雨水儲(chǔ)水箱在雨水收集利用中的作用
1、簡(jiǎn)介
促使水力設(shè)施和系統(tǒng)開發(fā)研究的主要原因是雨水的輸入問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算和限制模擬的時(shí)間，一般利用典型的暴雨降雨來(lái)進(jìn)行研究。在佛蘭德斯，在降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)的暴雨，用在綜合下水道設(shè)計(jì)上（IDF--關(guān)聯(lián)性）（Vaes，1999）。這些設(shè)計(jì)的暴雨被叫做“合成暴雨”（Fig.1），這是因?yàn)檫@種暴雨重現(xiàn)了各種暴雨降雨中的所有過(guò)程，暴雨降雨中的各種情況都包含在其中了[與著名的芝加哥暴雨相比（Keifer & Chu，1957）。
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Fig.1. 設(shè)計(jì)逆程周期為2年的佛蘭德暴雨（即合成暴雨）
然而，降雨的可變性是很高的。對(duì)照兩種模擬結(jié)果（水力系統(tǒng)中流量，水深，等等），一個(gè)模擬結(jié)果是從連續(xù)的模擬中得到的，一個(gè)模擬結(jié)果從設(shè)計(jì)暴雨降水得到的，從這個(gè)對(duì)照中可以可以當(dāng)降雨固有可變性可以忽略的時(shí)候，通過(guò)研究一些顯著的差異，可以估算在一場(chǎng)暴雨出現(xiàn)的概率（Dah1，Harremoes，Jacobsen，1996；Vaes，1999）。這些差異對(duì)系統(tǒng)的影響是微小，而且它的變化是線性的，因?yàn)橹苯拥慕涤隂Q定了流量的峰值和流量的最大值。當(dāng)系統(tǒng)的變化越來(lái)越接近于“容量性”系統(tǒng)時(shí)（及儲(chǔ)水箱在系統(tǒng)中的作用越來(lái)越大），這種差異將變大。一個(gè)容量性的系統(tǒng)有受到以前降雨影響的存儲(chǔ)功能。一般來(lái)說(shuō)綜合下水道系統(tǒng)有一個(gè)空置時(shí)間段，時(shí)間接近12個(gè)小時(shí)。由于有源頭控制建筑，這個(gè)空置時(shí)間段將變的很大（幾個(gè)星期或幾個(gè)月）。在暴雨過(guò)后不久，如果又連續(xù)下了好幾場(chǎng)的暴雨，在以前的的情況，降雨將大量會(huì)占用綜合下水道系統(tǒng)的容量或維持設(shè)施的容量。存儲(chǔ)器的影響力越大，降雨中的固有可變性對(duì)模擬的結(jié)果影響就越大。例如：在平坦地區(qū)的綜合下水道系統(tǒng)中，下游末端有水泵排水，對(duì)存儲(chǔ)容量來(lái)說(shuō)流過(guò)量幾乎是完全獨(dú)立的，因此系統(tǒng)中的存儲(chǔ)容量主要是決定于流入量。在滲透設(shè)施也是一樣的，在滲透系統(tǒng)中滲透能力的大小僅僅取決于設(shè)施的容量大小和設(shè)施的剩余容量大小，因此它也是主要取決于輸入量的大小。
在過(guò)去的幾年里，越來(lái)越多的“容量性”系統(tǒng)建成，而且未來(lái)還將有更多的被建成。而且大容量的存儲(chǔ)對(duì)保留雨水和削減雨水的流量是必須的。這些存儲(chǔ)設(shè)施可以建在下水道系統(tǒng)中（即時(shí)存儲(chǔ)），也可以建在綜合下水道系統(tǒng)中（延時(shí)存儲(chǔ)）。然而，越來(lái)越多的人將開始關(guān)注“源頭控制”，這就意味著，存儲(chǔ)能力是由雨水儲(chǔ)水箱、滲透溝渠、逆流式排水系統(tǒng)等等方面決定的。由于這些源頭控制設(shè)施，降雨時(shí)間長(zhǎng)短的影響甚至比綜合的下水道系統(tǒng)中的存儲(chǔ)還要大。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在源頭控制在某些地方（利用地區(qū)）需要比下游地區(qū)更大容量的存儲(chǔ)（Vaes & Berlamont，1998，1999），這個(gè)現(xiàn)象同樣被Herrmann和Schmida發(fā)現(xiàn)（1999）。由于逆流式存儲(chǔ)有更長(zhǎng)空置時(shí)間，可使用的存儲(chǔ)器的保持力就更小。在進(jìn)行精確的計(jì)算時(shí)，這就需要更加加強(qiáng)對(duì)降雨中固有可變性的考慮。
2、在下游排水系統(tǒng)中設(shè)備水力保持力的影響
