一种确定雨水蓄水池容积的方法.pdf

本发明公开了一种确定雨水蓄水池容积的方法，包括：(101)根据雨水可收集量与蓄水池中雨水剩余量之和、用水量、蓄水池容积三者的大小关系；(102)根据某年雨水利用量Q＝Σqi，从而得到多年平均雨水利用量Q平＝ΣQ/N；(103)根据不同容积V与相应的多年平均雨水量Q平的多组数据，经过数学模拟确定雨水蓄水池容积V与多年平均雨水利用量的关系：Q平＝f(V)。本发明利用多年逐日降雨量、逐日用水量等数据，能够准确得出绿色建筑区域内雨水利用工程中雨水蓄水池容积大小与雨水年利用量之间的关系，达到高的雨水年利用量与低的造价成本相结合的目标。

1.一种确定雨水蓄水池容积的方法，其特征在于，包括：
(101)根据雨水可收集量与蓄水池中雨水剩余量之和、用水量、蓄水池容积三者的大小
关系，可得:当b_i+m_i-1≥c_i≥V，则m_i＝0，q_i＝V；当b_i+m_i-1≥V≥c_i，则m_i＝V-c_i,q_i＝c_i；当c_i≥
b_i+m_i-1≥V，则m_i＝0，q_i＝V；当c_i≥V≥b_i+m_i-1，则m_i＝0，q_i＝b_i+m_i-1；当V≥b_i+m_i-1≥c_i，则m_i＝
b_i+m_i-1-c_i；q_i＝c_i；当V≥c_i≥b_i+m_i-1，则m_i＝0，q_i＝b_i+m_i-1；
其中，b_i为建筑区域内逐日雨水可收集最大量，c_i为建筑区域内逐日用水量，m_i为蓄水
池中雨水剩余量，q_i为雨水每天利用量，V为蓄水池容积，i＝1～365；
(102)根据某年雨水利用量Q＝Σq_i，从而得到多年平均雨水利用量Q_平＝ΣQ/N，N为年
数；
(103)根据不同容积V与相应的多年平均雨水量Q_平的多组数据，经过数学模拟确定雨水
蓄水池容积V与多年平均雨水利用量的关系：Q_平＝f(V)。
2.根据权利要求1所述的确定雨水蓄水池容积的方法，其特征在于，所述建筑区域内逐
日雨水可收集最大量b_i＝SΨa_i，S为建筑区域内雨水收集面积，Ψ为建筑区域的综合径流系
数，a_i为雨水蓄水池所在地区或城市近N年以上的逐日雨水降雨量，N≥3，且为整数。
3.根据权利要求1所述的确定雨水蓄水池容积的方法，其特征在于，所述的逐日用水量
c_i为非传统水源用水量，包括冲厕用水、绿化浇洒、广场冲洗、地下室冲洗等一种或多种用
水量。

一种确定雨水蓄水池容积的方法

技术领域

本发明涉及雨水蓄水池，更具体地说，涉及一种确定雨水蓄水池容积的方法。

背景技术

目前，我国水资源匮乏，雨水利用工程可以节约自来水用量，减少自来水费与排污
费的支出，还存在一定的间接经济效益与环境、社会效益；间接经济效益包括可增加的国家
财政收入：全国六百多个城市日平均缺水1000万吨的情况造成国家财政收入年减少200亿
元，意味着雨水利用可创造5.48元/m³的收益；消除污染而减少的社会损失：为消除污染每
投入1元可减少的环境资源损失是3元；节省城市排水设施的建设和运行费用：此项可节约
费用约为0.5元/m³。

雨水蓄水池是雨水收集回用系统中重要的构筑物，其容积大小影响着整个系统的
运转。由于建设雨水蓄水池的费用占绿色建筑区域内雨水资源利用工程费用的比重最大，
因此雨水资源利用的首要问题是确定雨水蓄水池容积的大小；如何确定蓄水池的经济容积
是工程建设的关键。

雨水蓄水池容积可以利用降雨量估算法确定。此方法的关键是如何确定一场雨的
设计降雨量，多以1～2年重现期作为计算依据。但这仅是关注了一场雨，而忽略了全年的降
雨频率与降雨量。例如广州与北京1年一遇日降雨量分别是45mm与51.8mm，差别不大；在同
样的径流系数和雨水收集面积条件下，这样会计算得出相近的雨水蓄水池容积(蓄水池容
积＝径流×雨水收集面积×1年一遇降雨量)。但是，由于两城市的年降雨量(广州、北京分
别是1657.2mm与596mm)、降雨频率都不相同，两个地方的雨水利用量相差较大。

