、湖、地下水源等天然水体的正常生态环境用水量；另一方面通过收集雨水的调蓄构筑物的运作，既可以缓解城市的内涝灾害，还可以变废为宝，稀释污水污染物，改善污水的水质。

2.3具有经济和生态意义

对雨水进行收集利用，既可缓解城市对自来水依赖，又能解决水源污染，最终达到节能减排、低碳环保的目的。另一方面，回用雨水在一定程度上可以做到城市区域自给自足，对于飞速发展的城市来说，尤其是城市不断扩张，而后续配套的管网无法跟上的时候，采用雨水回用，减少城市建设供水管道的费用，使得城市管网合理优化，而且对于雨水使用，可部分替代自来水以减少自来水的使用量。与其他非传统水源利用对比，雨水收集利用具有明显经济优势。

3国内外雨水收集与利用技术情况

3.1 国内雨水收集与利用技术情况

我国的雨水利用的研究与应用开始于80年代，发展于90年代。从80年代至今，雨水收集利用发展大概经过试验研究，试点示范，推广应用，蓬勃发展四个阶段。

我国对于雨水资源的利用上，传统技术还占据着主导地位，并且主要集中在西北部雨水贫乏的地区。雨水利用率低，且多数用于农业灌溉和牲畜饮用，忽略了城市雨水资源的利用。城市建筑多有完善的雨水收集系统，但没有蓄渗、处理、回用系统，其主要原因是城市规划设计中仍是以排为主的雨洪处置理念，没有把雨水的贮存利用放在首位。近年来，我国才逐步将城市雨洪控制利用技术应用于实际工程，海绵城市理论，低影响开发技术，雨水收集利用技术刚刚形成较完备的体系，出台了相应的法律法规及规范来保证雨水利用工程的实施，并进行了小规模的示范区应用研究和试点工程研究。

在此背景下，城市雨水利用的研究开始受到广泛的关注，北京、上海、西安、大连、哈尔滨等许多城市相继开展了雨水利用的研究与应用示范。北京的雨水利用研究走在国内前列。国家会议中心主体部分的屋顶每年可收集雨水7000m3，基本能够满足国家会议中心绿化用水需水量。国家奥林匹克森林公园通过公园内的湖泊水系及市政河道来收集雨水，将收集的雨水用于道路喷洒及绿化灌溉等，全园的雨水利用率高达 95%。

3.1.1国内绿色建筑雨水收集与利用主要处理技术

3.1.1.1绿色屋顶

绿色屋顶（种植屋面或屋顶绿化）是指在房屋建筑的屋顶、天台、露台等进行的人工绿化。花园式、组合式、草坪式是绿色屋顶的三种主要形式。在屋顶上种植植物，对雨水进行拦截、过滤、收集与利用。屋顶上种植的植物以及各类土层、砾石层都会对屋顶产生压迫，因此屋顶结构需要一定的强度和稳定性。为了便于排水屋顶应设置一定的坡度。我国绿色屋顶由于起步晚，屋顶花园存在漏水多、植被生长状态差、雨水量不足等诸多问题，很多与之对应的规划要求设计标准和施工手册都还在研究完善阶段。

草坪式所需的基质厚度小，自重轻，且一般选用抗逆性强的草本植被，养护费用低；组合式绿色屋顶为了实现高低错落的植物搭配，一般会使用少量的低矮灌木及其他种类的植被，需要经常的浇水和维护；花园式的屋顶花园从组成内容上来说增加了许多造景元素，比如景观小品或者小型的景观水体，在植物选择上可以选择一些较为高大的树木，养护成本高，且基质厚度大，自重大，对屋顶的荷载、屋顶防水的防根刺等有了更高的要求。

绿色屋顶具有提高城市绿化覆盖、创造空中景观，吸附尘埃减少噪音、减少城市热岛效应、缓解雨水屋面溢流、有效保护屋面结构等作用，不同形式的绿色屋顶对屋顶荷载、空间条件、防水等有不同的要求。

3.1.1.2微生物滤床技术

微生态滤床技术是上世纪 70 年代发展起来的一种新型处理技术。和常规的生化处理比较，微生态滤床具有可生化性强，氮、磷去除能力高，投资及日常运行费用低等特点。微生态滤床由水生景观植物和生态基质层两大系统组成，利用两大系统共同营造的生态净化空间，综合物理、化学、生物等处理因素并放大功效，使水净化工艺达到最大化。该技术运作的核心是对有氧区域的尺寸和数量的管理。通过选择不同的基质和根系，处理过程中的有氧或无氧反应会得到合理利用，提高处理效率。

