北京地区雨水集蓄用于绿化时供水保证率分析研究

李俊奇， 幺海博， 刘 洋

(北京建筑大学 环境与能源工程学院 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室， 北京 100044)



北京地区雨水集蓄用于绿化时供水保证率分析研究

李俊奇， 幺海博， 刘 洋

(北京建筑大学 环境与能源工程学院 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室， 北京 100044)

提出了雨水集蓄用于绿化时供水保证率的两种算法：年均值法和日值法. 以北京为例，用这两种算法分别进行计算、对比分析，并对日值法计算的不同下垫面比例构成地块的综合径流系数与雨水设施绿化供水保证率曲线进行拟合，建立了以设计降雨量hd及径流系数φ为自变量的绿化供水保证率关系曲线. 计算方法和结果可以用于雨水集蓄设施规模设计和用水量计算的依据.

城市雨水； 雨水集蓄； 绿化供水保证率； 年均值法； 日值法

雨水集蓄利用是海绵城市背景下多目标雨水系统的重要内容之一. 《北京市节约用水办法》(155号令)规定，住宅小区的绿化和景观用水应当使用再生水和雨水，对公共供水设施、消防设施取水的单位或住宅小区处以最高3万元的罚款. 随着水资源供需矛盾的加剧及对节约用水观念的加深，此类规定会更多、更严格. 到目前为止，北京地区现已建成雨水利用设施2 000余项，其中用于绿化浇灌的水量占雨水收集总量的比例超过50%. 由于降雨的时空分布不均匀，绿化用水又具有一定的地域特征和季节特征，因此，雨水集蓄利用设施能满足的需水量及其供水保证率问题是设计和管理决策时常被困扰的问题之一. 进行雨水设施设计时，要考虑到雨水设施规模的合理性与经济性，为此应计算雨水设施的供水保证率，优化设计规模，合理确定其服务的绿化面积，也为合理确定备用水源提供依据.

事实上，雨水系统用于绿化的供水保证率的影响因素复杂，主要包括降雨的随机性和不确定性；集流面积与绿化面积的比例；植物品种和种植密度；浇灌方式和管理水平；土壤类型及其保墒能力等.

雨水集蓄利用系统用于绿化时供水保证率的计算方法，根据所采用的降雨资料统计方式的不同分为年均值法[1]和日值法. 年均值法是以年均降雨数据为基础进行计算，而日值法则是采用24h真实降雨数据为单位进行计算. 需要指出，这两种方法计算的汇流面均以园区为单位且“自产自消”，即收集园区内的雨水用于自身内部的绿化浇灌. 本文以北京典型绿化浇灌规律为例，在对北京1977—2006年30 a降雨资料统计的基础上，分别用年均值法和日值法求算出不同典型绿化率(对应不同的径流系数)和不同设计降雨量时对应的供水保证率，并在日值法计算结果的基础上拟合出相应的计算公式，可供雨水系统设计时参考.

1 年均值法

1.1 计算过程

年均值法主要是根据年均集蓄水量和年绿化需水量进行计算. 年均集蓄水量采用频率累计法[2]，与雨水池有效容积、蓄满次数直接相关，并假设收集的雨水在降雨间隔内全部用完.

雨水池容积按以下公式计算：

V=10αφhdF

(1)

式中：V——雨水池设计容积，m3； 10——单位换算系数；α——初期雨水弃流折减系数，北京地区取0.87[3]；

φ——汇流面综合体积(雨量)径流系数(以下简称径流系数)；

hd——设计降雨量，mm;

F——汇水面积，hm2.

在理论上，雨水池的年均满蓄次数等于由集水面每年提供的总水量与雨水池的有效容积之比，但在实际应用时，由于日降雨量的差异性，真正年均满蓄次数可按设计降雨量对应的天数计算[4]. 分析北京地区1977—2006年降雨资料，统计出日降雨量大于等于某值所对应的年均降雨天数，以便确定一年内雨水集蓄设施的满蓄次数，如表1所示.

