建筑物雨水收集系统可靠性优化方法

赵颖

摘 要：设计雨水收集系统可靠性优化方法，应对三种耗水情景（WCS），即用水需求（BWN）、倾倒冲洗（PF）和全管道连接（FPC）。供应的可靠性首先通过获得雨水的复合盈余/短缺来确定，然后优化将收集的多余雨水重新分配到有短缺的建筑物。结果表明，可靠性是存储的线性函数：当供应充足时，优化的雨水存储与人均屋顶平面面积呈指数反比关系，且盈余/短缺规模与人均屋顶规划面积之间的关系遵循单相衰减模式;将剩余水从自给自足的建筑物以最佳方式再分配到有短缺的建筑物，使基本用水需求的供应可靠性从64%提高到87%，对于倾泻冲洗则从47%提高到58%，对于完全管道连接则从28%提高至29%。当前研究对改善建筑物雨水收集系统具有明确的指导意义，从而获得良好的社会收益。

关键词：雨水收集;雨水再分配;盈余;短缺

中图分类号：TH185     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）7-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.023

Abstract： The current study has designed a rainwater harvesting system reliability optimization method to deal with three water consumption scenarios （WCS）， namely water demand （BWN）， flushing （PF） and full pipeline connection （FPC）. The reliability of the supply is first determined by obtaining a compound surplus/shortage of rainwater， and then optimizing the redistribution of the collected excess rainwater to buildings with shortages. The results show that reliability is a linear function of storage： when the supply is sufficient， the optimal rainwater storage has an inverse exponential relationship with the per capita roof area， and the relationship between the surplus/shortage scale and the per capita roof area follows a single-phase attenuation model; From self-sufficient buildings to optimally redistributed buildings， the reliability of the supply of basic water demand is increased from 64% to 87%， and for dumping flushing from 47% to 58%， for complete pipelines The connection increased from 28% to 29%. The current study has clear guiding significance for improving the rainwater collection system of buildings， and good social benefits can be obtained from it.

Keywords： rainwater harvesting; rainwater redistribution;surplus;deficit

0 引言

人口的增加導致用水需求增加。地表径流的增加和随后的径流对水资源的污染可归因于城市化[1]。近年来，人们在节水和管理方面取得了一些研究进展，更加重视雨水收集（RWH）。诸如易于安装、低能耗和廉价维护等因素，是影响城市和农村居民安装雨水收集系统（RWHS）的主要驱动因素。雨水收集已被确定为促进城市地区可持续供水的最佳手段之一。由于对建筑成本和长期维护成本的综合考虑，雨水收集系统的长期效益容易被忽视。在家庭水源受到污染的地区，RWH已被证明可以填补作为替代水源的空白。雨水蓄水箱的安装减少了对市政供水的需求，从而对水管理产生了积极影响[2]。在干旱气候下应鼓励雨水收集，因为它是解决干旱和缺水问题的有效工具。雨水收集的环境和生命周期影响，确保了更准确的系统设计的开发。RHWS的性能需要重新定义为径流捕获的函数，水的成本效益与RWH的抽水能源成本有关。通过建立每日用水量的平衡模型，优化用于具有大型屋顶集水区的住宅建筑的水箱尺寸。不同气候条件和水费，这些条件影响了RWH的投资回报。

近年来对RWHS进行实地调查的研究表明，仅使用RWHS无法防止雨水溢出[3]。已经提出了许多方法来优化多用途储层，其中大多数是使用遗传算法、长期数据集和模糊逻辑[4]。考虑到使用多用途雨水箱需要对降雨事件过程进行随机分析，因为这将有助于探索减少降雨—径流的新替代潜力[5]。本研究旨在确定各种类别住宅建筑的RWH供水的最佳可靠性;确定可靠性与需水量之间的关系;确定最佳存储容量与用水需求之间的关系;调查将多余的屋顶径流重新分配给雨水短缺建筑物的可能性。

1 模型构建

这项研究分两个阶段进行，如下所述。

1.1 综合盈余/短缺的确定

首先，模拟了由不同类别建筑物组成的典型建筑物群。采用三种用水场景（基本用水需求、浇水冲洗和全管道连接）。与这三种情况相对应的用水量分别为人均50 L/d、75 L/d和150 L/d。以确定可以被降雨抵消的用水需求百分比，以及由此产生的短缺和盈余。