3.1.1.3 雨水湿地

雨水湿地，也称人工湿地，是一种人工浅沼泽系统，用来处理城市雨水并控制径流水量。雨水湿地一般设计成防渗型以便维持雨水湿地植物所需要的水量，雨水湿地与湿塘的构造相似，一般由进水口、前置塘、沼泽区、出水池、溢流出水口、护坡与驳岸、维护通道等构成，主要作用是沉淀雨水中大颗粒污染物。主塘一般包括常水位以下的永久容积和储存容积，永久容积水深一般为0.8～2.5 m，储存容积一般根据所在区域相关规划提出的“单位面积控制容积”确定。

3.1.1.4 下沉式绿地

下沉式绿地是指具有滞留、蓄存及下渗雨水功能的、低于周边道牙地表5～ 10 cm 的低洼绿地。既可使雨水直接下渗补给土壤持留水和地下水，也能将部分雨水汇集到集雨式绿地内短暂滞留或蓄存，并缓慢入渗补充地下水。在城市开发建设中，下沉式绿地作为一种十分有效的雨水集蓄利用措施被广泛应用。

3.1.1.5 浅草沟

浅草沟是设置在绿色建筑区道路两边、绿地中间和不透水地面四周的浅沟，沟内种植有植物。浅草沟本身可作为雨水排除的管渠，但与普通管渠不同，浅草沟利用植物和土层除掉固体颗粒物和有机物，以及生物难以降解离子[2]。浅草沟的设计通常与建筑区的景观、道路、排水系统相结合，其前期设计与施工、后期运行管理工作量较大。雨水流入浅沟后会发生物理沉淀过滤作用，同时大量附着在植物、土壤、基质中的微生物更是将污染物作为营养物质，降解吸收促进自身生长繁殖。浅草沟对雨水有截留和渗透作用，因此有很强的削弱径流峰值的效果。研究表明经过浅草沟处理的雨水水质符合2010版的《城市污水再生利用 - 绿地灌溉水质》标准，汇集净化的雨水可作灌溉植物，经过浅草沟下渗的雨水能补充地下水，也可以作为景观水。

3.1.1.6 渗透铺装

透水铺装是指在绿色建筑小区的道路广场以及停车场等处合理铺设透水性地面。透水铺装材料有良好的通透性，水能较快的入渗，空气无障碍交换，透水层下的蓄水层又能保持水量不轻易被蒸发掉，因此透水铺装地面能够削减暴雨洪峰期地表径流量。建筑区域中间采用透水性铺装可以缓解地表径流过大问题[3]。透水路面最大的优势是降雨期能够及时渗透排走雨水，晴天存积在路基路床间的水汽能够蒸发上升，缓解城市的热岛效应。另外，透水砖能改善光污染、具备吸音功能。

3.1.1.7 雨水花园

针对建筑物周边如果有略微下沉的地形可直接建成雨水花园。绿地种植耐淹抗旱植物，花园内的雨水大部分经过土壤过滤进入地下水层中，在暴雨期水量过多时也可以收集至小区的储水池中作为喷泉用水，这是一种有效的水量控制法和景观设计法。雨水花园对地形有要求，通常选取项目用地标高较低的位置设置。雨水花园可作为雨水最终汇集地点，屋面、路面以及其他地面的雨水均流入花园，通过花园植物、土壤的物理、生化作用进行处理，达到下渗或回用标准。

3.1.1.8 雨水调蓄池

调蓄池适用范围广。由于降雨存在不均匀性，暴雨时期屋面大量的雨水超出了地面雨水管道系统的设计流量，容易形成地面积水，雨水调蓄池起到很好的水量调节作用。雨水调蓄池的形式主要有地下式、地面开敞式、地面封闭式三种。在项目建设用地非常少的条件下，可设置地下式蓄水池，这类水池能够减少雨水的蒸发损耗，冬天结冻的概率也偏小 ；在项目场地有下凹地段，如地下停车场或绿地，可将其改造成开敞式雨水调蓄池，该类型蓄水池与周边建筑风格、景观园林特色相结合，使公共空间的景观具有层次感，同时起到雨水调蓄作用 ；地面封闭式蓄水池适用于单体建筑，该类蓄水池能减少水分蒸发，蓄水池的体积大，调蓄能力强，但对应的前期投资高。

