随着我国经济发展水平的不断提升，生态环境保护问题受到了人们越来越多的关注，提升资源综合利用率能够进一步改善我国资源环境现状，助力生态文明建设取得新的成就。水资源是人类赖以生存和发展的重要基础，水资源短缺、水污染等问题长期以来一直制约着人类社会的发展，并且随着人口规模的不断增加，未来水资源危机会更加严重，因此必须重视对于水资源高效利用的技术探究^[1]。屋面雨水收集处理技术主要针对屋顶面部分的雨水进行收集净化，相较于其他水资源利用项目而言具备更大优势，同时有着更加丰富的技术积累。针对自动力自清洁屋面雨水收集处理系统设计进行研究具有重要的现实意义，能够对雨水收集应用发展起到有益的借鉴。

一、屋面雨水收集处理装置构成

屋面雨水相较于道路雨水而言，其自身所包含的污染物较少，因此回收清洁难度较低，具备较高的回收利用价值。屋面雨水收集处理装置应当能够实现以下几方面的作用，首先，系统的应用成本应较低，雨水处理回用过程中所需要消耗的资源量较少，从而具备良好的实用性。其次，屋面雨水收集处理装置结构应当简单，无需占用较大的建筑面积。最后，能够确保实现良好的回收利用效果，收集处理过后的雨水能够被应用于景观用水或者灌溉用水，实现良好的生态效益。针对雨水进行收集处理主要包含雨水收集和雨水处理两部分内容，两部分系统各自具备多个工艺单元，从而实现完整的收集处理功能，屋面雨水收集处理系统大体构成如图1所示。

图1 屋面雨水收集处理流程图

（一）雨水收集系统

雨水收集系统是屋面雨水回收利用的基础，保障屋面雨水收集效果才能够为后期处理利用提供充足的雨水资源。雨水收集利用一般依靠管道进行收集，建筑专业在进行屋面设计的过程中会设置相应的排水孔，依靠管道将雨水及时排出，避免雨水在屋顶长时间汇集。截污处理是雨水收集过程中进行的首要处理步骤，通过排水口或者落水管道下方设置的网格格栅，能够对于落叶、塑料袋等杂物进行阻拦，从而避免被雨水冲进管道，导致管道堵塞等问题。截污处理完成以后需要对收集到的雨水进行分流操作。初期雨水是降水开始阶段屋面汇聚的雨水，由于雨水与空气以及屋顶接触，导致其中包含SS、TP、TN、COD等多种污染物，因此不能直接进行回收，如果将其直接排放至自然环境当中也会导致一定的生态环境问题^[2]。初期雨水之后的降水，由于屋面污染物已被冲刷，水质相对洁净，可进入存贮环节。因此分流操作主要针对初期雨水进行分流，避免初期雨水流入存贮池，增加雨水污染程度以及清洁难度。

（二）雨水贮存系统

雨水贮存系统承担收集雨水的存储任务，雨水通过管道、截污处理以及分流操作以后存于贮存池当中，贮存池主要承担对于雨水的过滤以及消毒处理，经过处理，雨水中含有的污染物质能够得到有效清除，然后就可以将其回用于灌溉、厕所清洁等用途。针对雨水进行的过滤一般以吸附等物理过滤方式为主，而消毒工作则可以依据雨水处理后具体的使用场景选择相应的消毒处理方法^[3]。

二、主流屋面雨水收集处理方案

针对雨水回收利用开展的研究由来已久，国外对于雨水回收利用的研究处于前列，上世纪初日本率先开始进行雨水回收利用相关技术研究，通过提升水资源综合利用率弥补国内资源不足的问题。雨水回收利用早期研究主要围绕地面雨水回收利用开展，依靠地下排水管网对降水进行收集，后期逐步扩展至屋面雨水收集利用。我国雨水回收利用相关研究整体起步较晚，伴随城市建筑形式更新以及生态环保观念的提升，近年来我国屋面雨水回收利用已经取得了显著成效，北京某研究项目单一年份汛期屋面雨水收集量超过60立方米，经过滤后用于园区绿化灌溉等场景，进一步提升了雨水资源利用效率^[4]。当前主流屋面雨水收集处理设计方案主要分为两种，分别为常规屋面雨水收集利用系统以及绿色屋面雨水收集利用系统，两种方案应用优势如表1所示。

