随着海绵城市建设的兴起, 人们对于雨水资源开发和利用更加精细化。雨水存储设施作为雨水调蓄、利用的重要构件, 如何根据各地的气象统计资料, 经济、合理确定其存储容积, 是一个值得探讨的课题。

　　 在工程实践中, 雨水存储设施有效容积的计算一般推荐使用三种方法:效益评价法、3天用完法和计算机模拟法。

　　 效益评价法是利用径流系数ψ、雨水存储设施的集蓄能力h_s和建筑屋面面积F确定雨水存储设施的有效容积, 并根据雨水存储设施的集蓄效率E_A与相应的工程造价计算出经济效益E_B, 在集蓄效率与经济效益之间获得平衡。此方法的关键在于如何通过计算获得准确的雨水集蓄效率E_A。

　　 3天用完法即假设雨水存储设施的设计规模相当于3天内能把2年一遇24h降雨量用完。计算方法对降雨的不均匀性考虑较少, 此方法适用于建设用地内对雨水的需用量较大、年降雨量随时间分布较均匀、水资源较缺乏的地区, 其投资建设费用相对较高。

　　 计算机模拟法需要根据逐日降雨量和逐日用水量经模拟计算确定。优点是可以优化设计雨水存储设施的规模、可收集水量、蓄满次数和用水量, 缺点是逐日用水量数据难确定, 该计算方法的实用性较差。

　　 上述3种计算方法中, 计算机模拟法的计算精度最高, 但在实际工程中由于无法得到逐日用水量统计数据, 该方法在工程上应用较少。效益评价法的准确性取决于雨水集蓄效率E_A的计算精度。雨水集蓄效率计算常用的方法是:统计10年以上的降雨资料, 统计不同大小降雨量的分布概率。但实际工程应用中, 设计人员无法从气象部门的公开信息中获得项目所在地的历年每场降雨的数据, 即使能获得上述数据, 其商业成本也非常高。同时, 使用3天用完法在用水量数据处理上, 假设雨水存储设施有效容积的雨水量3天内用完, 但实际工程中, 收集的雨水有很大比例用于绿化浇灌、道路清洗等雨天不用水的场合, 计算时没有考虑到这些因素。

　　 基于此种现状, 本文结合效益评价法和3天用完法提出一种新的基于逐日降雨量的雨水存储设施集蓄效率的计算方法。

　　 国家气象部门的公开信息提供了全国各大城市历年的逐日24h降雨量统计值, 根据历年的逐日24h降雨量可计算设定收集面积下的逐日雨水收集量。

　　 在雨水收集利用系统中, 处理后雨水的用途一般可分为两类, 一类用于绿化浇灌、道路冲洗等 (文中简称为绿化用水) , 其特点是, 当外界降雨量大于某一设定值时, 可认为无需使用处理后的雨水即可满足绿化用水条件, 即用水事件与是否降雨有关;另外一类用水是指除绿化浇灌、道路冲洗等以外的用水, 如冲厕用水、空调冷却循环系统的补水等 (文中简称为非绿化用水) , 其特点为用水事件与是否降雨无关。

　　 在雨水收集、回用系统中, 对于给定的建筑屋面面积F、初期弃流量δ、径流系数ψ、雨水存储设施一次蓄满的泄空时间T和雨水集蓄能力h_s等参数, 当绿化回用水和非绿化回用水的比例不同时, 计算所得到的雨水存储设施的集蓄效率也不同, 这主要是由于这两种雨水回收用途的特性决定的。因此在计算中, 将二者按总比例为100%分配, 可得到两种极端情况:收集处理后的雨水只用作绿化用水;收集处理后的雨水只用作非绿化用水。计算时假设需要雨水存储设施提供用水的临界降雨量h_g, 当某一天的24h降雨量大于该设定值, 即认为该24h不需要绿化用水, 其绿化用水不从储水容积中扣除。

　　 由上述可得每日水量平衡计算见式 (1) ~式 (8) :

　　 式中V_ai———第i日从汇水面收集到的雨水水量, m³;

　　 h_i———第i日降雨量, mm;

　　 δ———初期弃流量, mm;

　　 F———建筑屋面面积, m²;

　　 ψ———径流系数;

　　 W_i+1———第i日结束时储存在储蓄池中的水量, m³;

　　 W_i———第i日开始时储存在储蓄池中的水量, m³;

　　 h_g———需要雨水存储设施提供用水的临界降雨量, mm;

　　 ———每日的需水量, 即每日的用水量, m³;

