地下车库顶板PDS雨水利用效益分析

何 超，吕伟娅，孙程贵，张家璐

(南京工业大学，江苏南京 210000)

1 地下车库顶板雨水利用

目前，对于地下车库顶板渗透雨水的处理方式，主要仍持“以防为主，以排为辅”的观念。即比较重视防水层的设计，渗透雨水主要通过自然散渗使其消散，缺少对车库顶板雨水利用的研究[1]。

1.1 常用技术

常见的地下车库顶板雨水利用方式，主要为雨水向四周土壤入渗，实现间接利用[2]，其系统构造如图1所示。

图1 传统地下车库顶板排水系统构造层示意图Fig.1 Structure of Traditional Drainage System for Underground Parking Garage Roof

因车库顶板底部设有防水层，雨水通过土壤渗滤积蓄在排水层上，雨水无法积蓄下渗，转而向四周的土壤入渗，最终渗入地下，补充地下水，实现雨水的间接利用。但该方法，存在一些弊端：(1)构造层较多，施工步骤繁琐；(2)大面积顶板，找坡困难；(3)当地下水位高，或四周土壤达到一定饱水率时，散渗困难，易积水。

1.2 地下车库顶板PDS雨水利用系统

PDS(planting roof drainage system)，意在指明本系统，虽常用于地下车库顶板而又不局限于此处，该系统也可用于其他种植顶板，如地下广场、综合管廊、屋顶绿化等。

地下车库顶板PDS雨水利用系统,将原本向四周散渗的雨水，通过排水板、排水槽、排水管，以点、线、面相结合的排水形式，将雨水汇集到收集池，实现雨水回用，实现了对雨水间接利用到直接利用的转变。

雨水在地下车库顶板PDS雨水利用系统的变径排水管中，能够在较正常水位更低的情况下产生虹吸作用，利用虹吸吸力，实现零坡度有组织排水，解决了大面积找坡这一技术难题，降低了建筑物渗漏风险、施工周期、造价成本。

1.2.1 系统介绍

如图2所示，土壤渗入水通过防排水保护板流至虹吸排水槽，在虹吸排水槽上安装透气管，虹吸排水槽内的水在空隙、重力和气压作用下很快汇集到出水口，出水口通过管道变径的方式使虹吸直管形成满流从而形成虹吸，虹吸排水槽内的水不断被吸入观察井，经观察井排入雨水收集系统内。这样就从以往的被动挤压式排水转变成了现在的主动虹吸式排水，从而实现无找坡、有组织排水，排水最终流入集水池，集水池内设有抽水泵，可以将水抽到地面进行绿化灌溉，实现雨水利用。上述系统材料如表1所示。

图2 地下车库顶板PDS雨水利用系统示意图Fig.2 PDS Rainwater Utilization System for Underground Parking Garage Roof

1.2.2 系统原理

地下车库顶板PDS利用系统将下渗土壤的水收集起来后，汇集到出水口进行排放。雨水利用系统剖面图如图3所示。系统排水原理遵循水流运动的伯努利方程，如式(1)。

表1 地下车库顶板PDS雨水利用系统材料清单Tab.1 Material List of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

图3 地下车库顶板PDS雨水利用系统剖面图Fig.3 Profile of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

h1+p1/(ρg)+v12/(2g)=h2+p2/(ρg)+v22/(2g)

(1)

设垂直管段顶端为截面1，排水横管出口为截面2。截面2压力为Pc，速度为Vc，两截面高差为H，横管出口高度为0，压力为0，速度为Vg，Hz为水流在管段中阻力损失总和。将以上参数代入伯努利方程得式(2)和式(3)。

H+Pc/(ρg) +Vc2/(2g)=Vg2/(2g) +Hz

(2)

Pc=Pg(Hz-HL) +Vg2/(2g)-Vc2/(2g)

(3)

实际情况中，Vc大于Vg，Hz小于HL，所以Pc小于0，即垂直管段顶部的压力为负值。系统排水动力主要依靠重力落差及管内负压，落差与管内负压越大，排水能力越强。

1.2.3 工艺对比

(1)地下车库顶板PDS雨水利用系统与传统地下车库顶板结构层次对比(图4和图5)

图4 传统地下车库顶板排水系统构造层示意图Fig.4 Structure of Traditional Drainage System for Underground Parking Garage Roof

