北京地區(qū)雨水集蓄用于綠化時供水保證率分析研究

李俊奇， 幺海博， 劉 洋

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

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北京地區(qū)雨水集蓄用于綠化時供水保證率分析研究

李俊奇， 幺海博， 劉 洋

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

提出了雨水集蓄用于綠化時供水保證率的兩種算法：年均值法和日值法. 以北京為例，用這兩種算法分別進(jìn)行計(jì)算、對比分析，并對日值法計(jì)算的不同下墊面比例構(gòu)成地塊的綜合徑流系數(shù)與雨水設(shè)施綠化供水保證率曲線進(jìn)行擬合，建立了以設(shè)計(jì)降雨量hd及徑流系數(shù)φ為自變量的綠化供水保證率關(guān)系曲線. 計(jì)算方法和結(jié)果可以用于雨水集蓄設(shè)施規(guī)模設(shè)計(jì)和用水量計(jì)算的依據(jù).

城市雨水； 雨水集蓄； 綠化供水保證率； 年均值法； 日值法

雨水集蓄利用是海綿城市背景下多目標(biāo)雨水系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一. 《北京市節(jié)約用水辦法》(155號令)規(guī)定，住宅小區(qū)的綠化和景觀用水應(yīng)當(dāng)使用再生水和雨水，對公共供水設(shè)施、消防設(shè)施取水的單位或住宅小區(qū)處以最高3萬元的罰款. 隨著水資源供需矛盾的加劇及對節(jié)約用水觀念的加深，此類規(guī)定會更多、更嚴(yán)格. 到目前為止，北京地區(qū)現(xiàn)已建成雨水利用設(shè)施2 000余項(xiàng)，其中用于綠化澆灌的水量占雨水收集總量的比例超過50%. 由于降雨的時空分布不均勻，綠化用水又具有一定的地域特征和季節(jié)特征，因此，雨水集蓄利用設(shè)施能滿足的需水量及其供水保證率問題是設(shè)計(jì)和管理決策時常被困擾的問題之一. 進(jìn)行雨水設(shè)施設(shè)計(jì)時，要考慮到雨水設(shè)施規(guī)模的合理性與經(jīng)濟(jì)性，為此應(yīng)計(jì)算雨水設(shè)施的供水保證率，優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)模，合理確定其服務(wù)的綠化面積，也為合理確定備用水源提供依據(jù).

事實(shí)上，雨水系統(tǒng)用于綠化的供水保證率的影響因素復(fù)雜，主要包括降雨的隨機(jī)性和不確定性；集流面積與綠化面積的比例；植物品種和種植密度；澆灌方式和管理水平；土壤類型及其保墑能力等.

雨水集蓄利用系統(tǒng)用于綠化時供水保證率的計(jì)算方法，根據(jù)所采用的降雨資料統(tǒng)計(jì)方式的不同分為年均值法[1]和日值法. 年均值法是以年均降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，而日值法則是采用24h真實(shí)降雨數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行計(jì)算. 需要指出，這兩種方法計(jì)算的匯流面均以園區(qū)為單位且“自產(chǎn)自消”，即收集園區(qū)內(nèi)的雨水用于自身內(nèi)部的綠化澆灌. 本文以北京典型綠化澆灌規(guī)律為例，在對北京1977—2006年30 a降雨資料統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別用年均值法和日值法求算出不同典型綠化率(對應(yīng)不同的徑流系數(shù))和不同設(shè)計(jì)降雨量時對應(yīng)的供水保證率，并在日值法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上擬合出相應(yīng)的計(jì)算公式，可供雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時參考.

1 年均值法

1.1 計(jì)算過程

年均值法主要是根據(jù)年均集蓄水量和年綠化需水量進(jìn)行計(jì)算. 年均集蓄水量采用頻率累計(jì)法[2]，與雨水池有效容積、蓄滿次數(shù)直接相關(guān)，并假設(shè)收集的雨水在降雨間隔內(nèi)全部用完.

