城市雨水蓄水池容积计算与研究

胡良明，李逸之，樊思熠

（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）

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．

1 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．

图1 蓄水体积计算示意图

蓄水池容积计算的基本方程为

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．

2 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．

式中：ψ为平均径流系数;φi为各下垫面对应的径流系数;ζi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S［2］，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．

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］．

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

式中：Q为设计暴雨径流量，m3/s;q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）;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的暴雨强度公式．

2．3 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．

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，

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FBCR≥1．0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，

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．

4 设计实例

郑州市第一中学新校区占地面积20 hm2，其中绿化面积1．05 ×105m2，硬化面积 8．2 ×104m2．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［5］．

4．1 蓄水池容积计算

1）汇水面积折算．由式（1）、（2）计算产流面积，

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

再由式（4），（5）可计算一次暴雨可集雨量，则

式中：Q=qS/1 000;t为集雨时间，通常取10 min;Fi为第i块集水区域面积，hm2;h为初期弃流量，取值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 a．

3）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，则平均降雨时段内总用水量Vu=1 440 m3．

4）综上，可得蓄水池容积为

4．2 经济效益分析

1）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．静态投资回收期为Pt=29．65/9．61=3．09 a．

2）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

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．

5 结语

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．

［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，2006．

［2］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 －42．

［3］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，2009．

［4］王旭霞．雨水集蓄利用工程经济分析［J］．山西建筑，2006，32（13）：156 －157．

［5］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，2009．