　　 P———非绿化用水占总用水的比例;

　　 V———雨水存储设施的有效容积, m³;

　　 T———雨水存储设施一次蓄满的泄空时间, h;

　　 h_s———雨水存储设施的集蓄能力, mm;

　　 U_i———第i日需水量无法满足时的自来水补水量, m³;

　　 V_Fi———第i日雨水的溢流外排量, m³。

　　 雨水存储设施集蓄效率可按式 (9) 、式 (10) 计算:

　　 式中E_At———第t年雨水存储设施集蓄效率, t=1~365;

　　 ∑V_a———累计可收集到的降雨量, m³;

　　 ∑V_F———累计雨水的溢流外排量, m³;

　　 E_A———雨水存储设施集蓄效率。

　　 计算过程如图1所示:

　　 本文计算所用气象资料均来自中国气象数据网的开放数据, 每个测点均使用1996~2015年20:00~20:00逐日24h降雨量数据^[1]。

　　 假定建筑屋面面积F为68 500 m² (取F=68 500m²是为和表2的数据比较) , 初期弃流量δ为2mm, 径流系数ψ为1, 雨水存储设施一次蓄满的泄空时间T为80h (取T=80h是为和表2的数据比较) , 雨水存储设施的集蓄能力h_s从5 mm梯度增加至60mm, 处理后雨水绿化回用分别占总用水的0%、50%和100%, 需要雨水存储设施提供用水的临界降雨量h_g为5mm, 对上海市1996~2015年逐年日降雨量进行计算, 结果见表1。

　　 宁静等对上海市1985~2004年的降雨自记资料做了详细的统计, 采用降雨自记纸数字化处理系统对资料进行数据转换, 得到小时降雨资料, 对降雨时间间隔作概率密度统计, 从而推导出一场降雨的径流量超过存储设施容积的概率密度函数, 进而求解集蓄效率。其中屋面面积F为68 500 m², 初期弃流量与降雨蒸发等损失量δ各1mm, 径流系数ψ为1, 雨水存储设施一次蓄满的泄空时间T为80h, 雨水存储设施的集蓄能力h_s从5mm梯度增加至60mm, 得到的计算结果见表2^[2]。

　　 将表2结果绘制成曲线如图2所示。

　　 对以上两组数据做偏差计算, 求出其标准偏差 (STDEV) 和相对标准偏差 (RSD) 得到结果如表3所示。

　　 由此可以看出, RSD随h_s的增加而不断减少, 即雨水存储设施的设计集蓄能力越大, 使用两种算法计算的结果越相符。从整体来看, 使用1996~2015年20:00~20:00逐日24h降雨量计算出来的雨水存储设施集蓄效率同宁静等使用小时降雨频率分析计算出的集蓄效率RSD小于0.2, 且当绿化用水为0%时, 集蓄效率相差在5%以下 (宁静等在计算时未考虑用水事件和降雨的关系, 即为本算法绿化用水为0的条件) , 在工程实际所允许的误差范围内。而由于本文所提出的算法直接使用1996~2015年20:00~20:00时24h降雨量逐日计算, 大大降低了处理原始数据的复杂程度。与此同时, 本算法使用数据全部来源于公开的气象资料而非自记资料, 更容易收集和获得, 且考虑到了用水事件和降雨的关系, 并针对不同地区的气象条件对绿化用水的不同要求增设了绿化用水比例这一变量, 提高了计算的精度, 简单有效。

　　 将雨水存储设施一次蓄满的泄空时间T改为72h (3d) , 绿化用水与非绿化用水之和为100%, 以10%为梯度变化, 在上述其他条件不变的情况下, 对全国25个省会城市及4个直辖市 (成都、兰州缺乏相应的降雨资料) 1996~2015年逐年日降雨量进行计算得到结果见图3~图5。

　　 本文针对目前雨水存储设施容积设计中存在的不足, 提出了基于逐日降雨量的雨水存储设施集蓄效率的计算方法。计算方法采用当地历年的逐日降雨量统计值, 气象数据可从官方的中国气象数据网免费获得, 其数据的统计年限长 (大多数城市可获得20年以上的数据) , 气象数据与工程所在地一致, 计算结果精度高。与概率法相比, 获得原始气象数据难度低, 计算相对简单, 工程应用方便。同时, 计算时考虑到处理后的雨水作为绿化用水的比例及用水事件与降雨关系这一因素, 得到的雨水存储设施集蓄效率计算值更符合实际使用工况。