频率累计法即按照设计降雨量从小到大逐步递推计算年均可收集的雨水量. 具体计算步骤为：先计算最小设计降雨量对应的年均可收集水量，等于最小设计降雨量对应的年均蓄满次数与该设计降雨量对应的雨水池设计容积的乘积；然后计算次小设计降雨量对应的年均可收集水量，等于该设计降雨量对应的年均蓄满次数和该设计降雨量与紧前设计降雨量(第一次计算时是指最小设计降雨量)对应的雨水设计容积之差的乘积，再加上紧前设计降雨量对应的年均可收集水量. 依次类推，计算各设计降雨量对应的年均收集水量.

表1 北京地区3—10月份降雨资料统计表(1977—2006年)

年均值法计算中的另一个因素是年绿化需水量，其在数值上等于园区内绿化面积与单位面积绿地年需水量的乘积，根据北京市园林局数据分析，单位面积绿地年需水量为0.6 m3/m2. 基于以上计算，雨水设施年均集蓄水量与服务面积内的年绿化需水量之比即为绿化供水量保证率.

1.2 计算结果及分析

以北京某小区为例计算雨水池收集的水量用于绿化浇灌时的供水量保证率. 假设小区总汇水面积为1 hm2, 场地下垫面构成主要为屋顶、路面和绿地. 小区内雨水设施为一雨水收集池，无景观水体. 按照上述过程，计算该小区不同绿化率(综合径流系数φ=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)时雨水设施设计降雨量与绿化供水量保证率的关系，见图1. 综合径流系数按照硬质屋顶0.9，路面0.9，绿地0.15，按其面积比例构成加权平均计算求出.

从图1可以看出，当计算区域的绿化率确定后，综合径流系数即确定，绿化供水量保证率随着雨水池规模的增加而成对数趋势增大. 同一雨水设施规模(设计降雨量)时，综合径流系数越大，供水保证率越大. 在径流系数≥0.7即绿化率≤27%的条件下，当设计降雨量≥11 mm时，雨水设施绿化供水的理论保证率可以达到并超过100%，即雨水设施收集雨水有富余，可作其他用途；同样，在径流系数≥0.8即绿化率≤13%的条件下，当设计降雨量≥4 mm时，雨水设施绿化供水的理论保证率可以达到并超过100%.

需要说明，以上计算未考虑降雨量和绿化需水量的规律和随机性，只是均值计算，忽略了降雨场次、降雨间隔及雨天不浇灌等因素. 另外，年均值法假设集蓄的水量在降雨间隔内全部用完，即累计到下场降雨的集蓄水量为0，事实上，雨水设施所集蓄的水量在降雨间隔内往往用不完，尤其是北方地区降雨多集中在7月、8月份，而此时的绿化需水量较小，若只用于绿化浇灌难免会有富余. 除此之外，年均值法在计算过程中对所有降雨数据进行分析，没有考虑降雨量很小而不产流的情形，这就在无形当中造成误差，使计算的供水保证率偏大.

鉴于以上年均值法计算的缺陷，建议以日降雨量为计算单位进行分析，计算结果更接近实际情况，以下称为“日值法”. 以北京地区1977—2006年真实降雨资料为例进行分析.

2 日值法

2.1 计算过程

2.1.1 计算条件

1)假设24 h降雨即为一场降雨，即日降雨量等于场降雨量. 对1977—2006年北京地区30 a中3—10月的24 h降雨数据进行统计，考虑到小于等于2 mm的降雨不会形成径流，故除去降雨量小于等于2 mm的降雨场次，不参与计算分析.

2)若某场降雨所集蓄的雨水在两场降雨干期内用不完，则累计到下一场雨参与计算；由于多数雨水集蓄利用工程项目会在冬- 春季节进行放空检修，所以每年最后一场降雨收集的水量不累计到下一年第一场降雨的计算.

