關(guān)中地區(qū)新農(nóng)村分戶雨水池容積分析計算

王小林，劉遠(yuǎn)哲，盧金鎖(.西安市政設(shè)計研究院有限公司，西安 70068；.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 70055)

0 引 言

“農(nóng)民集中居住”作為新農(nóng)村建設(shè)中村容整潔的重要內(nèi)容之一，隨著新農(nóng)村建設(shè)的深入，取得了比較長足的進(jìn)展，以西安市為例，截止2014年底，已建成27個新型農(nóng)村社區(qū)，58個新型農(nóng)村社區(qū)正在全面建設(shè)推進(jìn)，并計劃于2015年全面建成標(biāo)準(zhǔn)化新型農(nóng)村示范社區(qū)100個以上。農(nóng)民居住方式逐漸由傳統(tǒng)的分散居住轉(zhuǎn)向新型社區(qū)集中居住[1]。西北地區(qū)是世界上干旱缺水最嚴(yán)重的地區(qū)之一，缺水問題已成為該地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)過程中面臨的一個重要問題[2]。

以往傳統(tǒng)的農(nóng)村農(nóng)民分散居住方式，農(nóng)民多是利用庭院、屋頂?shù)燃昝孢M(jìn)行雨水收集來解決缺水問題。自20世紀(jì)90年代開始，政府開始通過修建相應(yīng)的雨水集蓄利用工程來幫助農(nóng)民解決缺水問題，例如甘肅的“121”工程、陜西的“甘露”工程、寧夏的“窖窯工程”、青海的“微型雨水集蓄利用工程”等雨水集蓄利用工程，通過修建各類供水工程、水窖、雨水集流井等，解決了當(dāng)?shù)卮蟛糠值娜诵笥盟畣栴}[3,4]。

在新農(nóng)村建設(shè)中農(nóng)民居住方式逐漸由傳統(tǒng)的分散居住逐漸轉(zhuǎn)向新型社區(qū)集中居住，但農(nóng)村新型社區(qū)中農(nóng)民很少以單元樓的形式集中居住，仍是以單戶家庭院落為主的形式居住，因此以單戶家庭修建雨水池或雨水窖等(以下統(tǒng)稱雨水池)收集雨水的模式，仍將是解決農(nóng)村水源短缺問題的重要方法。

本文利用所收集到的2001-2014年的日降雨數(shù)據(jù)建立了日降雨-用水平衡模型對典型單戶家庭中不同容積的雨水池的可靠性和補(bǔ)給率進(jìn)行計算分析，為農(nóng)戶選擇適宜容積的雨水池提供依據(jù)。

1 關(guān)中地區(qū)新農(nóng)村庭院建設(shè)模式及需水量分析

根據(jù)陜西省農(nóng)村宅基地管理辦法，平原每戶宅基地面積不超過133 m2，川地、原地每戶宅基地面積不超過200 m2。其中庭院占地面積約為40%。張金珊等的調(diào)查結(jié)果顯示，關(guān)中農(nóng)村地區(qū)家庭平均人口為4.2人，家庭結(jié)構(gòu)方面，夫婦兩孩、三代同堂和夫婦多孩的家庭數(shù)量依次居第一、二、三位。戶均住宅面積達(dá)140.8 m2。關(guān)中地區(qū)二層住宅已成為發(fā)展的趨勢和主體，其住宅典型結(jié)構(gòu)如下：一層平面主要包括是三個功能區(qū):居住區(qū)、輔助區(qū)和勞務(wù)區(qū)。居住區(qū)以老人臥室和客廳(關(guān)中地區(qū)農(nóng)村住宅稱之為“堂屋”)為主;輔助區(qū)包括廚房、餐廳、衛(wèi)生間、廁所和樓梯間;勞務(wù)區(qū)主要是家禽飼養(yǎng)的地方。住宅二層平面主要功能布局包括:兩間臥室、客廳、廁所和儲藏間[5]。關(guān)中地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)中的家庭院落典型模式如圖1所示。

以關(guān)中地區(qū)典型農(nóng)村家庭戶均常住人口4人計，對單戶家庭全年用水量進(jìn)行分析。根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范SL310 2004》，農(nóng)村居民生活用水以40 L/(人·d)計。計算得到單戶家庭全年總需水量為48 640 L。

2 集雨量和日水量平衡模型

在庭院內(nèi)建造雨水池，用于雨水池收集屋頂和庭院經(jīng)初期棄流雨水，收集的雨水對于可經(jīng)過終端凈水設(shè)備滿足居民飲水水質(zhì)要求。

