房地产建设项目雨水池适宜容积计算模型

温琬心,王冬梅†,张琳琳，任远

(1.北京林业大学，水土保持学院，100083，北京；2.沃德兰特(北京)生态环境技术研究院有限公司，100192，北京)

房地产建设项目雨水池适宜容积计算模型

温琬心1,王冬梅1†,张琳琳2，任远1

(1.北京林业大学，水土保持学院，100083，北京；2.沃德兰特(北京)生态环境技术研究院有限公司，100192，北京)

随着城市化进程加快，城市内涝问题越来越突出。为解决因下垫面硬化引起的城市内涝问题，探求建设项目中雨水池容积计算方法。本文以北京市房地产建设项目为研究对象，从北京市1953—2012年降雨数据中选取降雨量最大、平均和最小年的日降雨数据，并拟定中水同时用于绿化和道路浇洒，应用日水量平衡模型方法，对比分析雨水池可利用率和中水补给率变化趋势，综合考虑经济效益因素，确定雨水池适宜容积。应用多项式拟合法，得到雨水池适宜容积简易计算模型。结果表明：随着雨水池容积增加，雨水池可利用率增大(0～1)，中水补给率减小(1～0)；当雨水池容积增至一定程度，其可利用率与中水补给率的变化趋于平缓；3种年况的雨水池可利用率的关系为最大>平均>最小，中水补给率的关系为最大<平均<最小，为互补趋势；效益费用比随着雨水池容积增大而减小。经验证，模型符合工程建设要求，且具普遍性，可投入应用。为提高模型可靠性，应用时宜将模型计算结果与规范最低建设标准进行校核比对。本研究为今后雨水池设计提供了一种新的快捷简便算法，丰富了设计理论。

下垫面； 雨水池容积； 日降雨量； 雨水池可利用率； 中水补给率； 计算模型

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象[1]。内涝导致房屋被淹、街道成河、交通受阻、城市陷入瘫痪，经济受到重创的同时，还严重威胁到人们的生命财产安全[2-3]。城市内涝原因主要是项目建设所导致的城市硬化地面比重大幅上升，已有管网不能满足硬化面积增大后的雨水排除标准，使雨水无法入渗。如何使项目建成后做到雨水就地消纳、雨水不外排，是解决城市内涝问题的重中之重。

雨水调蓄池的功用类似“小型水库”，在储纳利用水资源、削减洪峰的同时又可以高效率利用土地资源，为城市创造优美景观、改善城市生态环境[4]；因此，雨水调蓄池是解决问题的关键。秦祎等[5]研究表明：雨水调蓄设施按功能、原理分为储存设施、调节设施和滞蓄设施。雨水储存设施是指在降雨期间储存未经处理的雨水，以达到收集目的；雨水调节设施是将雨水径流暂时性的储存在雨洪管理设施中，以达到错峰目的；雨水滞蓄设施是将降雨就地入渗，以达到削峰目的。为实现削峰减排，实现雨水的资源化利用，工程中普遍适用雨水调节池(雨水池即)。

邢国平等[6]选取天津市最大、平均和最小降雨量，分析其日降雨数据，通过建立日水量平衡模型，计算出不同用水需求条件下，某一住宅小区的雨水池适宜建设容积。王小林等[7]选取西安市2001年4月21日—2014年4月20日日降雨数据，通过建立日水量平衡模型，计算出关中地区典型庭院的雨水池适宜建设容积。现有研究均只针对某一建设项目，导致研究结果不具有普遍性。

据大量项目调查发现，由于雨水池计算方法、设计理论和运行模式的不成熟，在实际工程中并未建设应用。就北京市而言，(DB11-685—2013)《雨水控制与利用工程设计规范》[8]中要求：“新建硬化面积达2 000 m2及以上项目，应每1 000 m2硬化面积配建≥30 m3雨水调蓄设施”。仅以雨水不外排原则对雨水池容积做宽泛界定，并没有结合不同项目特点给出明确建设标准。目前我国雨水池设计多采用国外的经验公式[9]，或由年降雨量估算而来。因此，探究普遍适用于当地且规模适宜的雨水池容积计算模型，极具科学价值和实用价值。笔者结合北京(1953—2012)年实测日降雨资料[10]，选取3种不同降雨年况，综合考虑各种影响因素，旨在探究出简单便捷的雨水池容积计算模型，为更经济更显著地改善内涝窘境、改善城市生态环境提供坚实的理论基础[11]。

