不缺水地區(qū)雨水蓄水池容積優(yōu)化計(jì)算

楊文濤 程 偉

(1.中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院武漢分院，湖北 武漢 430010;2.華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部，湖北 武漢 430010)

不缺水地區(qū)雨水蓄水池容積優(yōu)化計(jì)算

楊文濤1程 偉2*

(1.中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院武漢分院，湖北 武漢 430010;2.華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部，湖北 武漢 430010)

以武漢市某小區(qū)為例，分別采用簡(jiǎn)單公式法和計(jì)算機(jī)逐日模擬法進(jìn)行雨水蓄水池容積的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明，采用簡(jiǎn)單公式計(jì)算得出的雨水蓄水池有效容積較大，投資回收期較長(zhǎng)，不符合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；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(jīng)濟(jì)性。

雨水利用，雨水蓄水池，容積

為節(jié)約水資源，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將使用傳統(tǒng)水源納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并明確提出綠化景觀、洗車等用水采用非傳統(tǒng)水源作為節(jié)水與水資源利用指標(biāo)的一般項(xiàng)要求[1]。雨水污染輕，一般經(jīng)簡(jiǎn)單處理后便可利用，如設(shè)計(jì)合理，使用成本低于其他非傳統(tǒng)水源，而且能減緩城市雨洪危害，減輕城市排水系統(tǒng)負(fù)荷，減少水污染。不缺水地區(qū)在考慮使用非傳統(tǒng)水源回用時(shí)，應(yīng)盡可能首先考慮雨水利用[2]。目前，很多建筑小區(qū)開始引入雨水利用工程。但由于降雨存在水量及時(shí)間上的不確定性，因此需要設(shè)置雨水調(diào)蓄池。其容積的合理確定十分重要，關(guān)系到雨水資源利用和工程經(jīng)濟(jì)效益的平衡。

1 概況

武漢江河湖泊眾多，水氣充足，同時(shí)受來(lái)自太平洋、印度洋潮濕氣流的影響。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(fā)生暴雨和大暴雨。

本研究將以武漢市某小區(qū)為例進(jìn)行雨水蓄水池容積的計(jì)算，該小區(qū)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(guī)劃住戶3 979戶，綠化面積約60 000 m2。

2 可利用雨水量計(jì)算

根據(jù)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(qū)范圍內(nèi)對(duì)雨水進(jìn)行全收集，則小區(qū)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(shù)；H為降雨量,mm；A為匯水面積，ha。

計(jì)算得該小區(qū)的可集蓄利用雨水量為59 730.45 m3，計(jì)算結(jié)果見表1。如果不考慮初期雨水的棄流和季節(jié)折減的影響，雨水可回用量宜按雨水設(shè)計(jì)徑流總量的90%計(jì)，全年雨水可保證每日53 757.40 m3/d的供給。則雨水設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)[3]。因此，本研究考慮將雨水利用系統(tǒng)的蓄水池容積進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

表1 小區(qū)年產(chǎn)生雨水徑流量

3 設(shè)計(jì)日降雨量計(jì)算

當(dāng)重現(xiàn)期為T=1，2年時(shí)，設(shè)計(jì)頻率分別為：

由理論累積頻率曲線查得：重現(xiàn)期為1年時(shí)的設(shè)計(jì)日降雨量為98.79mm，重現(xiàn)期為2年時(shí)的設(shè)計(jì)日降雨量為136.87mm。

4 雨水蓄水池池容的計(jì)算

根據(jù)GB 50400-2006建筑與小區(qū)雨水利用技術(shù)規(guī)范，雨水池有效容積的確定可以采用兩種方法：簡(jiǎn)單公式法和計(jì)算機(jī)模擬法。

1)簡(jiǎn)單公式法。利用簡(jiǎn)單公式法計(jì)算時(shí)，結(jié)合趙世明等人[4]針對(duì)建筑小區(qū)雨水利用工程的規(guī)模設(shè)計(jì)研究，雨水儲(chǔ)存設(shè)施的有效儲(chǔ)水容積不宜小于集水面上重現(xiàn)期為1年～2年的日雨水設(shè)計(jì)徑流總量扣除設(shè)計(jì)初期徑流棄流量。雨水池有效容積可按下式計(jì)算：