為便于統(tǒng)計雨水池常年使用的可靠性和補(bǔ)給率，假定居民院落及雨水池的入住和使用日期確定為2001年4月21日，雨水池建成后注入半池水作為的初始水量，自入住日為第1日，開始以雨水池為水源用水，并收集棄流2 mm的雨水，雨水池當(dāng)日所容納的水量應(yīng)為通過集雨面進(jìn)入雨水池的雨水量加上雨水池中剩余的水量，再減去當(dāng)日已用的水量[6-11]。雨水池的每日雨水需水量平衡計算公式為：

St+1=Qt+St-D(0≤St+1≤V)

(1)

St+1=0 (St+1<0)

(2)

St+1=V(St+1>V)

(3)

W=D-St+1(D>St)

(4)

式中:St+1為第t+1天結(jié)束時儲存在雨水池中的水量，L；Qt為第t天經(jīng)初期棄流后的降雨量，L；St為第t天結(jié)束時雨池中的水量，L；D為每日的用水量，L；V為雨水池的體積，L；W為每日用水量無法滿足時的補(bǔ)水量，L。

當(dāng)?shù)趖+1天雨水池中水量無法滿足當(dāng)日的用水量時，當(dāng)天雨水池中需水量按零計算，若該天的雨水量與降雨之前雨水池中所剩余水量之和超過雨水池的容積時，則該天雨水池的最終蓄水量為雨水池的容積量。

雨水池的可靠性為能滿足每日所需的水量的天數(shù)占總計算天數(shù)的百分?jǐn)?shù)。其計算公式為：

Re=(N-U)/N×100%

(5)

式中：Re為雨水池的可靠性，%；N為總計算天數(shù)，d；U為雨水池?zé)o法滿足當(dāng)日用水量的天數(shù)，d。

補(bǔ)給率是指補(bǔ)給水量占總需水量的百分?jǐn)?shù)。其計算公式為：

Rs=P/T×100%

(6)

式中：Rs為補(bǔ)給率，%；P為補(bǔ)水量，L；T為總需水量，L。

3 不同容積雨水池計算分析

以西安市東樊新村為例，該村共計421戶，戶均4人，集雨面積200 m2[12]。根據(jù)國家統(tǒng)計局陜西調(diào)查總隊于2014年公布的結(jié)果，該村常住人口單戶計為3人，外出務(wù)工人員外出時間計為每年4到11月，即以40 L/(人·d)的需水量計算，單戶家庭在12、1、2、3月的日用水量為160 L,4-11月的日用水量為120 L。日降雨數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為從2001年4月21日，即2001年第一場降雨開始，到2014年4月20日。雨水池的體積選擇了10、15、20、25、30、35、40、45、50 m3等9種不同容積，并根據(jù)公式(1)～(6)計算單戶家庭中不同容積的雨水池的可靠性和補(bǔ)給率。

根據(jù)公式(5)計算的雨水池可靠性的結(jié)果如表1所示，觀察可發(fā)現(xiàn)，同一時間段內(nèi)，雨水池容積的可靠性是隨著雨水池容積的增大而不斷增大，當(dāng)雨水池容積增大到某一值時，雨水池可靠性不再隨著容積增大而增大；在雨水池容積達(dá)到30 m3之前，同一容積的雨水池在不同時間段內(nèi)的可靠性是不同的；當(dāng)雨水池的容積達(dá)到30 m3時，在各時間段內(nèi)的可靠性達(dá)到100%。這是由于在雨水池容積達(dá)到30 m3后，集雨面積相較于雨水池的容積過小而不能收集足夠的雨水或是用水需求較大導(dǎo)致雨水很快被用完，從而使雨水池在大部分時間處于部分或完全空置的狀態(tài)。

表1 雨水池的可靠性 %

根據(jù)日用水水量平衡模型計算結(jié)果統(tǒng)計從2001年4月21日到2014年4月20日期間不同容積的雨水池的最大連續(xù)不滿足天數(shù)和可靠性，如圖2所示。從圖2中可以看出，從30 m3開始，雨水池可靠性達(dá)到100%，即30 m3的雨水池能滿足從2001年4月21日到2014年4月20日中每天的全部需水量。在雨水池的容積為25 m3時，雨水池的可靠性達(dá)到99%，即從2001年4月21日到2014年4月20日，25 m3的雨水池的總不滿足天數(shù)為83 d，且最大連續(xù)不滿足天數(shù)為23 d，發(fā)生在2007年4月17日到2007年5月9日，分析發(fā)現(xiàn)是由2007年度降雨分布不均造成的，在4月17日之前基本無可收集的降雨。

圖2 不同容積雨水池的最大不滿足天數(shù)和可靠性示意圖Fig.2 The maximum continuous day and reliability for different volume of rainwater tank