1 资料的选取与分析

1.1 降雨资料

北京市地处华北平原的西北边缘，暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候。北京市降水概率大，年内分配不均、年际变化很大，汛期6—8月的雨量约占全年降水量85%；丰枯水年连续出现，内涝和干旱极端现象频发[12]。对北京市1953—2012年降雨数据进行统计分析，确定北京地区多年平均降雨量[8]为595 mm，1959年年降雨量1 404.6 mm为降雨最大年、1970年年降雨量597.0 mm为降雨平均年、1965年年降雨量261.4 mm为降雨最小年。据北京市雨量站的资料，选取1959年北运河通州站、1970年通惠河松林闸站和1965年护城河松林闸站日降雨数据分别代表丰水年、平水年和枯水年3种降雨年况，即考虑不同降水量对雨水池容积的影响。3站年降雨数据(表1)及相应年内日降雨量图(图1)如下：

表1 北京市丰水年、平水年和枯水年年降雨量Tab.1 Annual rainfall at wet year,normal year and dry year in Beijing

注：1959年尚未修建松林闸雨量站，故选取北运河通州站1959年降雨资料代表丰水年情况。Note:Since the Songlin Gate Station had not been constructed in 1959,we chose the data of North Canal Tongzhou Station for the wet year/mm.

图1 年内日降雨量Fig.1 Daily rainfall

1.2 建设项目资料

选取北京市9个房地产建设项目为研究对象，详细数据见表2，其中硬化面积包括建筑物用地面积和道路广场用地面积。不同下垫面及其径流系数[8,13]详见表3：

研究[14]表明：草坪低于周围路面0.1～0.2 m的入渗量为草坪高于或平于路面入渗量的3～4倍，绿地下凹深度以0.05～0.1 m为宜，有效调蓄深度取0.05 m。武晟等[15]对典型下垫面降雨实验研究表明：透水砖与覆盖率100%的草地具相同下渗能力；屋面材料主要为SBS，现普遍应用的一种防水卷材，主要成分为石油沥青，属弱透水性材料，将其归为硬化面积。另学校建设项目中包含操场，为保证操场雨后40 min场地无积水，跑道自外向内设8‰坡度，为弱渗透性下垫面，属硬化面积范畴。

2 研究方法

研究[8]表明：回用系统的最高日设计用水量不宜小于汇水面雨水设计径流总量的40%。雨水回用途径为绿化和道路浇洒，用水指标分别为2.0和2.5 L/(m2·d)。北京市冬季不实施绿化及道路浇洒，因此计算时间为3月1日—11月30日，共275 d。假定日需水量为最大，即同时用于绿化和道路浇洒情况，则日需水量

表2 房地产建设项目下垫面数据Tab.2 Data of underlying surface of construction project hm2

表3 不同下垫面及其径流系数Tab.3 Different underlying surface and its runoff coefficient

D=275(20a+25c)。

(1)

式中：D为日需水量，m3；a为绿地面积，hm2；c为浇洒面积，hm2。

2.1 日水量平衡模型

由于房地产建设项目中雨水池普遍置于地下，故不考虑蒸散发损失。雨水池日水量平衡模型的建立依赖物理定律——质量守恒[16]。即雨水池当日所容纳的雨量为当日入池雨量加上原储雨量减去出池雨量。假设雨水池投入使用时的初始水量S0=0。则雨水池水量平衡模型计算公式[17-20]为：

S(t+1)=S1+Qt-D(0≤S(t+1)≤V)；

(2)

S(t+1)=0 (S(t+1)

(3)

S(t+1)=V(S(t+1)>V)。

(4)

式中：S(t+1)为第t+1天结束时池中蓄积量，m3；S1为在时间间隔开始时池中原有蓄积量，m3；Qt为在时间间隔中实际入池径流量，m3；D为每日需水量，m3；V为雨水池容积，m3。当第t+1天结束时，若雨水蓄积量无法满足当日需水量，则当日雨水蓄积量按零计算；若雨水蓄积量大于雨水池容积，则当日雨水蓄积量为雨水池容积，多余雨水通过管道溢流外排。

U=D-S(t+1)(S(t+1)

(5)

F=S(t+1)-V(S(t+1)>V)。

(6)

