城市雨水蓄水池容积计算与研究.docx

第 33 卷第 4 期华 北 水 利 水 电 学 院 学 报Vol. 33 No. 42012 年 8 月Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric PowerAug 2012文章编号:1002 5634(2012)04 0022 03城市雨水蓄水池容积计算与研究胡良明1 ，李逸之1 ，樊思熠2( 1 郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450002; 2 北京燕化天钲建筑工程有限公司，北京 102502)摘 要: 以降雨资料为基础，通过分析雨水蓄水池容积与工程投资、节水效益三者之间的关系，提出了基于汇水面积推求城市雨水蓄水池容积的计算方法，并对工程建设的社会经济效益进行评价以确定其可行性 以郑 州市第一中学为例，计算其雨水蓄水池的容积，为城市雨水蓄水池容积的确定提供参考关键词:雨水利用; 蓄水池; 流量; 容积; 经济效益目前，淡水资源不足、水体污染和生态恶化已在相当程度上制约了社会经济的发展 作为一种成本 低廉的节水系统，雨水集蓄利用系统的推广运用为 缓解水资源短缺，解决城市防洪和排水问题提供了 有效途径 另外，雨水蓄水池有净化雨水的功能，能 改善人居环境，具有良好的环境效益 雨水蓄水池作 为城市雨水集蓄利用系统的一部分，其工程规模是 雨水利用工程可行与否的关键影响因素 笔者针对目前雨水利用计算中存在的问题，对雨水蓄水池容积与工程投资和节水效益三者之间的关系进行研 究，并以郑州市第一中学雨水利用为背景做了实例 计算分析蓄水池容积计算的基本原理蓄水池容积可以通过计算入流和出流过程线的 差值来实现1，可分 2 种情况，如图 1 所示1图 1 蓄水体积计算示意图集雨全部被利用，不足部分由其他水源补充 综合利 用相关数据资料计算比较，得到蓄水池容积，计算步 骤如下( 这里研究的是无渗透或渗透性能很弱的蓄蓄水池容积计算的基本方程为t0 ( Q Q ) dt ，V = 0inout式中: V 为蓄水池容积; t 为蓄水时间; t0 为出流过程线与入流过程线下降段相交的时间; Qin 为入流流 速; Qout 为出流流速水池) 2 1 汇水面积折算建筑区的下垫面一般可分为: 屋面、混凝土及沥 青路面、半透水面、公园和绿地及裸露的硬地面等 不同下垫面的径流系数不同，利用公式( 1 ) 计算汇 水面积内的加权平均径流系数蓄水池容积计算步骤考虑到设计方案的可操作性，假定每次降雨的2收稿日期:2011 12 24基金项目:河南省教育厅自然科学研究资助项目( 2011A570010) 作者简介:胡良明( 1963) ，男，河南光山人，教授，硕士，主要从事水工结构计算、水资源高效利用等方面的研究第 33 卷第 4 期胡良明，等:城市雨水蓄水池容积计算与研究232 3 蓄水池容积确定以 Vc 表示计算得到的调蓄容积，Vu 表示降雨间 隔时段的用水量，Ve 表示设计蓄水池容积 比较分析 最终确定蓄水池的容积，具体分析如下1) 若 Vc Vu ，即计算调蓄容积小于降雨间隔时 段用水量时，雨水可全部收集，即 Ve = Vc 2) 若 Vc Vu ，即计算调蓄容积大于降雨间隔时 段用水量时，为节省投资，可以减少蓄水池容积，多 余雨水实施排放或渗透，此时 Ve = Vu 综上可得 Ve = min Vc ，Vu 另外，由于蓄水池几何尺寸未定( 不在该文研 究范围之内) ，需要考虑的无效容积部分无法定量求出 又因此部分容积较小，可忽略不计，故在此对 其未作考虑= i i( 1)式中: 为平均径流系数; i 为各下垫面对应的径流系数; i 为各下垫面汇水面积占总汇水面积的百分 比，% 将实际汇水面积折算为产流面积 S2，( 2)S= F式中 F 为建筑区实际汇水面积，hm2 2 2初步计算蓄水池的容积1) 降雨量估算法 根据设计区的折算产流面积和设计降雨量确定汇集的径流雨水量，从而确定雨水蓄水池的容积( 3)V = 10HS式中: V 为蓄水池容积，m3 ; H 为设计降雨量，mm; S为折算产流面积，hm2 ; 10 为单位换算系数当需要控制初期雨水，使其不进入蓄水池时，应 减去相应的初期雨水弃流量2) 降雨强度曲线法 径流量降雨历时简化关 系曲线如图 2 所示 该曲线与两坐标轴围成的面积 即为总降雨径流量 V，可采用图解法或积分法近似 计算 一般情况下，该值可以作为雨水蓄水池的设计 容积3工程效益分析雨水利用工程的投资费用主要包括基本建设资 金、维护费用、能源消耗及折旧费等 投资收益主要 为雨水置换自来水收益和渗透补给地下水收益 由 于城市地区雨水利用工程规模一般较小，为简化计 算，可采用静态投资回收期及投资效益比等经济评 价指标进行评价1) 投资回收期 投资回收期是以项目的净收益 抵偿全部投资需要的时间，在项目规模较小或进行 项目粗略评价时可以选用静态投资回收期 雨水利 用工程的静态回收投资期 Pt 可用下式计算，3Pt = I / ( CIt COt )( 6)式中: Pt 为静态投资回收期; CIt 为第 t 年的资金流入量; COt 为第 t 年的资金流出量2) 效益费用比( FBCR) 4 效益费用比即项目 经济净现值( ENPV) 和建设资本金投入的比值 当 FBCR1 0 时，表明该项目在经济上是合理的 经 济效益费用比可用下式计算，n图 2 径流量 降雨历时关系曲线(重现期为 P)目前我国暴雨强度公式为= 167 A( 1 + ClgP) ( 4)q( t + b) n设计暴雨径流量为Q蓄水池容积为 tFBCR = ENPV / I = ( Rb Rc ) t ( 1 + is )t = 1( 5)= qS /1 000( It ( 1 + is )1n t( 7)tV = Qdt( 6)t = 10式中: t 为项目计划年限; Rb 为雨水利用的年效益流量; Rc 为雨水利用的年费用流量; ( Rb Rc ) t 为第 t 年的净效益流量; is 为社会折现率; n 为计算期; It 为 第 t 年建设资本金投入式中: Q 为设计暴雨径流量，m3 / s; q 为设计暴雨强度，L / ( shm2 ) ; P 为设计重现期，a; t 为降雨历时， min; A 为重现期内的设计降雨量，mm; C 为雨量变 动参数; b 为降雨历时参数; n 为降雨历时指数公式( 4) 是国内已普遍采用的公式 在没有当 地降雨参数的地区，可参照附近气象条件相似地区设计实例郑州市第一中学新校区占地面积 20 hm2 ，其中4的暴雨强度公式华 北 水 利水电 学 院 学 报2012 年 8 月24绿化面积 1 05 105 m2 ，硬化面积 8 2 104 m2 在学校多年的运行中，用水量一直居高不下 为开源节 流，减少水费开支，学校雨水综合利用系统已基本建 成并投入运行54 1 蓄水池容积计算1) 汇水面积折算 由式( 1) 、( 2) 计算产流面积，静态投资回收期为 P= 29 65 /9 61 = 3 09 at2) 经济效益费用比 蓄水池使用年限 n 取 20 a，社会折现率 is 取 8% ，Rb Rc = 9 61 万元，可得经济 效益费用比为nFBCR = ENPV / I = ( Rb Rc ) t ( 1 + is )/ I =t = 194 35 /29 65 = 3 18 1 0 t= F( i i ) = F ( 1 1 + 2 2 )8 955( hm2 ) 2) 用降雨量估算法计算蓄水池容积时，部分关 键资料缺失，可采用降雨强度曲线法推求 根据降雨 统计资料及郑州市暴雨强度公式S=由此可见，修建该雨水蓄水池投资回收期短，经济效益费用比高，社会经济效益显著，具有良好的推 广价值结语5= 7 650 ( 1 + 1 15 lg( P + 0 143 ) ) ，q针对目前雨水利用计算中存在的问题，对雨水蓄水池容积与工程投资和节水效益三者之间关系进 行了研究 以郑州市第一中学为例，计算出相应产流 面积所对应的蓄水池容积，并按照投资回收期和经 济效益费用比等评价指标对蓄水池规模进行经济效 益评价，具有可靠的理论基础和一定的通用性、实用 性，可为城市地区雨水蓄水池容积的确定提供参考( t + 37 3) 0 99再由式( 4) ，( 5) 可计算一次暴雨可集雨量，则3Vc = Vi = Qt 60 10 Fi h 101 268 2( m3 ) ，=式中: = qS /1 000 ; t 为集雨时间，通常取 10 min;QFi 为第 i 块集水区域面积，hm ; h 为初期弃流量，取2值2 0 2 5 mm; P 为设计重现期，重要需水地区宜采用 3 5 a，此处 P 取 5 a3) 降雨间隔时段的用水量 该地区雨季平均降 雨间隔时间为 8 d，该区域雨水收集净化后主要用于 学校周边用地绿化灌溉用水，日均用水量 180 m3 ，参 考 文 献1 车武，李俊奇 城市雨水利用技术与管理M 北京: 中国建筑工业出版社，20062 卢金锁，黄廷林，燕博，等 干旱区雨水蓄水池容积的设 计计算J 供水技术，2010，4( 2) : 39 423 哀园园 曲墙式混凝土衬砌水窖设计及力学分析D兰州: 甘肃农业大学，20094 王旭霞 雨水集蓄利用工程经济分析J 山西建筑，2006，32( 13) : 156 1575 胡良明，高丹盈 雨水综合利用理论与实践M 郑州:黄河水利出版社，20093则平均降雨时段内总用水量 Vu = 1 440 m 4) 综上，可得蓄水池容积为Ve = min Vc ，Vu = 1 268 2( m ) 4 2 经济效益分析31) 投资回收期 该工程投资 29 65 万元，年可节约水量 3 15 万 m3 ，按郑州市现行行政事业单位供 水价 3 05 元 / m3 计算，则年可节约水费9 61 万元Study on the Volume Determination of Rainwater Cistern in CitiesHU Liang-ming1 ，LI Yi-zhi1 ，FAN Si-yi2( 1 College of Water Conservancy Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China;2 Beijing Yan Hua Tian Zheng Engineering Co Ltd ，Beijing 102502，China)Abstract: On the basis of rainfall data，by analyzing the relationship among project investment，water-saving benefit and rainwater cis-tern volume，a method of calculating the volume of rainwater cistern in cities based on catchment area is put forward Further，the engi- neering benefits are evaluated and the feasibility of the project is demonstrated Taking Zhengzhou First Middle School for an