對(duì)綜合下水道系統(tǒng)中源頭控制影響力大小的評(píng)價(jià)，主要是通過(guò)對(duì)雨水中固有的可變性的即時(shí)評(píng)估，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的降雨具有重要的影響力。當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)施放置在綜合下水道系統(tǒng)的上游（在雨水進(jìn)入下水道系統(tǒng)之前），降雨的輸入通常是模仿進(jìn)入下水道系統(tǒng)的雨水徑流，這樣可以考慮到上游存儲(chǔ)設(shè)施的影響。這些源頭控制設(shè)施可以很簡(jiǎn)單的用簡(jiǎn)單的蓄水池形式的模型進(jìn)行模擬，這樣就可以在一個(gè)很短的時(shí)間里處理連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間段的雨水模擬仿真。因此這樣的預(yù)處理降雨可以用在下游排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這個(gè)處理方法可以在雨水儲(chǔ)水箱和溝渠使用。由于雨水儲(chǔ)水箱的存在，以前一個(gè)月內(nèi)的降雨的情況可以在同時(shí)得到處理。同樣利用這個(gè)簡(jiǎn)化的模型，我們可以得到雨水儲(chǔ)水箱各個(gè)最理想的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如：Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999），從佛蘭德斯地區(qū)雨水儲(chǔ)水箱的設(shè)計(jì)參數(shù)可以得到如Fig.2圖所示（Vaes & Berlamont，1998，1999）。此外，這個(gè)簡(jiǎn)化可以同時(shí)用在上游水力保持設(shè)施和下水道系統(tǒng)中（Vaes，1999），綜合下水道系統(tǒng)中上游水力保持設(shè)施在溢流上的效果已經(jīng)得到驗(yàn)證（Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999）。
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3、方法
為了使雨水儲(chǔ)水箱的作用在下水道系統(tǒng)中顯示出來(lái)，所以就要建立一個(gè)模型去估算雨水儲(chǔ)水箱在原下水道系統(tǒng)中的作用以及用這個(gè)模型去估算在人工合成的暴雨中儲(chǔ)水箱產(chǎn)生的作用。為達(dá)到這樣的目的，用一個(gè)簡(jiǎn)單蓄水池模型來(lái)收集雨水如下圖Fig.3。屋面部分的雨水（α）將流入雨水儲(chǔ)水箱里，其他部分的雨水（1-α）直接流入下水道系統(tǒng)中。一小部分的雨水回用逐漸地用完儲(chǔ)水箱中的積存雨水，回用后的降雨再排入到綜合下水道系統(tǒng)中。如果儲(chǔ)水箱裝滿水的話，溢流出來(lái)的雨水直接流入下水道系統(tǒng)中去。
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Fig.3. （α）雨水儲(chǔ)水箱總體，（b）簡(jiǎn)單的儲(chǔ)存模型用在儲(chǔ)水箱中，為了把上游式儲(chǔ)水箱用在綜合下水道系統(tǒng)中RWF的輸入（RWF=雨水流入，DWF=無(wú)雨水流入）。
在Fig.4圖中，可以看出如何去使用這種方法來(lái)處理雨水。從儲(chǔ)水箱溢流出的雨水可以轉(zhuǎn)化為等量的降雨量來(lái)處理。降低的系數(shù)由降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性（IDF關(guān)聯(lián)性）決定。最初的合成暴雨可以通過(guò)這個(gè)降低系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，這個(gè)在暴雨期間大概是一個(gè)線性關(guān)系的函數(shù)方程。由于對(duì)這些人工合成的暴雨進(jìn)行了精心的考慮和分析，所以在最初的合成暴雨中可以使用這個(gè)降低系數(shù)來(lái)處理。
4、最大價(jià)值評(píng)估
降雨參數(shù)中有大量的內(nèi)在可變性因素的影響，所以在逆程周期中，降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性的最大價(jià)值的衰減是需要精確考慮的。然而，雨水儲(chǔ)水箱顯而易見的改變了這種價(jià)值的分配系統(tǒng)。在雨水儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存能力的作用下，即使強(qiáng)度最大的暴雨也幾乎沒(méi)有什么影響，而且仍然適用指數(shù)分配方式系統(tǒng)（Willems1998）。降雨的頻率越高，雨水儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存能力產(chǎn)生的減波作用就越大，這樣就演化成另一種指數(shù)分配系統(tǒng)。因此最終結(jié)論性的分配系統(tǒng)有兩種方式，這兩種方式之間可以逐漸地相互轉(zhuǎn)化。這種混合形式的分配系統(tǒng)大體上接近排列分配方式，至少在雨水分析中有添加補(bǔ)充的作用。排列分配方式有很大的限定繼承性，這就意味著有更大突發(fā)性降雨概率。在這種排列分配方式下，降雨強(qiáng)度i和逆程周期T之間的是對(duì)數(shù)線性關(guān)系：
