吳藝婷,雷振東(通訊作者),田虎,馬琰/WU Yiting,LEI Zhendong (Corresponding Author),TIAN Hu,MA Yan
我國人均水資源占用量僅為世界人均占有量的1/4,且地域分布不均。西北地區(qū)面積占全國的43%,而水資源量僅有全國總量的10%,水資源嚴重短缺[1]。依據(jù)陜西省水利廳關(guān)于水資源公報年度數(shù)據(jù)顯示,近10 年關(guān)中地區(qū)水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、平均年降水量總體呈下降趨勢。十九大報告指出“推進資源全面節(jié)約和循環(huán)利用,實施國家節(jié)水行動”,而關(guān)中民居轉(zhuǎn)型過程中忽視當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛱卣?,摒棄傳統(tǒng)民居雨水生態(tài)利用智慧,盲目追求新材料、新技術(shù)和新建筑形式,普遍出現(xiàn)雨水利用不合理、水文循環(huán)破壞和缺乏成體系的涉水基礎(chǔ)設(shè)施等問題,使得快速發(fā)展與環(huán)境惡化矛盾增強,不符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。隨著人們經(jīng)濟水平逐步提升、供水設(shè)施日益健全、用水功能逐漸完善,不斷增長的用水需求和用水量使得水資源供需矛盾進一步加劇,建筑節(jié)水成為亟待解決的問題。
雨水作為天然水資源,其有效利用應(yīng)該得到重視。關(guān)中地區(qū)年降雨量 550mm~650mm,夏季降雨量可達全年的60%~80%,降雨時空、地域分配不均,階段性變化十分明顯,總體水資源匱乏(圖1)。三季干旱、夏季暴雨的自然氣候特征使得旱澇災(zāi)害并存,因此雨水利用的研究和轉(zhuǎn)化是解決或緩解地區(qū)旱情最重要的途徑之一。國內(nèi)外對于雨水利用以單項技術(shù)研究為主且多應(yīng)用于城市,如李俊奇、車武的《德國城市雨水利用技術(shù)考察分析》,車武等的《北京城區(qū)屋面雨水污染及利用研究》,羅紅梅等的《雨水花園在雨洪控制與利用中的應(yīng)用》。針對關(guān)中農(nóng)村地區(qū)的雨水利用研究以規(guī)劃、景觀兩個層次為主,如徐嵐、雷振東的《關(guān)中傳統(tǒng)村鎮(zhèn)旱澇平衡經(jīng)驗及其當(dāng)代規(guī)劃啟示》,蘆旭、雷振東的《黃土溝壑區(qū)新型農(nóng)村社區(qū)雨水利用式景觀設(shè)計方法》等,以地域性建筑為載體,對于雨水利用技術(shù)的集成應(yīng)用研究仍處于探索階段,因此本文從建筑學(xué)角度進行關(guān)中民居雨水利用優(yōu)化策略研究。
1 關(guān)中地區(qū)2018年降雨量統(tǒng)計(圖片來源:吳藝婷基于陜西統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)2018改繪)
本文基于生態(tài)可持續(xù)的發(fā)展理念,以關(guān)中民居為研究對象,選取了13 個村落和4 個典型關(guān)中傳統(tǒng)民居進行調(diào)研(圖2),采用建筑測繪、入戶訪談和文獻整理等方法,從排水、儲水、生態(tài)涉水3 個方面分析雨水生態(tài)利用智慧,并總結(jié)既有民居雨水利用現(xiàn)狀問題。