在建筑物类别中，最佳RWH所需的存储容量首先由优化方案确定，优化函数如公式（1）。一般来说，如果在降雨高峰期需要溢出或浪费的水，则需要储水箱。如果降雨高峰期的溢漏总和小于贫瘠期的短缺总和，则所需的储罐容量等于溢漏总量。如果没有盈余，就不需要储罐。但是，如果泄漏的总和超过短缺的总和，则采用优化方法来确定储罐的最小容量，从而产生100%的供应可靠性[6]。优化方案还使用流入、需求和优化的RWH存储容量来计算供应的可靠性。在满足每月的用水需求后，多余的水被储存在水箱中。如果在某个月份出现短缺，则使用先前储存在水箱中的水来解决供水短缺问题。如果达到水箱的容量，多余的水就会溢出。

式中：[Ii]为第i个月的流入量，[Di]为第i个月的需求，C为RWH存储容量，[Si]为满足每月消耗量后可用于存储的水，[SPi]为第i个月的溢出，[CSi]为截至第i个月的累积盈余。

上述优化是针对三个收入群体、使用六类住宅实施，即公寓、三房、四房、复式楼、别墅、独栋别墅，用于三个水消费场景，共36个优化案例。用于最佳分配雨水的概念性框架，如图1所示。利用优化方案的结果，得到人均屋顶面积满足百分比需求与人均需水量的回归方程;最佳存储容量和人均屋顶面积和可靠性，作为RWH存储容量和人均用水需求的函数。

1.2 将盈余再分配到有短缺的建筑物

在从上述模型计算供应的可靠性后，记录了每类建筑物的盈余和短缺值。自给自足建筑物的盈余被用来抵消其他建筑物的短缺。本研究没有直接地将盈余分配给有缺陷的建筑物，而是试图采取一种系统的方法，以确保为有缺陷的建筑物分配足够的水。因此，完全满足有缺陷建筑物的用水需求问题。

一般有缺陷的建筑物要分配水，可以通过多标准决策方法或优化方法来解决[7]。在这项研究中，开发了一种优化方案，该方案寻求各种建筑物类型的最佳组合，这些建筑物的短缺可以用自给自足的建筑物盈余来补充。优化问题表述如公式（2）。

式中：[Si]为每类建筑物的盈余;[Bi]为第i类建筑物总数;[Xi]为i类中可使用剩余水的建筑物数量;N为建筑类别。为了展示本案中开发的方法工作，武汉市平均月降雨量深度被采用，见图2。

2 结果与讨论

2.1 雨水收集可靠性和储存能力

当屋顶截获的年总降雨量超过建筑物居住者的年总需求量时，例如平房和复式建筑，适当尺寸的RWH储罐可保证供水。当100%供应可靠性成为可能时，优化储罐与人均屋顶面积呈指数反比关系。人均屋顶面积是指如果屋顶在居住者之间平均分配，则向个人居住者供水的屋頂面积。例如，对于基本的用水需求，当人均屋顶面积减半时，100%供应所需的用水量是最佳RWH储罐的五倍。这是因为屋顶面积的减少被储罐的几何增长所补偿。但是，如果用水需求大于降雨流入量，则只能满足一定比例的需求。对这一结果的进一步分析表明，当降雨总流入量低于需水量时，满足需求（DM）的百分比（%）与人均屋顶面积成正比、与用水需求成反比。所用降雨量数据的广义关系和特定关系分别给出为公式（3）和（4）。

式中：A是人均屋顶面积，m2/人;WD是用水需求量（Lpcd）。这些等式适用于由于降雨量不足或屋顶面积非常小而无法实现100%供应的情况。这表明高层建筑不支持最佳雨水收集，因为它们的人均屋顶面积极小。通常，随着用水需求的增加，所需的存储容量增加，满足需求的百分比减少;随着屋顶面积的增加，需求满足率增加，见图3。针对100%可靠供应的可能性，发现最佳储层容量与人均屋顶面积呈负相关的关系。

图4显示了盈余/短缺与人均屋顶面积的对比图，以及人均盈余/短缺与屋顶计划面积的关系图。随着人均屋顶面积的减少，出现了从盈余到短缺的转变。当屋顶面积接近零时，盈余/短缺线往往与垂直轴渐近。对图的进一步分析表明，它们遵循如公式（5）所示的一般形式的单相衰变模式。

