建筑物雨水收集系統(tǒng)可靠性優(yōu)化方法

趙穎

摘 要：設(shè)計雨水收集系統(tǒng)可靠性優(yōu)化方法，應(yīng)對三種耗水情景（WCS），即用水需求（BWN）、傾倒沖洗（PF）和全管道連接（FPC）。供應(yīng)的可靠性首先通過獲得雨水的復(fù)合盈余/短缺來確定，然后優(yōu)化將收集的多余雨水重新分配到有短缺的建筑物。結(jié)果表明，可靠性是存儲的線性函數(shù)：當(dāng)供應(yīng)充足時，優(yōu)化的雨水存儲與人均屋頂平面面積呈指數(shù)反比關(guān)系，且盈余/短缺規(guī)模與人均屋頂規(guī)劃面積之間的關(guān)系遵循單相衰減模式;將剩余水從自給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應(yīng)可靠性從64%提高到87%，對于傾瀉沖洗則從47%提高到58%，對于完全管道連接則從28%提高至29%。當(dāng)前研究對改善建筑物雨水收集系統(tǒng)具有明確的指導(dǎo)意義，從而獲得良好的社會收益。

關(guān)鍵詞：雨水收集;雨水再分配;盈余;短缺

中圖分類號：TH185 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：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(dǎo)致用水需求增加。地表徑流的增加和隨后的徑流對水資源的污染可歸因于城市化[1]。近年來，人們在節(jié)水和管理方面取得了一些研究進(jìn)展，更加重視雨水收集（RWH）。諸如易于安裝、低能耗和廉價維護(hù)等因素，是影響城市和農(nóng)村居民安裝雨水收集系統(tǒng)（RWHS）的主要驅(qū)動因素。雨水收集已被確定為促進(jìn)城市地區(qū)可持續(xù)供水的最佳手段之一。由于對建筑成本和長期維護(hù)成本的綜合考慮，雨水收集系統(tǒng)的長期效益容易被忽視。在家庭水源受到污染的地區(qū)，RWH已被證明可以填補(bǔ)作為替代水源的空白。雨水蓄水箱的安裝減少了對市政供水的需求，從而對水管理產(chǎn)生了積極影響[2]。在干旱氣候下應(yīng)鼓勵雨水收集，因?yàn)樗墙鉀Q干旱和缺水問題的有效工具。雨水收集的環(huán)境和生命周期影響，確保了更準(zhǔn)確的系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)。RHWS的性能需要重新定義為徑流捕獲的函數(shù)，水的成本效益與RWH的抽水能源成本有關(guān)。通過建立每日用水量的平衡模型，優(yōu)化用于具有大型屋頂集水區(qū)的住宅建筑的水箱尺寸。不同氣候條件和水費(fèi)，這些條件影響了RWH的投資回報。

近年來對RWHS進(jìn)行實(shí)地調(diào)查的研究表明，僅使用RWHS無法防止雨水溢出[3]。已經(jīng)提出了許多方法來優(yōu)化多用途儲層，其中大多數(shù)是使用遺傳算法、長期數(shù)據(jù)集和模糊邏輯[4]?？紤]到使用多用途雨水箱需要對降雨事件過程進(jìn)行隨機(jī)分析，因?yàn)檫@將有助于探索減少降雨—徑流的新替代潛力[5]。本研究旨在確定各種類別住宅建筑的RWH供水的最佳可靠性;確定可靠性與需水量之間的關(guān)系;確定最佳存儲容量與用水需求之間的關(guān)系;調(diào)查將多余的屋頂徑流重新分配給雨水短缺建筑物的可能性。

1 模型構(gòu)建

這項(xiàng)研究分兩個階段進(jìn)行，如下所述。

1.1 綜合盈余/短缺的確定

首先，模擬了由不同類別建筑物組成的典型建筑物群。采用三種用水場景（基本用水需求、澆水沖洗和全管道連接）。與這三種情況相對應(yīng)的用水量分別為人均50 L/d、75 L/d和150 L/d。以確定可以被降雨抵消的用水需求百分比，以及由此產(chǎn)生的短缺和盈余。

在建筑物類別中，最佳RWH所需的存儲容量首先由優(yōu)化方案確定，優(yōu)化函數(shù)如公式（1）。一般來說，如果在降雨高峰期需要溢出或浪費(fèi)的水，則需要儲水箱。如果降雨高峰期的溢漏總和小于貧瘠期的短缺總和，則所需的儲罐容量等于溢漏總量。如果沒有盈余，就不需要儲罐。但是，如果泄漏的總和超過短缺的總和，則采用優(yōu)化方法來確定儲罐的最小容量，從而產(chǎn)生100%的供應(yīng)可靠性[6]。優(yōu)化方案還使用流入、需求和優(yōu)化的RWH存儲容量來計算供應(yīng)的可靠性。在滿足每月的用水需求后，多余的水被儲存在水箱中。如果在某個月份出現(xiàn)短缺，則使用先前儲存在水箱中的水來解決供水短缺問題。如果達(dá)到水箱的容量，多余的水就會溢出。

