2010.12雨水利用工程设计长系列计算方法(人民黄河).doc

雨水利用工程设计长系列计算方法金彦兆基金项目：国家科技支撑计划项目（编号2006BAD01B04）、甘肃省创新团队建设项目（编号098TTCA006）作者简介：金彦兆（1963-），男，汉族，甘肃定西市人，正高级工程师，主要从事雨水利用、水资源规划与农业水资源高效利用研究工作。E-mail:（甘肃省水利科学研究院 兰州 730000）【摘 要】雨水利用工程设计最为关键的环节就是确定构成工程的集流面面积和蓄水设施容积，并使之合理匹配从而最大限度地发挥工程的使用效益。然而，目前实施的雨水利用工程集流面与蓄水设施之间的匹配性差，导致部分工程的使用效率亦较差。在获取长系列降水量资料的前提下，提出了雨水利用工程设计长系列计算方法，利用雨水利用工程蓄水设施的调蓄功能，结合水量平衡原理，根据工程特性合理确定计算时段，通过对诸时段来水、用水过程和时段末累计水量的计算确定，实现了雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施的合理匹配，有效提高了雨水利用工程设施的利用率。【关键词】雨水利用；工程设计；水量调控；设施匹配；长系列；计算方法The calculation method in the design of RWH projects based on chronological rainfall data seriesJin Yanzhao (Gansu Research Institute for Water Conservancy Lanzhou city 730000)Abstract: The determination of catchment area and the water storage capacity is the critical link in the design of the RWH projects, however, the catchment area matches the water storage capacity not very well at present, which leads to the inefficient usage of some projects. This paper provides a calculation method in the design of RWH projects based on chronological rainfall data series, using the regulational capacity function of the water storage facilities in RWH projects with the Water Balance principle, the calculated time intervals are determined fairly by the Engineering Property. Through the calculation of quality of the incoming water and water consumption of every time intervals, as well as the accumulative total water in the end of this time intervals, realize the rational matching between the catchment area and water storage capacity, increases the efficiency of the utilization of the facilities in RWH projects.Key words: RWH(Rainwater Harvesting); project design; water quantity adjustment; matching of the facilities; chronological rainfall data series; calculation method中图分类号：TV121+.9 文献标识码：A1 问题背景雨水利用工程在我国北方水资源短缺地区得到了大规模推广应用，对解决农村生活用水、发展农业补充灌溉、恢复生态植被发挥了十分重要的作用，取得了非常显著的经济、社会与环境效益。然而，由于雨水利用技术起步较晚，雨水利用工程的规划、设计一直处于一个较低水平，从工程建设现状来看，要么集流面数量不足，要么蓄水设施容积不足，往往出现集流面与蓄水实施不能良好匹配的情况，造成了部分工程设施的闲置和浪费1。随着雨水利用学科的形成、技术体系的完善和研究工作的不断深入，雨水利用技术理论探索取得重大进展，雨水利用工程设计长系列计算方法的提出，在理论上为解决雨水利用工程集流面面积与蓄水设施容积之间的最佳匹配提供了十分有效的方法，可显著提高雨水利用工程设施的使用效率。2 基本方法集流面与蓄水设施的合理匹配，是指一定数量集流面在设计供水保证率情况下的集水量和与之配套的蓄水设施容积相适应。传统的计算方法是年雨量法，即根据规划工程的设计供水保证率，确定该保证率下的年总降水量，以此进行规划集流面和蓄水设施的设计，其基本原理是根据供水量（即需水量）的大小，在确定蓄水设施复蓄指数的情况下计算确定蓄水设施的容积。随着雨水利用技术的发展，目前比较成熟的计算方法有典型年法和长系列法。