3)绿化用水量根据北京市园林局数据分析，绿化用水综合年需水总量为0.6 m3/m2，各月需水量见表2，浇灌时间为每年的3—10月份. 假设在降雨量小于2 mm(包括降雨为0)的天数内，绿地均需浇灌且日需水量相等，比如2006年5月降雨量小于2 mm(包括降雨为0)的天数为26 d，则2006年5月份绿化日需水量为0.15/26=5.8×10-3m3/(m2·d).

表2 北京地区3—10月份月均绿化需水量

2.1.2 计算过程

1)计算一定汇流面积的某场降雨所产生的径流量，公式为：

Q=10αφhF

(2)

式中：Q——径流量，m3；h——场降雨量，mm.

2)雨水池的设计容积按公式(1)计算.

3)为计算每场降雨可收集的水量，应先计算降雨前雨水池内的剩余水量. 由于每年最后一场雨收集的水量不累计到下一年第一场雨收集水量的计算，所以每年第一场降雨前雨水池的剩余水量均为0，其他降雨场次降雨前雨水池的剩余水量按下式计算：

Qb=(Qb-1+Qe-1)-Qdn

(3)

式中:Qb——本场降雨前雨水池剩余水量，m3；Qb-1——紧前一场降雨前雨水池剩余水量，m3；

Qe-1——紧前一场降雨收集的水量，m3；

Qd——计算区域内日均绿化需水量，m3；

n——距前一场降雨的干期间隔天数.

若计算结果为负值，则令Qb=0.

4)基于以上场降雨事件径流量Q、雨水池容积V、降雨前雨水池剩余水量Qb，每场降雨可收集水量Qe为：

溢流量Qo=Q-Qe=(Q+Qb)-V，若计算出负值，则溢流量Qo=0.

5)每年雨水设施供水量保证率可按下列过程计算：

每年雨水设施供水量Wy为所有场次降雨收集水量的累加总量，即

Wy=∑Qe

(6)

式中：Wy——每年雨水设施的供水量，m3；Qe——每场降雨可收集水量，m3.

则每年雨水设施供水量保证率为：

η=Wy/Ww×100%

(7)

式中:η——每年雨水设施供水量保证率；Ww——每年总的绿化需水量，m3.

2.2 计算结果及分析

以北京某小区为例计算雨水池收集的水量用于绿化浇灌时的供水量保证率. 假设小区总汇水面积为1 hm2, 场地下垫面构成主要为屋顶、路面和绿地. 小区内雨水设施为一雨水收集池，无景观水体.

将北京地区1977—2006年降雨数据进行统计整理，3—10月份每月平均降雨天数和平均降雨量见表3. 按照日值法计算过程，分别计算出30 a该小区不同绿化率(综合径流系数φ=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)，不同设计降雨量时，雨水设施的绿化供水量保证率，然后对这30 a相同径流系数相同设计降雨量下的雨水设施绿化供水量保证率求取平均值，即为日值法计算的不同径流系数不同规模设施的绿化供水量保证率，见图2.

从图2可以看出，在不同径流系数和设计降雨量下，北京地区雨水设施实际的绿化供水量保证率都不可能达到100%. 与年均值法的计算结果相似，在同一径流系数下，绿化供水量保证率随着雨水设施规模的增大而增大，且呈对数增长. 在同一设计降雨量下，雨水设施绿化供水量保证率随着径流系数的增大而增大，这是由于随着径流系数的增大，硬化面积增大，绿化面积减少，绿化需水量也相应减少.

表3 北京地区30 a平均每月降雨天数及降雨量

注：不考虑≤2 mm的降雨场次.

对图2中不同径流系数的雨水设施供水量保证率曲线进行拟合，得到如表4所示的拟合方程，型式为η=aln(hd)+b，其中a、b为常数；再将其进行回归分析，得到以设计降雨量hd和径流系数φ为自变量的雨水设施供水量保证率η的计算公式：

η=0.022e2.815φln(hd)+2.442φ10.74

(8)

式中，设计降雨量hd取值范围为10～40 mm，径流系数φ取值范围为0.3～0.8. 将该式的计算结果与日值法的计算结果进行对比，误差小于1%，实际应用时可以直接采用式(8)计算，也采用表4的公式计算.

