建筑小區(qū)雨水調(diào)蓄池容積計(jì)算分析

1、建筑小區(qū)雨水調(diào)蓄池容積計(jì)算分析題記如何設(shè)計(jì)合理的調(diào)蓄池容積，既符合規(guī)范要求，又能兼顧經(jīng)濟(jì)因素，是 小區(qū)雨水調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文是北京市雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范(DB 11/685-2013 )編制過程中進(jìn)行的專項(xiàng)研究成果，可供借鑒探討。李斯1許萍1鄭克白2張雅君1(1北京建筑大學(xué)，/北京；2北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京)為解決大型城市的城市內(nèi)澇和雨水管理利用等問題，近年來，在建筑小區(qū)的雨水調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越多地采用低影響開發(fā)理念，強(qiáng)調(diào)在源頭控制雨水徑流，削 減建筑與小區(qū)外排雨水峰值流量和徑流總量，從而減輕市政雨水管網(wǎng)的排水壓 力，達(dá)到控制城市內(nèi)澇的目的。在小區(qū)建設(shè)中可采取設(shè)置下凹

2、式綠地、 透水鋪裝、 雨水調(diào)蓄設(shè)施等來實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水外排流量、峰值徑流系數(shù)及雨水外排總量的控制。 國(guó)外城市化發(fā)展得較早，大型城市的城市內(nèi)澇和水資源短缺等問題使得雨水控制 與利用的概念應(yīng)運(yùn)而生。美國(guó)的雨水管理(Stormwater Management )是最早 提出的雨水控制與利用概念，隨后產(chǎn)生的美國(guó)最佳管理措施理論( BMP)及低 影響開發(fā)理論(LID)都是基于對(duì)雨水控制與利用問題的研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)展而 來的。雨水控制主要分為水量控制和水質(zhì)控制兩方面， 在各國(guó)的雨水控制概念中都把雨 水調(diào)蓄視為雨水控制的關(guān)鍵因素，是解決城市內(nèi)澇，實(shí)現(xiàn)雨水管理和雨水資源化 利用的最有效途徑。美國(guó)綠色建筑認(rèn)證(LEE

3、D)也在雨水調(diào)蓄中設(shè)立了重要得 分點(diǎn)。雨水調(diào)蓄的內(nèi)容主要分為3個(gè)方面：(1)雨水滯蓄，在降雨期間滯留和蓄存部分雨水以增加雨水的入滲、蒸發(fā)并收 集回用。(2)雨水儲(chǔ)存，在降雨期間儲(chǔ)存未經(jīng)處理的雨水。(3)雨水調(diào)節(jié)，也稱調(diào)控排放，在降雨期間暫時(shí)儲(chǔ)存(調(diào)節(jié))一定量的 雨水， 削減向下游排放的雨水峰值徑流量、 延長(zhǎng)排放時(shí)間，但不減少排放的總量。設(shè)置 雨水調(diào)節(jié)池的主要目的在于減小雨水外排的流量，減輕市政管網(wǎng)的壓力。對(duì)于建設(shè)區(qū)域外排雨水流量和總量，北京市雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范(DB 11/685-2013 )中有明確規(guī)定：應(yīng)使得建設(shè)區(qū)域的外排水總量不大于開發(fā)前的水 平，并滿足以下要求：已建成城區(qū)的外排

4、雨水流量徑流系數(shù)不大于；新開發(fā)區(qū)域外排雨水流量徑流系數(shù)不大于；外排雨水峰值流量不大于市政管網(wǎng)的接納 能力。雨水外排總量上，新開發(fā)區(qū)域年徑流總量控制率不低于85%,其他區(qū)域不低于70% o/如何設(shè)計(jì)合理的調(diào)蓄池容積，既符合規(guī)范要求，又能兼顧經(jīng)濟(jì)因素，是小區(qū)雨水 調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1雨水調(diào)蓄池及調(diào)蓄容積的計(jì)算雨水調(diào)蓄池是雨水調(diào)蓄系統(tǒng)的核心部分，應(yīng)兼具雨水滯蓄、儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)的作用。 雨水調(diào)蓄池按其與雨水管線的相對(duì)位置分為在線式雨水調(diào)蓄池和離線式雨水調(diào) 蓄池；按其設(shè)置位置可分為集中式雨水調(diào)蓄池和分散式雨水調(diào)蓄池。本文主要針對(duì)設(shè)置于小區(qū)管網(wǎng)末端的集中式調(diào)蓄池進(jìn)行計(jì)算分析。精確計(jì)算雨水調(diào)蓄池容積比較復(fù)雜，