3.1.3北京市雨水控制相关政府文件及规定

自2012 年7 月21 日遭遇“7·21”特大洪涝灾害以来，北京围绕城市雨洪防治，相继出台了多个政府文件及规定，如《新建建设工程雨水控制与利用技术要点暂行) 》（市规发〔2012〕1316 号）、《北京市人民政府办公厅关于进一步加强城市雨洪控制与利用工作意见的通知》（京政办发〔2013〕48 号）、《雨水控制与利用工程设计规范》( DB 11 /685—2013) 、《北京市房地产建设项目水土保持方案技术导则》等。其中：《雨水控制与利用工程技术规范》规定，新建项目面积超过2 000 m2的每1 000 m2（含）应配建不小于30 m3的雨水调蓄设施，下凹式绿地面积占绿地面积的50% 以上，硬化地面透水铺装率达到70% 以上等；《北京市房地产建设项目水土保持方案技术导则》规定，山区项目雨洪利用率大于80%，平原区项目雨洪利用率大于90%。北京城市水土保持突出雨水蓄渗措施有关内容，对构建有效的城市雨水蓄渗措施体系、加强城市洪水灾害防治具有重要现实意义。

对于我国这样一个贫水国家，利用雨水资源对社会的可持续发展显得尤为重要。虽然近年来我国的雨水综合利用也逐渐受到了重视，但鉴于起步较晚，研究不够系统，管理滞后等原因，相对于发达国家先进的雨水利用管理系统和体制，还存在着不小的差距。学习和借鉴发达国家在雨水综合利用方面的先进管理体制和成功经验，对我国在该领域的发展具有重要意义。

3.2 国外雨水收集与利用技术情况

国外一些发达国家，城市雨水资源化和雨水的收集利用已有数十年的历史。从20 世纪70 年代，发达国家为保护水环境及充分利用水资源，开始研究、开发和应用雨水收集、处理与回用的技术，使雨水成为重要的的淡水资源之一。现代意义上的雨水利用尤其是城市雨水的利用, 是从20 世纪80 年代到90 年代发展起来的，不仅少雨的国家（如以色列等）发展较快，而且一些多雨的国家（如东南亚国家）也得到发展。一些工业发达的国家（如德国、日本、澳大利亚和美国等）都在积极开发利用雨水，并且已开展了相关的研究并建成一批不同规模的示范工程，如日本结合已有的中水道工程，在城市屋顶修建用作雨水浇灌的“空中花园”，在楼房中设置雨水收集、净化与储存装置，用以冲厕和浇洒绿地。

3.2.1 美国的雨水利用技术

常用的LID（低影响开发）技术主要有：都市自然排水系统，植生滞留塘/生物滞留塘（雨水花园），可渗透路面，生态屋顶，雨水收集装置，LID 树池，绿色街道，雨水再生系统等。

雨水花园作为典型的LID 技术，是利用花园的形式来吸收一部分由暴雨所带来的降水和过滤掉污染物质，如图-1所示。它是一种生态型的雨洪控制与利用设施，是指在低洼区域种有灌木、花草乃至树木等植物的工程设施，由具有预处理作用的植被缓冲带、蓄水区、有机覆盖层、种植土层、植物、地下排水暗管组成，并设有紧急溢流装置有时还可设置一贮水池。它主要通过土壤和植物的过滤净化雨水，将雨水暂时滞留后慢慢渗入土壤来减少径流量。广泛地用于滞留及净化公共建筑、城市住宅区、商业区以及工业区的建筑、停车场、道路的雨洪径流。但是为了保证良好的运行状况，必须对雨水花园进行定期维护管理，比如在几场降雨或一场大暴雨后，要检查雨水花园表面覆盖层的侵蚀情况以及植被的损坏情况等。

图-1雨水花园结构示意图

3.2.2 德国的雨水利用技术

德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。目前德国的雨水利用技术已经进入标准化、产业化阶段，市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的产品。德国的城市雨水利用方式有3 种：①屋面雨水收集系统。集下来的雨水采用简单的处理后，使其达到杂用水水质标准，用于厕所冲洗、庭院浇洒、工业冷却等；②雨水截污与渗透系统。将道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池或通过渗透补充地下水；③生态小区雨水利用系统。在小区沿排水道修建渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。

