关中地区新农村分户雨水池容积分析计算

王小林，刘远哲，卢金锁(.西安市政设计研究院有限公司，西安 70068；.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 70055)

0 引 言

“农民集中居住”作为新农村建设中村容整洁的重要内容之一，随着新农村建设的深入，取得了比较长足的进展，以西安市为例，截止2014年底，已建成27个新型农村社区，58个新型农村社区正在全面建设推进，并计划于2015年全面建成标准化新型农村示范社区100个以上。农民居住方式逐渐由传统的分散居住转向新型社区集中居住[1]。西北地区是世界上干旱缺水最严重的地区之一，缺水问题已成为该地区新农村建设过程中面临的一个重要问题[2]。

以往传统的农村农民分散居住方式，农民多是利用庭院、屋顶等集雨面进行雨水收集来解决缺水问题。自20世纪90年代开始，政府开始通过修建相应的雨水集蓄利用工程来帮助农民解决缺水问题，例如甘肃的“121”工程、陕西的“甘露”工程、宁夏的“窖窑工程”、青海的“微型雨水集蓄利用工程”等雨水集蓄利用工程，通过修建各类供水工程、水窖、雨水集流井等，解决了当地大部分的人畜用水问题[3,4]。

在新农村建设中农民居住方式逐渐由传统的分散居住逐渐转向新型社区集中居住，但农村新型社区中农民很少以单元楼的形式集中居住，仍是以单户家庭院落为主的形式居住，因此以单户家庭修建雨水池或雨水窖等(以下统称雨水池)收集雨水的模式，仍将是解决农村水源短缺问题的重要方法。

本文利用所收集到的2001-2014年的日降雨数据建立了日降雨-用水平衡模型对典型单户家庭中不同容积的雨水池的可靠性和补给率进行计算分析，为农户选择适宜容积的雨水池提供依据。

1 关中地区新农村庭院建设模式及需水量分析

根据陕西省农村宅基地管理办法，平原每户宅基地面积不超过133 m2，川地、原地每户宅基地面积不超过200 m2。其中庭院占地面积约为40%。张金珊等的调查结果显示，关中农村地区家庭平均人口为4.2人，家庭结构方面，夫妇两孩、三代同堂和夫妇多孩的家庭数量依次居第一、二、三位。户均住宅面积达140.8 m2。关中地区二层住宅已成为发展的趋势和主体，其住宅典型结构如下：一层平面主要包括是三个功能区:居住区、辅助区和劳务区。居住区以老人卧室和客厅(关中地区农村住宅称之为“堂屋”)为主;辅助区包括厨房、餐厅、卫生间、厕所和楼梯间;劳务区主要是家禽饲养的地方。住宅二层平面主要功能布局包括:两间卧室、客厅、厕所和储藏间[5]。关中地区新农村建设中的家庭院落典型模式如图1所示。

以关中地区典型农村家庭户均常住人口4人计，对单户家庭全年用水量进行分析。根据《村镇供水工程技术规范SL310 2004》，农村居民生活用水以40 L/(人·d)计。计算得到单户家庭全年总需水量为48 640 L。

2 集雨量和日水量平衡模型

在庭院内建造雨水池，用于雨水池收集屋顶和庭院经初期弃流雨水，收集的雨水对于可经过终端净水设备满足居民饮水水质要求。

为便于统计雨水池常年使用的可靠性和补给率，假定居民院落及雨水池的入住和使用日期确定为2001年4月21日，雨水池建成后注入半池水作为的初始水量，自入住日为第1日，开始以雨水池为水源用水，并收集弃流2 mm的雨水，雨水池当日所容纳的水量应为通过集雨面进入雨水池的雨水量加上雨水池中剩余的水量，再减去当日已用的水量[6-11]。雨水池的每日雨水需水量平衡计算公式为：

St+1=Qt+St-D(0≤St+1≤V)

(1)

St+1=0 (St+1<0)

(2)

St+1=V(St+1>V)

(3)

W=D-St+1(D>St)

(4)

式中:St+1为第t+1天结束时储存在雨水池中的水量，L；Qt为第t天经初期弃流后的降雨量，L；St为第t天结束时雨池中的水量，L；D为每日的用水量，L；V为雨水池的体积，L；W为每日用水量无法满足时的补水量，L。

当第t+1天雨水池中水量无法满足当日的用水量时，当天雨水池中需水量按零计算，若该天的雨水量与降雨之前雨水池中所剩余水量之和超过雨水池的容积时，则该天雨水池的最终蓄水量为雨水池的容积量。

雨水池的可靠性为能满足每日所需的水量的天数占总计算天数的百分数。其计算公式为：

Re=(N-U)/N×100%

(5)

式中：Re为雨水池的可靠性，%；N为总计算天数，d；U为雨水池无法满足当日用水量的天数，d。

补给率是指补给水量占总需水量的百分数。其计算公式为：

Rs=P/T×100%

(6)

式中：Rs为补给率，%；P为补水量，L；T为总需水量，L。

3 不同容积雨水池计算分析

以西安市东樊新村为例，该村共计421户，户均4人，集雨面积200 m2[12]。根据国家统计局陕西调查总队于2014年公布的结果，该村常住人口单户计为3人，外出务工人员外出时间计为每年4到11月，即以40 L/(人·d)的需水量计算，单户家庭在12、1、2、3月的日用水量为160 L,4-11月的日用水量为120 L。日降雨数据数据为从2001年4月21日，即2001年第一场降雨开始，到2014年4月20日。雨水池的体积选择了10、15、20、25、30、35、40、45、50 m3等9种不同容积，并根据公式(1)～(6)计算单户家庭中不同容积的雨水池的可靠性和补给率。