式中：[Ii]為第i個月的流入量，[Di]為第i個月的需求，C為RWH存儲容量，[Si]為滿足每月消耗量后可用于存儲的水，[SPi]為第i個月的溢出，[CSi]為截至第i個月的累積盈余。

上述優(yōu)化是針對三個收入群體、使用六類住宅實(shí)施，即公寓、三房、四房、復(fù)式樓、別墅、獨(dú)棟別墅，用于三個水消費(fèi)場景，共36個優(yōu)化案例。用于最佳分配雨水的概念性框架，如圖1所示。利用優(yōu)化方案的結(jié)果，得到人均屋頂面積滿足百分比需求與人均需水量的回歸方程;最佳存儲容量和人均屋頂面積和可靠性，作為RWH存儲容量和人均用水需求的函數(shù)。

1.2 將盈余再分配到有短缺的建筑物

在從上述模型計算供應(yīng)的可靠性后，記錄了每類建筑物的盈余和短缺值。自給自足建筑物的盈余被用來抵消其他建筑物的短缺。本研究沒有直接地將盈余分配給有缺陷的建筑物，而是試圖采取一種系統(tǒng)的方法，以確保為有缺陷的建筑物分配足夠的水。因此，完全滿足有缺陷建筑物的用水需求問題。

一般有缺陷的建筑物要分配水，可以通過多標(biāo)準(zhǔn)決策方法或優(yōu)化方法來解決[7]。在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種優(yōu)化方案，該方案尋求各種建筑物類型的最佳組合，這些建筑物的短缺可以用自給自足的建筑物盈余來補(bǔ)充。優(yōu)化問題表述如公式（2）。

式中：[Si]為每類建筑物的盈余;[Bi]為第i類建筑物總數(shù);[Xi]為i類中可使用剩余水的建筑物數(shù)量;N為建筑類別。為了展示本案中開發(fā)的方法工作，武漢市平均月降雨量深度被采用，見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 雨水收集可靠性和儲存能力

當(dāng)屋頂截獲的年總降雨量超過建筑物居住者的年總需求量時，例如平房和復(fù)式建筑，適當(dāng)尺寸的RWH儲罐可保證供水。當(dāng)100%供應(yīng)可靠性成為可能時，優(yōu)化儲罐與人均屋頂面積呈指數(shù)反比關(guān)系。人均屋頂面積是指如果屋頂在居住者之間平均分配，則向個人居住者供水的屋頂面積。例如，對于基本的用水需求，當(dāng)人均屋頂面積減半時，100%供應(yīng)所需的用水量是最佳RWH儲罐的五倍。這是因?yàn)槲蓓斆娣e的減少被儲罐的幾何增長所補(bǔ)償。但是，如果用水需求大于降雨流入量，則只能滿足一定比例的需求。對這一結(jié)果的進(jìn)一步分析表明，當(dāng)降雨總流入量低于需水量時，滿足需求（DM）的百分比（%）與人均屋頂面積成正比、與用水需求成反比。所用降雨量數(shù)據(jù)的廣義關(guān)系和特定關(guān)系分別給出為公式（3）和（4）。

式中：A是人均屋頂面積，m2/人;WD是用水需求量（Lpcd）。這些等式適用于由于降雨量不足或屋頂面積非常小而無法實(shí)現(xiàn)100%供應(yīng)的情況。這表明高層建筑不支持最佳雨水收集，因?yàn)樗鼈兊娜司蓓斆娣e極小。通常，隨著用水需求的增加，所需的存儲容量增加，滿足需求的百分比減少;隨著屋頂面積的增加，需求滿足率增加，見圖3。針對100%可靠供應(yīng)的可能性，發(fā)現(xiàn)最佳儲層容量與人均屋頂面積呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖4顯示了盈余/短缺與人均屋頂面積的對比圖，以及人均盈余/短缺與屋頂計劃面積的關(guān)系圖。隨著人均屋頂面積的減少，出現(xiàn)了從盈余到短缺的轉(zhuǎn)變。當(dāng)屋頂面積接近零時，盈余/短缺線往往與垂直軸漸近。對圖的進(jìn)一步分析表明，它們遵循如公式（5）所示的一般形式的單相衰變模式。

式中：S是人均每年盈余，而a、b、c是等式系數(shù)。這些系數(shù)是使用數(shù)據(jù)的兩階段多元回歸分析作為人均每天用水量（WD）的函數(shù)得到的。系數(shù)a、b、c分別給出公式（6）（7）（8）。