雨水池容積按以下公式計(jì)算：

V=10αφhdF

(1)

式中：V——雨水池設(shè)計(jì)容積，m3； 10——單位換算系數(shù)；α——初期雨水棄流折減系數(shù)，北京地區(qū)取0.87[3]；

φ——匯流面綜合體積(雨量)徑流系數(shù)(以下簡稱徑流系數(shù))；

hd——設(shè)計(jì)降雨量，mm;

F——匯水面積，hm2.

在理論上，雨水池的年均滿蓄次數(shù)等于由集水面每年提供的總水量與雨水池的有效容積之比，但在實(shí)際應(yīng)用時，由于日降雨量的差異性，真正年均滿蓄次數(shù)可按設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的天數(shù)計(jì)算[4]. 分析北京地區(qū)1977—2006年降雨資料，統(tǒng)計(jì)出日降雨量大于等于某值所對應(yīng)的年均降雨天數(shù)，以便確定一年內(nèi)雨水集蓄設(shè)施的滿蓄次數(shù)，如表1所示.

頻率累計(jì)法即按照設(shè)計(jì)降雨量從小到大逐步遞推計(jì)算年均可收集的雨水量. 具體計(jì)算步驟為：先計(jì)算最小設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均可收集水量，等于最小設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均蓄滿次數(shù)與該設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的雨水池設(shè)計(jì)容積的乘積；然后計(jì)算次小設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均可收集水量，等于該設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均蓄滿次數(shù)和該設(shè)計(jì)降雨量與緊前設(shè)計(jì)降雨量(第一次計(jì)算時是指最小設(shè)計(jì)降雨量)對應(yīng)的雨水設(shè)計(jì)容積之差的乘積，再加上緊前設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均可收集水量. 依次類推，計(jì)算各設(shè)計(jì)降雨量對應(yīng)的年均收集水量.

表1 北京地區(qū)3—10月份降雨資料統(tǒng)計(jì)表(1977—2006年)

年均值法計(jì)算中的另一個因素是年綠化需水量，其在數(shù)值上等于園區(qū)內(nèi)綠化面積與單位面積綠地年需水量的乘積，根據(jù)北京市園林局?jǐn)?shù)據(jù)分析，單位面積綠地年需水量為0.6 m3/m2. 基于以上計(jì)算，雨水設(shè)施年均集蓄水量與服務(wù)面積內(nèi)的年綠化需水量之比即為綠化供水量保證率.

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

以北京某小區(qū)為例計(jì)算雨水池收集的水量用于綠化澆灌時的供水量保證率. 假設(shè)小區(qū)總匯水面積為1 hm2, 場地下墊面構(gòu)成主要為屋頂、路面和綠地. 小區(qū)內(nèi)雨水設(shè)施為一雨水收集池，無景觀水體. 按照上述過程，計(jì)算該小區(qū)不同綠化率(綜合徑流系數(shù)φ=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)時雨水設(shè)施設(shè)計(jì)降雨量與綠化供水量保證率的關(guān)系，見圖1. 綜合徑流系數(shù)按照硬質(zhì)屋頂0.9，路面0.9，綠地0.15，按其面積比例構(gòu)成加權(quán)平均計(jì)算求出.

從圖1可以看出，當(dāng)計(jì)算區(qū)域的綠化率確定后，綜合徑流系數(shù)即確定，綠化供水量保證率隨著雨水池規(guī)模的增加而成對數(shù)趨勢增大. 同一雨水設(shè)施規(guī)模(設(shè)計(jì)降雨量)時，綜合徑流系數(shù)越大，供水保證率越大. 在徑流系數(shù)≥0.7即綠化率≤27%的條件下，當(dāng)設(shè)計(jì)降雨量≥11 mm時，雨水設(shè)施綠化供水的理論保證率可以達(dá)到并超過100%，即雨水設(shè)施收集雨水有富余，可作其他用途；同樣，在徑流系數(shù)≥0.8即綠化率≤13%的條件下，當(dāng)設(shè)計(jì)降雨量≥4 mm時，雨水設(shè)施綠化供水的理論保證率可以達(dá)到并超過100%.