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因?yàn)楸┯杲涤陼r(shí)間短和雨水儲(chǔ)水箱儲(chǔ)水力保持力大，那么減波所產(chǎn)生的作用就更大。依靠衰減給出的最大相關(guān)性，指數(shù)分配系統(tǒng)可以保留使用或是用排列分配方式。在這樣的分析中，使用簡(jiǎn)單的雨水衰減就足夠了，因?yàn)闆](méi)有其他推斷的可靠性在逆程周期中比原降雨系統(tǒng)高。最后，線性衰減規(guī)律可以使用在暴雨降雨函數(shù)中的衰減系數(shù)，這樣可以得到單一的人工合成暴雨。
5、實(shí)際使用
當(dāng)大兩的參數(shù)包含在內(nèi)，這種方法可以在軟件程序中得到使用，軟件名稱“Rewaput”（‘REgenWAterPUT’雨水儲(chǔ)水箱的俚稱）。這個(gè)方法也可以把雨水徑流模型的影響因素綜合起來(lái)處理，或者使用在設(shè)計(jì)暴雨處理的上游滲透設(shè)施中。當(dāng)越來(lái)越多的源頭控制技術(shù)得到使用，這種方法可以在計(jì)算處理中對(duì)降雨的有更大作用，并且可以在實(shí)際應(yīng)用中得到使用。
滲透和設(shè)施的水力保持一般是非線性的，因?yàn)榱鞒隽渴窍薅ǖ，連續(xù)長(zhǎng)周期的模擬因而是必要的。簡(jiǎn)單概念上的模型（對(duì)上游設(shè)施水利保持力）是單一的，而且在長(zhǎng)時(shí)間的模擬中，這個(gè)概念上的模型不需要長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算。在這個(gè)模型中，27年的降雨被合并處理，這樣的降雨是和Flemish合成暴雨屬于一個(gè)系列的（1967—1993年）。一套R(shí)ewaput模型的參數(shù)處理在奔騰III733電腦上處理時(shí)間僅僅需要大概5秒鐘。如果參數(shù)變化超過(guò)集水量，這時(shí)候分配系數(shù)被離散化并且其他好幾套的參數(shù)被考慮。在處理中，離散化的步驟、參數(shù)的誤差和參數(shù)的種類決定了計(jì)算的數(shù)目，這些在處理中必須要考慮的。在Rewaput模型中，三角形的分配系統(tǒng)可用來(lái)估算隨機(jī)的儲(chǔ)存變量和雨水的消耗量（例如集水量的誤差量）（見Fig5）。
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對(duì)三角形的分配系統(tǒng)中每一個(gè)變化，乘上相應(yīng)的參數(shù)權(quán)重，這樣可以計(jì)算出該參數(shù)的全部變化影響力。如用兩個(gè)隨機(jī)的參數(shù)，那么它們的計(jì)算時(shí)間將成平方的增加。為了減少計(jì)算時(shí)間，離散的時(shí)候需要考慮參數(shù)的誤差。
6、結(jié)果分析
雖然雨水儲(chǔ)水箱的儲(chǔ)存量和滲透設(shè)施在降雨中不一定完全起到作用（也就是因?yàn)檫@些設(shè)施沒(méi)有被實(shí)際降雨充滿），但這種上游式水力保持設(shè)施仍然對(duì)流入下水道的雨水徑流有很大的影響？梢钥闯，如果這些設(shè)施在一定范圍內(nèi)安裝實(shí)施使用，那么合適的雨水儲(chǔ)水箱能很顯著的削減下水道中的流量峰值。在Fig.6圖中，可以看到雨水儲(chǔ)水箱在暴雨處理中的影響。在這個(gè)計(jì)算分析中，估計(jì)在30%封閉區(qū)域里，每100m2屋面設(shè)置一個(gè)5000升的雨水儲(chǔ)水箱，每天每100m2消耗100升雨水。這個(gè)幾乎削減里人工合成暴雨中的峰值，一年的使用相當(dāng)于以前五年的分析。有可能通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法去預(yù)見這個(gè)影響。
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7、結(jié)論
從這個(gè)方法可以看出，源頭控制技術(shù)在下游式排水系統(tǒng)中的作用。更進(jìn)一步地，可以看出有可能對(duì)雨水中各種參數(shù)進(jìn)行合并處理，這樣可以得到更精確的上游式對(duì)雨水處理的影響。為了限制計(jì)算時(shí)間，可以成功地使用簡(jiǎn)單的模型去處理。
這種處理方法還可以用來(lái)合并處理非線性表面徑流模型或模擬滲透設(shè)施的作用，這些設(shè)計(jì)受到地表雨水的影響。通常情況，在佛蘭德斯，下水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在固定的封閉區(qū)域一般表面徑流系數(shù)取固定的0.8數(shù)值。在長(zhǎng)時(shí)間段的方法使用中，更加實(shí)際的徑流（也就是更大容量的表面徑流模型）模型可以得到校準(zhǔn)。這樣的處理可以包含在設(shè)計(jì)計(jì)算中，使用簡(jiǎn)單的概念徑流模型和合并在設(shè)計(jì)暴雨中各個(gè)影響因素的處理方法。這個(gè)同樣可以適用于滲透設(shè)施和雨水徑流中。單一的概念性模型可以使用到暴雨設(shè)計(jì)中，這樣可以做到不會(huì)忽視雨水在上游式水力保持設(shè)施的作用。
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