王志強(qiáng),劉邑婷,左亞會

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018)

1 綠色建筑概述

1.1 綠色建筑的涵義

20世紀(jì)60年代,美籍意大利建筑師保羅?索勒瑞在鳳凰城建成了世界上第一個生態(tài)建筑阿科桑底(Arcosanti),并將生態(tài)學(xué)(Ecology)和建筑學(xué)(Architecture)兩詞合并為“Arology”,首次提出了“生態(tài)建筑學(xué)”的概念。1992年,在巴西里約熱內(nèi)盧召開的“聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會”上,“綠色建筑”的概念被首次提出,“綠色建筑”這個源于西方發(fā)達(dá)國家的理念及實踐活動由此逐漸被推廣到了世界各國。

由于各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理位置、資源條件等的不同,對綠色建筑的定義和理解各不相同,但基本上是圍繞著三個主題,即減少資源消耗和對環(huán)境的負(fù)面影響,創(chuàng)造舒適、健康的生活環(huán)境,與自然環(huán)境相融合。

我國在《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378-2006)中提出,綠色建筑是“在建筑的全壽命周期內(nèi),最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間,與自然和諧共生的建筑?！贝硕x體現(xiàn)了辯證唯物主義的思想,貫徹了科學(xué)發(fā)展觀,強(qiáng)調(diào)“四節(jié)一環(huán)?！?同時要求創(chuàng)建一個人性化、符合大眾生活和工作需求的健康、舒適的空間,體現(xiàn)了“人——建筑——自然”的和諧共生。

1.2 綠色建筑水系統(tǒng)與綠色建筑的水資源可持續(xù)利用

眾所周知,全球水資源問題突出,隨著我國人口增加、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,水的供需矛盾已成為制約我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市發(fā)展的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計,全國600多座城市中,有400多座城市缺水。其中,建筑生活用水約占城市總用水量的60%。專家預(yù)測,到2020年,中國的缺水總量將超過500×108m3,超過現(xiàn)在全國年用水量的10%,缺水高峰將會出現(xiàn)[1]。2011年的中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》無疑將水利和水資源問題提高到了關(guān)系經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、國家安全的國家戰(zhàn)略高度。

建筑和城市用水息息相關(guān)。傳統(tǒng)建筑“高消耗、低效率、難循環(huán)”的水資源利用問題,對環(huán)境影響極大;綠色建筑的水資源可持續(xù)利用不但能夠節(jié)約水資源,還能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的循環(huán)高效利用,對水資源的保護(hù)和再生具有重大意義。

1.2.1 綠色建筑的水系統(tǒng)

《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》將評價指標(biāo)體系的六大指標(biāo)之一節(jié)水與水資源利用分為3個部分:節(jié)水規(guī)劃、提高用水效率、雨污水綜合利用。一般來講,綠色建筑的水系統(tǒng)(包括綠色住宅小區(qū),下文不再特別指出)包括以下幾方面:給水排水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、中水利用系統(tǒng)、雨水利用系統(tǒng)、節(jié)水器材、人工水環(huán)境系統(tǒng)。

1.2.2 綠色建筑的水資源可持續(xù)利用

綠色建筑能夠更好地適應(yīng)自然,水資源的可持續(xù)利用是綠色建筑更好適應(yīng)自然的主要因素之一。通常認(rèn)為水的循環(huán)方式有3種,即水的自然循環(huán)、水在城市中的循環(huán)、水在建筑中的循環(huán)。三者相互獨(dú)立,又相互聯(lián)系。獨(dú)立的一個或一組建筑同時參與不同層次的循環(huán),能夠使水資源綜合利用發(fā)揮更大的效益,對水資源可持續(xù)利用有重大意義。綠色建筑水資源利用的原則可歸納為4點:①充分利用現(xiàn)有水資源原則;②節(jié)水、節(jié)能原則;③無害化原則;④重復(fù)與循環(huán)利用原則[2]。