而在雨水利用工程蓄水设施容积典型年计算方法中，由于典型年降水过程和降水量的唯一性，在以需定供的设计原则下，使得集流面与蓄水设施的匹配同样具有唯一性和确定性2。但长系列计算方法的设计初衷是追求集流面与蓄水设施之间的最佳匹配，从而实现雨水利用工程设施的的经济利用。其基本方法是通过对一定数量的集流面匹配一定容积的蓄水设施，实现对雨水的收集和调控利用，使得设计用水对象在整个长系列降水过程的用水能够满足设计供水保证率要求。在此计算过程中，由于调蓄利用水量同时受控于集流面面积和蓄水设施容积两个因素，从而使得计算结果存在多个不同的面积和容积组合。也就是说，在长系列计算方法中，只要给定一定量的集流面数值，总会有一个容积数值使得设计工程能够满足设计供水保证率要求。在这些组合中，总有一组组合使得集流面工程和蓄水设施容积的建设造价最小，则这组组合即为雨水利用工程集流面与蓄水设施的最佳组合。3 计算方法雨水利用工程蓄水设施容积长系列计算方法的基本原理是在划分计算时段的基础上，利用蓄水设施的调蓄能力，通过对不同时段来水、用水过程的水量平衡计算，确定长历时条件下满足设计供水保证率时的集流面面积和蓄水设施容积3。其中计算时段可根据长系列资料情况确定，一般以月或旬作为计算时段。当资料详实或有应用需要时，也可选择7天或5天作为计算时段。为减少试算工作量且在实现工程设施之间合理匹配的同时，尽量满足最佳匹配的要求，具体计算时，首先根据长系列降水资料分析确定设计供水保证率情况下的年降水量并以此为依据，按照“供需平衡”的原则初步估算集流面面积，作为长系列计算确定集流面面积的参考数据；其次是给定集流面面积，假定蓄水设施容积，依据计算时段的来水过程和设计用水过程，进行供水环节的水量调节计算4；最后根据整个计算时段内的水量余缺情况计算供水保证率，满足设计供水保证率时的集流面面积与蓄水设施容积组合即为长系列计算确定的雨水利用工程合理匹配设计结果。采用雨水利用工程长系列计算方法，确定规划工程的集流面面积和蓄水设施容积的过程是一个多次反复试算的过程，当工程的实际供水保证率满足设计供水保证率时，对应的一组集流面面积与蓄水设施容积组合则就是设计工程设施的合理匹配结果。需要说明的是，通过前述的计算，我们可以知道，存在多组这样的设施匹配组合结果，而且，在这些组合中势必存在一组组合能够使得规划工程的投资最小，此时的面积与容积组合即为雨水利用工程的最佳经济利用组合。然而，限于文章篇幅的原因，在这里我们仅进行如何实现工程设施合理匹配问题的探讨，有关最佳经济利用的问题在这里暂不做深入探讨。4 计算过程根据长系列计算方法基本原理和计算要求，雨水利用工程设施匹配长系列计算按如下步骤进行：1）收集并整理规划工程所在地的长系列降水资料，进行计算时段月（旬）降水量的分配计算并统计计算时段数m。2）确定雨水利用工程的设计供水保证率Kp，计算确定设计用水对象的年总用水量Wx。3）根据长系列降水资料分析确定设计保证率情况下的年降水量Pp并以此为依据，按照“供需平衡”的原则初步估算集流面面积Sp，作为长系列计算确定集流面面积的参考依据。其中Sp的计算可根据集流面情况，按现行的雨水集蓄利用工程技术规范进行。4）给定集流面面积，假设蓄水设施容积V，计算各计算时段的来水量Wji和设计用水量Wxi，实施长系列操作，进行长系列过程各计算时段的水量调节计算，确定各计算时段内的水量余缺值，其中可按式（1）进行计算。-（1）5）以长系列起始月（旬）初的储存水量为0，开始累加计算长系列各月（旬）末的累加储存水量，并使累加储存水量满足。其中Wi可按式（2）进行计算。-（2）计算过程中，当累加储存水量出现负值时即认为该时段缺水。6）根据各计算时段末的累计水量情况统计发生缺水的计算时段数量，计算整个系列的实际供水保证率。实际供水保证率Ks可按式（3）进行计算。-（3）当计算结果时，认为规划的雨水利用工程，在相应的集流面面积与蓄水设施容积组合下，能够满足设计供水保证率要求。雨水利用工程设施合理匹配长系列计算流程框图如下：收集并整理工程所在地的长系列降水量资料，确定各计算时段的降水，统计计算时段总数确定设计供水保证率以及用水对象的具体数量、用水时间、用水定额根据长系列降水资料计算确定设计供水保证率时年降水量的初步确定集流面面积确定总用水量确定各计算时段用水量确定各计算时段的来水量给定集流面积假设蓄水设施容积进行调节计算，确定各计算时段内的水量余缺值计算长系列各月（旬）末的累加储存水量统计出现负值的次数计算实际供水保证率判断是否满足NY设计工程的集流面面积与蓄水设施容积组合图1 雨水利用工程设计长系列计算方法流程图5 结 语雨水利用工程设计长系列计算方法，借助长系列降水资料，通过给定集流面面积和蓄水设施容积，对整个来水、用水过程进行长系列降水条件下的操作计算，以此计算实际供水过程供水保证率的方法，在理论上实现了雨水利用工程集流面与蓄水设施的良好匹配，有效提高了工程设计水平，杜绝了工程规划、设计以及施工建设等诸多环节导致的工程使用效率低等问题，避免了部分工程闲置造成的资源浪费。但与此同时，虽然这种设计方法在理论上比较成熟，但在具体的计算过程中，最初计算时集流面面积的假定仍然依赖于“典型年”计算方法。另一方面，利用该设计方法提出的集流面面积与蓄水设施容积组合虽然实现了雨水利用工程设施的合理匹配，但这种匹配的结果仍需要借助经济分析的方法达到最为经济的匹配结果。也就是说，通过前述计算方法的探讨，我们可以比较容易地实现工程设施的合理匹配，但雨水利用工程设施经济匹配尚有待在本设计方法的基础上，通过对多组集流面面积和蓄水设施容积组合投资的经济分析，经综合比较确定。参考文献：1金彦兆等.甘肃中东部地区雨水利用工程后评价及发展模式研究R.兰州：甘肃省水利科学研究院，2006年