2 關(guān)中地區(qū)村落調(diào)研點
民居在快速發(fā)展中大量使用現(xiàn)代涉水構(gòu)造材料,一度模仿城市排水系統(tǒng),使鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境遭受了巨大壓力,人們的居住舒適度降低,同時帶來資源消耗、環(huán)境污染、人與自然分離的問題。
既有民居用水循環(huán)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)籌安排,普遍存在高質(zhì)低用。雨水等非傳統(tǒng)水源未得到充分有效集用,過度追求純凈水的使用只會加重環(huán)境負擔(dān)。傳統(tǒng)儲水設(shè)施逐漸廢棄,少量渭北民居仍在使用水泥窖,但大氣污染導(dǎo)致酸雨居多,水窖普遍缺乏過濾凈化設(shè)施,水質(zhì)存在安全性問題。
既有民居缺乏逐級排水理念,建筑涉水基礎(chǔ)設(shè)施缺乏體系且構(gòu)造不貫通,使用中出現(xiàn)諸多問題。建筑連接部位無完整而連續(xù)的屋面覆蓋,出現(xiàn)雨水長期侵蝕建筑臺基、地面濕滑不便行走、雨水滴至樓梯扶手并回濺窗內(nèi)等問題。坡屋面檐口排水構(gòu)件簡化,層次性減弱,失去關(guān)中民居地域特色。新加建的集水槽存在漏水、穩(wěn)固性差、美觀性欠佳等問題。屋面瓦鋪設(shè)工藝的衰退導(dǎo)致瓦片出現(xiàn)連接松動,穩(wěn)定性弱等問題。院落常采用以管道為主的雨水快排方式,排水方式單一,且造成雨水資源浪費。部分民居宅院地坪低于街巷地坪,雨水倒灌,排水困難。
雨水侵蝕導(dǎo)致民居耐久性成為較為突出的安全隱患。平屋面坡度過小導(dǎo)致排水不暢,年久失修頻繁出現(xiàn)漏水問題。生土墻面的頂部、底部缺乏有效防水措施時,墻面易受雨水沖刷和侵蝕。建筑臺基及散水長期涉水,存在安全性受損問題。
既有民居水文循環(huán)破壞,生態(tài)涉水性降低。地面采用硬化鋪裝改變了傳統(tǒng)鄉(xiāng)村民居的下墊面狀態(tài),伴隨而來的是綠化植被減少,雨水下滲減少,地表徑流增加,積水問題時常出現(xiàn)。墻面采用現(xiàn)代材料,墻體的隔濕防潮性增強,透氣性、生態(tài)性、空氣濕度調(diào)節(jié)能力減弱,院內(nèi)非常干燥。
從關(guān)中傳統(tǒng)民居步入現(xiàn)代民居轉(zhuǎn)型期,排水、儲水、生態(tài)涉水方式逐漸改變,衍生出3 種雨水利用模式(圖3)。
3 3種雨水利用模式系統(tǒng)圖
關(guān)中傳統(tǒng)民居是典型的雨水自平衡模式,將排水、儲水、生態(tài)涉水等環(huán)節(jié)巧妙融入居住空間中,分時錯季利用雨水,形成一套有機的雨水循環(huán)體系,是人們在應(yīng)對惡劣氣候條件和有限資源環(huán)境下的生存手段(圖4)。
4 雨水自平衡模式圖
(1)多層級消解模式下的排水系統(tǒng)
傳統(tǒng)民居院落軸線上的建筑為仰瓦鋪設(shè)的雙坡硬山頂,將雨水分別匯聚至院內(nèi)和街巷。東西廈房采用向內(nèi)傾斜的單坡硬山頂,相鄰戶并山連脊,將雨水全部匯聚至院內(nèi),講究肥水不流外人田之意。檐墻頂部設(shè)屋檐或挑出疊砌的青磚,避免雨水沖刷。房屋連接部位架設(shè)有小房檐排水起到緩沖作用,避免雨水侵蝕建筑臺基。雨水由滴水或瓦當(dāng)?shù)葮?gòu)件滴落至與屋檐檐口相對應(yīng)的院落排水溝內(nèi),防止雨水外濺,磚石砌筑的溝渠將雨水輸送至水窖,并溢流至院外的澇池、農(nóng)田或河流中。
