第三章 屋面雨水收集利用
第三章 屋面雨水收集利用
3.1 屋面雨水利用概述
雨水利用时，应综合考虑雨水水量水质以及利用要求，选择合适的收集利用方法。城区雨水主要有屋面、道路、渗透性地面三种汇流介质，无锡市目前尚未对各种汇流介质的水质进行过系统的研究，本课题组有在上海进行相关研究的经验，考虑到无锡和上海地理位置相近，城市状况与上海市相似，且降雨特性和产汇流情况基本一致，因此借鉴上海市的研究结果说明无锡市的情况。表3-1为这三种汇流介质径流水质的比较。其中，地面径流雨水水质最差；渗透性地面径流雨水基本以渗透为主，可收集雨量有限；相对而言屋面雨水便于收集利用，污染程度较轻，利用价值最高，且由于城市区域屋面面积巨大，屋面雨水在量上也具有明显的优势，世界上许多国家都对屋面雨水资源的开发利用表现出极大兴趣。
已有研究表明，屋面雨水初期径流水质也较差，这主要是屋面材料分解和大气污染的原因，所以屋面径流进行利用时也需考虑初期弃流，以减轻处理构筑物的负担，节约投资和运行费用。
屋面雨水利用通常还具有以下优势：
(1) 收集利用系统简单易操作，维护运行成本低；
(2) 水质较好，不经或经过简易处理就能满足水质要求较高的用途； (3) 与其它供水工程相比，屋面雨水利用工程对自然生态环境影响很小。
表3-1 上海市城区不同汇流介质污染比较
主要污染物 COD BOD5 SS 质量浓度 (mg·L-1） 205 68 185 路面 污染负荷 (Kg·hm-2·a-1) 2214 734 1998 质量浓度(mg·L-1) 47 14 55 屋面 污染负荷(Kg·hm-2·a-1) 508 151 594 渗透性地面 质量浓度(mg·L-1) 36 18 43 污染负荷(Kg·hm-2·a-1) 91 43 103
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3.2 无锡市利用屋面雨水的可行性
由上节可见，一般城市中考虑利用雨水时，从水质、水量和对后续收集处理的要求等各方面综合考虑，都会首选屋面雨水，无锡市同样如此，屋面雨水的利用不但是可行的，而且应该是无锡市唯一值得有意识利用的雨水汇流介质，理由有三条，一是屋面雨水相对洁净，处理方式比较简单易行；二是雨水路面径流水质太差，处理和收集难度都较大，当雨量较小时，弃流后雨水基本收集不到，在无锡这种水资源并不紧缺的城市没有任何利用价值；三是在无锡市区表层杂填土中收集地面下渗水不具备技术经济可行性，而表层土以下原状土的渗透系数又很小，补给地下水资源的作用相当有限。因此无锡市在雨水收集利用方面的原则应是“收集屋面雨水，促渗地面雨水”。
现阶段，如直接对已有建筑屋面进行雨水收集设施改造和兴建雨水储存池，将受到建设资金、用地等条件的限制，有相当的难度，不易推行。因此，较为妥善的方法是结合建筑物的新建或改扩建，建设屋面雨水利用设施，雨水储存调蓄容量则尽量利用水景的容积，对新建小区杂用水需求量大的，鼓励开发单位建设地下调蓄设施。。无锡地区最近几年老城区面临改造，城市化地区面积不断扩大，比如市政府的搬迁；新区、滨湖区、锡山区和惠山区等新建城区均处在城市化建设的高潮，预计在未来10～20年时间内将兴建大量大型公共建筑和大型居住区，均有条件进行屋面雨水的收集利用，从现阶段起在无锡推行雨水利用是可行的。
上海房地局的节能省地住宅发展指导意见中要求：屋顶面积在1万m2以上的居住区应采用屋面雨水收集利用技术。考虑到规模效应，大面积屋面的雨水收集利用在经济上较为合理，无锡城区的雨水利用宜以大型建筑为主。建议配套建设屋面雨水收集利用设施的主要对象为行政办公用房、体育场馆、大型会展场馆、大型商业用房。
对居民小区，无锡市已经采取措施在阳台设置两根立管分别收集雨水与洗涤废水，新建居民小区、开发方有积极性的可鼓励进行屋面雨水收集利用。
3.3无锡市屋面雨水水量、水质和收集利用方法
在实际屋面雨水利用中，分析和掌握屋面雨水水量，水质状况和需求情况，
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对设计经济合理的收集、处理和利用系统具有重要意义。 3.3.1 屋面雨水水量特点
无锡市属北亚热带季风气候区，降雨年内分配不均，主要集中在6～9月，梅雨期常年出现在6月15日至7月10日，兼有暴雨和连阴雨的特点。屋面雨水径流的年可利用量可按下式粗略估算，较为精确的计算可采用统计降雨频率累计法。
Q＝p×a×b×A×(H×10-3) （3－1） 式中：Q——屋面年平均可利用雨量，m3；
p——径流系数（通常取0.9）；
a——季节折减系数； b——初期弃流系数；
A——集水面水平投影面积(m2)： H——年平均降雨量，mm。