V=∑ΨiAi(H-ai)。

本研究中初期雨水棄流按小區(qū)屋面、路面分別控制在2 mm和6 mm[5,6]，降雨量的重現(xiàn)期分別選取1年，2年。計(jì)算結(jié)果見表2。利用簡(jiǎn)單公式得到，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年時(shí)雨水池有效容積為4 800 m3，而設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2年時(shí)的雨水池有效容積為6 750 m3。

表2 不同重現(xiàn)期雨水蓄水池容積計(jì)算

2)計(jì)算機(jī)模擬法。計(jì)算機(jī)模擬法是以近十年武漢降雨量日值數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日水量平衡分析，通過(guò)優(yōu)化比較選出該保證率下的最優(yōu)雨水池容積和供水規(guī)模。如前所述，雨水最大供水規(guī)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(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2年時(shí)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(duì)不同雨水利用工程供水規(guī)模，對(duì)不同容積的雨水蓄水池，用近十年武漢降雨量日值數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日水量平衡分析，模擬計(jì)算出其供水保證率，其模擬結(jié)果詳見圖2。

由圖2可知，雨水利用工程的規(guī)模和雨水蓄水池容積共同影響著供水保證率。對(duì)某一確定的雨水供水規(guī)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(shí)，雨水利用工程的供水規(guī)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(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本研究將小區(qū)雨水供水保證率定為90%以上。通過(guò)模擬結(jié)果可得雨水供水保證率為90%情況下各供水規(guī)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(guī)模的雨水池最小有效容積

用三次多項(xiàng)式對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)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(guī)模與該規(guī)模所需的雨水池最小有效容積的關(guān)系曲線，如圖3所示，其擬合曲線方程式y(tǒng)=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(guī)模的增大而迅速增大，過(guò)大的雨水調(diào)蓄池容積使得工程投資相應(yīng)增加。為確定最佳規(guī)模，對(duì)雨水利用工程的投資回收期進(jìn)行計(jì)算。雨水調(diào)蓄池建設(shè)投資按600元/m3的單價(jià)計(jì)算，雨水處理系統(tǒng)投資按2 000元/(m3/d)計(jì)算；雨水利用工程制水成本按0.30元/m3計(jì)，每回用1 m3的雨水的經(jīng)濟(jì)效益按節(jié)約1 m3自來(lái)水計(jì)算，武漢市自來(lái)水價(jià)為2.55元/m3；根據(jù)擬合多項(xiàng)式，則該項(xiàng)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(guī)模為23.16 m3/d時(shí)，蓄水池容積為431.69 m3，此時(shí)項(xiàng)目投資回收期有最小值約為16.05年。不同雨水利用規(guī)模的投資回收期見表4。

表4 不同規(guī)模雨水利用系統(tǒng)投資回收期

規(guī)模處理系統(tǒng)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(guò)23.16 m3/d后，隨雨水利用工程規(guī)模的逐漸增大，雨水蓄水池容積迅速增大，造成雨水系統(tǒng)投資回收期增長(zhǎng)迅速。對(duì)于采用簡(jiǎn)單公式法計(jì)算出來(lái)的重現(xiàn)期為1年和2年雨水蓄水池容積對(duì)應(yīng)供水規(guī)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(guī)模為23.16 m3/d時(shí)，蓄水池容積為432 m3，此時(shí)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(méi)有得到有效地利用。當(dāng)供水規(guī)模為50 m3/d時(shí)，雨水利用率達(dá)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(nèi)，此時(shí)蓄水池有效容積為1 450 m3。研究還發(fā)現(xiàn)，如降低雨水供水保證率，可有效提高雨水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。如將保證率降低為80%，則建設(shè)規(guī)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(dá)到30.7%，但其投資回收期僅為14.12年。

5 結(jié)語(yǔ)

在武漢這種不缺水，但降雨具有明顯時(shí)間分布不均勻性的城市，兩種雨水蓄水池容積計(jì)算方法的結(jié)果表明：1)簡(jiǎn)單公式法計(jì)算得出的雨水蓄水池有效容積較大，投資回收期較長(zhǎng)，不符合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；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(lái)水補(bǔ)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(jīng)濟(jì)性。

[1] GB/T 50378-2006，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 徐宇同.蘇南居民小區(qū)雙水源中水回用應(yīng)用研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院，2010.

[3] 舒 壘.屋面降水利用優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

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

[5] 謝 蓉.深圳市住宅小區(qū)節(jié)水節(jié)能設(shè)計(jì)探討[J].給水排水，2013(S1):437-439.

[6] 蘇秀銀.對(duì)桂林市小區(qū)雨水收集利用的分析[J].科協(xié)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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