也有一部分工程人员在计算雨水年利用量时利用当地平均月降雨量来计算，这是
由于《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB50400-2006)或其他资料一般只提供当地多
年平均月降雨量数据。照这样计算，结果会与实际产生一定的偏差甚至错误。这是由于以平
均月的数据来计算，只要收集面积足够大，计算得出的月收集水量就足够多，并且大于月用
水量，最后得出自来水替代率可以是100％(即建筑区域内非传统水源利用不需要自来水来
补给，全部可由雨水提供)。

另外，还有利用多年平均逐日降雨量来计算雨水年利用量的。各月内降雨天数虽
然是不确定的，但是通过多年逐日平均，月内的平均逐日降雨量趋于相等，与多年平均月的
概念相近，因此由此计算得出的雨水蓄水池容积也是不合理的。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种确定雨水蓄水池容积的方法，
为各缺水地区雨水利用工程提供合理容积的雨水蓄水池。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种确定雨水蓄水池容积的方法，包
括：(101)根据雨水可收集量与蓄水池中雨水剩余量之和、用水量、蓄水池体积三者的大小
关系，可得:当b_i+m_i-1≥c_i≥V，则m_i＝0，q_i＝V；当b_i+m_i-1≥V≥c_i，则m_i＝V-c_i,q_i＝c_i；当c_i≥
b_i+m_i-1≥V，则m_i＝0，q_i＝V；当c_i≥V≥b_i+m_i-1，则m_i＝0，q_i＝b_i+m_i-1；当V≥b_i+m_i-1≥c_i，则m_i＝
b_i+m_i-1-c_i；q_i＝c_i；当V≥c_i≥b_i+m_i-1，则m_i＝0，q_i＝b_i+m_i-1；其中，b_i为建筑区域内逐日雨水
可收集最大量，c_i为建筑区域内逐日用水量，m_i为蓄水池中雨水剩余量，q_i为雨水每天利用
量，V为蓄水池容积，i＝1～365；(102)根据某年雨水利用量Q＝Σq_i，从而得到多年平均雨
水利用量Q_平＝ΣQ/N，N为年数；(103)根据不同容积V与相应的多年平均雨水量Q_平的多组数
据，经过数学模拟确定雨水蓄水池容积V与多年平均雨水利用量的关系：Q_平＝f(V)。

作为本发明的一种改进，所述建筑区域内逐日雨水可收集最大量b_i＝SΨa_i，S为建
筑区域内雨水收集面积，Ψ为建筑区域的综合径流系数，a_i为雨水蓄水池所在地区或城市
近N年以上的逐日雨水降雨量，N≥3，且为整数。

作为本发明的一种改进，所述的逐日用水量c_i为非传统水源用水量，包括冲厕用
水、绿化浇洒、广场冲洗、地下室冲等一种或多种用水量。

确定函数Q_平＝f(V)后，雨水蓄水池经济容积的确定可利用经济评价措施效益费用
比来确定；此经济评价方法按照以下步骤进行：(一)确定各种计算参数，包括(1)确定雨水
利用的年运行总费用C(元；C为含多年雨水利用量Q_平的函数)，包括C₁动力费(元)、C₂药剂消
耗费(元)、C₃维护管理费(元)及其他与C₄折旧费(元)；(2)确定雨水利用的直接经济收益B
(元；B为含多年雨水利用量Q_平的函数)。(二)利用MBTLAT等编程软件计算目标优化函数效益
费用比B/C的最大值，即max(B/C)，并且得到最大值时相应的Q_平值，由权利要求1中Q_平＝f(V)
的函数关系确定最高效益费用比所对应的经济雨水蓄水池容积V。

雨水蓄水池经济容积还利用经济评价措施静态投资回收期来确定；此经济评价方
法按照以下步骤进行：(一)确定各种计算参数，包括(1)固定投资I(元)；(2)年节约水费B
(元)；(3)年运行总费用C(元)。(二)计算绿色建筑雨水利用工程的静态投资回收期(年)，其
可从以下公式求得：静态投资回收期＝固定投资I/(年节约水费B-年运行总费用C)。(三)利
用MBTLAT等编程软件计算目标优化函数静态投资的最小值，即min静态回收期，并且由权利
要求1中Q_平＝f(V)的函数关系确定最小静态回收期所对应的经济雨水蓄水池容积V。