需要說明，以上計(jì)算未考慮降雨量和綠化需水量的規(guī)律和隨機(jī)性，只是均值計(jì)算，忽略了降雨場次、降雨間隔及雨天不澆灌等因素. 另外，年均值法假設(shè)集蓄的水量在降雨間隔內(nèi)全部用完，即累計(jì)到下場降雨的集蓄水量為0，事實(shí)上，雨水設(shè)施所集蓄的水量在降雨間隔內(nèi)往往用不完，尤其是北方地區(qū)降雨多集中在7月、8月份，而此時的綠化需水量較小，若只用于綠化澆灌難免會有富余. 除此之外，年均值法在計(jì)算過程中對所有降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沒有考慮降雨量很小而不產(chǎn)流的情形，這就在無形當(dāng)中造成誤差，使計(jì)算的供水保證率偏大.

鑒于以上年均值法計(jì)算的缺陷，建議以日降雨量為計(jì)算單位進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況，以下稱為“日值法”. 以北京地區(qū)1977—2006年真實(shí)降雨資料為例進(jìn)行分析.

2 日值法

2.1 計(jì)算過程

2.1.1 計(jì)算條件

1)假設(shè)24 h降雨即為一場降雨，即日降雨量等于場降雨量. 對1977—2006年北京地區(qū)30 a中3—10月的24 h降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，考慮到小于等于2 mm的降雨不會形成徑流，故除去降雨量小于等于2 mm的降雨場次，不參與計(jì)算分析.

2)若某場降雨所集蓄的雨水在兩場降雨干期內(nèi)用不完，則累計(jì)到下一場雨參與計(jì)算；由于多數(shù)雨水集蓄利用工程項(xiàng)目會在冬- 春季節(jié)進(jìn)行放空檢修，所以每年最后一場降雨收集的水量不累計(jì)到下一年第一場降雨的計(jì)算.

3)綠化用水量根據(jù)北京市園林局?jǐn)?shù)據(jù)分析，綠化用水綜合年需水總量為0.6 m3/m2，各月需水量見表2，澆灌時間為每年的3—10月份. 假設(shè)在降雨量小于2 mm(包括降雨為0)的天數(shù)內(nèi)，綠地均需澆灌且日需水量相等，比如2006年5月降雨量小于2 mm(包括降雨為0)的天數(shù)為26 d，則2006年5月份綠化日需水量為0.15/26=5.8×10-3m3/(m2·d).

表2 北京地區(qū)3—10月份月均綠化需水量

2.1.2 計(jì)算過程

1)計(jì)算一定匯流面積的某場降雨所產(chǎn)生的徑流量，公式為：

Q=10αφhF

(2)

式中：Q——徑流量，m3；h——場降雨量，mm.

2)雨水池的設(shè)計(jì)容積按公式(1)計(jì)算.

3)為計(jì)算每場降雨可收集的水量，應(yīng)先計(jì)算降雨前雨水池內(nèi)的剩余水量. 由于每年最后一場雨收集的水量不累計(jì)到下一年第一場雨收集水量的計(jì)算，所以每年第一場降雨前雨水池的剩余水量均為0，其他降雨場次降雨前雨水池的剩余水量按下式計(jì)算：

Qb=(Qb-1+Qe-1)-Qdn

(3)

式中:Qb——本場降雨前雨水池剩余水量，m3；Qb-1——緊前一場降雨前雨水池剩余水量，m3；

Qe-1——緊前一場降雨收集的水量，m3；

Qd——計(jì)算區(qū)域內(nèi)日均綠化需水量，m3；

n——距前一場降雨的干期間隔天數(shù).

若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則令Qb=0.

4)基于以上場降雨事件徑流量Q、雨水池容積V、降雨前雨水池剩余水量Qb，每場降雨可收集水量Qe為：

溢流量Qo=Q-Qe=(Q+Qb)-V，若計(jì)算出負(fù)值，則溢流量Qo=0.