綠色建筑的水系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)節(jié)水目標(biāo),提高水資源利用率,把污水、廢水、雨水、地表水、再生水回收利用,使“供給——用戶——排放”和“雨水、地表水——徑流——排放”這種一次性低利用率的線性模式改造成“供給——排放——貯存——處理——回用”循環(huán)利用模式,同時維護(hù)“降雨——滲透/調(diào)蓄——蒸發(fā)——降雨”的自然水循環(huán),改善“凈水——污水——凈化——回用”的區(qū)域水循環(huán),其工藝流程見圖1。

圖1 綠色生態(tài)住宅小區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)工藝流程圖[3]

2 雨水資源利用的意義

《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中對綠色建筑滿足一般項和優(yōu)選項的非傳統(tǒng)水源利用率要求分別是 10%、30%。非傳統(tǒng)水源利用率是指:采用再生水、雨水等非傳統(tǒng)水源代替市政供水或地下水供給景觀、綠化、沖廁等雜用的水量占總用水量的百分比。將經(jīng)過處理后的雨水用于綠化、景觀、道路沖洗、沖廁等就是提高非傳統(tǒng)水源利用率的重要手段。從長遠(yuǎn)看,開發(fā)利用雨水等非傳統(tǒng)水源,對可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,主要從資源、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)幾方面反映出來。

2.1 資源意義

雨水資源的開發(fā),一方面可以間接補(bǔ)充城市水源;另一方面通過凈化后的雨水,可以直接補(bǔ)充水資源用于非飲用水,使自然資源得到了充分有效的利用,增加了可供水量,減少了市政供水量,緩解了城市供水壓力。據(jù)預(yù)測,2030年、2050年全國城市雨洪量分別為207×108m3、255×108m3,若按40%的雨水資源化率計算,則城市雨洪利用量分別為82.9×108m3、102×108m3。上海世博會僅四大永久場館收集雨水量就達(dá)10.94×104m3。目前,雨水的資源價值日益顯著。

2.2 社會意義

雨水是天賜之水,與人們的生活息息相關(guān)。全社會的共同參與是開展雨水利用的堅實基礎(chǔ),是城市水資源可持續(xù)利用的必備條件。在全社會中普及雨水利用知識,開展雨水利用實踐,使雨水利用觀念深入人心,在日常生活和生產(chǎn)活動中化作從我做起的實際行動,對于保護(hù)水資源,形成節(jié)約用水的觀念,提高資源利用意識具有重要意義。

2.3 經(jīng)濟(jì)意義

雨水資源利用減少了居民使用市政供水的數(shù)量,減少了水費(fèi)開支。雨水收集、利用工程建設(shè)和改造的投資并不會增加太多,工程建成后的運(yùn)行費(fèi)用也很低,實際所節(jié)省的水費(fèi)足以填補(bǔ)工程建設(shè)和改造及運(yùn)行管理的支出,這已經(jīng)被實際工程所驗證。如北京市某雨水利用工程,雨水收集基本建設(shè)投資不到20元/m3,運(yùn)行費(fèi)用不足0.1元/m3,而污水處理工程投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此。南京銀城東苑小區(qū)2005年投用了雨水收集利用系統(tǒng),小區(qū)建成僅4年,累計節(jié)水13.2×104m3,節(jié)約水費(fèi)約30萬元。

2.4 生態(tài)意義

雨水是非傳統(tǒng)水源,利用雨水能夠減少城市對地下水的開采,緩解由于過度開采地下水導(dǎo)致的地下水位下降、地下漏斗、地面沉降、海水入侵等問題,還能夠?qū)⑹占挠晁糜诘叵滤毓?、涵養(yǎng)地下水等。利用雨水資源建設(shè)的綠色建筑水景環(huán)境對于改善環(huán)境、美化城市、休憩娛樂都具有很大作用。

3 綠色建筑雨水資源的利用與管理

“雨水利用”,在國外又稱“雨水管理”,并有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。雨水利用作為一個新興的領(lǐng)域,將水的自然循環(huán)、水在城市中的循環(huán)和水在建筑中的循環(huán)緊密地聯(lián)系在一起,能夠產(chǎn)生節(jié)水、削減洪峰流量、改善生態(tài)環(huán)境、涵養(yǎng)地下水源、維持水量和緩解地面沉降等諸多效益。在水資源嚴(yán)重缺乏的今天,雨水資源的利用勢在必行。