年运行总费用C由以下组成：(1)动力费C₁＝耗电量×工作时间×天数×电费单
价；其中，1)耗电量(kw/h)按水泵等用电机械的功率进行估算；2)工作时间(h/d)按一天用
电机械使用时间计算；3)天数(d)按一年实际用水天数估算；4)电费单价(元度)按当地物价
指标为准。(2)药剂消耗费C₂+维护管理费C₃＝药剂费+人工费用+其他费用；其中，1)药剂费
(元/m³)按每立方雨水投加的净水剂的费用进行计算；2)人工费用(元/m³)按每处理一立方
雨水所需要人工费进行计算；3)其他费用(元/m³)指雨水利用工程运行过程中除药剂费与
人工费用的一些杂项费用，可按10～20％(药剂费+人工费用)进行估算。(3)折旧费C₄＝固
定投资I×年折旧率r；其中，1)固定投资(元)指绿色建筑区域内雨水利用工程的固定投资
成本，包括建造雨水蓄水池、雨水清水池、管道及配件、加压泵、控制系统与其他设备等投
入；固定投资中雨水蓄水池的建造费用在整个固定投资中占的比例最大，而雨水蓄水池的
建造费用与蓄水池的容积直接相关，因此通过计算可以确定固定投资与蓄水池容积的函数
关系；2)折旧率是雨水利用工程中固定资产的折旧额与固定资产原始价值比率，其计算公
式为折旧率＝(1-e)/n×100％(其中，r-年折旧率，1/年；e-寿命终了时残余价值率，取为4
～6％；n-折旧年限，一般取20～30年)。

直接收益年节约水费B(元)由以下公式计算所得：年节约水费B＝水费单价×多年
平均雨水利用量Q_平；其中，水费单价(元/m³)指当地自来水价与排污处理费的总和。

与现有技术相比，本发明利用多年逐日降雨量、逐日用水量等数据，能够准确得出
绿色建筑区域内雨水利用工程中雨水蓄水池容积大小与雨水年利用量之间的关系，达到高
的雨水年利用量与低的造价成本相结合的目标。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说
明。

图1为本发明蓄水池容积与雨水年利用量关系示意图。

图2为本发明雨水蓄水池容积与多年平均雨水收集量数据拟合图。

图3为雨水蓄水池容积与B/C关系图。

图4为雨水蓄水池容积与静态投资回收期关系图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图
和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实
施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参阅图1，本发明按照以下步骤确定雨水蓄水池容积与多年平均雨水利用量的
关系：

(一)确定各种计算参数，包括(1)该雨水蓄水池所在地区或城市近N年(N>3，且为
整数)以上的逐日雨水降雨量a_i(m)[该数据可在当地或中国气象台查询；下标i指第i天]；
(2)绿色建筑区域内雨水收集面积S(m²)；该建筑区域的综合径流系数Ψ；则建筑区域内逐
日雨水可收集最大量为b_i＝SΨa_i(m³)；(3)建筑区域内逐日用水量为c_i(m³)[降雨时用水量
d_i，不降雨时用水量e_i；如果a_i>0，则c_i＝d_i，否则c_i＝e_i]；(4)雨水每天利用量q_i；(5)蓄水池
体积V；(6)池子中雨水剩余量m_i(设定初始值m₀＝0)；(7)自来水补水量p_i＝c_i-q_i；(8)雨水利
用率α(雨水利用量占可收集雨水量比例)，自来水替代率β。

(二)确定计算公式；根据雨水可收集量与池子中雨水剩余量之和、用水量、蓄水池
体积三者的大小关系，共有六种情况，分别是：(1)当b_i+m_i-1≥c_i≥V，则m_i＝0；q_i＝V。(2)当b_i
+m_i-1≥V≥c_i，则m_i＝V-c_i；q_i＝c_i。(3)当c_i≥b_i+m_i-1≥V，则m_i＝0；q_i＝V。(4)当c_i≥V≥b_i+
m_i-1，则m_i＝0；q_i＝b_i+m_i-1。(5)当V≥b_i+m_i-1≥c_i，则m_i＝b_i+m_i-1-c_i；q_i＝c_i。(6)当V≥c_i≥b_i+
m_i-1，则m_i＝0；q_i＝b_i+m_i-1。(其中，i＝1-365。)

