建筑小区雨水调蓄池容积计算分析
2014-11-21 给水排水
[题记] 如何设计合理的调蓄池容积，既符合规范要求，又能兼顾经济因素，是小区雨水调蓄系统设计的关键。本文是北京市《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）编制过程中进行的专项研究成果，可供借鉴探讨。
李斯1许萍1郑克白2张雅君1
（1 北京建筑大学， 北京100044; 2 北京市建筑设计研究院有限公司， 北京100045）
0引言
为解决大型城市的城市内涝和雨水管理利用等问题，近年来，在建筑小区的雨水调蓄系统设计中越来越多地采用低影响开发理念，强调在源头控制雨水径流，削减建筑与小区外排雨水峰值流量和径流总量，从而减轻市政雨水管网的排水压力，达到控制城市内涝的目的。在小区建设中可采取设置下凹式绿地、透水铺装、雨水调蓄设施等来实现对雨水外排流量、峰值径流系数及雨水外排总量的控制。 国外城市化发展得较早，大型城市的城市内涝和水资源短缺等问题使得雨水控制与利用的概念应运而生。美国的雨水管理（Stormwater Management）是最早提出的雨水控制与利用概念，随后产生的美国最佳管理措施理论（BMP）及低影响开发理论（LID）都是基于对雨水控制与利用问题的研究和经验总结发展而来的。
雨水控制主要分为水量控制和水质控制两方面，在各国的雨水控制概念中都把雨水调蓄视为雨水控制的关键因素，是解决城市内涝，实现雨水管理和雨水资源化利用的最有效途径。美国绿色建筑认证（LEED）也在雨水调蓄中设立了重要得分点。
雨水调蓄的内容主要分为3个方面：
（1）雨水滞蓄，在降雨期间滞留和蓄存部分雨水以增加雨水的入渗、蒸发并收集回用。
（2）雨水储存，在降雨期间储存未经处理的雨水。
（3）雨水调节，也称调控排放，在降雨期间暂时储存（调节）一定量的 雨水，削减向下游排放的雨水峰值径流量、延长排放时间，但不减少排放的总量。设置雨水调节池的主要目的在于减小雨水外排的流量，减轻市政管网的压力。
对于建设区域外排雨水流量和总量，北京市《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）中有明确规定：应使得建设区域的外排水总量不大于开发前的水平，并满足以下要求：①已建成城区的外排雨水流量径流系数不大于0.5；②新开发区域外排雨水流量径流系数不大于0.4；③外排雨水峰值流量不大于市政管
网的接纳能力。雨水外排总量上，新开发区域年径流总量控制率不低于85%，其他区域不低于70%。
如何设计合理的调蓄池容积，既符合规范要求，又能兼顾经济因素，是小区雨水调蓄系统设计的关键。
1雨水调蓄池及调蓄容积的计算
雨水调蓄池是雨水调蓄系统的核心部分，应兼具雨水滞蓄、储存和调节的作用。雨水调蓄池按其与雨水管线的相对位置分为在线式雨水调蓄池和离线式雨水调蓄池；按其设置位置可分为集中式雨水调蓄池和分散式雨水调蓄池。本文主要针对设置于小区管网末端的集中式调蓄池进行计算分析。
精确计算雨水调蓄池容积比较复杂，邓培德、倪侨生等早在上世纪60年代就对我国的雨水调蓄池容积设计计算进行了研究，并根据国外的一些研究结合我国具体情况作出了改进。随着计算机技术的发展，准确计算雨水调蓄池的容积变得可能，地表径流采用连续性方程和非线性容积方程进行计算，雨水管渠系统中的水流服从动力学方程和连续性方程。Hong等简化了小型汇水区调蓄设施容积的计算方法，并集成到雨水控制利用的模型中，利用计算机对其进行模拟计算。然而在实际设计中，获得模拟数据比较困难，不利于设计应用。李俊奇等在城市雨水利用调蓄方式及调蓄容积实用算法上也进行了探讨，提出了多种调蓄池的设计方式，分别说明了不同方式的具体作用，并给出了计算公式。张书函等对雨水调蓄池也给出了明确的计算方法，该方法优化了原有国标规范中的计算公式，使雨水调蓄池的设计更有利于雨水控制和利用。