为实现土壤对雨水的直接消纳，德国在降低路面硬化率方面做了大量的工作， 主要通过建设透水性路面（pervious pavement）、设立植被渗雨区（grass dump） 以及加装地下的雨水滞留装置实现。在易积水地区，进一步通过渗透沼泽（infiltration swale）和沟渠渗透（subsurface ditch in）的形式强化渗透效果。在城市道路整体的排水解决方案方面，汉堡市（Hamburg）已有较为成熟的案例，主要利用道路面进行生态调蓄收集，如图-2所示。2015年5月15日汉堡市遭遇强降雨，以该道路为例，道路雨水通过坡降快速汇集于中央的生态调蓄系统，有效减少了路面积水状况，也缓解了排水系统的洪峰压力。

图-2利用道路面进行生态调蓄收集（汉堡市）

3.2.3 日本的雨水利用技术

日本对雨水资源的利用也十分重视。日本于1963 年开始兴建储存雨水和滞洪的蓄水池，其雨水利用的特色是多功能调蓄设施，修建在地上和地下的蓄水池都可以满足不同的用途。1980 年开始，日本建设省在国内开始推广雨水贮留渗透计划，在公园、绿地、广场、停车场、运动场等建设雨水贮留渗透设施。在建筑物上设计雨水收集设施，收集雨水用于消防、洗车、冲厕等，也可以处理供居民饮用。20 世纪 80 年代，蓄存雨水的工程设施开始在日本大量兴建，这些设施可以储存多余的暴雨径流，降低市政管网的压力，也可将其作为城市水资源加以利用。1992 年，日本政府就颁布了“第二代城市排水总体规划"，正式将雨水渗透渠、渗透塘及渗透铺装纳入城市总体规划，政策要求要求新建、改建的大型公共建筑必须增加雨水渗透设施的规划设计。

渗透渠、渗透管、渗透井、可渗透路面、调节池和绿地等各种雨水渗透设施在日本迅速发展，收集并且处理后的雨水可以用于消防、浇洒绿地、洗车、冲厕所，也可以深度处理后供居民使用。这些设施占地面积小，可因地制宜的修建在门前屋后。 资料显示，日本现已建成的建筑物中，屋顶集水面积可达 20 余万m2。东京江东区文化中心修建的雨水收集利用设施面积可达 5600 m2，雨水调蓄池容积 400 m3，每年可用于中水和城市杂用水的雨水占其年用水量的 45%。

21 世纪初，日本商人已经将雨水作为一种贸易产品远销更为缺水的中东国家，阿拉伯联合酋长国每年从日本进口雨水约 2000 万 m3，主要用于农业灌溉。表明雨水利用技术在日本已相当成熟，可以作为经济产业链为国家创造财富。

4、绿色建筑小区雨水收集与利用发展趋势

4.1 在绿色建筑小区中实现“零用水”

“零用水”这一概念由建筑专家 Jerry Yudelso 提出，旨在倡导雨水收集、中水回用、污水净化处理来实现建筑用水量的平衡。

4.2 利用绿色建筑小区进行雨水控制

当前建筑小区域内内涝问题频发，可通过“雨水花园”对削减洪峰，同时净化雨水美化环境，雨水花园包括建筑的在屋顶上培育植物和再建筑物四周建成绿地。

4.3 利用建筑设备进行“雨水回用”

大多数传统建筑注重的雨水收集与排放，大量的雨水资源直接汇入自然水体，降雨增加了排水管网负荷却无法作为生活和生产用水的源头，绿色建筑小区将通过技术手段直接将收集的雨水进行处理回用，在建筑区域内部进行消解循环。

4.4 绿色建筑小区融入城市“水敏感”设计

“水敏感设计”应用于建筑与小区、城区与整个城市等多个层次的雨水管理。水敏感设计关注任何雨水有关的因素和水资源的变化引起的所有环境变化。该概念最初是为了控制暴雨对城区的影响，随着研究和应用的渗入，人们发现该理念可以应用于小到独栋建筑的庭院，大到整个城区的雨水管理中。绿色建筑小区雨水利用应与小区域、城区域的整体雨水规划设计相协调，共同服务于“绿色城市”“海绵城市”。

总之，绿色建筑小区雨水收集和利用可按照“低影响开发”理念进行建设，即在项目规划到运行的整个过程根据实际情况调整方案和方法，合理选用浅草沟、渗透铺装、雨水花园、绿化屋顶、雨水调蓄池等措施，实现项目建成后接近于建成前环境和条件，使绿色小区的雨水能够以自然的方式进行雨水调节，减少资源浪费和环境污染。