黨家村某宅在正房前側(cè)設(shè)置明溝,雨水匯聚至大門旁的伏眼處排走,講究門前流水、人丁興旺之意。北院門高家大院于每跨院的中軸線上布置多個排水井口,雨水經(jīng)縱橫相連的暗溝匯聚排走。逐級匯水理念使整個排水系統(tǒng)層層遞進,有條不紊,既能利用水資源,又避免產(chǎn)生水患(圖5)。
5 雨水自平衡模式民居排水系統(tǒng)圖
(2)干旱條件主導(dǎo)下的儲水系統(tǒng)
集儲水對于水資源匱乏的關(guān)中地區(qū)來說是永恒的主題。關(guān)中平原傳統(tǒng)村落中60%~65%的降雨都以多種形式存蓄,其中院落中的水窖和公共空間內(nèi)的澇池為存儲雨水的主要設(shè)施[2]。
水窖有圓柱形、梭形等多種形態(tài)。上部是3m~4m 的直筒,其深度越大,水窖的整體穩(wěn)定性越好;下部是橢球體,直徑越大,儲水越多,深度各家不一樣。按材質(zhì)分為石窖和土窖兩種,土窖使用黏性較大的黃土材料,窖壁用紅壚土和泥做防滲處理,叫釘窖;石窖窖壁和窖底用石頭砌筑。窖口不遠處是入水口和沉砂池,進行雨水沉淀和過濾。水甕采用黃土燒制而成,底部和頂部無釉,結(jié)實耐用。橫截面呈圓形,上大下小,方便放倒?jié)L動。圓形木蓋覆蓋,用水瓢取用水。水甕放置于院中央、屋檐下或廚房內(nèi)。澇池面積大約在0.03hm2~0.06hm2之間,小的有幾分地大小,形狀一般呈現(xiàn)圓形或橢圓形,中心處最深[3],提供生活非飲用用水和消防用水,發(fā)揮蓄水、泄洪、灌溉和改善生態(tài)環(huán)境的作用。作為珍貴的旱地水體景觀,人們在這里納涼、閑聊,婦女們在澇池邊上洗衣服。
傳統(tǒng)儲水設(shè)施透氣性好,儲水水質(zhì)較好,具有調(diào)節(jié)水量的作用,不僅提供旱季生活用水,也可避免雨季發(fā)生洪澇災(zāi)害。
(3)綠色理念作用下的生態(tài)涉水系統(tǒng)
太平缸儲存雨水蓄養(yǎng)景觀植被,常位于院落中央、影壁下方,兼具調(diào)節(jié)空氣濕度、美化環(huán)境、涵蓄雨水、提供臨時消防用水的作用。如北院門高家大院、高培支故居院內(nèi)都有團簇景觀營造生態(tài)小氣候環(huán)境。
墻面生態(tài)涉水體現(xiàn)在防潮性和透氣性上。土坯墻外草泥抹灰、土坯襯里青磚貼面做法均可防潮隔濕。墻面上部出挑小青瓦形成的腰檐,下部設(shè)有磚砌勒腳或卵石墻基,木柱底部設(shè)置柱礎(chǔ)石,臺基采用磚石砌筑,均可免受雨雪天氣、室外地表水及地下潮氣的侵蝕。生土墻面還可調(diào)節(jié)空氣濕度,當(dāng)院落潮濕時,墻體吸收部分潮氣;當(dāng)院落干燥時,墻體散發(fā)內(nèi)部蓄存的水分,使得民居保持一個恒定的濕度范圍。
底界面處理手法是采用墁磚大院,常用材料有青磚、青石板、卵石、瓦礫等,透水鋪裝成為雨水的蓄滲緩存面,有效補充地下水和地表水,對于水的生態(tài)循環(huán)非常重要。
既有民居步入磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)并存時期,處于雨水自平衡消解模式階段,雨水循環(huán)系統(tǒng)開始瓦解(圖6)。
6 雨水自平衡消解模式圖
(1)現(xiàn)代構(gòu)造介入的排水系統(tǒng)