5、鄧培德、倪僑生等早在上世紀(jì)60年代就對(duì)我國(guó)的雨水調(diào)蓄池容積設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了研究， 并根據(jù)國(guó)外的一些研究結(jié)合我國(guó)具 體情況作出了改進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，準(zhǔn)確計(jì)算雨水調(diào)蓄池的容積變得可 能，地表徑流采用連續(xù)性方程和非線性容積方程進(jìn)行計(jì)算，雨水管渠系統(tǒng)中的水流服從動(dòng)力學(xué)方程和連續(xù)性方程。Hong等簡(jiǎn)化了小型匯水區(qū)調(diào)蓄設(shè)施容積的計(jì) 算方法，并集成到雨水控制利用的模型中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。然而 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，獲得模擬數(shù)據(jù)比較困難，不利于設(shè)計(jì)應(yīng)用。李俊奇等在城市雨水 利用調(diào)蓄方式及調(diào)蓄容積實(shí)用算法上也進(jìn)行了探討， 提出了多種調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)方 式，分別說明了不同方式的具體作用， 并給出了計(jì)算公式。

6、張書函等對(duì)雨水調(diào)蓄 池也給出了明確的計(jì)算方法，該方法優(yōu)化了原有國(guó)標(biāo)規(guī)范中的計(jì)算公式， 使雨水 調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)更有利于雨水控制和利用。底部流槽式雨水調(diào)蓄池底部流槽式雨水調(diào)調(diào)蓄池采用重力流自然排空，必要時(shí)可用水泵強(qiáng)排，排空時(shí)間不得大于12 h;出水管管徑不應(yīng)超過市政管道排水能力；應(yīng)設(shè)外排雨水溢流口， 溢流雨水應(yīng)采用重力流排出；應(yīng)設(shè)檢查口便于排出沉積物。此類型調(diào)蓄設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 無需外加動(dòng)力，維護(hù)方便，能很好地調(diào)節(jié)峰 值流量。但缺點(diǎn)是雨水池內(nèi)雨水自然排空， 無法滯蓄收集回用，對(duì)于雨水總量的 控制有所欠缺；另外當(dāng)雨水調(diào)蓄池前端管線較長(zhǎng)時(shí)，入池雨水管線標(biāo)高已經(jīng)較低， 再經(jīng)過雨水調(diào)蓄池的下出水口排出

7、， 標(biāo)高進(jìn)一步降低，很難保證與市政管網(wǎng)的對(duì) 接。調(diào)蓄容積可采用式（1）計(jì)算。底部流槽式調(diào)蓄池構(gòu)造如圖1所示。進(jìn)水口設(shè)置在較高位置，管底與調(diào)蓄水位持 平；出水口設(shè)置在調(diào)蓄池底部，管底與池底持平。式（1）中10hy,t刈cF項(xiàng)為 設(shè)施在不同降雨歷時(shí)下的進(jìn)水水量，601 000 XQ B pt項(xiàng)為設(shè)施在不同降雨歷時(shí) 下的出水量。將不同降雨歷時(shí)代入式（1）試算，兩者的差值將呈現(xiàn)先增大后減 小的趨勢(shì)，差值中的最大值即為調(diào)蓄容積的最小取值。在調(diào)蓄池設(shè)置區(qū)域不大的前提下（不會(huì)由于管道過長(zhǎng)，雨水匯流峰值不同時(shí)到達(dá) 的情況），池中入水量隨時(shí)間變化曲線可由圖 2中入水量曲線近似表示，類似于 典型降雨雨型曲線，隨著

