不缺水地區雨水蓄水池容積優化計算

楊文濤 程 偉

(1.中國人民解放軍總后勤部建筑工程規劃設計研究院武漢分院，湖北 武漢 430010;2.華中科技大學文華學院城市建設工程學部，湖北 武漢 430010)

不缺水地區雨水蓄水池容積優化計算

楊文濤1程 偉2*

(1.中國人民解放軍總后勤部建筑工程規劃設計研究院武漢分院，湖北 武漢 430010;2.華中科技大學文華學院城市建設工程學部，湖北 武漢 430010)

以武漢市某小區為例，分別采用簡單公式法和計算機逐日模擬法進行雨水蓄水池容積的計算,計算結果表明，采用簡單公式計算得出的雨水蓄水池有效容積較大，投資回收期較長，不符合經濟性最優；用最短投資回收期確定的雨水蓄水池容積較小，但雨水的利用率較低；降低雨水供水保證率，可有效提高雨水利用工程的經濟性。

雨水利用，雨水蓄水池，容積

為節約水資源，綠色建筑評價標準將使用傳統水源納入評價指標體系，并明確提出綠化景觀、洗車等用水采用非傳統水源作為節水與水資源利用指標的一般項要求[1]。雨水污染輕，一般經簡單處理后便可利用，如設計合理，使用成本低于其他非傳統水源，而且能減緩城市雨洪危害，減輕城市排水系統負荷，減少水污染。不缺水地區在考慮使用非傳統水源回用時，應盡可能首先考慮雨水利用[2]。目前，很多建筑小區開始引入雨水利用工程。但由于降雨存在水量及時間上的不確定性，因此需要設置雨水調蓄池。其容積的合理確定十分重要，關系到雨水資源利用和工程經濟效益的平衡。

1 概況

武漢江河湖泊眾多，水氣充足，同時受來自太平洋、印度洋潮濕氣流的影響。屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量豐沛，屬于不缺水城市。但降雨多集中在每年的6月～8月間，此期間常發生暴雨和大暴雨。

本研究將以武漢市某小區為例進行雨水蓄水池容積的計算，該小區凈用地面積為12 hm2，建筑屋面面積為20 739.00 m2，道路面積為39 914.00 m2，規劃住戶3 979戶，綠化面積約60 000 m2。

2 可利用雨水量計算

根據武漢市近年降雨資料，多年平均降雨量1 180.98 mm。如考慮在小區范圍內對雨水進行全收集，則小區平均每年可收集徑流雨水總量可按下式估算：

W1=ΨHA。

其中，Ψ為徑流系數；H為降雨量,mm；A為匯水面積，ha。

計算得該小區的可集蓄利用雨水量為59 730.45 m3，計算結果見表1。如果不考慮初期雨水的棄流和季節折減的影響，雨水可回用量宜按雨水設計徑流總量的90%計，全年雨水可保證每日53 757.40 m3/d的供給。則雨水設計徑流總量為147.3 m3/d。但是，如雨水全部回用將造成雨水利用工程的蓄水池將十分龐大，很不經濟[3]。因此，本研究考慮將雨水利用系統的蓄水池容積進行優化計算。

表1 小區年產生雨水徑流量

3 設計日降雨量計算

當重現期為T=1，2年時，設計頻率分別為：

由理論累積頻率曲線查得：重現期為1年時的設計日降雨量為98.79mm，重現期為2年時的設計日降雨量為136.87mm。

4 雨水蓄水池池容的計算

根據GB 50400-2006建筑與小區雨水利用技術規范，雨水池有效容積的確定可以采用兩種方法：簡單公式法和計算機模擬法。

1)簡單公式法。利用簡單公式法計算時，結合趙世明等人[4]針對建筑小區雨水利用工程的規模設計研究，雨水儲存設施的有效儲水容積不宜小于集水面上重現期為1年～2年的日雨水設計徑流總量扣除設計初期徑流棄流量。雨水池有效容積可按下式計算：

V=∑ΨiAi(H-ai)。

本研究中初期雨水棄流按小區屋面、路面分別控制在2 mm和6 mm[5,6]，降雨量的重現期分別選取1年，2年。計算結果見表2。利用簡單公式得到，設計重現期為1年時雨水池有效容積為4 800 m3，而設計重現期為2年時的雨水池有效容積為6 750 m3。

表2 不同重現期雨水蓄水池容積計算

2)計算機模擬法。計算機模擬法是以近十年武漢降雨量日值數據進行逐日水量平衡分析，通過優化比較選出該保證率下的最優雨水池容積和供水規模。如前所述，雨水最大供水規模為147.3 m3/d，取值范圍可限定在0 m3/d～150 m3/d之間，以10 m3/d為增量遞增；設計重現期為2年時的雨水池有效容積為6 750 m3，則雨水池容積取值范圍可限定在0 m3～6 800 m3之間，以200 m3為增量遞增。本研究針對不同雨水利用工程供水規模，對不同容積的雨水蓄水池，用近十年武漢降雨量日值數據進行逐日水量平衡分析，模擬計算出其供水保證率，其模擬結果詳見圖2。