式中：U为无法满足需水量时的中水补水量，m3；F为无法容纳时的溢流外排量，m3。

当池中蓄积量无法满足日需水量时，需进行中水补给，补给量为需水量与蓄积量差值；当蓄积量大于雨水池容积时，需溢流外排，外排量为蓄积量与池容差值。

实际入池径流量、综合径流系数和径流总量计算公式[13]为：

Qt=0.9R；

(7)

(8)

R=10φhI。

(9)

式中：Qt为在时间间隔中实际入池径流量，m3；R为径流总量，m3；φ为雨量综合径流系数[21-22]；I为总汇水面积，hm2；Ii为单一下垫面种类面积，m2；φi为单一地面种类径流系数；h为日总降雨量，mm；i为地面种类序号。

开始降雨后，建筑屋面与不透水路面开始汇集雨水，绿地与透水铺装在蓄满后开始汇集雨水，汇集的雨水通过管道流入雨水池，扣除汇流过程中的损失即初期弃流，实际收集雨水量按径流总量的90%计算[23]。

2.2 雨水池可利用率计算

雨水池可利用率[7]指雨水池满足用水需求时的比率。计算公式为：

(10)

式中：γ为可满足每日需水量的雨水调节池容积的可利用率；n为雨水池空置或无法满足当日需水量的时间，d；T为当年中纳入计算总时间，d。

图2 雨水池可利用率与中水补给率Fig.2 Rainwater tank availability and reclaimed water recharge rate

2.3 中水补给率计算

中水补给率[7]是指补给水量占总需水量的比例。其计算公式为：

(11)

式中：β为中水补给率；N为总需水量，m3；m为中水补水量，m3。

3 结果与分析

3.1 雨水池可利用率与中水补给率

图2为9个房地产建设项目的雨水池可利用率和中水补给率图，可见雨水池容积在一定范围内与其可利用率呈显著正相关，与中水补给率呈显著负相关。说明雨水池越大，可回收利用水量越多、需补给中水量越少。当雨水池容积增至一定程度，其可利用率与中水补给率的变化趋于平缓。雨水池可利用率趋于1，说明此时雨水池所贮存的雨水量恰好能被高效利用；雨水池可利用率趋于平缓但不为1，说明此时雨水池容积相对于回收水量过大，地表径流全部被收集，仍无法满足用水需求；中水补给率趋于0，说明可满足用水需求；中水补给率趋于平缓但不为0，说明收集全部地表径流，仍无法满足用水需求，需借助中水补给。3种年况间进行比较，雨水池可利用率从大到小依次为降雨最大年、平均年、最小年，中水补给率与其相反。

由图中数据计算可知，随着雨水池容积增加，雨水池可利用率和中水补给率在平缓期的变化量均≤1%。因此，当雨水池可利用率的增量区间与中水补给率的负增量区间均≤1%时，认为雨水池所增加的容积量无法发挥充足效益，视此值为临界值。现由图2可读取各年况的雨水池容积临界值，并取3种年况雨水池容积的均值与雨水池最低建设容积[8]进行比对分析。若均值≥最低建设容积，适宜容积为均值；若均值<最低建设容积，适宜容积为最低建设容积(表4)：

表4 雨水池适宜容积Tab.4 Suitable volume of rainwater tanks m3

3.2 成本和效益分析

成本包括固定资产投资和年运营支出费用。据大量房地产建设项目资料的调查与统计，并应用Excel软件进行数据拟合得出，固定资产投资为

y=3 549.7x+70 503。

(12)

式中：x为雨水池容积值，m3；y为固定资产投资费用，元。

年运营支出费用包括电费、药剂费、人工管理费和折旧费，其中电费按北京市电价0.53元/(kW·h)计算；折旧费按折旧年限为30年[24]计算，折旧率为96%；其余费用按同类项目类比取0.55元/m3。效益包括直接经济效益和间接经济效益。直接经济效益为雨水回用代替中水而节省的费用，北京市中水水价按1.00元/m3计算(2015年)。间接经济效益包括节水增加的国家财政收入、雨水利用而消除污染的排污费、节省城市排水系统设施的运行费用，按23.05元/m3计算。折现率类比同类项目取7%。

