德國國內(nèi)雨水的利用：效率，尺寸確定，環(huán)境和水力因素
來源：SWMM（微信號：Sponge-Model）
本文已獲得原創(chuàng)授權(quán)
摘要：本次研究描述了德國國內(nèi)雨水利用系統(tǒng)的發(fā)展和性能。首先分析了不同類型的雨水利用系統(tǒng)的運行特點。模型研究的目的在于量化雨水利用系統(tǒng)對城市排水系統(tǒng)的影響。在長達十年雨水數(shù)據(jù)模擬的基礎(chǔ)上，模型對下列數(shù)據(jù)進行了計算：水池容積，覆蓋率，飲用水節(jié)水量，溢流發(fā)生率，溢流量，排澇量，溢流周期。在波鴻市的一個工程案例分析中，研究人員對單戶和高層建筑的雨水平衡進行了計算。
關(guān)鍵詞：水文學；模型化；洪峰流量；降水；雨水利用；滯留池；屋面徑流；工業(yè)水；水源控制；貯水池；雨水；城市排水系統(tǒng)；集水；節(jié)水；
1、歷史簡介
過去15到20年內(nèi)，在環(huán)境領(lǐng)域有識之士地推動下，通過單戶住宅、公共建筑和工廠的硬質(zhì)粘土制管道系統(tǒng)進行雨水利用在德國已經(jīng)達成初步的共識。方案是通過用屋面徑流集水來替代沖廁水以節(jié)省有使用價值的飲用水。在過去十年，這門藝術(shù)工程已經(jīng)從研究前線脫離，走向市場化。相關(guān)的雨水利用產(chǎn)品市場正在繁榮發(fā)展，對經(jīng)濟的作用日益突顯。1995年11月，由資深顧問與經(jīng)營雨水回收裝置業(yè)務的公司組成的壓力集團FachvereinigungRegen和Betriebswassernutzunge.v.(fbr)在美茵河畔法蘭克福成立（fbr.1996）�，F(xiàn)在的雨水利用市場有超過100家的商業(yè)制造公司參與競爭（fbr.1996）。對于它們其中的許多公司來說，雨水利用是它們唯一的或者最重要的業(yè)務分支。根據(jù)德國預制混凝土水池產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭公司Mall Beton GmbH的數(shù)據(jù)，過去10年，他們在德國安裝了100000多座供于工業(yè)水的分散式雨水貯存池，它們的總貯存能力超過600000m3。雨水利用系統(tǒng)正越來越多地被運用在學校的商業(yè)運作區(qū)，洗車中心和有工業(yè)用水需求的工廠（Debus,1999）。在過去，許多像漢堡漢薩市這樣的市政府，通過補貼和鼓勵來推廣雨水系統(tǒng)的使用。今天，許多城市趨向于將排放由消費產(chǎn)生污水的城市排水系統(tǒng)和由不透水地表面積產(chǎn)生的城市雨水系統(tǒng)進行分離。持續(xù)的經(jīng)濟問題驅(qū)使人們將屋面從污水道系統(tǒng)中移除。關(guān)于雨水系統(tǒng)的兩個主要問題是：(1)評價城市排水系統(tǒng)的積極效果，特別是對于在德國廣泛分布的合流制排水系統(tǒng)和（2）獨立的雨水利用系統(tǒng)的成本效率。Herrmann和Hasse在1997年發(fā)布了第一份關(guān)于流域規(guī)模比例的預支平衡結(jié)算，而最近的一份是分別由Deltau和Stratmann在1997、1998年發(fā)布。研究表明，盡管要求不滲透面積內(nèi)(Ar)大型特制的水池的存貯容積達到500m3/ha，且中心調(diào)蓄池的處理能力達到20-100m3/ha，提供使用水的分散式獨立貯水池在經(jīng)濟效益上能與中心調(diào)蓄池進行競爭。對于成本效益，其中一個原因是獨立貯水的混凝土預制的地下特制建筑的價位大約在250歐元/m3,這些中心調(diào)蓄池的預算在600-3400歐元/m3,最低值和最高值分別對應于敞開式和地下式圓形水池（LFU,1998;KleinschrothWirth,1996）。