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探討管道在建筑小區(qū)內(nèi)雨水收集、排放的新應用
城市雨水作為第二大水資源,一方面沒有被很好的收集回用,從而沒有從根本上解決國內(nèi)大部分嚴重缺水城市的用水問題;另外一方面,雨水是城市內(nèi)澇的根源。地埋管道不僅是雨水排放的主要手段,還可以在經(jīng)濟的技術改造下,簡易地成為雨水收集、調蓄的有效工具,進而有效地解決城市內(nèi)澇、城市用水緊張等全球性問題。
1.雨水排放
目前,為提高污水COD、BOD處理效率,降低地下水二次污染風險,我國新城建筑采用雨污分流進行雨水獨立排放。即便如此,城市化的高度發(fā)展,使得城市不透水地面(水泥地、道路路面)面積快速增長,雨水不能直接回流入地下導致雨水徑流量大大增加,雨水管道、雨水泵站等設施的負荷也大大加重;近年來,國內(nèi)城市內(nèi)澇頻發(fā),給城市發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟與社會損失。
一方面由于中國人口基數(shù)大,使得水資源極度緊缺,另一方面又未能利用寶貴的雨水資源,造成了水資源的浪費。單方面地研究雨水排放(例如設計更長的暴雨重現(xiàn)期對應的地下管網(wǎng))已經(jīng)不能在根本上解決水資源供需平衡。
導致城市內(nèi)澇的原因較多,總體可以歸納為以下三點:一是城市化快速發(fā)展,道路、建筑群等不透水面積不斷擴大,可滲雨水面積明顯縮小;二是全球氣候變化大、暴雨強度不可預測,致使地面匯流的雨水不能及時通過明渠收集系統(tǒng)(雨水井、排水溝)導入地下管網(wǎng),三是管網(wǎng)輸送能力不及匯水流量。城市管網(wǎng)的輸送能力主要是由設計所決定。城市雨水管道設計標準從建國以來一直采用超低標準,即設計暴雨重現(xiàn)期使用低標準、流量計算方法安全系數(shù)選用低取值。當城市內(nèi)澇嚴重時,提升現(xiàn)有的雨水管網(wǎng)標準幾乎無法實現(xiàn)。
2. 本文探討在城市建筑小區(qū)內(nèi)雨水收集、排放的新型應用路線和內(nèi)容
本文將探討地埋管道(新型環(huán)保塑料管材:HDPE纏繞增強B型結構壁管)在城市建筑小區(qū)內(nèi)雨水收集、排放的新型應用。管道在雨水排放時,可根據(jù)暴雨強度發(fā)揮蓄水功能,降低雨水匯流峰值、減緩排放入市政排水管道,有效降低城市內(nèi)澇的幾率;在雨水收集時,作為替代傳統(tǒng)蓄水池的初級“沉淀池”,為雨水再利用提供條件。故本文將根據(jù)雨水收集與排放特點、傳統(tǒng)調蓄池的優(yōu)缺點,結合建筑小區(qū)內(nèi)景觀水池,綜合探討環(huán)保、安全的地埋塑料管材作為雨水儲蓄池的社會經(jīng)濟效益。
3. 管道在雨水收集、排放中的新思路
建筑物雨水收集與利用系統(tǒng),是指收集、利用建筑物屋頂及道路、廣場等硬化地表匯集的降雨徑流,經(jīng)收集渠道積蓄在地下管網(wǎng),此時建筑地下雨水管網(wǎng)作為儲水池,在雨水充裕時緩排入市政雨水管;在雨水不足季節(jié)進行水質處理,為綠化、景觀用水、洗滌及地下水源提供雨水補給,以達到綜合利用雨水資源和節(jié)約用水的目的。
傳統(tǒng)的雨水儲蓄池利用綠地和空地,不占耕地,提高土地利用率,儲蓄后雨水可回用于城市雜用,符合國家節(jié)能減排政策;但是缺點是:設計內(nèi)容較為繁瑣;運行維護管理復雜,安全性較差;施工內(nèi)容多,施工難度大(1)。因此,將原地埋塑料管道簡易改造為雨水調蓄池意義重大。
雨水收集系統(tǒng)主要涉及管網(wǎng)系統(tǒng)。一般來說對于城市雨水主要有屋面、路面、綠地3種匯流介質。本文主要探討建筑群雨水匯流到地下雨水管道時,管道與排水溝的分析與應用,因此將屋面與路面雨水收集雨水的管網(wǎng)合并來進行本案的設計。
圖3.1為建筑小區(qū)雨水收集工藝(5):
建筑小區(qū)地埋管網(wǎng)收集雨水示意圖
對于排水閥的細部構造圖,主要可分為溢流/沉淀裝置、閥門裝置和回用提升泵裝置三大部分,并可分別應用于建筑物和工業(yè)兩大領域,如圖2和圖3:
