住区雨水利用与景观水体水质保障工程设计实例

住区雨水利用与景观水体水质保障工程设计实例*

李俊奇¹，张洁¹，车 武¹，李宝宏²

（1.北京建筑工程学院， 北京 100044； 2平顶山工学院 河南 467001）

　　摘 要： 介绍了北京地区某住宅小区雨水利用工程和景观水体设计的总体思路和主要技术环节，对以景观水体为核心的水量平衡、雨水收集、生态堤岸、安全调蓄、循环利用等问题进行了分析，提出了解决措施和对策，为住区雨水利用设计提供借鉴。
　　关键词：雨水设计; 景观水体; 水质保障

Case Study on Rainwater Utilization

and Water Quality Control Design for Landscape Water Body

in Residential Area

LI Jun-qi¹, LI Bao-hong², ZHANG Jie¹, CHE Wu¹

(1. Beijing Institute of Civil Engineering & Architecture, Beijing 100044, China ;

2. Pingdingshan Institute of Technology, Henan 467001, China)

Abstract: The overall thinking and chief segments for rainwater utilization and landscape water body design of a residential area in Beijing are introduced. Especially according to demand of the landscape water body, water balance, rainwater catchment, ecological embankment, safe detention, cycle reusing are mainly analyzed. The solution measures and methods are put forward, which provided valuable reference for rainwater utilization engineering design of the residential area.

Key words: rainwater design; landscape water body; water quality control

1 工程概况

　　北京近郊某住宅小区，一期总占地面积11.4ha，按径流系数不同划分，各部分组成与比例见表1。经计算，包括人工水体在内的综合径流系数为0.695，不包括人工水体时的综合径流系数为0.65。该小区一期住宅包括48栋3－6层高级别墅和公寓，还有会所、幼儿园等公建。大部分别墅和公园后院均为下沉式庭院，周边无市政雨污水管线，生活水源为自备地下水源井，生活污水经中水站处理后用于绿地浇灌等杂用水。在园区北侧和西侧各有一条排洪渠。地面平均设计高程为32.5~33.5m。

表1 某住区一期工程用地一览

Tab.1 Land distribution of the 1st phase of a residential area

用地类型

面积（ha）

径流系数

居住区用地

建筑用地面积(含公建0.3ha)

5.1

0.9

道路用地面积

1.6

0.9

绿地（含公共绿地1.2ha）面积

3.3

0.15

水体面积(含人工水道0.2ha)

1.4

1.0

总计

11.4

0.695

　　工程目标：在保障景观水体水质的前提下最大限度地节约用水，合理利用水资源，减少运行成本，实现雨/污水资源化，同时兼顾景观、防洪与生态，满足绿色住宅小区对水资源、水景观和水环境的整体要求^[1][2]。

2 水量平衡

2.1水量平衡计算依据
　　1）1995－1999北京某区月均降雨量、月均蒸发量；
　　2）北京园林部门统计月均绿化用水量或绿化用水量预测；降雨量、蒸发量和绿化用水量的对比见图1。由于该小区采用了较多的高尔夫球场绿化用草，耗水量较大，绿化用水量均按120mm/月计算。