Bullermann,Klein,Busweier,Rexroth和Sell-Foro（1989）在他們研究的基礎(chǔ)上所得到的第一份報告中給出了貯水池的水力尺寸標準和與水質(zhì)量相關(guān)的物理化學指標。研究得出的結(jié)論是，幾乎在所有情況下，工業(yè)水水質(zhì)滿足德國飲用水的物理化學指標要求和EU淋浴用水指標要求。根據(jù)這些研究的分析結(jié)果，從衛(wèi)生方面的觀點來看，在洗滌機中使用雨水是安全的，因此有必要推薦使用來自雨水的工業(yè)水，只將有大量鴿子活動的屋面不計算在流域面積內(nèi)。直到最近，雨水都一直只是被視為一種節(jié)約飲用水的方法。它對排水系統(tǒng)的水力作用產(chǎn)生了不利的影響，但這種影響并沒有得到定性分析和系統(tǒng)研究。一方面，雨水利用市場在經(jīng)濟中扮演越來越重要的角色，另一方面，暴雨所引發(fā)的許多市政排水問題，包括中心調(diào)蓄池的預算費用，讓我們開始質(zhì)疑分散式集流和屋面徑流雨水的使用能帶來多大的效益？通過分散式收集系統(tǒng)和雨水利用組件在排水系統(tǒng)水文模擬軟件上的使用能夠模擬雨水利用對城市排水系統(tǒng)的水力影響�，F(xiàn)在在德國市場上相關(guān)的水文軟件包括雨水利用：開發(fā)的第一款軟件是RWIN(1995)，緊接的(1999)和是MURISIMKOSIM-MRS(1998)。
2、研究目的
本次研究重點是分析雨水利用系統(tǒng)在長時間不間斷模擬狀態(tài)下的水力性能�；谝幌盗械馁A水容積，屋頂面積和工業(yè)水耗用速率，我們對下列參數(shù)進行了分析：系統(tǒng)效率，發(fā)生溢流事件的頻率和溢流量，排向排水系統(tǒng)的溢流峰值的容積和周期、貯水池中附加調(diào)蓄容積的作用。
3、典型雨水利用系統(tǒng)的設(shè)計和制造
在建筑中安裝的一座典型雨水利用系統(tǒng)通過提供沖廁和綠地用水來節(jié)約飲用水，當被安裝在私用住宅時，它還要提供洗滌用水。圖1展示了雨水收集利用系統(tǒng)的原理。屋面徑流機械地通過過濾器或者格柵進行粗略收集。市場上提供了許多各種各樣的雨水收集系統(tǒng)，能夠根據(jù)水力特性對它們進行系統(tǒng)分類：
1）總徑流類型（圖1）。總徑流被定義為是經(jīng)過濾裝置或者格柵流入貯存池的徑流。只有在存儲池池滿時，流向排水系統(tǒng)的溢流才會發(fā)生。重要的是，在過濾裝置和格柵被堵塞的情況下，沒有流水排向貯存池。
2）引水管的一個導水管被安裝在水溝后方的豎管上或者在地下排水管道上（圖2）。分支的收集部分從總流中分離，溢流量被轉(zhuǎn)移到排水系統(tǒng)。許多分支有能將大量顆粒透濾到排水道的細小網(wǎng)孔的濾網(wǎng)。那時雨水利用只是被看做是節(jié)約飲用水的的方法，把雨水排到排水管道被視為一種習以為常的習慣，這些設(shè)備就是在這個時代的背景下孕育出來的經(jīng)典發(fā)明。轉(zhuǎn)移設(shè)備的效率比值隨著流量的增加而減小。因此，在強降雨期間，大量的徑流被轉(zhuǎn)移到排水系統(tǒng)。在低強度降雨時，轉(zhuǎn)移到排水管道的流量很小且設(shè)備效率降低至零。根據(jù)制造廠商的數(shù)據(jù)，圖3給出了這些新設(shè)備的效率值。盡管被稱為自凈裝置，但這些網(wǎng)格細小的篩網(wǎng)還是被一些花粉之類的粘性顆粒堵塞住且它的效率隨時間的推移而減小。Winkler（1991）和Graf（1995）給出了具體的技術(shù)分析。
圖1 總流量類型的雨水利用系統(tǒng)
圖2 轉(zhuǎn)換器類型的雨水利用系統(tǒng)
圖3 市場上得到的不同轉(zhuǎn)換器的集水效率
（制造廠手冊上的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過驗證）