3.1 綠色建筑雨水利用的水量與水質(zhì)控制

雨水直接利用是將雨水收集經(jīng)沉淀、過濾、消毒等處理后,用于生活雜用水如洗車、綠化、水景用水等,或?qū)搅饕胄^(qū)中水處理站作為中水水源之一。雨水間接利用是指將雨水適當(dāng)處理后回灌至地下水層或?qū)搅鹘?jīng)土壤滲透凈化后涵養(yǎng)地下水。徑流進(jìn)入雨水收集管系后既能滲透也能流動,對于小于或等于設(shè)計重現(xiàn)期的降雨,全部徑流均能通過滲透設(shè)施滲入地下;對于大于設(shè)計重現(xiàn)期的降雨,徑流通過滲透設(shè)施僅能滲下一部分徑流,其余部分徑流排出供用戶使用,在降雨量較大時,多余的雨水將排至城市雨水管道系統(tǒng),最終排放至水體[4]。

綠色建筑雨水主要來源于屋面、道路、綠地三種匯流介質(zhì)。其中,道路初期雨水中COD通常高達(dá)3 000 mg/L～4 000 mg/L,水質(zhì)較差;而綠地徑流雨水又基本以滲透為主,可收集雨量有限;比較而言屋面雨水便于收集利用且水質(zhì)較好,利用價值最高[5]。一些研究表明,屋面徑流污染也比較嚴(yán)重,特別是下雨過程的初始階段,雨水污染最為嚴(yán)重[6]。研究表明,雨水水質(zhì)不僅與降雨強(qiáng)度有關(guān),還與屋面材料、空氣質(zhì)量、氣溫、兩次降雨間隔時間等因素有關(guān)。在綠色建筑的設(shè)計和施工中應(yīng)該妥善處理此類問題。

3.2 綠色建筑雨水利用技術(shù)

綠色建筑的雨水利用技術(shù)可分為雨水收集技術(shù)和雨水滲透技術(shù)兩類。雨水收集技術(shù)主要有屋面雨水收集利用系統(tǒng)、屋面花園雨水收集利用系統(tǒng);雨水滲透技術(shù)主要有滲透地面、滲透管溝、滲水池、滲水盆地等。

3.2.1 屋面雨水收集利用系統(tǒng)

屋面雨水收集利用系統(tǒng)有兩種:單體建筑分散式系統(tǒng)和建筑群或小區(qū)集中系統(tǒng)。兩者工藝流程基本相同。其工藝流程見圖2。

圖2 屋面雨水收集利用系統(tǒng)工藝流程

雨水初期棄流裝置能夠降低雨水利用的難度,提高凈化系統(tǒng)效率,降低運(yùn)行成本。一般可將初期棄流量定為2 mm。

國內(nèi)外許多專家都提出了貯水池的體積確定方法,本文介紹晏中華提出的計算方法:

式中:QM為最大降雨月的日集水量(m3/d);k為流出系數(shù),可取0.9;A為實際的屋面集水面積(m2);h為最大降雨月的月降水量(mm/月);V為貯水池體積(m3)。

屋面雨水水質(zhì)除受大氣質(zhì)量、降雨量、降雨間隔等自然因素的影響,也受屋面材料的影響。因此,屋面材料成為綠色建筑設(shè)計中必須考慮的問題,集水最佳屋頂材料是金屬、陶瓦和以混凝土為基面的材料(如瓦片或纖維接合劑),不允許采用含鉛材料(如塑料)作為集水屋頂。

試驗研究表明,屋面雨水水質(zhì)的可生化性差,因此屋面雨水宜使用物化方法處理,即接觸過濾加消毒的方法。初期棄流的屋面雨水,在最佳投藥條件下經(jīng)接觸過濾,COD一般可去除65%左右,SS可去除90%以上,色度可去除55%左右,水質(zhì)可滿足生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.2.2 屋面花園雨水收集利用系統(tǒng)