上述系數(shù)特定于研究中使用的降雨數(shù)據(jù)。但是，可以使用可用的降雨量數(shù)據(jù)獲得所選任何地理位置的類似表達(dá)式。

為了便于快速確定RWH儲罐容量以獲得所需的可靠性，開發(fā)了可靠性和存儲容量之間的關(guān)系。在給定特定建筑類型和用水需求的情況下，RWH的可靠性是RWH儲罐容量的線性函數(shù)，通過計算各種存儲容量值的供水可靠性而生成。存儲范圍介于零和方法中提出的優(yōu)化獲得的最佳存儲容量之間。如果每年降雨的總流入量大于或等于年度總用水需求量，則最佳存儲容量可產(chǎn)生100%的RWH可靠性;如果流入量小于總需求量，則RWH的可靠性是流入量與需求的百分比。在這種情況下，所需的存儲容量等于最大短缺。使用存儲容量的中間值來生成RHW可靠性的相應(yīng)值;最大可能的供電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]之前已經(jīng)定義過了。存儲和可靠性之間的一般線性關(guān)系是公式（10）中給出的形式。

式中：R為可靠性，%;C為RWH儲罐容量，m3;a和b的值取決于水的需求。對a和b的各種值進(jìn)行了非線性回歸分析，R2值介于0.945和1.0之間?？煽啃浴鎯α恐g的關(guān)系可以概括如式（11）。

其中，α，β，γ和θ是常數(shù)，取決于建筑物類型和位置的降雨分布。WD是人均每天的用水需求量（以升為單位）。公式（10）和（11）是相同的，只是系數(shù)a和b以等式中的需水量（WD）表示。

使用RWH存儲容量的值（而不是校準(zhǔn)模型時使用的存儲容量值）驗(yàn)證了可靠性—存儲關(guān)系。對于存儲容量的各種值（與校準(zhǔn)中使用的值不同），RWH可靠性按照方法中概述確定。相同存儲容量值范圍的可靠性值也是使用公式（11）確定的，相關(guān)系數(shù)在0.997和1.0之間。但是，在某些情況下，它高估了給定RWH存儲容量的RWH可靠性值。應(yīng)該注意的是，存儲可靠性關(guān)系的上限為100%，相對性下限為0%。在此范圍之外，模型毫無意義。對于流入量小于需求的情況，上限是流入量與需求的百分比。

2.2 雨水收集的再分配

通過將自給自足建筑物的盈余引向有缺陷的建筑物，可以顯著改善RWH的供水。一般來說，低層建筑相對于RWH往往比高層建筑具有更多的自給自足性。這是因?yàn)闃菍佣嗟母邩亲≌瑯侨司蓓斆娣e較低。因此，為了獲得最佳的集成RWH，需要將多余的水從自給自足的建筑物輸送到有缺陷的建筑物。通過假設(shè)一個具有不同建筑類型的任意組合的定居點(diǎn)，證明了這種方法的可行性。用于此演示的案例包括15個平房，10個雙層建筑等。

對于基本用水需求（50 Lpcd），在將剩余水以最佳方式重新分配給有缺陷的建筑物后，RWH滿足的總用水需求比例從64%提高到87%。澆注沖洗水需求（75 Lpcd）和全管道連接（150 Lpcd）的供應(yīng)可靠性分別從47%提高到58%和從28%提高到29%。本研究結(jié)果表明，RWH可以滿足的國內(nèi)用水需求比例取決于需水和用水量。在低水需求和人均屋頂面積大的情況下，如果提供足夠的儲存，RHW可以滿足家庭用水需求。然而，隨著用水需求的增加和人均屋頂面積的減少，就像高層住宅建筑一樣，RWH可以滿足的需求比例顯著下降。這表明，在人均需水量非常低、低水位上升比例很大的發(fā)展中國家，RWH可以顯著減少水資源壓力。通過適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和實(shí)施，自給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 結(jié)語

RWH對發(fā)展中國家來說勢在必行，因?yàn)樗梢宰鳛橐环N防洪措施，同時滿足用水需求。本研究針對三個不同建筑類別的綜合雨水（RWH）優(yōu)化方法。采用兩階段法實(shí)施雨水收集與分配優(yōu)化，包括確定復(fù)合盈余/短缺和將盈余最佳再分配到有缺陷的建筑物。采用的優(yōu)化方法表明，RWH實(shí)踐的供水具有很高的可靠性，特別是對于低層建筑。與高層建筑相比，低層建筑人均屋頂面積更大。研究還表明，在由不同類別組成的匯總建筑物中充分再分配多余雨水是可行的。需要對這項(xiàng)研究的結(jié)果進(jìn)行充分的規(guī)劃和有效的實(shí)施，以便從RWH中獲得良好的收益。

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