3）調(diào)蓄和節(jié)流類型（圖4）。這里的貯存池提供了一個附加的調(diào)蓄容積，它處于空置的狀態(tài)，通過節(jié)流閥與污水管道相連。
圖4 調(diào)蓄和節(jié)流型的雨水利用系統(tǒng)
4）滲透型（圖5）。對超出貯水池而被轉(zhuǎn)移到污水管道的溢流進行局部滲透處理是一種可行的方法。Herrmann和Schmida(1996b)對滲透區(qū)域產(chǎn)生的水文影響進行了計算。Herrmann,Kaup,和Hesse(1999)對實例的運行狀態(tài)進行了描述并且指出，通過聯(lián)合局部滲透和雨水利用系統(tǒng)，自然的局部水量平衡在不受土壤滲透能力和滲透設(shè)施有效面積影響的情況下可以得到恢復和維持。
圖5 雨水利用和局部滲透合并型的雨水利用滲透系統(tǒng)
本次研究僅僅考慮了總流管道、調(diào)蓄管和節(jié)流管的雨水利用系統(tǒng)，因為這些系統(tǒng)在延遲高峰流量的出現(xiàn)和滿足源控制要求上比引水管的效率更高。
對在貯水池中的屋面徑流進行自然沉淀處理是最有效的凈化過程。因此，最簡單的處理方法是避免急流流入池中以防止沉淀物與水混合。Herrmann(1993)給出了一個這樣的建筑實例。泵后面的有壓管道不建議也不需要使用小網(wǎng)孔的濾網(wǎng)。如果用氯進行消毒只會生成氯代烴類致癌物質(zhì)，化學消毒顯然不需要。唯一可以給出更多建議的是在泵前的管道系統(tǒng)中安裝網(wǎng)孔大小為0.5到1.0mm的濾篩，以防止管道中的殘渣物進入泵和其它裝置中。第一次運行之后，篩網(wǎng)就可能被用于降低泵吸水管的壓力損失。想獲取更多的技術(shù)分析信息，請查閱參考文獻。
4、材料，方法和術(shù)語
計算結(jié)果是在基于長達十多年的連續(xù)降雨數(shù)據(jù)上所得出的。通過運行有水文降雨徑流背景資料的RWIN模型來進行模擬。模型賦值5分鐘徑流間隔的輸入降雨數(shù)據(jù)，用一系列的存儲數(shù)據(jù)畫出單位過程線。根據(jù)屋面的材料和坡度，能夠?qū)駶櫸菝娴乃繐p失進行設(shè)置。通過建立蒸發(fā)模型，可以將存留在屋面上的雨水損失設(shè)置為空值。表格1給出了水文數(shù)據(jù)。表格2給出了模擬期間的年降雨量。
本研究對以下術(shù)語進行了定義。
貯水池或者將埋在地下水池的叫做水箱：用于收集和存儲屋面徑流的不漏水水池。
貯存容積或者池容：僅僅用于供應雨水且處于空置狀態(tài)下的水池體積。
滯留體積：不斷通過節(jié)流閥且不受用水量影響的水池，處于放空狀態(tài)下的體積。調(diào)蓄體積的目的不在于供應用水，而是為了減緩和延遲屋面徑流高峰流量的出現(xiàn)。
工業(yè)水或者貯存水：取自雨水存儲池的水用泵抽送到建筑物中，然后用管道分配以供于用水。當缺少降雨時，安裝在泵前的貯水池或者一座特別設(shè)計的復充水池就會通過公共水網(wǎng)中的飲用水再次進行補水。
雨水：源自屋面徑流的一部分工業(yè)水，其余部分用飲用水補充。
屋面徑流：相關(guān)屋面的總流量的體積。
溢流：當貯存池滿流時，剩余的屋面徑流被認為是溢流量。
飲用水：與公共水網(wǎng)相連的系統(tǒng)供給家庭或者單位的用水，包括補充水。
系統(tǒng)效率：雨水收集系統(tǒng)收集量在工業(yè)水供給量中所占的百分數(shù)。
收集效率：屋面徑流用水在降雨量中所占的百分數(shù)。
有效面積：屋面的水平投影面積。
下列等式方程有效：
徑流—溢流=雨水（1）
雨水+補充水=工業(yè)水（2）
徑流—溢流+補充水=工業(yè)水（3）
覆蓋率=雨水使用量/工業(yè)水使用量
收集率=雨水使用量/屋面徑流量
5、結(jié)果和討論
5.1 系統(tǒng)效率