屋面花園是指在各種建筑物的屋頂上進(jìn)行綠化、種植花草的統(tǒng)稱,可用于平屋頂和坡屋頂。屋面花園各構(gòu)造層次自上而下一般可分為:植被層、基質(zhì)層、隔離過濾層、排(蓄)水層、隔根層、分離滑動層等[8]。

植被層是屋面花園的關(guān)鍵,植物和土壤的選擇是植被層的關(guān)鍵。植被層土壤必須有一定滲透性并能滿足植被生長的需要,植被必須適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,并且與植被層土壤性質(zhì)相匹配。植物品種要合理搭配,盡量采用多種植物。另外,由于屋頂承重所限,要求種植層應(yīng)具有自重輕、不板結(jié)、保水保肥、適宜植物培育生長、施工方便和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等性能。

屋面花園有很多優(yōu)點:夏天防曬,改善屋頂隔熱性能;冬天保溫;種植層的覆蓋可延長防水層壽命;降低屋面雨水徑流系數(shù);可增加對雨水的利用量;可以作為休閑放松之地。

3.2.3 滲透地面

滲透地面分為天然滲透地面和人工滲透地面兩種。天然滲透地面以綠地為主,人工滲透地面是人為鋪裝透水性地面,如多孔嵌草磚、碎石地面、多孔混凝土或多孔瀝青路面等。其目的是使水滲透接近水源來保持和恢復(fù)自然循環(huán)。

綠地是天然滲水地面,優(yōu)點是:透水性能好;在小區(qū)或建筑物周圍分布,便于雨水的引入和利用;減少綠化用水實現(xiàn)節(jié)水;對雨水中的一些污染物具有較強(qiáng)的截流和凈化作用。缺點是:滲透量受土壤性質(zhì)的限制;雨水中如果含有較多的雜質(zhì)和懸浮物,影響綠地質(zhì)量和滲透性能。為了增加滲透量,在綠地中做淺溝可以達(dá)到降雨時臨時貯水的目的,但要避免溢流,避免綠地過度積水而破壞植被。

低于周圍地面適當(dāng)深度,能夠接受周邊地面雨水徑流的綠地稱為下凹綠地。下凹式綠地是一種生態(tài)型的雨水滲透設(shè)施,具有投資少、滲蓄效果明顯、截留凈化徑流雨水、不易堵塞等優(yōu)點[9]。研究表明,綠地低于周圍路面0.1 m～0.2 m,其入滲量是綠地高于或平于路面時的3～4倍。

人工滲透地面的優(yōu)點是:利用表層土壤對雨水的凈化能力,對雨水的預(yù)處理要求相對較低;技術(shù)簡單,便于管理;建筑物周圍或小區(qū)內(nèi)的道路、停車場、人行道等都可以充分利用。缺點是:滲透能力受土質(zhì)限制,需要較大的透水面積;對雨水徑流量調(diào)蓄能力差[10]。

3.2.4 滲透管溝

滲透管、溝是傳統(tǒng)雨水管的良好替代裝置,它是由無砂混凝土或穿孔管等透水材料制成,設(shè)于地下,周圍填充礫石。滲透管溝占地面積小,投資少,調(diào)蓄能力強(qiáng),但是一旦發(fā)生堵塞或滲透能力下降時,難以清洗恢復(fù),對水質(zhì)有要求,不能含有過多的固體懸浮物,需要進(jìn)行預(yù)處理[11]。因此,其適用于一些地下水位不高、雨水水質(zhì)較好的地區(qū)。