图5 地下车库顶板PDS雨水利用系统构造层示意Fig.5 Structure of PDS Rainwater Utilization Sytem for Underground Parking Garage Roof

地下车库顶板PDS雨水利用系统通过异型排水板、排水槽、排水管，实现对渗透水的零坡度有组织排放，无需设置保护层[3]，找坡层[4]。因排水板具有阻根性，所以可不设阻根层。

(2) 地下车库顶板PDS雨水利用系统与传统地下车库顶板施工周期对比

传统排水工艺构造层次中，工程复杂且成本高，而本项目的设计方案中，取消了找坡层、保护层、隔离层，系统材料全是提前预制完成，现场安装采用黏接的方式将系统各材料拼接在一起，施工方便，可节省3/4的施工周期。传统工艺与本项目工艺(地下车库顶板PDS雨水利用系统)的施工周期对比如图6所示。

图6 施工周期对比图Fig.6 Comparison of Economic Construction Cycle

(3)地下车库顶板PDS雨水利用系统与传统地下车库顶板工程造价对比(表2)

地下车库顶板PDS雨水利用系统减少了结构层次的设置，可降低工程造价。

表2 造价对比Tab.2 Comparison of Constrution Cost

2 效益评价指标

城市雨水的回用途径一般为可分为：①生活用水，雨水可替代的生活用水主要是冲厕和洗车等生活杂用水；②生态用水，雨水可替代的生活用水主要是冲厕和洗车等生活杂用水；③工业用水，可以通过万元工业增产值用水量来计算[5]。

(1)渗透补充地下水费用(B1)

由于雨水利用工程的实施，每年通过入渗设施入渗回补地下水的雨水量为V1m3。以每立方米地下水源自来水价格 2.0元计(各地区以当地价格为准)，则每年补充地下水的费用如式(4)。

B1=V回补地下×2.0

(4)

(2)雨水置换自来水费用(B2)

雨水收集用于生活杂用水和生态用水、工业用水;减少的自来水费用可依照自来水价格计算。居民生活用水价格为3元/m3，非居民生活用水价格取 4 元/m3(各地区以当地价格为准)。则每年可置换自来水费用如式(5)。

B2=3×V生活杂用水+4×(V生态用水+V工业用水)

(5)

(3)因节水而增加的国家财政收益(B3)

根据相关研究，每节约 1 m3水等于创造了 5.48 元的收益。节省市政用水可产生效益如式(6)。

B3=V节省自来水×5.48

(6)

(4)因污染控制而减少的社会损失(B4)

在城市雨水利用中，污染控制所投人的费用可以采用城市居民用水排污费和企事业单位用水排污费来计算。南通市居民用水排污费和企事业单位用水排污费分别按照0.9 元/m3和 1.5 元/m3来计算，每年减少的社会损失如式(7)。

B4=V杂用水×0.9+V企事业单位用水×1.5

(7)

(5)降低城市雨水排水设施运行费用(B5)

对城市雨水收集回用，可以在较大程度上减少流向市政管网雨水量。城市的排水管网，其主要功能是排放生活污水，即使是雨污分流的雨水管道也需要排放大量的未收集雨水。因此，对雨水进行收集回用并不能显著减少城市排水管网的建设费用，但它可以减少管网的运行费用和污水处理的费用。按 0.08 元/m3的雨水管网运行费用计算，每年节约运行费用如式(8)。

B5=V径流控制×0.08

(8)

3 实例效益分析

3.1 项目概况

南通新瑞文化翡翠园，位于南通高新区南山湖南侧，地下车库顶板面积共计37 600 m2。

3.2 调蓄回用设施容积计算

(1)基于年径流总量控制率的计算

本处使用的调蓄回用设施为无渗透功能的调蓄设施，其容积计算方法采用降雨量估算法。雨水调蓄回用设施的容积由汇水表面的径流系数、降雨汇水面积和设计降雨量共同决定，计算如式(9)。

V蓄=10cHF

(9)