1.1底部流槽式雨水调蓄池
底部流槽式雨水调调蓄池采用重力流自然排空，必要时可用水泵强排，排空时间不得大于12 h；出水管管径不应超过市政管道排水能力；应设外排雨水溢流口，溢流雨水应采用重力流排出；应设检查口便于排出沉积物。
此类型调蓄设施的优点为结构简单，无需外加动力，维护方便，能很好地调节峰值流量。但缺点是雨水池内雨水自然排空，无法滞蓄收集回用，对于雨水总量的控制有所欠缺；另外当雨水调蓄池前端管线较长时，入池雨水管线标高已经较低，再经过雨水调蓄池的下出水口排出，标高进一步降低，很难保证与市政管网的对接。
调蓄容积可采用式（1）计算。
底部流槽式调蓄池构造如图1所示。进水口设置在较高位置，管底与调蓄水位持平；出水口设置在调蓄池底部，管底与池底持平。式（1）中10hy,t×ψcF项为设施在不同降雨历时下的进水水量，601 000×Q′βpt项为设施在不同降雨历时下的出水量。将不同降雨历时代入式（1）试算，两者的差值将呈现先增大后减小的趋势，差值中的最大值即为调蓄容积的最小取值。
在调蓄池设置区域不大的前提下（不会由于管道过长，雨水汇流峰值不同时到达的情况），池中入水量随时间变化曲线可由图2中入水量曲线近似表示，类似于典型降雨雨型曲线，随着时间推移先增大后减小。排水量可由图2中出水量曲线表示，由于底部流槽式调蓄池采用管道排水，排水能力主要取决于排出管管径和调蓄池中雨水的水量，排水曲线的峰值低于进水曲线，并且落后于进水的峰值出现。
在图2中A-B段，初期雨量较小，入池雨水全部及时排出，调蓄池中不积水；B-C段降雨强度变大，入水量增加，大于管道排水能力，调蓄池开始积水，池中水位不断上升；C-D段降雨强度减小，但入水量仍大于出水量，池中水位仍然上升，但上升速度减慢；D点时池中水位最高，此时出水量最大，D点以后，降雨量逐渐减小，池中水位不断下降，出水量不断减小。
调蓄池的最小调蓄容积为降雨时间内总进水量-总排水量，即：
进水量曲线类似于雨型曲线，对其进行积分计算较为困难，为方便设计可采用式
（3）计算。
V入水=10×hy,tψcF （3）
重现期大于2 a，小于100 a的降雨,其设计降雨厚度可按式(4)计算：
代入不同的设计重现期和设计降雨历时，即可得到不同的设计降雨厚度，从而得到不同的进水量，此进水量为代入的设计降雨历时内的降雨累加量。
出水量主要由出流的流量控制，Q′为控制目标峰值流量，引入参数βp，估算平均流量，从而计算出流总量。
设施进水量和出水量的差值随着不同设计降雨历时的增大呈现先增大后减小的趋势，计算得出的入水量和出水量差的最大值，即为调蓄容积的最小体积。详见设计举例。
1.2水泵提升式雨水调蓄池
水泵提升式雨水调蓄池构造见图3。采用水泵提升排空，必要时可启用备用水泵强排，排空时间不得大于12 h；出水管流量不应超过市政管道排水能力。
此类型调蓄设施可有效控制管网末端标高，为设计和施工带来方便。缺点是需要水泵提升，耗费能源；水泵的维修和保养需要后续费用。
调蓄池的进出水流量曲线可由图4表示。由于水泵提升式调蓄池采用水泵排水，排水能力主要取决于水泵功率、扬程，排水曲线是不随时间变化的函数。