表1两种主流屋面雨水收集处理方案应用优势比较

（一）常规屋面雨水收集处理系统

常规屋面雨水收集系统是当下应用最为广泛的雨水回收利用方法，包含雨水收集系统、雨水处理系统以及雨水回用系统三个部分。

常规屋面雨水收集系统主要依靠屋面雨水排水系统实现对于雨水的收集，其中主要包含两种形式，分别为重力流和压力流，而压力流也被称为虹吸式雨水收集系统。重力式屋面雨水收集系统结构简单，而虹吸式屋面雨水收集系统相对复杂，依靠管道内部的正负压将雨水吸入到管道当中，相比于传统的重力式收集系统而言具备排水高效、清洁程度高等优势，被广泛应用于大型公共建筑屋面排水设计当中^[5]。常规屋面雨水收集与利用系统主要针对雨水中存在的污染物进行清除，针对初期雨水为节省综合成本一般进行弃流处理。传统屋面雨水贮存池一般按照建筑屋面面积以及地区气候情况确定，需要针对水池规格、材质进行科学选取，确保能够实现对于雨水的高效清洁效果。家庭雨水贮存池可以选取塑料或金属材质桶具承担贮存任务，而大型公共建筑则需要在设计环节明确相应的雨水贮存设施^[6]。大型公共建筑的雨水贮存池一般以钢筋混凝土为建筑材料，近年来硅砂等新型材料也被广泛运用。为保障贮存池的水质安全，需要定期对池内进行清理消毒工作，然后将收集到的雨水回用于公共建筑周围的园区绿化等场合当中。

（二）绿色屋面雨水收集处理系统

绿色屋面雨水收集处理系统是生态建筑的重要形式，绿色屋面雨水收集处理系统主要依靠屋面铺设的绿色植被对于雨水进行清洁处理，然后对处理完成后的雨水进行收集利用。绿色屋面包含多层结构，最上层一般为植被层，植被层下方是供植物生长的土壤层，土壤层下方为过滤层，能够对雨水做进一步过滤处理。过滤层下方为蓄排水层，过滤之后的雨水会经蓄排水层得到收集，蓄排水层下方为屋顶结构。绿色屋面雨水收集处理系统与传统屋面雨水收集处理系统的差异之处在于前者将针对雨水进行的过滤处理等装置全部集中于屋面结构之上，当雨水落入到屋顶植被当中时，可以首先被植被以及土壤进行初次过滤，植被以及土壤能够对雨水中存在的污染物起到一定的清洁过滤效果。随着雨水不断下渗，过滤层可以针对雨水进行进一步的清洁处理，之后雨水到达蓄排水层得到收集，并且最终汇集至贮存池，便于后续利用。绿色屋面雨水收集处理系统相较于传统屋面雨水收集处理系统而言，具备更好的生态效益，一方面是屋顶覆盖的绿色植被，除了完成雨水收集处理外，还能够有效提升区域植被面积，依靠绿色植物实现净化空气等多方面的功能。另一方面依靠植被完成雨水净化处理，能够避免传统雨水收集处理过程中所需的能源消耗，进一步提升屋面雨水收集利用的综合效益。