根据公式(5)计算的雨水池可靠性的结果如表1所示，观察可发现，同一时间段内，雨水池容积的可靠性是随着雨水池容积的增大而不断增大，当雨水池容积增大到某一值时，雨水池可靠性不再随着容积增大而增大；在雨水池容积达到30 m3之前，同一容积的雨水池在不同时间段内的可靠性是不同的；当雨水池的容积达到30 m3时，在各时间段内的可靠性达到100%。这是由于在雨水池容积达到30 m3后，集雨面积相较于雨水池的容积过小而不能收集足够的雨水或是用水需求较大导致雨水很快被用完，从而使雨水池在大部分时间处于部分或完全空置的状态。

表1 雨水池的可靠性 %

根据日用水水量平衡模型计算结果统计从2001年4月21日到2014年4月20日期间不同容积的雨水池的最大连续不满足天数和可靠性，如图2所示。从图2中可以看出，从30 m3开始，雨水池可靠性达到100%，即30 m3的雨水池能满足从2001年4月21日到2014年4月20日中每天的全部需水量。在雨水池的容积为25 m3时，雨水池的可靠性达到99%，即从2001年4月21日到2014年4月20日，25 m3的雨水池的总不满足天数为83 d，且最大连续不满足天数为23 d，发生在2007年4月17日到2007年5月9日，分析发现是由2007年度降雨分布不均造成的，在4月17日之前基本无可收集的降雨。

图2 不同容积雨水池的最大不满足天数和可靠性示意图Fig.2 The maximum continuous day and reliability for different volume of rainwater tank

根据日用水水量平衡模型计算结果，统计从2001年4月21日到2014年4月20日期间不同容积的雨水池的补水量和补给率，如图3所示。从图中可以看出，在雨水池容积达到30 m3时，不需补水；雨水池的容积为25 m3时，总计算时段内所需的补水量为9.56 m3，补给率为1.5%，其；雨水池的容积为20 m3时，补给率为11%，此时在总计算时段内所需的补水量为69.82 m3。

图3 不同容积雨水池所需补水量和补给率示意图Fig.3 The fill water and recharge rates for different volume of rain water tank

根据日用水量平衡模型的计算结果，分别统计20 m3和25 m3的雨水池在14年间最少的补水次数以及每次所需补水量及其时间，并在表2中列出最小补水次数以及其中最大的两次补水量及其时间。20 m3的雨水池的最小补水次数为13次，25 m3的雨水池的最小补水次数仅需7次，25 m3雨水池最大的两次补水量占总补水量的63%，而25 m3雨水池最大的两次补水量仅占总补水量的22%。20 m3和25 m3雨水池的最大补水量均在2007年，这也是由于2007年降雨分布不均造成的。

表2 补水量

根据以上分析结果可以得出，雨水池容积达到30 m3时，完全可满足住户用水需求，其雨水池可靠性达到100%，不需额外补水。根据图2和图3可以看出，在雨水池容积达到30 m3之前，随着雨水池容积增加，可靠性增加，补给率降低，在30 m3之后，可靠性和补给率不变，分别为100%和0；但雨水池容积为25 m3时，雨水池可靠性已达到99%。从25 m3增加到30 m3，雨水池容积增大了20%，可靠性增加了1%，不需要外补水，其补给率由1.5%降低为0，因此认为25 m3比30 m3的雨水池更合适。

25 m3的雨水池虽然能够达到较高的可靠性，但仍存在以下几个问题：第一，结构方面，水窖形式的与水池形式相比，平面占地面积较小，因此雨水池的修建应以水窖形式为宜。第二，雨水水质方面，雨水进入雨水池后并未立即消耗完，而会在于水池中贮存一段时间，根据日用水水量平衡模型计算结果，统计不同容积的雨水池中雨水的贮存时间的最大值，25 m3的雨水池的雨水最大贮存时间为168 d，30 m3的雨水池的雨水最大贮存时间为210 d。雨水在雨水池中长时间贮存时，尤其是在夏季高温时节，雨水水质可能会发生变化。当雨水池中雨水水质不满足日常用水标准时，可以通过家用净水设施进行处理后供日常使用。

4 结 论

雨水集蓄工程设计中，利用长时间日降雨数据，基于降雨时雨水集蓄设施收集的雨水量以满足段时间内用水量的水量平衡模型，其可准确计算长时间内一定的集雨面积上不同容积雨水池的可靠性，分析确定适宜容积的雨水集蓄设施规模。

对于以家庭院落为主要居住方式的关中农村地区，以单户家庭修建雨水集蓄设施进行雨水收集利用的模式是解决新农村建设中的水源短缺问题的重要方法。本文以日水量平衡模型计算了不同容积的雨水池在家庭人口4人，集雨面积200 m2的典型关中农村单户家庭中的可靠性和补给率，结果表明，该场景下的雨水池的最优容积为25 m3，但当雨水池容积达到30 m3时，可靠性达到100%，不需额外补水便能满足计算时段内的每日用水量。

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