效益费用比[25]为总效益现值与总费用现值的比值，是评价经济状况的决定性指标。总效益现值指在寿命周期内工程的经济效益。总费用现值指集雨池寿命周期内整个系统工程费用现值。效益费用比越大，说明雨水池在其寿命期内收益相对于成本越高。当效益费用比>1时，认为方案在经济上为可行。现计算雨水池在表4适宜容积时的效益费用比(表5)：

由表5可知，效益费用比均<1，说明通常情况下无法同时满足雨水池的使用需求与经济效益。结合雨水池可利用率与中水补给率结果分析可知，在雨水池容积达到一定值后，雨水池可利用率和中水补给率虽仍为递进趋势，但变化量显著减小，不但无法充分体现雨水池可利用优势，且变相造成经济损失。即随着雨水池容积的增加，效益费用比呈下降趋势；因此，当经济条件允许时，应优先考虑雨水池可利用率和中水补给率；当经济条件有限时，应侧重考虑经济因素，即在保证效益费用比>1，或趋于1的前提下，适当降低雨水池设计容积。在适宜容积下的效益费用比值偏小，是由于在工程成本、用水需求和径流产量等因素的影响下，使得雨水池容积在满足使用需求的前提下，无法同时满足经济效益要求。因此，在成本与需求都无法更改且无法同时满足的情况下，只能通过加强雨水池的管理与维护，延长雨水池的使用年限，达到提高经济效益的目的。

表5 雨水池效益费用比Tab.5 Benefit-cost ratio of rainwater tanks

3.3 结果分析

将表2数据与表4数据进行拟合得到公式：

y=417.15+647.29a+159.10b+276.12c+223.98d。

(13)

式中：y为雨水池适宜容积值，m3；b、d分别为下凹绿地面积、透水铺装面积，hm2。相关系数为0.818 79，说明模型拟合度较好。此模型选取4类典型下垫面面积为自变量，并认为多元即典型下垫面选取的数量，是保证公式精度的前提。当已知房地产建设项目普通绿地面积、下凹绿地面积、硬化地面面积和透水铺装面积，可直接据式13求出适用于此建设项目的雨水池适宜容积。据以上分析知，此容积值可使雨水池可利用率达近最大化，中水补给率达近最小化。

4 模型验证

为说明雨水池容积计算模型的可靠性，现取5个新建房地产项目进行验证，各项目下垫面数据详见表6。将表6中下垫面数据代入模型，求得雨水池设计容积。在满足雨水池最低建设容积的前提下，新建项目建成后综合径流系数不得>0.5，改扩建项目改建后综合径流系数不得>0.4。用模型计算结果验算雨水池调蓄后的综合径流系数，将其与规范值进行对比分析。雨水池最低建设容积、模型计算容积和调蓄后综合径流系数详见表7：

表6 房地产建设项目各下垫面资料Tab.6 Data of underlying surface of construction project hm2

注：设计雨量按3年一遇24 h日降雨量125 mm计算。参数根据《北京市水文手册》(第一分册)暴雨图集[26]确定。查多年平均最大24 h雨量等值线图及年最大雨量变差系数Cv值等值线图，读出多年平均24 h最大雨量及Cv值。查附录2(皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表)，北京地区采用Cs=3.5Cv，用内插法计算得3年一遇频率下Kp值。Note：Design rainfall is according to 125 mm/day in 24 h for once in 3-year.Parameters are determined by “Beijing City Hydrological Handbook (First volume)”.The average annual maximum 24 h rainfall and the value ofCvare determined by checking the average annual maximum 24 h rainfall contour map and annual maximum rainfall coefficient of variation.SinceCs= 3.5Cvin Beijing,we checked appendix 2 (Coefficient of modulusKpof Pearson Type Ⅲ curve) and used the interpolation method to calculate theKpfor once in 3-year.

表7 雨水池容积计算模型可靠性分析Tab.7 Accuracy analysis of rainwater tank volume calculation model m3

注：雨水池调蓄量按照雨水池容积80%计算。Note：Storage of rainwater tank is assumed to be 80% of the tank volume.