图1 降雨量、蒸发量和绿化用水量对比图

Fig.1 Comparison among rainfall, evaporation and green belt sprinking

　　3）径流雨水量按下式计算：

　　Ｖ₁＝ψ×H×A×α×β

　　其中：ψ- 径流系数；H - 降雨量；A–径流面积（m²）；α-季节折减系数，取0.85；β-初期雨水弃流系数，取0.87^[3]。

　　4）根据北京地区的降雨和该住区绿化等特点，水量平衡计算仅计算3－10月份，共计8个月；
　　5)其它损失量按用水量的10％计。
　　平衡计算结果见表2。
2.2 结果分析
　　当人工水体采用不同水源时将出现不同的补水方案。本文分析以下两种情况：
　　（1） 湖水优先采用雨水，不足时用中水或地下水补充。
　　该住区人工湖蒸发、绿化、喷洒道路和损耗用水量共计59735 m³，而年均雨水径流量为40655 m³，即若径流雨水全部被收集利用的话，径流雨水可以解决以上几项用途68.1％的水源。
　　当仅用雨水作为人工湖水源时，保持人工湖常水位，所计算8个月中，7、8两月需向外排水，排水量分别是7826 m³和2152m³，其余月份均需向湖中补水，每月需补水量见表2，年共需补水量为29059 m³，当7、8月份水不外排时年共需补水量为19081 m³。
　　人工湖水源不足时用中水补充。特殊情况下才使用地下水补水。中水作为补充水源时，为保障湖水水质，中水应进行深度处理，达到景观用水的要求。
　　中水可供回用的水量为117.2 m³/d，3－10月份共计可供水量32816 m³，可以满足人工湖补水要求。11－1月份共计水量14064 m³需另行考虑出路。
　　（2）湖水补水首先考虑中水，不足时用雨水补充。
　　若中水出水全部入湖，全年中水水量为42192 m³，可以满足以上几项需水量70.6%的水源。为了有利于湖水水质保障，缩短湖水的循环周期，以上几项用水均以湖中取水。此时，雨水可以作为补充水源，收集水量为17543 m³，即可仅收集该住区43%径流表面的雨水。其余57％径流表面的雨水外排。
　　 结合现场地实际情况分析，为了最大限度地利用雨水资源，首先考虑使用雨水作为湖水地补充水源，第二水源为中水。即径流雨水尽量收集，为保证湖水水质，收集时尽量采用净化和弃流设施（采用弃流和低势绿地后径流雨水量会相应减少）；鉴于雨水的随机性，为了维持景观要求，中水需经深度处理达到景观用水要求方可入湖。冬季中水建议通过人工湖调蓄，超过调蓄量时排放。

3 人工水体调蓄能力分析

　　首先对原设计人工湖的调蓄功能进行分析。
　　人工湖面积为12000m²，水深0.6－3.0m，可调蓄0.4m，调蓄容量为4800m³。另外，该住区还有面积为2000m²的人工水道，平均水深0.45m，可调蓄0.3m，调

表2 住区水量平衡表
Tab.2Water quantity balance of residential area

月份

降雨量与径流量

蒸发量

绿化用水量

喷洒道路用水量

用水量小计

其他损失量（按用水量的10％计）

总用水量

入湖雨水量－总用水量

保持常水位时需补水量获外排水量

月均

入湖径流雨水量

月均

湖体蒸发量

月均

绿化用水量

月均

喷洒道路用水量

mm

m³

mm

m³

mm

m³

mm

m³

m³

m³

m³

m³

m³

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)＝(4)+(6)+(8)

(10)＝(9)×10%

(11)=(9)+(10)

(12)=(2)-(11)

(13)

3

5.9

407

139.8

1957

120

3960

15

240

6157

616

6773

-6366

需补水6366m³

4

18.5

1274

206.2

2887

120

3960

15

240

7087

709

7796

-6522

需补水6522m³

5

47.1

3247

256

3584

150

3960

15

240

7784

778

8562

-5315

需补水5315m³

6

68.2

4701

235.7

3300

120

3960

15

240

7500

750

8250

-3549

需补水3549m³

7

226.4

15606

205.2

2873

120

3960

15

240

7073

707

7780

7826

需外排7826m³

8

134.9

9299

164.1

2297

120

3960

15

240

6497

650

7147

2152

需外排2152m³

9

56.3

3881

140.5

1967

120

3960

15

240

6167

617

6784

-2903

需补水2903m³

10

32.5

2240

131.4

1840

120

3960

15

240

6040

604

6644

-4404

需补水4404m³

合计

589.80

40655

1479

20705

960

31680

120

1920

54305

5431

59736

-19081

共需补水29059 m³；7、8月份水不外排时需补水19081m³

　　蓄容量为600m³。则水体调蓄总容积为5400m³,即相当于一次调蓄能力为日降雨量78mm（约相当于北京地区1.5年重现期）。
　　不同重现期湖水水位分析与安全性评价见表3。
　　根据以上分析，原设计人工湖可以满足重新期为1.5年的暴雨的调蓄能力。但考虑到该区域外围目前市政管线尚不完善，可以适当增大湖的调蓄能力。途径包括：适当降低湖的常水位深度，将湖的常水位按30.00进行设计。为了不破坏湖与周边建筑物的景观效果，沿建筑物附近设立了31.60m的高水位区。同时，在近湖周边建立多功能缓冲区；超过设计能力时通过溢流管外排。

4、景观水体水质保障

4.1总体方案
　　指导思想：在进行水量平衡分析的基础上，以人工湖为核心，以自然净化、生态修复、截污截流、循环利用为关键技术，以水质保障与生态景观、雨污水资源化、防洪调蓄等相结合为目的进行综合设计，保持整个系统的协调和可持续性。
　　依据工程目标和设计指导思想提出了如图2所示的工艺流程：

图2 景观水体水质保障工艺流程图
Fig.2 Flow chart of water quality control for landscape water body