5)每年雨水設(shè)施供水量保證率可按下列過程計(jì)算：

每年雨水設(shè)施供水量Wy為所有場次降雨收集水量的累加總量，即

Wy=∑Qe

(6)

式中：Wy——每年雨水設(shè)施的供水量，m3；Qe——每場降雨可收集水量，m3.

則每年雨水設(shè)施供水量保證率為：

η=Wy/Ww×100%

(7)

式中:η——每年雨水設(shè)施供水量保證率；Ww——每年總的綠化需水量，m3.

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

以北京某小區(qū)為例計(jì)算雨水池收集的水量用于綠化澆灌時的供水量保證率. 假設(shè)小區(qū)總匯水面積為1 hm2, 場地下墊面構(gòu)成主要為屋頂、路面和綠地. 小區(qū)內(nèi)雨水設(shè)施為一雨水收集池，無景觀水體.

將北京地區(qū)1977—2006年降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，3—10月份每月平均降雨天數(shù)和平均降雨量見表3. 按照日值法計(jì)算過程，分別計(jì)算出30 a該小區(qū)不同綠化率(綜合徑流系數(shù)φ=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)，不同設(shè)計(jì)降雨量時，雨水設(shè)施的綠化供水量保證率，然后對這30 a相同徑流系數(shù)相同設(shè)計(jì)降雨量下的雨水設(shè)施綠化供水量保證率求取平均值，即為日值法計(jì)算的不同徑流系數(shù)不同規(guī)模設(shè)施的綠化供水量保證率，見圖2.

從圖2可以看出，在不同徑流系數(shù)和設(shè)計(jì)降雨量下，北京地區(qū)雨水設(shè)施實(shí)際的綠化供水量保證率都不可能達(dá)到100%. 與年均值法的計(jì)算結(jié)果相似，在同一徑流系數(shù)下，綠化供水量保證率隨著雨水設(shè)施規(guī)模的增大而增大，且呈對數(shù)增長. 在同一設(shè)計(jì)降雨量下，雨水設(shè)施綠化供水量保證率隨著徑流系數(shù)的增大而增大，這是由于隨著徑流系數(shù)的增大，硬化面積增大，綠化面積減少，綠化需水量也相應(yīng)減少.

表3 北京地區(qū)30 a平均每月降雨天數(shù)及降雨量

注：不考慮≤2 mm的降雨場次.

對圖2中不同徑流系數(shù)的雨水設(shè)施供水量保證率曲線進(jìn)行擬合，得到如表4所示的擬合方程，型式為η=aln(hd)+b，其中a、b為常數(shù)；再將其進(jìn)行回歸分析，得到以設(shè)計(jì)降雨量hd和徑流系數(shù)φ為自變量的雨水設(shè)施供水量保證率η的計(jì)算公式：

η=0.022e2.815φln(hd)+2.442φ10.74

(8)

式中，設(shè)計(jì)降雨量hd取值范圍為10～40 mm，徑流系數(shù)φ取值范圍為0.3～0.8. 將該式的計(jì)算結(jié)果與日值法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，誤差小于1%，實(shí)際應(yīng)用時可以直接采用式(8)計(jì)算，也采用表4的公式計(jì)算.

表4 雨水集蓄利用系統(tǒng)綠化供水量保證率擬合方程

3 年均值法與日值法計(jì)算結(jié)果對比

通過比較，年均值法與日值法的計(jì)算結(jié)果存在較大偏差. 如當(dāng)徑流系數(shù)為0.6時，分別采用年均值法與日值法計(jì)算的不同規(guī)模雨水設(shè)施綠化供水量保證率，見圖3.