由表7中项目1～4可知，由雨水池容积计算模型求出的计算容积值均大于等于雨水池最低建设容积，且综合径流系数均<0.5，符合要求。项目5计算容积值略小于最低建设容积；因此，应将模型计算值与最低建设容积做校核比对。若计算容积值大于等于最低建设容积，则取计算容积值为设计值；若计算容积值小于最低建设容积，则在满足调蓄后综合径流系数取值要求前提下，增加雨水池容积设计值至最低建设容积。若调蓄量(包括下凹绿地调蓄量和雨水池调蓄量)大于径流量，则说明径流无外排。此时，在满足最低建设容积条件下，可根据调蓄后综合径流系数适当降低雨水池设计容积。

5 结论与展望

1)通过将各下垫面面积参数与经理论分析得出的雨水池适宜容积值进行数据拟合，建立了雨水池适宜容积计算模型，该模型为今后房地产建设项目中的雨水池适宜容积计算提供了简便算法。

2)雨水池适宜容积计算模型符合房地产建设项目的建设要求，且研究方法具普遍性，研究结果基本可靠，故可投入应用。笔者将模型计算结果与规范最低建设标准进行校核比对，可靠性更高。经济条件允许时，优先考虑雨水池可利用率与中水补给率；经济条件有限时，适当降低雨水池设计容积以增大效益费用比。建成后需加强雨水池的维护与管理，旨通过延长使用期限增加效益收入。但为确保雨水池适宜容积模型的精度，应收集更多样本作进一步校核计算；为保证雨水池更加安全的运行，在最适宜容积基础上需进行容积的安全加量。另长时间运行将导致雨水池内部淤积泥沙，还应考虑泥沙淤积所引起的消极影响。

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Model of calculating suitable volume of rainwater tanks for real estate construction projects

WEN Wanxin1，WANG Dongmei1，ZHANG Linlin2，REN Yuan1

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Water-land Ecological Environment Technology Co.Ltd.,100192,Beijing,China)

[Background] China is on the peak of urbanization.However,with increased hardened proportion and imperfect drainage measures in cities,rainstorms cannot efficiently infiltrated and ultimately resulted in the formation of waterlogging.As the best measure of reducing flood,solving water pollution and shortage,the rainwater tank has been promoted and applied widely.Though rainwater tank was widely used in estate construction projects and was advocated in a larger volume on the principle of none out drainage,few studies had been conducted on it.Otherwise,the design of rainwater tanks in our country is mainly based on the experience formula of foreign countries,or estimated by the annual rainfall.Therefore,a convenient and reliable method for calculating the volume of rainwater tank is very important to the development of the city.[Methods] We took nine construction projects in Beijing as the research site,selecting three kinds of daily rainfall (maximum,average and minimum) from the rainfall data of Beijing during 1953—2012.We assumed recycled rainwater used for both greening and road sprinkling.Applying the method of daily water balance model,we analyzed trends of rainwater tank availability and reclaimed water recharge rate.We suggested an appropriate volume of rainwater tank after taking the economy benefits.Applying the method of polynomial fitting,the model of calculating suitable volume of rainwater tanks was obtained.Lastly,we used five construction projects for verification.[Results] With the increasing of rainwater tank volume,rainwater tank availability becomes higher (0-1) and reclaimed water recharge rate becomes lower (1-0).When rainwater tank volume reaches to a certain level,the tendency of rainwater tank availability and reclaimed water recharge rate become gentle.The rainwater tank availability relationship of three years is maximum year > mean year > minimum year.The reclaimed water recharge rate relationship of three years is maximum year < mean year < minimum year.The trend of rainwater tank availability and reclaimed water recharge rate is complementary.The benefit-cost ratio becomes lower as rainwater tank volume increase.[Conclusions] In this study,we set up a simple and convenient calculation model of volume of the rainwater tank.It can enhance accuracy in practical application by comparing the results of model calculation and the minimum construction standards.We need to strengthen the maintenance and management of the rainwater tanks after completion for increasing revenue by extending service life.The future study of rainwater tanks should be focused on the more abundant data samples,additional safety volume of it,and negative impact of sediment accumulation.

underlying surface; rainwater tank volume; daily rainfall; rainwater tank availability; reclaimed water recharge rate; calculation model

2017-01-20

2017-05-23

项目名称：宁夏回族自治区水利厅水利科技项目“宁夏生产建设项目水土流失防治技术研究”

温琬心(1993—)，女，硕士研究生。主要研究方向：水土保持及工程绿化。E-mail：15201443407@163.com

†通信作者简介：王冬梅(1963—)，女，教授，博士生导师。主要研究方向：水土保持及工程绿化。E-mail：dmwang@163.com

TV213.9

A

2096-2673(2017)04-0134-09

10.16843/j.sswc.2017.04.017