關中地區新農村分戶雨水池容積分析計算

王小林，劉遠哲，盧金鎖(.西安市政設計研究院有限公司，西安 70068；.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，西安 70055)

0 引 言

“農民集中居住”作為新農村建設中村容整潔的重要內容之一，隨著新農村建設的深入，取得了比較長足的進展，以西安市為例，截止2014年底，已建成27個新型農村社區，58個新型農村社區正在全面建設推進，并計劃于2015年全面建成標準化新型農村示范社區100個以上。農民居住方式逐漸由傳統的分散居住轉向新型社區集中居住[1]。西北地區是世界上干旱缺水最嚴重的地區之一，缺水問題已成為該地區新農村建設過程中面臨的一個重要問題[2]。

以往傳統的農村農民分散居住方式，農民多是利用庭院、屋頂等集雨面進行雨水收集來解決缺水問題。自20世紀90年代開始，政府開始通過修建相應的雨水集蓄利用工程來幫助農民解決缺水問題，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，解決了當地大部分的人畜用水問題[3,4]。

在新農村建設中農民居住方式逐漸由傳統的分散居住逐漸轉向新型社區集中居住，但農村新型社區中農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(以下統稱雨水池)收集雨水的模式，仍將是解決農村水源短缺問題的重要方法。

本文利用所收集到的2001-2014年的日降雨數據建立了日降雨-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給率進行計算分析，為農戶選擇適宜容積的雨水池提供依據。

1 關中地區新農村庭院建設模式及需水量分析

根據陜西省農村宅基地管理辦法，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%。張金珊等的調查結果顯示，關中農村地區家庭平均人口為4.2人，家庭結構方面，夫婦兩孩、三代同堂和夫婦多孩的家庭數量依次居第一、二、三位。戶均住宅面積達140.8 m2。關中地區二層住宅已成為發展的趨勢和主體，其住宅典型結構如下：一層平面主要包括是三個功能區:居住區、輔助區和勞務區。居住區以老人臥室和客廳(關中地區農村住宅稱之為“堂屋”)為主;輔助區包括廚房、餐廳、衛生間、廁所和樓梯間;勞務區主要是家禽飼養的地方。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]。關中地區新農村建設中的家庭院落典型模式如圖1所示。

以關中地區典型農村家庭戶均常住人口4人計，對單戶家庭全年用水量進行分析。根據《村鎮供水工程技術規范SL310 2004》，農村居民生活用水以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

在庭院內建造雨水池，用于雨水池收集屋頂和庭院經初期棄流雨水，收集的雨水對于可經過終端凈水設備滿足居民飲水水質要求。

為便于統計雨水池常年使用的可靠性和補給率，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，雨水池當日所容納的水量應為通過集雨面進入雨水池的雨水量加上雨水池中剩余的水量，再減去當日已用的水量[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天結束時儲存在雨水池中的水量，L；Qt為第t天經初期棄流后的降雨量，L；St為第t天結束時雨池中的水量，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水量，L。

當第t+1天雨水池中水量無法滿足當日的用水量時，當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占總計算天數的百分數。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，d；U為雨水池無法滿足當日用水量的天數，d。

補給率是指補給水量占總需水量的百分數。其計算公式為：

Rs=P/T×100%

(6)

式中：Rs為補給率，%；P為補水量，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]。根據國家統計局陜西調查總隊于2014年公布的結果，該村常住人口單戶計為3人，外出務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。日降雨數據數據為從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給率。

根據公式(5)計算的雨水池可靠性的結果如表1所示，觀察可發現，同一時間段內，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；在雨水池容積達到30 m3之前，同一容積的雨水池在不同時間段內的可靠性是不同的；當雨水池的容積達到30 m3時，在各時間段內的可靠性達到100%。這是由于在雨水池容積達到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。

表1 雨水池的可靠性 %

根據日用水水量平衡模型計算結果統計從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不滿足天數和可靠性，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為83 d，且最大連續不滿足天數為23 d，發生在2007年4月17日到2007年5月9日，分析發現是由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和可靠性示意圖Fig.2 The maximum continuous day and reliability for different volume of rainwater tank