8、時(shí)間推移先增大后減小。排水量可由圖2中出水量曲線 表示，由于底部流槽式調(diào)蓄池采用管道排水，排水能力主要取決于排出管管徑和調(diào)蓄池中雨水的水量，排水曲線的峰值低于進(jìn)水曲線，并且落后于進(jìn)水的峰值出 現(xiàn)。在圖2中A-B段，初期雨量較小，入池雨水全部及時(shí)排出，調(diào)蓄池中不積水； B-C段降雨強(qiáng)度變大，入水量增加，大于管道排水能力，調(diào)蓄池開始積水，池中 水位不斷上升；C-D段降雨強(qiáng)度減小，但入水量仍大于出水量，池中水位仍然上 升，但上升速度減慢；D點(diǎn)時(shí)池中水位最高，此時(shí)出水量最大，D點(diǎn)以后，降雨 量逐漸減小，池中水位不斷下降，出水量不斷減小。調(diào)蓄池的最小調(diào)蓄容積為降雨時(shí)間內(nèi)總進(jìn)水量-總排水量，即：進(jìn)水量曲線

9、類似于雨型曲線，對(duì)其進(jìn)行積分計(jì)算較為困難，為方便設(shè)計(jì)可采用式 (3)計(jì)算。V 入水=10 沖y,tcF (3)重現(xiàn)期大于2 a,小于100 a的降雨，其設(shè)計(jì)降雨厚度可按式(4)計(jì)算：代入不同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)， 即可得到不同的設(shè)計(jì)降雨厚度，從而得 到不同的進(jìn)水量，此進(jìn)水量為代入的設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)內(nèi)的降雨累加量。出水量主要由出流的流量控制，Q為控制目標(biāo)峰值流量，引入?yún)?shù) g,估算 平均流量，從而計(jì)算出流總量。設(shè)施進(jìn)水量和出水量的差值隨著不同設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的 趨勢(shì)，計(jì)算得出的入水量和出水量差的最大值，即為調(diào)蓄容積的最小體積。詳見 設(shè)計(jì)舉例。水泵提升式雨水調(diào)蓄池水泵提升式雨水

10、調(diào)蓄池構(gòu)造見圖 3。采用水泵提升排空，必要時(shí)可啟用備用水泵/ 強(qiáng)排，排空時(shí)間不得大于12 h;出水管流量不應(yīng)超過市政管道排水能力。，/此類型調(diào)蓄設(shè)施可有效控制管網(wǎng)末端標(biāo)高，為設(shè)計(jì)和施工帶來方便。缺點(diǎn)是需要 水泵提升，耗費(fèi)能源；水泵的維修和保養(yǎng)需要后續(xù)費(fèi)用。調(diào)蓄池的進(jìn)出水流量曲線可由圖 4表示。由于水泵提升式調(diào)蓄池采用水泵排水， 排水能力主要取決于水泵功率、揚(yáng)程，排水曲線是不隨時(shí)間變化的函數(shù)。在圖4中A-B段，初期雨量較小，入池流量小于水泵外排能力，雨水全部及時(shí) 排出，調(diào)蓄池中不積水；B-C段降雨強(qiáng)度變大，入水流量增加，大于水泵排水能 力，調(diào)蓄池中開始積水，水位不斷上升；C-D段降雨強(qiáng)度減小，但

11、入水流量仍然大于出水量，調(diào)蓄池中水位仍然上升，但上升速度減慢；D點(diǎn)時(shí)池中水位最高,D點(diǎn)以后，降雨量逐漸減小，池中水位不斷下降直至被水泵排空。計(jì)算調(diào)蓄池容積時(shí)，也可采用式（1）。調(diào)控峰值流量Q為恒定值，調(diào)控出流 過程平均流量相對(duì)于峰值流量的比值 g可取1。項(xiàng)目概況該項(xiàng)目為位于北京的某公共建筑項(xiàng)目，總用地面積為12738m2,其中屋面總面積為7 960 m2 ,綠地總面積為371m2 ,硬化地面面積為4085m2。按照DB 11/685-2013規(guī)定，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：、（1）設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為5 a。（2）下凹式綠地面積為185 m2。下凹式綠地為計(jì)入綠化指標(biāo)綠地總面積的50% o計(jì)入綠化指標(biāo)綠地