式中：S是人均每年盈余，而a、b、c是等式系数。这些系数是使用数据的两阶段多元回归分析作为人均每天用水量（WD）的函数得到的。系数a、b、c分别给出公式（6）（7）（8）。

上述系数特定于研究中使用的降雨数据。但是，可以使用可用的降雨量数据获得所选任何地理位置的类似表达式。

为了便于快速确定RWH储罐容量以获得所需的可靠性，开发了可靠性和存储容量之间的关系。在给定特定建筑类型和用水需求的情况下，RWH的可靠性是RWH储罐容量的线性函数，通过计算各种存储容量值的供水可靠性而生成。存储范围介于零和方法中提出的优化获得的最佳存储容量之间。如果每年降雨的总流入量大于或等于年度总用水需求量，则最佳存储容量可产生100%的RWH可靠性;如果流入量小于总需求量，则RWH的可靠性是流入量与需求的百分比。在这种情况下，所需的存储容量等于最大短缺。使用存储容量的中间值来生成RHW可靠性的相应值;最大可能的供电可靠性可以表示如式（9）。

式中：[Rmax]是最大可能的可靠性;[Di]和[Ii]之前已经定义过了。存储和可靠性之间的一般线性关系是公式（10）中给出的形式。

式中：R为可靠性，%;C为RWH储罐容量，m3;a和b的值取决于水的需求。对a和b的各种值进行了非线性回归分析，R2值介于0.945和1.0之间。可靠性—存储量之间的关系可以概括如式（11）。

其中，α，β，γ和θ是常数，取决于建筑物类型和位置的降雨分布。WD是人均每天的用水需求量（以升为单位）。公式（10）和（11）是相同的，只是系数a和b以等式中的需水量（WD）表示。

使用RWH存储容量的值（而不是校准模型时使用的存储容量值）验证了可靠性—存储关系。对于存储容量的各种值（与校准中使用的值不同），RWH可靠性按照方法中概述确定。相同存储容量值范围的可靠性值也是使用公式（11）确定的，相关系数在0.997和1.0之间。但是，在某些情况下，它高估了给定RWH存储容量的RWH可靠性值。应该注意的是，存储可靠性关系的上限为100%，相对性下限为0%。在此范围之外，模型毫无意义。对于流入量小于需求的情况，上限是流入量与需求的百分比。

2.2 雨水收集的再分配

通过将自给自足建筑物的盈余引向有缺陷的建筑物，可以显著改善RWH的供水。一般來说，低层建筑相对于RWH往往比高层建筑具有更多的自给自足性。这是因为楼层多的高楼住宅楼人均屋顶面积较低。因此，为了获得最佳的集成RWH，需要将多余的水从自给自足的建筑物输送到有缺陷的建筑物。通过假设一个具有不同建筑类型的任意组合的定居点，证明了这种方法的可行性。用于此演示的案例包括15个平房，10个双层建筑等。

对于基本用水需求（50 Lpcd），在将剩余水以最佳方式重新分配给有缺陷的建筑物后，RWH满足的总用水需求比例从64%提高到87%。浇注冲洗水需求（75 Lpcd）和全管道连接（150 Lpcd）的供应可靠性分别从47%提高到58%和从28%提高到29%。本研究结果表明，RWH可以满足的国内用水需求比例取决于需水和用水量。在低水需求和人均屋顶面积大的情况下，如果提供足够的储存，RHW可以满足家庭用水需求。然而，随着用水需求的增加和人均屋顶面积的减少，就像高层住宅建筑一样，RWH可以满足的需求比例显著下降。这表明，在人均需水量非常低、低水位上升比例很大的发展中国家，RWH可以显著减少水资源压力。通过适当的规划和实施，自给自足的建筑物的盈余可以被利用并重新分配到附近的缺陷建筑物中。

3 结语

RWH对发展中国家来说势在必行，因为它可以作为一种防洪措施，同时满足用水需求。本研究针对三个不同建筑类别的综合雨水（RWH）优化方法。采用两阶段法实施雨水收集与分配优化，包括确定复合盈余/短缺和将盈余最佳再分配到有缺陷的建筑物。采用的优化方法表明，RWH实践的供水具有很高的可靠性，特别是对于低层建筑。与高层建筑相比，低层建筑人均屋顶面积更大。研究还表明，在由不同类别组成的汇总建筑物中充分再分配多余雨水是可行的。需要对这项研究的结果进行充分的规划和有效的实施，以便从RWH中获得良好的收益。

参考文献：

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