(三)请参阅图1，根据相关的计算公式可以在EXCLE进行编程，计算出在某年雨水
利用量。调整不同的雨水蓄水池容积，则得出相应容积下该年雨水利用量：(1)某年雨水利
用量Q＝Σq_i；(2)多年平均雨水利用量Q_平＝ΣQ/N。通过计算可以确定雨水蓄水池容积V与
多年平均雨水利用量Q_平的关系,即确定函数Q_平＝f(V)。雨水蓄水池主要用于绿色建筑区域
内雨水资源化利用工程，该雨水蓄水池所在地区或城市近N年以上的逐日降雨量数据，其中
N应至少大于或等于3。当该地区或城市资料较少或欠缺这方面数据时，可参照附近并具有
多年逐日降雨量数据的城市。N年的逐日降雨量可以为连续年数据，也可以为不连续年数
据。逐日用水量指非传统水源用水量，包括冲厕用水、绿化浇洒、广场冲洗、地下室冲等一种
或多种用水量。

绿色建筑雨水利用工程设计实例数据来源于深圳市某一建筑区域：该项目建设用
地面积(雨水收集面积)为33330.77m²，场地综合径流系数为0.597，非降雨天时用水量(包
括绿化浇洒、道路与地下车库地面冲洗用水量)为43.23m³，降雨天时用水量(只需要地下车
库地面冲洗用水量)为21.23m³。将蓄水池的有效容积V作为参变量：50m³、100m³、150m³、
200m³、250m³、300m³。蓄水池作封闭、防渗处理，不考虑蒸发量、渗漏量。深圳市雨水逐日降雨
量数据(2003～2012年)来源于国家气象信息中心。将上述数据输入进EXCEL表格中，可求出
蓄水池体积V与多年平均雨水利用量Q_平(通过公式多年平均雨水利用量Q_平＝ΣQ/N得出，此
例中N＝10)的关系；本例的V与各年的雨水利用量Q关系如表1所示，蓄水池池V与多年平均
雨水利用量Q_平的点数据拟合情况如图2所示。

表1雨水蓄水池体积与各年雨水利用量关系情况

雨水利用的年总费用C包括C₁动力费、C₂药剂消耗费、C₃维护管理费及其他与C₄折
旧费；其中前三项为年运行成本。本工程雨水利用工程总费用详细清单见表2～表4。

表2雨水利用工程动力费用表

表3雨水利用工程药剂消耗费、维护管理费用及其他费用表

表4雨水利用固定投资费用表

*按《建筑与小雨水利用工程技术规范》GB50400-2006 7.1.6项规定，雨水清水池
“可按雨水回用系统最高日设计用水量的25％～35％计算”

C₄＝I.r，其中r＝(1-e)/n×100％(I-固定资产投资，元；r-年折旧率，1/年；e-寿
命终了时残余价值率，取为4％；n-折旧年限，一般取为30年)

即C₄＝(1-4％)/30×100％×(1500V+95000)＝48V+3040

则本工程雨水利用年总费用C可表示为：

C＝C₁+C₂+C₃+C₄

＝2489+0.75Q_平+48V+3040＝48V+0.75Q_平+5529

根据深圳市居民自来水与污水处理费总价约5.70元(31立方米以上，含税零售水
价4.60元/m³，污水处理费1.10元/m³)。则雨水利用的直接经济收益B为：

B＝5.70Q_平

雨水蓄水池容积可通过追求效益费用比的最大化来确定，即求出雨水利用系统的
目标优化函数max.B/C。由上述各式，并且利用MATLAB软件或EXCEL软件可计算求出B/C值，
同时绘制比值关系曲线，如图3。从图3可得知，当雨水蓄水池容积V＝100m³时，B/C有最大
值，即经济效益费用比最优化计算下，池容为100m³是经济规模的容积；三十年的回报效益
是总投资与运行成本的1.95倍。

另外，经济雨水蓄水池容积的确定还可以利用静态投资回收期作为经济评价手
段。雨水蓄水池容积也可以通过静态投资回收期来确定，即求出min.静态投资回收期。本工
程静态投资回收期可从以下公式求得，其中年运行成本即为C₁+C₂+C₃：

静态投资回收期＝固定资产投资/(年节约自来水费-年运行成本)

＝(1500V+95000)/(5.70Q_平-2489-0.75Q_平)

由上述各式，并且利用MATLAB软件或EXCEL软件可计算求出静态投资回收期值，同
时绘制比值关系曲线，如图4。当池容为100m³时，静态投资回收期有最小值，回收期为11.6
年。从静态投资回收期的经济评价分析可得，本工程雨水利用的蓄水池容积为100m³是最具
经济规模的容积。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方
式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本
发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书
中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。