12、面積是覆土深度滿足規(guī)劃綠地要求的綠地面積，1 本工程 為 371 m2。（3）透水鋪裝面積為公共停車場(chǎng)、人行道、步行街、自行車道和休閑廣場(chǎng)、室 外庭院總面積的70%。項(xiàng)目設(shè)置透水鋪裝面積為 2860 m2。根據(jù)區(qū)域內(nèi)各下墊面種類和面積計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)綜合流量徑流系數(shù)為。區(qū)域內(nèi)硬化面積總和為屋面面積與地面硬化面積之和，9185 m2。為降低峰值流量，減小區(qū)域外排雨水流量徑流系數(shù)，提高雨水總量控制率，應(yīng)在區(qū)域管網(wǎng)末端設(shè)置雨水 調(diào)蓄池。雨水調(diào)蓄池計(jì)算如采用底部凹槽式雨水調(diào)蓄池，則將設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)代入式（4） （t取5 min,10 min,15 min ）得出一系列設(shè)計(jì)降雨厚度數(shù)據(jù)。冉將得到

13、的不同 設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)下的設(shè)計(jì)降雨量代入式（3）,得出相應(yīng)的入池水量。然后利用式 （6）求得調(diào)控目標(biāo)峰值流量 Q（排空時(shí)間設(shè)為6 h）,將計(jì)算得到的Q代 入式（5） , g取值為，得到不同降雨歷時(shí)下的出池水量。最后找出一系列入池 水量與出池水量差值中的最大值。本工程計(jì)算雨水調(diào)蓄池容積的為 274 m3 ,對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)峰值流量為17 L/s。利用式（7）核算區(qū)域外排雨水流量徑流系數(shù)為。/該項(xiàng)目中設(shè)置的下凹式綠地均為下凹 10 cm,則下凹式綠地本身蓄水空間為m3;透水鋪裝蓄水空間為212 m3 （可按照透水鋪裝面積射水鋪裝厚度將L隙 率”計(jì)算）；調(diào)蓄池可蓄水空間為 274 m3 ,總調(diào)蓄容積可達(dá)

14、/ m3。如采用水泵提升式雨水調(diào)蓄池，其計(jì)算過程與底部凹槽式雨水調(diào)蓄池相似，計(jì)算結(jié)果雨水調(diào)蓄池容積為233 m3 ,對(duì)應(yīng)的調(diào)控目標(biāo)峰值流量為15 L/s。利用式（7）核算區(qū)域外排雨水流量徑流系數(shù)為。計(jì)算總調(diào)蓄容積為m3。采用底部流槽式雨水調(diào)蓄池計(jì)算得出的調(diào)蓄池體積為 274 m3 ,采用水泵提升式 雨水調(diào)蓄池計(jì)算得出的調(diào)蓄池體積為 233 m3 ,兩種調(diào)蓄池計(jì)算結(jié)果差異的原因 是池體排出雨水方式不同，排水能力存在差異。在實(shí)際工程中，為提高設(shè)計(jì)安全性，可適當(dāng)放大調(diào)蓄池的容積。為方便設(shè)計(jì)取值， 通過以上計(jì)算可得到如下結(jié)論：每 1 000 m2硬化面積配建調(diào)蓄容積不小于30 m3的雨水調(diào)蓄池。/ 3結(jié)論建筑小區(qū)雨水調(diào)蓄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)貫徹低影響開發(fā)理念，降低雨水外排峰 值流量，減小雨水外排徑流總量，保證雨水的資源化利用。積極采用下凹式綠地、 透水鋪裝和雨水調(diào)蓄池等具體措施實(shí)現(xiàn)低影響開發(fā)。底部流槽式雨水調(diào)蓄池和水泵提升式雨水調(diào)蓄池是雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)中的兩種重要形式，可有效控制雨水外排徑流系數(shù)， 達(dá)到削減雨水外排徑流峰值的作用， 減 輕市政管網(wǎng)的壓力。實(shí)際項(xiàng)目中兩種雨水調(diào)蓄池容積計(jì)算結(jié)果存在差異， 這是由于兩種調(diào)蓄池排水方 式不同，排水能力不同。在建筑小區(qū)設(shè)計(jì)中，每1000m2硬化面