由圖2可知，雨水利用工程的規模和雨水蓄水池容積共同影響著供水保證率。對某一確定的雨水供水規模，雨水池的池容越大，雨水利用工程的供水保證率越高；而池容一定時，雨水利用工程的供水規模越小，雨水利用工程的供水保證率越高。為高效利用雨水資源，保證雨水利用系統運行的穩定性，本研究將小區雨水供水保證率定為90%以上。通過模擬結果可得雨水供水保證率為90%情況下各供水規模所需的雨水池最小有效容積，見表3。

表3 90%供水保證率下各雨水供水規模的雨水池最小有效容積

用三次多項式對表3數據進行曲線擬合，可得到雨水供水保證率為90%情況下雨水供水規模與該規模所需的雨水池最小有效容積的關系曲線，如圖3所示，其擬合曲線方程式y=0.015 95Q3-0.738 9Q2+ 27.197 04Q(R2=0.999)。

由圖3可見雨水蓄水池容積隨雨水供水規模的增大而迅速增大，過大的雨水調蓄池容積使得工程投資相應增加。為確定最佳規模，對雨水利用工程的投資回收期進行計算。雨水調蓄池建設投資按600元/m3的單價計算，雨水處理系統投資按2 000元/(m3/d)計算；雨水利用工程制水成本按0.30元/m3計，每回用1 m3的雨水的經濟效益按節約1 m3自來水計算，武漢市自來水價為2.55元/m3；根據擬合多項式，則該項目投資回收期約為0.011 63Q2-0.539 84Q+22.305 29(年)，可知雨水供水規模為23.16 m3/d時，蓄水池容積為431.69 m3，此時項目投資回收期有最小值約為16.05年。不同雨水利用規模的投資回收期見表4。

表4 不同規模雨水利用系統投資回收期

規模處理系統投資/元蓄水池容積/m3蓄水池投資/元總投資元年盈利元投資回收期/年1020000214.03128418.24148418.248212.5018.072040000375.98225588.48265588.4816425.0016.173060000581.55348930.72408930.7224637.5016.604080000926.44555864.96635864.9632850.0019.36501000001506.35903811.201003811.2041062.5024.45601200002416.981450189.441570189.4449275.0031.87701400003754.032252419.682392419.6857487.5041.62801600005613.203367921.923527921.9265700.0053.70

由表4可以看出超過23.16 m3/d后，隨雨水利用工程規模的逐漸增大，雨水蓄水池容積迅速增大，造成雨水系統投資回收期增長迅速。對于采用簡單公式法計算出來的重現期為1年和2年雨水蓄水池容積對應供水規模分別為76 m3/d和85 m3/d，其投資回收期分別為48.59年和60.61年。雖然供水規模為23.16 m3/d時，蓄水池容積為432 m3，此時投資回收期最短，但其雨水利用率僅為14.5%，大量雨水資源沒有得到有效地利用。當供水規模為50 m3/d時，雨水利用率達34.6%，能較好地利用雨水資源，其回收期為24.45年，在可接受范圍之內，此時蓄水池有效容積為1 450 m3。研究還發現，如降低雨水供水保證率，可有效提高雨水系統的經濟性。如將保證率降低為80%，則建設規模為50 m3/d的雨水利用工程，蓄水池容積減小為800 m3，其年雨水利用率仍達到30.7%，但其投資回收期僅為14.12年。

5 結語

在武漢這種不缺水，但降雨具有明顯時間分布不均勻性的城市，兩種雨水蓄水池容積計算方法的結果表明：1)簡單公式法計算得出的雨水蓄水池有效容積較大，投資回收期較長，不符合經濟性最優；2)用最短投資回收期確定的雨水蓄水池容積較小，但雨水的利用率較低；3)采用提高自來水補充比例，降低雨水供水保證率，可有效提高雨水利用工程的經濟性。

[1] GB/T 50378-2006，綠色建筑評價標準[S].

[2] 徐宇同.蘇南居民小區雙水源中水回用應用研究[D].蘇州:蘇州科技學院，2010.

[3] 舒 壘.屋面降水利用優化研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[4] 趙世明，趙 鋰.建筑與小區雨水利用工程規模的分析[J].中國給水排水，2007(24)：84-87.

[5] 謝 蓉.深圳市住宅小區節水節能設計探討[J].給水排水，2013(S1):437-439.

[6] 蘇秀銀.對桂林市小區雨水收集利用的分析[J].科協論壇(下半月)，2009(12):111-112.

Optimal calculation of the volume of rainwater storage basin in rich water region

YANG Wen-tao1CHENG Wei2*

(1.WuhanBranchInstitute,PRCGeneralLogisticBuildingEngineeringPlanning&DesignAcademy,Wuhan430010,China;2.DepartmentofCityBuildingEngineering,WenhuaCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430010,China)

Taking one Wuhan community as an example, the paper calculates the rainwater storage basin volume with simple formula methods and computer simulation method. The calculation results show that: the effective rainwater storage basin volume calculated with simple formula is bigger, with longer investment fund recycling duration and lower economy, while the effective rainwater storage basin volume calculated with minimum investment duration is smaller with lower utilization ratio and reducing rainwater supply guarantee ratio, which can effectively improve the economy of rainwater utilization engineering.

rainwater utilization, rainwater storage basin, volume

1009-6825(2014)22-0130-03

2014-05-12

楊文濤(1974- )，男，工程師; 程 偉(1975- )，女，講師

TU823.6

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