根據日用水水量平衡模型計算結果，統計從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水量和補給率，如圖3所示。從圖中可以看出，在雨水池容積達到30 m3時，不需補水；雨水池的容積為25 m3時，總計算時段內所需的補水量為9.56 m3，補給率為1.5%，其；雨水池的容積為20 m3時，補給率為11%，此時在總計算時段內所需的補水量為69.82 m3。

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

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

表2 補水量

根據以上分析結果可以得出，雨水池容積達到30 m3時，完全可滿足住戶用水需求，其雨水池可靠性達到100%，不需額外補水。根據圖2和圖3可以看出，在雨水池容積達到30 m3之前，隨著雨水池容積增加，可靠性增加，補給率降低，在30 m3之后，可靠性和補給率不變，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%，不需要外補水，其補給率由1.5%降低為0，因此認為25 m3比30 m3的雨水池更合適。

25 m3的雨水池雖然能夠達到較高的可靠性，但仍存在以下幾個問題：第一，結構方面，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以水窖形式為宜。第二，雨水水質方面，雨水進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，根據日用水水量平衡模型計算結果，統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，雨水水質可能會發生變化。當雨水池中雨水水質不滿足日常用水標準時，可以通過家用凈水設施進行處理后供日常使用。

4 結 論

雨水集蓄工程設計中，利用長時間日降雨數據，基于降雨時雨水集蓄設施收集的雨水量以滿足段時間內用水量的水量平衡模型，其可準確計算長時間內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施規模。

對于以家庭院落為主要居住方式的關中農村地區，以單戶家庭修建雨水集蓄設施進行雨水收集利用的模式是解決新農村建設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的典型關中農村單戶家庭中的可靠性和補給率，結果表明，該場景下的雨水池的最優容積為25 m3，但當雨水池容積達到30 m3時，可靠性達到100%，不需額外補水便能滿足計算時段內的每日用水量。

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[1] 李 敏, 邱澤元. 基于多角度分析的新農村社區建設研究[J]. 生態經濟, 2014,30(8):148-152.

[2] 李培月. 中國西北新農村建設面臨的水安全問題及對策[J]. 中國農村水利水電, 2010,(2):35-37.

[3] 李海燕, 羅艷紅, 黃 延. 我國農村雨水綜合管理措施研究[J]. 中國農村水利水電, 2013,(6):66-72.

[4] 崔靈周, 魏丙臣, 李占斌, 等. 黃土高原地區雨水集蓄利用技術發展評述[J]. 灌溉排水, 2000,19(4):75-78.

[5] 張金珊. 關中農村住宅的使用現狀及規劃設計對策研究[D]. 西安：西安建筑科技大學, 2011.

[6] Imteaz M A, Ahsan A, Shanableh A.Reliability analysis of rainwater tanks using daily water balance model: Variations within a large city[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2013,77:37-43.

[7] Santos C, Taveira-Pinto F. Analysis of different criteria to size rainwater storage tanks using detailed methods[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2013,71:1-6.

[8] Rahman A, Keane J, Imteaz M A. Rainwater harvesting in Greater Sydney: water savings, reliability and economic benefits[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2012,61:16-21.

[9] Imteaz M A, Ahsan A, Naser J, et al. Reliability analysis of rainwater tanks in Melbourne using daily water balance model[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2011,56(1):80-86.

[10] Imteaz M A, Adeboye O B, Rayburg S, et al. Rainwater harvesting potential for southwest Nigeria using daily water balance model[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2012,62:51-55.

[11] Ghisi E, Bressan D L, Nartini M, et. Rainwater tank capacity and potential for potable water for savings by using rainwater in the residential sector of southeastern Brazil[J]. Building and Environment, 2007,42(4):1 654-1 666.

[12] 郭葉葉. 大都市邊緣區農村社區規劃研究[D]. 西安：長安大學, 2012.