(2)、在大多數(shù)已有的建筑管網(wǎng)內(nèi),在原有管道匯入主干市政管道前安裝節(jié)流閥,并在管網(wǎng)與景觀水池間增設一臺水泵。
a、在降雨量少時,收集的雨水需要儲存在管道中,因此,管道接口密封性要求高;
b、由于中國南部酸雨降雨頻繁,管道需要有很好的防氣、液體腐蝕性能;
c、管道儲水需要選用中等以上口徑管材(例如:DN≥500),且自身結構穩(wěn)定;
d、雨水收集長伴有塵土、沙、煤屑等物,在開始排放時需要放閘沖刷,流速要求高,故管道需要有光滑的內(nèi)壁及耐磨性;
e、管道系統(tǒng)應對地質擾動(如地震)要有一定的自適應能力。
在雨水排放方面,常用的雨水管道有U-PVC雙壁波紋管,HDPE雙壁波紋管和HDPE纏繞增強管。這些管材各自的特點如下:
表1:建筑物常用塑料雨水管道綜合比較
項目 |
U-PVC雙壁波紋管 |
HDPE雙壁波紋管 |
HDPE纏繞增強管 |
管型 |
B型 |
B型 |
B型 |
材料脆性 |
較大 |
小 |
小 |
連接方式 |
承插膠圈連接、粘合連接 |
承插式密閉圈、 |
承插式電熔連接 |
防滲性能 |
接口處容易漏水 |
接口處容易滲水 |
可實現(xiàn)零滲漏 |
耐腐蝕性 |
好 |
好 |
好 |
流阻系數(shù) |
0.009-0.01 |
0.009-0.01 |
0.009-0.01 |
結構穩(wěn)定性 |
較差 |
較好 |
好 |
環(huán)剛度(埋深) |
適合覆土1.5米以內(nèi)的環(huán)境 |
適合覆土1.5米以內(nèi)的環(huán)境 |
覆土深度可達20m |
綜合造價 |
低 |
低 |
低 |
由以上要求和塑料管材對比可知,新型HDPE纏繞增強B型結構壁管是雨水收集排放的最佳選擇。此種管型最大的特點是承插式電熔連接,保證連接零滲漏;其次是這種管道系統(tǒng)具有優(yōu)越的自適應能力,可有效抵抗地基沉降和地質擾動(有資料表明,在日本阪神和福島大地震中,HDPE纏繞增強管是唯一一種不被破壞的管道)。另外,吸水率小、內(nèi)壁光滑、超耐腐蝕和施工安裝簡單也是次管道突出的特點。
屋面雨水水質較好、徑流量大又便于收集輸送。本章主要討論對地埋管網(wǎng)簡易改造后進行雨水排放、收集,需要對能匯流到雨水管的雨水全部收集,所以管網(wǎng)可以合并。
在典型的城市生活建筑中,路面匯流為重力流,由地勢較高處向地勢較低的明渠收集系統(tǒng)匯集。路面匯流具有以下特點:
a. 徑流量大,收集起來相對容易;
b. 初期水質COD通常高達3000-4000mg/L,難以直接回用;
c. 我國是全球三大酸雨(pH5.6以下)(2)區(qū)之一,據(jù)1999年的106個城市的降雨pH值檢測結果,我過降雨酸度最大可達4.3,其中南方城市酸雨頻率達80%;
d. 易堆積淤泥,對下游雨水管系統(tǒng)輸送能力要求高。
在雨水匯如市政雨水管網(wǎng)前,明渠系統(tǒng)承擔主要的雨水收集工作。路面雨水收集與傳輸主要采用雨水井、傳統(tǒng)混凝土排水溝和樹脂混凝土排水溝。
項目 |
雨水井 |
水泥混凝土排水溝 |
樹脂混凝土排水溝 |
材料 |
磚、水泥混凝土 |
鋼筋、水泥混凝土 |
樹脂混凝土 |
環(huán)保性 |
水泥屬堿性材料,公認不環(huán)保 |
水泥屬堿性材料,公認不環(huán)保 |
不溶有害物質、粉碎后可回收利用 |
分布 |
按平均匯水面積分布,比較零散 |
可沿建筑物周圍、道路兩邊集中分布 |
可沿建筑物周圍、道路兩邊集中分布 |
外觀 |
與周圍建筑 |
現(xiàn)場澆筑,美觀度較差 |
整潔,美觀 |
輸水能力 |
與單位面積個數(shù)有關 |
流阻大,輸水能力差 |
流阻小,輸水能力強 |
防滲性能 |
較差 |
差 |
好 |
現(xiàn)場施工 |
現(xiàn)場搭筑:耗時,人工成本高 |
現(xiàn)場搭筑:耗時,人工成本高 |
工廠預鑄,安裝簡單 |
耐腐蝕 |
耐堿性佳,無耐酸性 |
耐堿性佳,無耐酸性 |
耐pH1-10佳 |
使用壽命 |
惡劣環(huán)境12-15年 |
惡劣環(huán)境12-15年 |