家用平均水量取決于設(shè)備使用年限，家用設(shè)備的類型，變化范圍為100-145L/(人·天)（Herrmann 和Schmida,1996年；HMUEB,1994）。圖6描述了一系列工業(yè)水用水效率所對應的系統(tǒng)效率、貯存容積和屋面面積之間的關(guān)系。為了將不同的日用水量和屋面面積簡化到一個參數(shù)組中，有必要在日用水量Qd(1/d)和有效屋面面積之間建立關(guān)系Qd/Ar=Qs，得到的日用水量定額Qs的單位為mm/d。貯水容積V與屋頂面積Ar相關(guān)，可以得到貯水容積定額Vs=V/Ar,它也被用于確定集中式分布雨水調(diào)蓄池的尺寸。得到的數(shù)據(jù)在圖7中進行了描述：這里你發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的效率與用水速率相關(guān)，而不受屋面范圍的影響。對于使用4-6m3貯水容積的單獨用戶來說，飲用水的平均節(jié)水率在30%到60%之間，這取決于用水習慣和有效屋面面積。當?shù)玫阶畲蟮南到y(tǒng)效率時，我們可以從表格3中獲取所需要的水池容積。圖8給出了在居住有兩個年輕人和兩個孩子的建筑中檢測到的用水數(shù)據(jù),他們居住在位于巴伐利亞州法蘭克尼亞市上游的米斯特巴赫市。
圖6 系統(tǒng)效率和貯存容積在不同用水速率下的關(guān)系
圖7系統(tǒng)效率和用水量定額在不同貯水容積定額下的關(guān)系
圖8 1993年巴伐利亞州法蘭克尼亞市上游米斯特巴赫市四人住房的日用水量。貯水容積6m3，屋面面積Ar=150m2.平均總用水量（=雨水加飲用水）=66L/（人·d）(數(shù)據(jù)源自米斯特巴赫的B.Koppe)。
5.2溢流容積
圖9顯示了在一系列的貯水容積定額中，水池溢流量與日用水量定額的比例關(guān)系。對于四人入住且其屋面面積達到100m2的房屋建筑，如果沖廁用水需求量為25L/（人·d）,則可以減少44%的屋面徑流，且只需要1m3/100m2的水池容積。，當用水量很高時，水池容積則增加到5m3/100m2,剩余的溢流量可以削減到少于徑流容積的15%。
圖 9 溢流量和特定雨水使用率在不同貯水容積定額下的關(guān)系
5.3 溢流事件
聯(lián)合表格3中最大的覆蓋率，圖10給出了溢流容積和溢流事件次數(shù)之間的關(guān)系。對于排水系統(tǒng)，我們更感興趣的是它在強降雨期間的運行效能。因此，我們分析了在10年的模擬過程中發(fā)生的11次最大徑流事件。圖11給出了在這些極端降雨事件中所得到的徑流容積減少量�？梢圆斓讲煌姆磻涸谟盟俾蕿�1.6mm/d時沒有徑流事件發(fā)生：1988年11月30日，1981年6月28日和1990年1月23日。其它的徑流事件得到增強或減弱：1985年7月14日，1984年2月6日和1984年5月28日。這些反應是由于在暴雨事件之前貯存池中的雨水量水平所導致的。圖12分析了一定的徑流容積在相應周期下所對應的的徑流削減量。周期是根據(jù)經(jīng)驗頻率公式得到的。即使10年周期這樣的極端事件，當運行雨水利用系統(tǒng)時，徑流容積會得到大量的削減。
圖 10 受水池尺寸和用水速率控制的雨水利用對徑流容積和徑流事件次數(shù)的影響
圖11 徑流削減量與特定用水量和水池容積的關(guān)系
圖12 流往排水系統(tǒng)且與特定用水量和水池容積相關(guān)的對應周期定義下的徑流事件
5.4 附加滯留池容積
為了避免水池完全充滿后會出現(xiàn)溢流的缺點，人們在貯存池中引入了附加的調(diào)蓄容積（Mall-Beton,1999b）。通過對模擬期間最極端降雨情景下的水位過程線（圖13）和水池中的水位圖（圖14）的檢驗結(jié)果，說明了貯水容積對徑流產(chǎn)生的影響。附加的9.5m3調(diào)蓄容積會將溢流量削減至0。表格4給出了與節(jié)流閥直徑為1mm和4mm相對應的調(diào)蓄容積。根據(jù)Torricelli（1646）的描述，節(jié)流閥是帶有尖端小圓孔的裝置。圖15描述了受水位控制的節(jié)流流量。當想達到95%-99%這樣高的系統(tǒng)效率時，才需要表格4中給出的相對應的高用水貯存體積。對于普通住戶，經(jīng)濟合理的貯存容積不超過6m3/100m2Ar。當需要灌溉用水時，應該提高水池的貯存能力。為水池溢流提供調(diào)蓄容積的其它可能方法是在水池的周圍區(qū)域建造碎石床（Mall-Beton,1999b）。由于土壤的滲透能力在以后會成為限制性因素，所以不采用局部土壤閥門滲透的方法。