其中季节折减系数a考虑了当地气候、季节等因素对有效径流量的影响，可选择0.9。初期弃流系数b根据当地降雨和水质资料确定。根据无锡市的降雨特点，按2mm弃流量考虑，b建议选取0.85。 3.3.2屋面雨水水质状况
屋面雨水收集利用系统设计的重要考虑因素之一是屋面雨水水质。考察单场降雨过程中污染物的浓度或负荷的变化对收集利用系统设计具有重要价值。由于屋面雨水经常表现出初期冲刷效应，初期径流中污染物浓度较高，为了节约处理成本和提高收集利用效率，通常将该部分雨水舍弃而直接排入市政管道。在设计系统时，如何确定弃流量和选择弃流方式与污染物出流过程密切相关。但由于屋面雨水径流过程受到许多不可控因素的影响，表现出较大的偶然性和随机性，对屋面雨水污染状况及污染物出流规律的调查需要花费大量的人力、物力和时间，短期内难以完成。因此，本课题参考相邻的上海市的调查数据。
根据本课题组对上海市典型屋面的多年调查结果，屋面雨水的主要污染物TN、TP、COD、BOD5和SS的EMC平均值为5.261mg/L、0.134 mg/L、47 mg/L 、14 mg/L和55 mg/L；其中TN主要为溶解态，占70.9％～95.6％，且其主要来源于天然雨水；而颗粒态磷（PP）占TP的比例为57.9％～79.8％，是TP的主要
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存在形式。此外，由于屋面径流水质不仅与降雨强度和降雨量有关，还受空气质量、气温、前期晴天数等因素影响，各场降雨之间的水质变化较大。其中降雨强度和降雨量是最主要的影响因素，但屋面雨水污染物的主要来源为屋面的沉积物、天然降水和屋面材料。屋面沉积物和天然降雨污染主要受城市总体空气质量影响，是屋面雨水污染的外部来源；而屋面材料则是污染内源，屋面在降雨过程中受雨水径流冲刷腐蚀可带入少量污染物质，不同屋面材料对屋面雨水水质的影响不同，但城市常见的混凝土屋面对屋面径流中污染物含量贡献较小。
图3-1是上海市典型屋面径流过程的主要污染物浓度变化过程。从图中可以看出，在径流初期，主要污染物的浓度通常较高，水质混浊，初期污染严重，COD约为150～200mg/L，SS约为200mg/L，TN约为8～10mg/L，TP约为0.5mg/L。
图3-1 屋面径流主要污染物随降雨历时的典型变化
图3-2是TSS、TP、TN和COD典型的初期冲刷图。该曲线的横坐标是累积流量与总流量的比值，纵坐标为累积污染负荷与总负荷的比值。当纵坐标大于横坐标时，即认为存在初期冲刷。且当纵坐标与横坐标的差值越大，初期冲刷越明显。一般地，初期冲刷受汇流区域大小、降雨强度、前期晴天数等因素的影响。
从图3-2可知，TSS、TP、TN和COD的初期冲刷强度都不是很大，但TSS、TP和COD的初期冲刷效应要强于TN。但在某些情况下，TN几乎无初期冲刷。由此
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可以预计，初期弃流装置控制TSS、TP和COD污染的效果要比TN好。在占总体积20％的初期径流中，TSS、TP和COD污染负荷均占总负荷30％左右，表现出一定的初期冲刷；在实际初期弃流装置设计时，应进行经济技术对比选择最佳弃流量。
100?0??p`P@0 %0%0 @`?%污染负荷累积比例70`P@0 %0%0 @`?0%TSSTPTNCOD基线污染负荷累积比例80%TSSTPTNCOD基线100%流量累积比例流量累积比例
图3-2 两次屋面径流过程主要污染物的M（V）曲线图（2007-08-02和2007-08-03）
3.3.3 屋面雨水收集利用系统
屋面雨水收集利用系统通常包括三部分：收集系统、输送系统和储存系统。根据屋面大小和构造的不同，雨水收集系统也各有不同，但基本原理类似：雨天屋面径流经天沟或屋檐汇集后进入管道系统，然后经过初期弃流由储水设施储存。当雨水水质较差或用于市政杂用时，需要对收集的屋面雨水进行简单处理（沉淀、过滤、消毒等）。
收集系统通常为屋面和各类顶棚等，城市屋面的典型材料为混凝土、粘土瓦、金属、沥青以及其它木板或石板。不同的材料对雨水水质有不同的影响，譬如部分老建筑仍在使用的沥青屋面在降雨过程中会析出少量污染物质，使径流COD含量升高，并可能产生某些有毒有害的有机物质，对屋面雨水利用产生不良影响。考虑到屋面雨水利用的经济技术可行性和雨水回用安全性，建议沥青屋面雨水不进行收集利用；除要选择合适的屋面材料以保证雨水水质之外，还要保持适当的坡度，防止雨水滞留，屋面顶棚位置应减少落叶及碎屑等的堆积。
输送系统通常包括屋面排水沟、重力流或虹吸雨水排水系统和初期弃流装置。屋面排水沟应有足够的坡度以利于排水，定期维护和清洗防止发生堵塞；排
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