民居開始采用鋼筋混凝土樓板建造的平屋頂及女兒墻檐溝外排水方式,即在檐溝處出挑PVC 材料的橫管排放屋面雨水,落至地面容易滴濺并侵蝕墻面底部及散水。隨著各種新型坡屋面瓦件及鋪設(shè)方式的出現(xiàn),水泥瓦、機制瓦、彩鋼瓦逐漸取代小青瓦,屋面材料的吸水性、透氣性減弱,瓦件尺寸增加。部分民居對連接部位的排水方式考慮欠佳,雨天從前院走到后院廁所處,無連續(xù)頂面覆蓋。
院落地面自然排水坡度不明顯,總體呈現(xiàn)出前低后高趨勢,雨水朝門房處的排水口匯集,排水管采用pvc 材料將雨水快速排出院外(圖7)。
7 雨水自平衡消解模式民居排水系統(tǒng)圖
(2)現(xiàn)代材料介入的儲水系統(tǒng)
混凝土、金屬、塑料等現(xiàn)代材料制成的儲水罐、儲水箱取代黃土等傳統(tǒng)材料制成的水甕。土窖轉(zhuǎn)變?yōu)樗嘟?,砂漿抹面,儲存較久的雨水易變質(zhì)。目前農(nóng)村地區(qū)限于諸多因素,儲水設(shè)施采用過濾處理的還為數(shù)不多。取用設(shè)施主要是吊桶、水管、手壓泵、電動潛水泵等。
(3)綠色理念脫離的生態(tài)涉水系統(tǒng)
墻面普遍使用承重的實心黏土磚砌筑墻體,勒腳水泥抹灰,增強防潮性。地面采用素土夯實,局部人行處鋪磚;或全部采用磚鋪地面,由于鋪砌時未設(shè)置明顯排水坡度,磚鋪地長期受雨水浸泡,易長青苔,路面較為濕滑。團簇灌木景觀明顯減少,生態(tài)性減弱。
此階段民居經(jīng)歷重建及加建,以磚混結(jié)構(gòu)形式為主,徹底打破雨水自平衡模式,形成以管道優(yōu)先的雨水排放模式(圖8)。
8 雨水管道排放模式圖
(1)管道優(yōu)先的排水系統(tǒng)
民居多數(shù)采用平屋頂形式及女兒墻外排水或內(nèi)排水方式,進行有組織排水。院內(nèi)加建彩鋼瓦或玻璃防雨頂棚,坡屋面檐口下方搭接彩鋼板制成的U形集水槽、雨水斗和雨落管,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)無組織排水方式,薄板易卷曲,承重構(gòu)件易銹蝕,管槽之間連接簡易,不同坡屋檐下的集水槽錯置搭接,存在穩(wěn)定性問題。雨水由屋面經(jīng)排水口、集水槽、立管至地下預(yù)埋的橫管中,再排至院外排水溝(圖9)。
9 雨水管道排放模式排水系統(tǒng)圖
(2)瀕臨消失的儲水系統(tǒng)
隨著自來水進村入戶,儲水設(shè)施幾乎消失,少量零星的放置在院內(nèi),堆放雜物。水窖多數(shù)進行填埋,廢棄不用。因村中鋪設(shè)雨水管道,澇池年久失修,逐漸失去作用,已經(jīng)荒廢。
(3)質(zhì)量缺失的生態(tài)涉水系統(tǒng)
少量民居院門前及院內(nèi)植被以單顆喬木為主,多為果樹,體現(xiàn)實用性。民居墻體使用混凝土多孔磚、灰砂磚、燒結(jié)磚等,防水性進一步增強,透氣性降低。水泥路、柏油路、庭院中的水泥地面取代了以往土壤路面及地面,不透水地面的增加,加大了雨水流失和地面水系的面源污染[4]。
民居空間布局由傳統(tǒng)分散式向現(xiàn)代集中式轉(zhuǎn)變、用水模式由簡單向復(fù)雜化轉(zhuǎn)變,室內(nèi)外空間分離明顯,整體雨水排放趨于隱形化、一體化和簡潔化,排水立管增多且管線增長,管道位置更加隱蔽,排水明溝減少、暗溝增多,排水組織方式由無組織趨于有組織,幾乎不見明水外流。
隨著自來水的普及和生活供水設(shè)施的完善,民居的儲水功能逐漸減弱。儲水設(shè)施數(shù)量日益減少,由透氣性好的傳統(tǒng)黃土材料轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?、塑料、混凝土等新材料,材質(zhì)的透氣性降低,生態(tài)性減弱,雨水儲存較久易變質(zhì)。形式趨于輕便化、小型化、易移動。