根據(jù)日用水水量平衡模型計算結(jié)果，統(tǒng)計從2001年4月21日到2014年4月20日期間不同容積的雨水池的補(bǔ)水量和補(bǔ)給率，如圖3所示。從圖中可以看出，在雨水池容積達(dá)到30 m3時，不需補(bǔ)水；雨水池的容積為25 m3時，總計算時段內(nèi)所需的補(bǔ)水量為9.56 m3，補(bǔ)給率為1.5%，其；雨水池的容積為20 m3時，補(bǔ)給率為11%，此時在總計算時段內(nèi)所需的補(bǔ)水量為69.82 m3。

圖3 不同容積雨水池所需補(bǔ)水量和補(bǔ)給率示意圖Fig.3 The fill water and recharge rates for different volume of rain water tank

根據(jù)日用水量平衡模型的計算結(jié)果，分別統(tǒng)計20 m3和25 m3的雨水池在14年間最少的補(bǔ)水次數(shù)以及每次所需補(bǔ)水量及其時間，并在表2中列出最小補(bǔ)水次數(shù)以及其中最大的兩次補(bǔ)水量及其時間。20 m3的雨水池的最小補(bǔ)水次數(shù)為13次，25 m3的雨水池的最小補(bǔ)水次數(shù)僅需7次，25 m3雨水池最大的兩次補(bǔ)水量占總補(bǔ)水量的63%，而25 m3雨水池最大的兩次補(bǔ)水量僅占總補(bǔ)水量的22%。20 m3和25 m3雨水池的最大補(bǔ)水量均在2007年，這也是由于2007年降雨分布不均造成的。

表2 補(bǔ)水量

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出，雨水池容積達(dá)到30 m3時，完全可滿足住戶用水需求，其雨水池可靠性達(dá)到100%，不需額外補(bǔ)水。根據(jù)圖2和圖3可以看出，在雨水池容積達(dá)到30 m3之前，隨著雨水池容積增加，可靠性增加，補(bǔ)給率降低，在30 m3之后，可靠性和補(bǔ)給率不變，分別為100%和0；但雨水池容積為25 m3時，雨水池可靠性已達(dá)到99%。從25 m3增加到30 m3，雨水池容積增大了20%，可靠性增加了1%，不需要外補(bǔ)水，其補(bǔ)給率由1.5%降低為0，因此認(rèn)為25 m3比30 m3的雨水池更合適。

25 m3的雨水池雖然能夠達(dá)到較高的可靠性，但仍存在以下幾個問題：第一，結(jié)構(gòu)方面，水窖形式的與水池形式相比，平面占地面積較小，因此雨水池的修建應(yīng)以水窖形式為宜。第二，雨水水質(zhì)方面，雨水進(jìn)入雨水池后并未立即消耗完，而會在于水池中貯存一段時間，根據(jù)日用水水量平衡模型計算結(jié)果，統(tǒng)計不同容積的雨水池中雨水的貯存時間的最大值，25 m3的雨水池的雨水最大貯存時間為168 d，30 m3的雨水池的雨水最大貯存時間為210 d。雨水在雨水池中長時間貯存時，尤其是在夏季高溫時節(jié)，雨水水質(zhì)可能會發(fā)生變化。當(dāng)雨水池中雨水水質(zhì)不滿足日常用水標(biāo)準(zhǔn)時，可以通過家用凈水設(shè)施進(jìn)行處理后供日常使用。

4 結(jié) 論

雨水集蓄工程設(shè)計中，利用長時間日降雨數(shù)據(jù)，基于降雨時雨水集蓄設(shè)施收集的雨水量以滿足段時間內(nèi)用水量的水量平衡模型，其可準(zhǔn)確計算長時間內(nèi)一定的集雨面積上不同容積雨水池的可靠性，分析確定適宜容積的雨水集蓄設(shè)施規(guī)模。

對于以家庭院落為主要居住方式的關(guān)中農(nóng)村地區(qū)，以單戶家庭修建雨水集蓄設(shè)施進(jìn)行雨水收集利用的模式是解決新農(nóng)村建設(shè)中的水源短缺問題的重要方法。本文以日水量平衡模型計算了不同容積的雨水池在家庭人口4人，集雨面積200 m2的典型關(guān)中農(nóng)村單戶家庭中的可靠性和補(bǔ)給率，結(jié)果表明，該場景下的雨水池的最優(yōu)容積為25 m3，但當(dāng)雨水池容積達(dá)到30 m3時，可靠性達(dá)到100%，不需額外補(bǔ)水便能滿足計算時段內(nèi)的每日用水量。

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