三、自动力自清洁屋面雨水收集处理系统设计

（一）自动力自清洁屋面雨水截污装置设计

传统屋面雨水收集处理系统多依靠重力排水完成雨水收集，因此能够达成自动力要求，但是杂物经过雨水截污装置截流后会淤积在排水口，无法实现自清洁功能，如不及时清理会导致屋面雨水收集效果大大减弱。针对屋面雨水截污装置进行自清洁设计需要满足两方面要求，首先要保证收集系统能够实现对杂物良好的清除效果，其次要保证截污装置能够在雨水作用下实现自清洁功能。针对截污进行的自动力自清洁设计主要在屋面排水管下方增设截污装置，携带泥沙、落叶等杂质的雨水进入排水管道后会直接落入下方的截污装置当中。随着降水量的不断增加，截污装置内部水位不断上升，落叶等杂物的高度也随之不断抬升。当液位高度到达排水管与截污装置的连接处时，过滤网格可以针对杂物进行阻挡，雨水则能够经过旁路管道进入存贮池，从而实现雨水收集。自清洁屋面雨水截污装置能够对于初期雨水以及其中规格较大的杂物进行有效清除，并不会对过滤网格造成堵塞。同时，初期雨水可以通过下方的排污口进行统一排除，避免对存贮池的雨水造成污染。在工程实践中，可根据以上思路，进行不同工况、不同重现期降雨的专项设计。

（二）自动力自清洁屋面雨水过滤装置设计

针对屋面雨水进行过滤处理是回收利用的必要步骤，雨水在与空气以及屋面接触的过程中会沾染较多污染物和杂质，将其直接用于灌溉等用途可能会导致植物的生长受到影响，通过大量分析，不同过滤方式对于雨水处理的效果如表2所示。

表2 不同过滤方式处理效果

依靠过滤装置能够对雨水中存在的污染物以及杂质等进行有效地清洁处理。传统屋面雨水收集利用装置主要依靠过滤材料的堆叠实现过滤效果，过滤层在雨水通过时会将其中存在的杂质进行吸附，但是随着使用时间的增长，过滤层中吸附的污染物数量不断增加，会导致过滤效果逐渐减弱，影响雨水的二次利用。传统雨水收集利用系统中的过滤结构并不具备自清洁效果，因此需要进行改良设计。自清洁屋面雨水过滤装置的设计思路为借助雨水的重力给过滤层施加动力，使过滤层得到一定的自清洁效果。过滤结构本身设计有一定的角度，雨水经由旁路管道进入过滤结构中时，可以依靠重力驱动过滤桶旋转，旋转过程中通过离心力将杂物分离，使其落入到旁边的杂物收集装置当中^[7]。这一过程中过滤桶能够对于雨水进行有效过滤，同时也能够进行持续的自清洁，有效解决了过滤装置使用过程中存在的堵塞等问题。

结束语

雨水资源作为一种优质淡水资源，针对其进行回收利用能够有效提升水资源综合利用率，响应生态环境保护的理念。当前阶段针对屋面雨水进行收集处理是雨水资源回收利用的主要方向之一，已具备了丰富的研究和工程实践经验，但主流的屋面雨水收集处理系统存在着一些不足，收集和处理仍然需要额外动力支持，在一定程度上也会影响运行效率，导致资源的浪费。本文提到的自动力自清洁屋面雨水收集处理系统的设计思路，无需额外动力驱动即可对屋面雨水进行回收和处理，适用于各种屋面排水工况，在实际工程中可以进行更为专项和细化的设计，能够提高雨水收集处理的效率，降低装置的应用成本，是对传统屋面排水设计的进一步改进，可为节约优质水资源、提升水资源综合利用率做出一定贡献。

参考文献

[1] 黄飞. 粮代处出席《2021年世界粮食和农业领域土地及水资源状况》高级别发布会[J]. 世界农业,2022(1):封3.

[2] 车伍,刘燕,李俊奇. 国内外城市雨水水质及污染控制[J]. 给水排水,2003,29(10):38-42.

[3] 纪桂霞,王平香,邱卫国. 上海市屋面雨水水质监测与处理利用方法研究[J]. 上海理工大学学报,2006,28(6):594-598.

[4] 董海霞. 浅谈秦皇岛市雨水利用现状与趋势[J]. 价值工程,2012,31(16):324-325.

[5] 李学良,归谈纯. 悬吊管变径形式对压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统水力状况的影响研究[J]. 给水排水,2011,37(11):149-155.

[6] Campisano A ,  Butler D ,  Ward S , et al. Corrigendum to "Urban rainwater harvesting systems: Research, implementation and future perspectives" [Water Res. 115 (2017) 195–209][J]. Water Research, 2017, 121:386.

[7] 烟台大学. 自动力自清洁屋面雨水收集处理系统装置:CN201721421883.9[P]. 2018-06-29.