其中：V蓄—调蓄回用设施容积，m3;

c—径流系数，本项目绿化率为40%，硬质道路面积为20%，建筑占地40%，经计算综合径流系数为0.45；

H—降雨量，本次设计年径流总量控制率为75%，对应日容蓄回用水量为22.2 mm；

F—汇水面积，hm2，本项目为3.76 hm2,1 hm2=104m2。

经计算，此项目，实现年径流总量控制率75%时，需要的雨水调蓄回用设施V计=375 m3。

(2)基于降雨间隔时段内的用水量计算

绿化浇灌用水定额应该因地制宜，综合考虑气候、植物、土壤、浇灌方式以及管理制度等因素进行确定。当没有相关资料时，绿化浇灌用水定额可取1.0～3.0 L/(m2·d)计算，本研究取2.0 L/(m2·d)，年浇灌次数取180 次/年。道路广场的冲洗用水定额按2.0～3.0 L/(m2·d)计算，本研究取2.5 L/(m2·d),年冲洗次数取240次/年[6]。

经计算，日绿化用水量如式(11)。

V日绿化=2×37 600×0.4/1 000=30.08 m3

(10)

日道路冲洗用水量如式(12)。

V日道路=2.5×37 600×0.4/1 000=37.6 m3

(11)

日总用水量如式(13)。

V日总=67.68 m3

(12)

该区域雨季平均降雨间隔时间为6 d，则平均降雨间隔时段内总用水量为V用=405.6 m3。

(3) 调蓄回用设施容积确定

计算出调蓄容积V计后, 需与降雨间隔时间内的用水量V用进行比较, 最终确定设计调蓄容积V蓄。 本项目[7]：V计

3.3 地下车库顶板排水系统设计

地下车库顶板PDS雨水利用系统排水管排水能力，经试验测试后，最大排水能力达12 L/s。结合本项目地下车库顶板面积共计37 600 m2及设计年径流总量控制在75%，对应需控制的水量在22.2 mm等条件，按照实际经验，每3 000 m3车库顶板设一根排水管，共设有10根排水管，10根透气管；排水槽间距，参照盲沟设置为每隔20 m设置一根[8]；集水设施设置为375 m3。

3.4 运行状况

(1)水质状况

本项目于2016年12月建成，2017年6月对地下车库顶板PDS雨水利用系统出水进行了取样，并对水样的CODCr与SS进行了检测。以上指标的检测均参照《水质分析方法(国家)标准汇编》[9]进行。检测结果如表3所示。

由表3可知，径流通过车库顶板1.2 m覆土渗透以后，CODCr去除率达到了86%，SS去除率达到了93%，且CODCr<30 m/L，SS<10 mg/L，满足杂用水水表3地下车库顶板PDS雨水利用系统出水水质质要求[10]。

Tab.3 Effluent Water Quality of Roof Rainwater Utilization System

(2)雨水回用状况

本项目设计年径流总量控制率为75%，对应控制水量为22.2 mm，并设有对应面积的渗透、调蓄设施。理论上，一天内降雨量低于22.2 mm时，可以实现对雨水资源的100%利用；超过22.2 mm的降雨量时，雨水将形成径流，并通过溢流措施汇入市政管道。

3.5 年化效益对比

对本项目年降雨量取1 000 mm，按照上文介绍的指标及计算方法，分别采用传统做法和地下车库顶板PDS雨水利用系统进行年效益分析，因两种系统的社会效益和环境效益较为相同，所以本文仅从年经济效益作出分析和对比，具体年经济效益及对比如表4和表5所示。

表4工程造价对比
Tab.4 Comparison of Construction Cost

序号目录传统雨水间接利用系统地下车库顶板PDS雨水利用系统1排水系统造价170×37 500=637.50万元125×37 500=468.75万元2调蓄回用系统造价0850×375=31.87万元3总造价637.50万元500.62万元

表5 经济效益对比Tab.5 Comparison of Economic Benefits

4 结论

通过分析比较，采用地下车库顶板PDS雨水利用系统，不仅能缩短施工周期，降低工程造价，还能将传统的车库顶板雨水的间接利用模式转换为了直接利用模式，创造出更高的经济效益，说明地下车库顶板PDS雨水利用系统具有突出优势，值得推广运用。

随着“海绵城市建设”与“绿色建筑”的普及，雨水利用概念将更为广泛地涉及到工程的各个角落，在屋面雨水与地面雨水回用技术日趋成熟，地下车库顶板雨水利用亦将成为“海绵城市建设”与“绿色建筑”普及过程中的一个亮点。