表4 雨水集蓄利用系统绿化供水量保证率拟合方程

3 年均值法与日值法计算结果对比

通过比较，年均值法与日值法的计算结果存在较大偏差. 如当径流系数为0.6时，分别采用年均值法与日值法计算的不同规模雨水设施绿化供水量保证率，见图3.

从图3可以明显看出，两条曲线的趋势基本相同，随着雨水池规模(设计降雨量)的增大，绿化供水量保证率均呈对数增长. 但在相同雨水设施规模下，年均值法计算得出的供水量保证率高于日值法的计算结果，例如设计降雨量为40 mm时，年值法计算的供水量保证率达86%，大约是日值法计算结果的1.8倍. 造成这种现象的主要原因是，年均值法假设收集的水量在降雨间隔内全部用完，而使得每场降雨都能够收集雨水设施设计规模的水量，实际上，在雨季降雨比较频繁，绿化需水量又相应减少，在大多数情况下不能收集设计规模相应的水量，所以上述假设使得雨水设施的集蓄水量偏大而造成结果偏大.

4 结论

1)当下垫面比例确定时，绿化供水量保证率随着雨水设施规模的增大而增大，且呈对数增长. 在同一设计降雨量下，雨水设施绿化供水量保证率随着径流系数的增大而增大.

2)北京地区在相同绿化率及相同设计降雨量下，由年均值法计算得出的雨水设施供水保证率均高于日值法的计算结果. 径流系数为0.6、设计降雨

量为40 mm时，年均值法的计算结果是日值法计算结果的1.8倍，日值法更接近实际情况. 因此，在进行雨水设施绿化供水保证率分析时应采用日值法计算，可直接采用η=0.022e2.815φln(hd)+2.442φ10.74进行计算.

3)北京地区按降雨量34 mm设计雨水池规模(约相当于90%年降雨场次控制率，85%的径流总量控制率)时，根据日值法计算，当径流系数为0.6时，以该规模设计的雨水集蓄设施供水量保证率为47%，可节省的水量约达全年绿化灌溉用水量的50%.

[1] Li Junqi, Yao Haibo, Liu Yang, et al. Guarantee rate analysis of water supply from rainwater harvesting system for watering green areas: case study in Beijing[A]∥8th International Conference on Urban Watershed Management-Water Systems in Rapidly Urbanizing Areas[C]. Beijing,2011

[2] 李俊奇,余苹,车伍,等. 城市雨水集蓄利用工程规模的优化[J]. 中国给水排水,2005,21(3): 49-52

[3] 车伍，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,2006：22-23

[4] 潘国庆,车伍,李俊奇,等. 城镇雨水收集利用储存池优化规模的探讨[J]. 给水排水,2008,34(12): 42-47

[责任编辑：王志兵]

Water Supply Guarantee Rate Analysis of Rainwater Harvesting System for Watering Green Areas: A Case Study in Beijing

Li Junqi, Yao Haibo, Liu Yang

(School of Environment and Energy Engineering, Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment,Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Bejing 100044)

Annual average value method and daily value method that are used to calculate guarantee rate of water supply from rainwater harvesting system(RWHS) for watering green areas were proposed. Taking Beijing as an example, these two methods were used for calculating and comparative analysis. Under corresponding runoff coefficients of different land types, curves of guarantee rate of water supply from RWHS were fitted, and the fitting equation based on designed rainfall hd and runoff coefficientφwas given. Calculation methods and the results can be used for RWHSproject scale design and water supply value calculation.

urban rainwater; rainwater harvesting; guarantee rate of water supply for watering green areas; annual average value method; daily value method

1004-6011(2016)03-0096-05

2016-09-18

北京市社会科学基金重点项目(14CSA001)；北京市科委2016年重大项目(D161100005916001)

李俊奇(1967—)，男，教授，博士生导师，博士，研究方向：城市雨水控制利用、环境管理制度设计等.

TU992.03

A