從圖3可以明顯看出，兩條曲線的趨勢基本相同，隨著雨水池規(guī)模(設(shè)計(jì)降雨量)的增大，綠化供水量保證率均呈對數(shù)增長. 但在相同雨水設(shè)施規(guī)模下，年均值法計(jì)算得出的供水量保證率高于日值法的計(jì)算結(jié)果，例如設(shè)計(jì)降雨量為40 mm時，年值法計(jì)算的供水量保證率達(dá)86%，大約是日值法計(jì)算結(jié)果的1.8倍. 造成這種現(xiàn)象的主要原因是，年均值法假設(shè)收集的水量在降雨間隔內(nèi)全部用完，而使得每場降雨都能夠收集雨水設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)模的水量，實(shí)際上，在雨季降雨比較頻繁，綠化需水量又相應(yīng)減少，在大多數(shù)情況下不能收集設(shè)計(jì)規(guī)模相應(yīng)的水量，所以上述假設(shè)使得雨水設(shè)施的集蓄水量偏大而造成結(jié)果偏大.

4 結(jié)論

1)當(dāng)下墊面比例確定時，綠化供水量保證率隨著雨水設(shè)施規(guī)模的增大而增大，且呈對數(shù)增長. 在同一設(shè)計(jì)降雨量下，雨水設(shè)施綠化供水量保證率隨著徑流系數(shù)的增大而增大.

2)北京地區(qū)在相同綠化率及相同設(shè)計(jì)降雨量下，由年均值法計(jì)算得出的雨水設(shè)施供水保證率均高于日值法的計(jì)算結(jié)果. 徑流系數(shù)為0.6、設(shè)計(jì)降雨

量為40 mm時，年均值法的計(jì)算結(jié)果是日值法計(jì)算結(jié)果的1.8倍，日值法更接近實(shí)際情況. 因此，在進(jìn)行雨水設(shè)施綠化供水保證率分析時應(yīng)采用日值法計(jì)算，可直接采用η=0.022e2.815φln(hd)+2.442φ10.74進(jìn)行計(jì)算.

3)北京地區(qū)按降雨量34 mm設(shè)計(jì)雨水池規(guī)模(約相當(dāng)于90%年降雨場次控制率，85%的徑流總量控制率)時，根據(jù)日值法計(jì)算，當(dāng)徑流系數(shù)為0.6時，以該規(guī)模設(shè)計(jì)的雨水集蓄設(shè)施供水量保證率為47%，可節(jié)省的水量約達(dá)全年綠化灌溉用水量的50%.

[1] Li Junqi, Yao Haibo, Liu Yang, et al. Guarantee rate analysis of water supply from rainwater harvesting system for watering green areas: case study in Beijing[A]∥8th International Conference on Urban Watershed Management-Water Systems in Rapidly Urbanizing Areas[C]. Beijing,2011

[2] 李俊奇,余蘋,車伍,等. 城市雨水集蓄利用工程規(guī)模的優(yōu)化[J]. 中國給水排水,2005,21(3): 49-52

[3] 車伍，李俊奇.城市雨水利用技術(shù)與管理[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006：22-23

[4] 潘國慶,車伍,李俊奇,等. 城鎮(zhèn)雨水收集利用儲存池優(yōu)化規(guī)模的探討[J]. 給水排水,2008,34(12): 42-47

[責(zé)任編輯：王志兵]

Water Supply Guarantee Rate Analysis of Rainwater Harvesting System for Watering Green Areas: A Case Study in Beijing

Li Junqi, Yao Haibo, Liu Yang

(School of Environment and Energy Engineering, Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment,Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Bejing 100044)

Annual average value method and daily value method that are used to calculate guarantee rate of water supply from rainwater harvesting system(RWHS) for watering green areas were proposed. Taking Beijing as an example, these two methods were used for calculating and comparative analysis. Under corresponding runoff coefficients of different land types, curves of guarantee rate of water supply from RWHS were fitted, and the fitting equation based on designed rainfall hd and runoff coefficientφwas given. Calculation methods and the results can be used for RWHSproject scale design and water supply value calculation.

urban rainwater; rainwater harvesting; guarantee rate of water supply for watering green areas; annual average value method; daily value method

1004-6011(2016)03-0096-05

2016-09-18

北京市社會科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(14CSA001)；北京市科委2016年重大項(xiàng)目(D161100005916001)

李俊奇(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：城市雨水控制利用、環(huán)境管理制度設(shè)計(jì)等.

TU992.03

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