圖13 對屋面面積Ar=200m和特定用水量1mm/d的10年模擬過程中最強降雨的徑流水文過程線
圖14 6m3貯存池在強降雨期間的水位變化
圖15 與尖端孔口直徑為1mm和4mm的節(jié)水閥流量對應的水位關(guān)系
5.5 水量平衡
單戶和多層住房兩種類型的建筑在1976年到1986年間的年水量平衡得到了計算。在這兩個案例中，雨水存貯池都附加提供了lmm節(jié)流閥的調(diào)蓄容積。表格5和6給出了建筑的各個參數(shù)。水量平衡包括降雨，屋面的濕潤損失，蒸發(fā)，雨水使用，節(jié)流閥的溢流水量和飲用水補水。
降雨=蒸發(fā)+雨水使用+溢流(7)
圖16給出了單戶住房的年水量值，雨水用水量是隨時間不變的恒定值，溢流容積隨降雨量不斷變化。圖17展示了四層建筑的水量平衡。
雨水占有較高的使用率，溢流量所占的比例較低。飲用水的補水占工業(yè)水使用量的10%，并且比例在干旱的年份有所增加。這兩種不同的水量平衡表明了低等和中等定額用水量的影響作用。
圖 16 波鴻市單戶建筑的水量平衡
圖17 波鴻市多層建筑的水量平衡
5.6 環(huán)境影響
德國是否缺水是一個需要確定的問題。當然，在任何時候任何地方，德國沒有對來自水龍頭的飲用水進行限流。德國公共飲用水的供應水源72%是來自地下水和泉水，22%來自地表水，6%來自河流滲濾（UBA,1997）。在過去一百年間建造的長距離給水系統(tǒng)不僅解決了大城市的供水問題，而且還附帶地供應鄉(xiāng)村用水。萊茵河和美因河被認為是原水水質(zhì)，它意味著人口的密度和高質(zhì)量的原水處于失衡狀態(tài)。德國的鄉(xiāng)村通常不缺乏可飲用地下水，而在年降雨量不大于650mm的地區(qū)，地下水的再生速率天然就低。在弗蘭肯（法蘭克尼亞上游），地下水的再生速率在100-120mm/年（BStLMU,1994）。硝酸鹽和農(nóng)業(yè)殺蟲劑對地下水的污染，垃圾填埋點的出流或者工業(yè)污染導致一系列的水質(zhì)量問題。從這個世紀初開始，飲用水中硝酸鹽的濃度一直在逐漸增加。從1986年到1992年期間，研究對取自遍及德國國內(nèi)的超過195000份的飲用水樣本的殺蟲劑含量進行了分析。9.7%的樣本中檢測到了殺蟲劑，3.2%的樣本中的殺蟲劑含量超過了飲用水指標的限定值，為0.1μg/l(UBA,1993)。問題在于一方面為什么在山上建造飲用水水塔并且用水泵將其送到千里之外的城市，另一方面，轉(zhuǎn)移近似相等水量的中心調(diào)蓄池沒有起到任何作用。判定是否真正缺水的一個客觀系數(shù)指標是觀測夏季干旱期間土壤的含水量。處理過的污水和自然形成的地下水在干旱季節(jié)的水流中占有的比例是多少？夏季的暴雨初期是觀測城市排水系統(tǒng)溢流量的最佳時期。將取自雨水利用系統(tǒng)的每升水用于用水消耗可以增加河流中的旱季流量，因為通過節(jié)約飲用水的使用量可以增加地下水的含量。這些水流來自排水管道溢流量的高峰流量時段。
6、結(jié)論
得到的系統(tǒng)效率結(jié)果清楚地闡明了雨水利用系統(tǒng)能夠明顯減少飲用水的使用量。溢流事件的特點表明了高定額用水量能夠有效地減少和削減溢流量。研究得到的結(jié)論是雨水利用系統(tǒng)在多層建筑和高密度人群區(qū)域?qū)徑馀潘到y(tǒng)非常有效。在這里人均的特定屋面面積較小，因此屋面產(chǎn)生的徑流量能夠得到完全利用。現(xiàn)在，水文模型軟件能夠?qū)Τ鞘械挠晁孟到y(tǒng)進行模擬。你居住的區(qū)域什么時候開始行動呢？