惡劣環(huán)境 > 100年 |
材料造價 |
低 |
較低 |
較高 |
注:惡劣環(huán)境:pH1-10的極酸、極堿環(huán)境。
由表2.1可知,雖然由水泥混凝土筑成的雨水井和排水溝雖然造價低,且成為工程施工單位、設計單位人員慣用產(chǎn)品,但是生產(chǎn)水泥,消耗大量的粘土和原煤,能耗大,已是公認的非環(huán)保材料;從國家環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度,水泥制品管道或者排水溝將會逐步被限制或被同類新型環(huán)保產(chǎn)品替換。另一方面,樹脂混凝土(主要成分為聚酯、樹脂)排水溝,從環(huán)保、水利性能、防腐蝕能力和綜合使用壽命來說,都體現(xiàn)出其優(yōu)勢:其中,樹脂混凝土排水溝美觀、大方,與建筑小區(qū)格局能很好的匹配(如圖3.2);此外,樹脂混凝土排水溝,施工方便,使得其可沿著建筑物周邊、道路兩側分布,大大增加了匯水面積,有效應對因不透水面積增大而影響地表雨水排放。
因此,預鑄聚酯樹脂混凝土排水溝是替代傳統(tǒng)水泥混凝土雨水井和排水溝的最佳選擇。
雨水管道的設計通常采用極限強度理論——城市設計暴雨強度、降雨歷時、匯水面積采用設計條件的極限值,即當匯水面積上最遠點的雨水流至計算檢查井時,雨水管道設計流量最大;當降雨歷時等于匯水面積上最遠點的雨水流至計算檢查井的時間時,雨水管道的設計流量最大,據(jù)此確定設計流量的最大值,并作為雨水管段設計的依據(jù)[3]。
其中,此方法是基于降雨在匯水面積分布、降雨強度在某段降雨時段均勻和匯水面積增長速度均勻的假設條件而得出的。故可以根據(jù)此理論繪制降雨過程線,如圖3.
從徑流過程圖可以看出,當徑流流量剛到達峰值時(A1),匯水面積上最遠點的雨水已經(jīng)被匯集到計算的檢查井里。這時,無論對于雨水排放或者收集,流向市政主干雨水管的閥門應該被打開,使雨水直接排放。因為這個時候的雨水夾雜含量較多的塵土、沙、煤屑等物,且雨水酸性較大,水質渾濁、色度大,不適合回收利用。對于面積A2的雨水可以儲存,這時的雨水水質比較好,同時這是也是市政雨水主干管排水壓力最大的時候。最后對于面積A3內(nèi)的雨水流量,在滿足建筑小區(qū)內(nèi)用水后,可以設置溢流閥,這時雨水流量不會因為排放至雨水干管而引起過飽和負荷。
城市雨水管道的設計計算公式如下:
(1)式中 Q——雨水管道設計流量,L/s
φ——徑流系數(shù)
q——設計暴雨強度,L/(s ? 104 m2)
F——匯水面積,104 m2
P——設計暴雨強度重現(xiàn)期,a
t1——地面集水時間,min
t2——管道流行時間,min
m——折減系數(shù)
A1、C、n、b——地方參數(shù)
利用以上公式,可以初步計算出需要小區(qū)每月所能儲存的回收雨水總量,進而對小區(qū)景觀、綠化所需用水進行最大程度的補給,也同時減輕市政雨水主干管的排放壓力。雨水利用工程設計應通過水量平衡、水力計算和技術經(jīng)濟分析來確定方案,協(xié)調各專業(yè)關系,兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。做到盡可能多的利用雨水,又不盲目擴大設計規(guī)模。
我國水資源總體缺乏,《住宅建筑規(guī)范》明確規(guī)定“人工景觀水體的補充水嚴禁使用自來水”。其補水水源可考慮中水或雨水。雨水利用作居民的非生活直接用水,對缺水地區(qū)來說,具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。設計的關鍵是確定一套經(jīng)濟適用、方便管理、運行可靠的方案。此應用的最大優(yōu)點在于在不占用緊張建筑用地的同時,可以進行簡易改造,可操作性強。另外,只需維護管道,比較單一。
因此,地埋塑料管道作為建筑小區(qū)雨水收集裝置在經(jīng)過簡易改造后,可以實現(xiàn)規(guī)?;?。規(guī)?;蟮氖姓晁鞲晒艿呢摀趴杀环謹偅绱瞬趴筛旧辖鉀Q城市內(nèi)澇、用水緊張等問題。
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