4.2雨水收集、输送与污染控制系统
　　屋面雨水就近汇入建筑附近的低势绿地，低势绿地按低于路面5~10cm控制，达到明显消减雨水径流量、去除初期雨水污染物和节约绿化用水的目的。低势绿地应有溢流口与排放雨水的浅沟连通，或有自然坡面通向排水沟，避免局部过量积水。
　　路面和停车场雨水首先汇入附近低势绿地、条状截污带或路边植被浅沟，对初期雨水径流进行截流、截污后输送排放。
　　对污染量较大的区域，在排水管（渠）内设置初期雨水自动弃流装置，将污染的初期雨水分流，排入小区污水管系进入中水处理站。
　　小区内的雨水排出划分为北区、中区、南区三个区域，南区和中区分别通过两个入口排入人工湖，由于北区下沉小院太深，且距人工湖太远，可以考虑将雨水直接排放至北侧明渠。
　　南区和中区的雨水重力排入人工湖，管线按重现期P=5年设计。
4.3 湖区自然净化系统
　　在湖区北部和湖心岛两处分别设置生态净化区，北区包括可以交替使用的人工土植被快速渗滤床和人工平流湿地，主要处理对象是中水和循环净化湖水。因中水处理站出水仍含有少量污染物，尤其是N、P，对人工湖是潜在的威胁。设计的土壤/植物净化系统是依靠具有强净化能力的人工混合土壤、植物根系和土壤中丰富的生物种群对中水做进一步深度处理，使其达到优良水质。在对湖水循环的同时，对湖内的污染物进一步吸收净化。净化区呈自然坡地，生长繁密的植物，构成一幅自然景观，注重与水景观的有机结合，达到一举多得的目的。
　　湖心岛净化区主要针对湖体循环水设置人工土植被快速渗滤床，解决湖体死角的循环净化，根据水质情况间歇运行。
　　在雨水干管集中入湖处设置雨水前置塘，种植有耐水冲和净化能力较强的水生植物。起到沉淀、截污、生物净化等作用。
4.4 景观水循环与湖体生态净化系统
　　为了增强人工湖水的循环，缩短置换时间，设置循环水泵，按循环周期7天计，则湖的循环流量为：湖面面积1.2万m²,湖深按平均2.0m计，则湖的容积2.4万m³,循环流量为3429 m³/d＝143 m³/h。在湖体中设置五处循环泵坑（其中两处备用），分别往北部净化区循环供水、湖心岛净化区循环供水，同时还兼有往上游高水位（31.60m处湖面）供水循环和溢流排洪功能。
　　在湖中和湖边设置水生植物区，也可根据情况需要在湖内增设植物浮岛，旨在改善湖本身的生态功能，提供一定自净能力，为各种水生植物和鸟类提供必要的栖息场所，使人工湖更具生机，也达到改善湖体景观的效果。
4.5 湖底设计和生态堤岸
　　人工湖底采用LDPE防渗膜。为了保证不同种类底植物能生存，湖底高程、湖底回填材料等要求应与植物的要求相适应。堤岸设计采用了多种堤岸相结合的方式，包括草皮入水、水生植物阶梯形驳岸、透水驳岸、石砌驳岸和跌水驳岸等。其方式的选择应首先考虑的主要因素包括：周边地形、道路、水生植物种植、净化功能和景观要求等。
4.6 小区防洪系统
　　在雨水截流和充分利用景观湖调蓄能力的基础上来设计小区一期工程的排洪渠，可削减排洪渠的建设费用，同时满足小区排洪设计标准。
　　在人工湖南侧设溢洪口，通过暗渠（管）与二期西侧排洪渠连通。溢流管重现期按P=2.0设计。

5 总结

　　雨水利用是绿色住宅小区的重要内容之一。其设计应根据住区的特点进行细致的水量平衡分析，在此基础上进行水源的优化选择，同时考虑防洪、景观等要求。当住区有水体时，应寻求以水体为核心的水源优化方案。为了保障水体的水质，应建立源头污染控制和提高水体自净能力相结合的综合水质保障体系。

参考文献

[1] 李俊奇，车武，汪宏玲. 雨水利用与生态小区. 给水排水[J]，2003，29（5）:14-16
[2] 李俊奇，车武.城市雨水问题与可持续发展对策.城市环境与城市生态[J]，2005，18（4）:5-8
[3] 任超.北京市建筑物屋面雨水利用可行性研究.北京建筑工程学院硕士研究生学位论文，2000.1

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作者通讯处：100044 北京建筑工程学院城建系
电话：（010）68322128
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*北京市规划委员会基金资助项目（200503001）；北京城市节水管理中心基金项目;北京市“学术创新团队”项目-可持续水与废物循环利用技术（BJE10016200611）资助