傳統(tǒng)的土、木、磚、石等墻體材料被混凝土、金屬、玻璃、砌塊、復(fù)合材料等現(xiàn)代材料所替代,墻面隔濕防潮性增強,透氣性降低,空氣濕度調(diào)節(jié)能力降低。土壤,磚鋪地面逐漸被水泥硬化鋪裝所覆蓋,滲水性降低、蒸發(fā)量增大、地表徑流量增大。院前及院內(nèi)的景觀植被種類及數(shù)量顯著減少,院落小氣候由濕潤變得干燥,生態(tài)性降低。
依據(jù)關(guān)中降雨量特征及農(nóng)戶經(jīng)濟承受能力,有選擇地應(yīng)用生態(tài)、適宜、低成本的雨水利用技術(shù),從地方性建筑材料與營建技術(shù)等方面不斷創(chuàng)造,提出以排水、儲水、生態(tài)涉水、雨水回用4 種功能復(fù)合的雨水利用循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分季節(jié)的運行模式,錯峰利用雨水并帶有存貯功能,春、秋、冬三季為旱季,系統(tǒng)主要以供水為主;夏季為雨季,系統(tǒng)主要以儲水為主(圖10)。
10 關(guān)中民居雨水生態(tài)利用系統(tǒng)圖
依據(jù)關(guān)中民居風(fēng)貌特征進行坡屋面與檐溝的一體化設(shè)計,轉(zhuǎn)變原有排水組織方式,繼承傳統(tǒng)民居有層次的排水理念。檐溝與排水立管連接成貫通的整體,立管采用陶土或石材砌成U 形嵌于墻內(nèi),可以看到水在其中流淌,雨水蒸發(fā)帶走熱量,同時提高民居內(nèi)空氣濕度。雨落管采用雨水?dāng)嘟臃绞竭B接下凹式綠地,雨水由卵石過濾后滲透含蓄在綠地內(nèi),再由礫石層的排水管道收集并儲存在地下儲水箱中,多余雨水溢流至街巷排水明溝中,構(gòu)成局部排水生態(tài)循環(huán)。
利用圈梁、窗臺及水平或垂直遮陽板出挑種植槽,用輕質(zhì)種植層種植爬藤植物綠化墻面,直接利用雨水澆灌[5]。關(guān)中地區(qū)一般為平開窗或推拉窗形式,要注意種植池與窗戶開啟方向之間的關(guān)系,種植槽可與窗臺進行一體化設(shè)計也可用金屬托座固定,材料有防腐木、輕瓷、金屬和塑料等。槽中部放置土壤基質(zhì)和植被,培養(yǎng)土用有機物、泥炭、陶粒、鋸木、礫石等,槽底設(shè)置50mm 厚的裝有碎石碎瓦的排水層,兩側(cè)設(shè)儲水段及溢流口(圖11)。
11 多層次綠色消解的排水系統(tǒng)圖
為緩解關(guān)中地區(qū)缺水壓力,將儲水設(shè)施與關(guān)中民居建筑進行一體化設(shè)計并完善過濾功能,改善民居的儲水現(xiàn)狀。平屋面采用屋頂綠化設(shè)計起到過濾、蓄水、排水、蒸發(fā)和滲透的作用。綠化屋頂產(chǎn)生的徑流具有比普通屋頂更好的水質(zhì),有利于后續(xù)的收集利用,因此屋頂綠化算是一種特殊的雨水收集凈化設(shè)施[6]。屋頂綠化的培養(yǎng)基用多孔的礦渣和土壤按比例混合,能夠很好地涵養(yǎng)落在屋面上的雨水并供給給植物[7]。同時注重平屋面的防水處理,屋面覆土厚度因承重極限而有一定限制,若超過厚度限制,應(yīng)采用其他防水材料。