3.2.5 滲水池

滲水池是將集中徑流轉(zhuǎn)移到有植被的池子中,而不構(gòu)筑排水溝或管道。滲水池的滲透面積大,具有較大的滲水和儲水容量;凈化能力強(qiáng),對水質(zhì)預(yù)處理要求低;管理方便,具有滲透、調(diào)節(jié)、凈化、改善景觀等多重功能。這種滲透技術(shù)代表了與自然的相互作用,基本不需要維護(hù)。但其通常需占用大面積土地,設(shè)計管理不當(dāng)會造成水質(zhì)惡化,滲透能力下降等負(fù)面影響。滲水池在綠色住宅小區(qū)中改善生態(tài)環(huán)境、提供水景、節(jié)水、水資源高效利用的效果十分顯著。

3.2.6 滲水盆地

滲水盆地與滲水池的功能基本相同,水唯一的出路是滲入土壤。滲透可以使雨水通過土壤濾掉污染物,因此是對徑流最理想的管理和保護(hù)。修建滲水盆地時,應(yīng)注意以下問題[12]:

(1)按照敞開系統(tǒng)或封閉系統(tǒng)設(shè)計滲水盆地。有些滲水盆地敞開且長有植被,起到了維護(hù)多孔土壤結(jié)構(gòu)的作用。另外一些建在地面以下,其表面被改造為停車場或其它用途。建設(shè)地下水盆地材料費(fèi)用高昂,因此只有在土地非常緊張,迫切需要將該地表建成雙重用途時,才傾向于采用地下盆地;

(2)靠近徑流源設(shè)置滲水盆地最為經(jīng)濟(jì)有效;

(3)應(yīng)避免使盆地靠近建筑的基礎(chǔ),也應(yīng)避免建在陡峭不穩(wěn)的坡地。

4 綠色建筑雨水利用的評價指標(biāo)

根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》,采用了雨水利用技術(shù)或設(shè)備的綠色建筑,其雨水利用的評價指標(biāo)主要有兩個:雨水資源利用率和節(jié)水率。通過這兩項指標(biāo),能夠客觀地衡量綠色建筑的節(jié)水效率。

4.1 雨水資源利用率

《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中對綠色建筑滿足一般項和優(yōu)選項的非傳統(tǒng)水源利用率要求分別是 10%、30%。目前,與水資源作為非傳統(tǒng)水源的最主要來源,提高雨水資源利用率成為了提高非傳統(tǒng)水源利用率的重要手段,其計算公式為:

式中:R為與水資源利用率;Uy為實際雨水利用量;W為實際用水總量。

4.2 節(jié)水率

節(jié)水率反映的是總用水量定額中未使用實際市政供水用水總量的部分占總用水量定額的百分比,其公式為:

式中:C為節(jié)水率;Wd為總用水量定額值;Us為實際市政供水用水總量。

5 總 結(jié)

水資源短缺與水質(zhì)污染是城市建設(shè)所面臨的嚴(yán)重危機(jī),它制約著人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,影響了人類的生存環(huán)境。綠色建筑所提出的“四節(jié)一環(huán)?！钡哪康闹?就是要解決水資源短缺帶來的諸多問題,綠色建筑要求人們理解環(huán)境,理解自然,所以其在設(shè)計上比傳統(tǒng)建筑更貼近自然,能更好地適應(yīng)環(huán)境,并且對環(huán)境的影響大大減小。

綠色建筑雨水資源的利用是綠色建筑非傳統(tǒng)水源利用的重要部分,是實現(xiàn)建筑節(jié)水的重要途徑和有力保證,也是城市水資源可持續(xù)利用的必然。綠色建筑雨水資源的利用作為一個新興的領(lǐng)域,既有傳統(tǒng)的雨水利用技術(shù),又有新興的雨水利用技術(shù)。相關(guān)技術(shù)的選用需要根據(jù)有關(guān)規(guī)范,并結(jié)合不同的條件如氣候及降雨、水文、地質(zhì)、建筑、風(fēng)俗等,因地制宜綜合考慮使用的雨水收集或滲透技術(shù)的優(yōu)缺點、適用條件和使用目的,從水量平衡、經(jīng)濟(jì)實用、技術(shù)可行等方面確定最佳技術(shù)方案,同時兼顧經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益,達(dá)到綠色建筑節(jié)水的要求。

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