屋面女兒墻采用關(guān)中傳統(tǒng)民居的花墻形式,自然形成的鏤空格結(jié)合模塊式綠化設(shè)計,頂部設(shè)置淺水槽及排水孔,蓄積的雨水經(jīng)水孔向下澆灌鏤空格內(nèi)的綠化,多余雨水經(jīng)屋頂綠化過濾后,由構(gòu)造層中的蓄排水板溢流至檐溝處,再由排水立管流向院內(nèi)排水明溝,進入沉砂池過濾,而后儲存于透氣性好的新型水窖內(nèi)。也可將水匯聚至房間地下儲水箱內(nèi),并留有蓋板,夏季打開蓋板,就可實現(xiàn)室內(nèi)熱空氣與地下冷卻水氣交換,構(gòu)成局部儲水生態(tài)循環(huán)(圖12)。
12 多層級雨水調(diào)蓄的儲水系統(tǒng)圖
為改善民居的生態(tài)性缺失問題,增強其宜居性,院落地面、停車場均采用卵石、透水磚、瓦片等透水鋪裝材料增加雨水下滲,減少地面徑流,緩解庭院內(nèi)部干燥的居住環(huán)境。庭院四周環(huán)繞排水明溝,溝內(nèi)種植景觀植被涵養(yǎng)水源。院內(nèi)植被區(qū)邊緣采用磚斜砌方式,有利于雨水漫流,增設(shè)綠化噴灌系統(tǒng)定期補充雨水,營造生態(tài)小氣候環(huán)境。院墻采用攀爬或垂吊式的綠化方式,緩解暴雨對墻面的沖刷。院墻設(shè)計同屋面女兒墻,結(jié)合模塊式綠化設(shè)計,過濾雨水并最終收集至水窖內(nèi),整體構(gòu)造簡便、施工方便、生態(tài)效益好(圖13)。
13 水分微循環(huán)的生態(tài)涉水系統(tǒng)圖
依據(jù)高質(zhì)高用、低質(zhì)低用的用水原則,進行雨水回用循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計。將雜質(zhì)過濾后的清潔雨水回用于洗車系統(tǒng)和屋面噴灑降溫系統(tǒng),春、秋、冬三季低溫時,關(guān)閉屋面降溫系統(tǒng);夏季高溫時,啟用該系統(tǒng)。對于新農(nóng)村住宅尤其是缺水地區(qū)的新農(nóng)村建設(shè)來說,利用雨水資源達到節(jié)能的目的具有現(xiàn)實可行性[8]。
重置原有衛(wèi)生間功能,融入如廁功能,將傳統(tǒng)旱廁改造為使用極少量水沖洗的雙甕式生態(tài)衛(wèi)生廁所,將廚余廢水和衛(wèi)生間廢水排放至庭院污水處理設(shè)施中,產(chǎn)生潔凈的再生水與雨水混合共同回用于衛(wèi)生間沖廁。廁所地面以下挖坑池,用三基土夯實,再埋入甕體,側(cè)墻外立通風(fēng)管道,化糞池將黑水分解處理成肥料循環(huán)再利用。馬桶采用帶洗手龍頭的水箱,洗手廢水全部流入水箱(圖14)。
14 多元循環(huán)利用的雨水回用系統(tǒng)圖(2-14繪制:吳藝婷)
本文基于微循環(huán)理念,探究從關(guān)中傳統(tǒng)民居到現(xiàn)代民居雨水利用的演變歷程,探尋其演變規(guī)律及形成這一系列變化的原因;反思既有民居的雨水利用現(xiàn)狀問題,從傳統(tǒng)生態(tài)雨水利用智慧的繼承應(yīng)用和現(xiàn)代通用技術(shù)的本土適應(yīng)研究兩個方面提出關(guān)中民居雨水利用的優(yōu)化策略與營建技術(shù),實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性和生態(tài)可持續(xù)性,有利于緩解水資源短缺現(xiàn)狀、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、提升農(nóng)村人口的生活質(zhì)量、實現(xiàn)關(guān)中民居的節(jié)水性能優(yōu)化、促進村鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展。□