在图4中A-B段，初期雨量较小，入池流量小于水泵外排能力，雨水全部及时排出，调蓄池中不积水；B-C段降雨强度变大，入水流量增加，大于水泵排水能力，调蓄池中开始积水，水位不断上升；C-D段降雨强度减小，但入水流量仍然大于出水量，调蓄池中水位仍然上升，但上升速度减慢；D点时池中水位最高，D点以后，降雨量逐渐减小，池中水位不断下降直至被水泵排空。
计算调蓄池容积时，也可采用式（1）。调控峰值流量Q′为恒定值，调控出流过程平均流量相对于峰值流量的比值βp可取1。 2计算实例
2.1项目概况
该项目为位于北京的某公共建筑项目，总用地面积为12738m2，其中屋面总面积为7 960 m2，绿地总面积为371m2，硬化地面面积为4085m2。
按照DB 11/685-2013规定，主要设计参数如下：
（1）设计降雨重现期为5 a。
（2）下凹式绿地面积为185 m2。下凹式绿地为计入绿化指标绿地总面积的50%。计入绿化指标绿地面积是覆土深度满足规划绿地要求的绿地面积，本工程为371 m2。
（3）透水铺装面积为公共停车场、人行道、步行街、自行车道和休闲广场、室外庭院总面积的70%。项目设置透水铺装面积为2860 m2。
根据区域内各下垫面种类和面积计算得到区域内综合流量径流系数为0.74。区域内硬化面积总和为屋面面积与地面硬化面积之和，9185 m2。为降低峰值流量，减小区域外排雨水流量径流系数，提高雨水总量控制率，应在区域管网末端设置雨水调蓄池。
2.2雨水调蓄池计算
如采用底部凹槽式雨水调蓄池，则将设计重现期和设计降雨历时代入式（4）（t取5 min,10 min,15 min……）得出一系列设计降雨厚度数据。再将得到的不同设计降雨历时下的设计降雨量代入式（3），得出相应的入池水量。然后利用式
（6）求得调控目标峰值流量Q′（排空时间设为6 h），将计算得到的Q′代入式（5），βp取值为0.6，得到不同降雨历时下的出池水量。最后找出一系列入池水量与出池水量差值中的最大值。
本工程计算雨水调蓄池容积的为274 m3，对应的控制目标峰值流量为17 L/s。 利用式（7）核算区域外排雨水流量径流系数为0.19。
该项目中设置的下凹式绿地均为下凹10 cm，则下凹式绿地本身蓄水空间为18.5 m3；透水铺装蓄水空间为212 m3（可按照“透水铺装面积×透水铺装厚度×孔隙率”计算）；调蓄池可蓄水空间为274 m3，总调蓄容积可达504.5 m3。
如采用水泵提升式雨水调蓄池，其计算过程与底部凹槽式雨水调蓄池相似，计算结果雨水调蓄池容积为233 m3，对应的调控目标峰值流量为15 L/s。
利用式（7）核算区域外排雨水流量径流系数为0.16。计算总调蓄容积为463.5 m3。
采用底部流槽式雨水调蓄池计算得出的调蓄池体积为274 m3，采用水泵提升式雨水调蓄池计算得出的调蓄池体积为233 m3，两种调蓄池计算结果差异的原因是池体排出雨水方式不同，排水能力存在差异。
在实际工程中，为提高设计安全性，可适当放大调蓄池的容积。为方便设计取值，通过以上计算可得到如下结论：每1 000 m2硬化面积配建调蓄容积不小于30 m3的雨水调蓄池。
3结论
建筑小区雨水调蓄系统的设计过程中，应贯彻低影响开发理念，降低雨水外排峰值流量，减小雨水外排径流总量，保证雨水的资源化利用。积极采用下凹式绿地、透水铺装和雨水调蓄池等具体措施实现低影响开发。
底部流槽式雨水调蓄池和水泵提升式雨水调蓄池是雨水调蓄池设计中的两种重要形式，可有效控制雨水外排径流系数，达到削减雨水外排径流峰值的作用，减轻市政管网的压力。
实际项目中两种雨水调蓄池容积计算结果存在差异，这是由于两种调蓄池排水方式不同，排水能力不同。
在建筑小区设计中，每1000m2硬化面积配建调蓄容积不小于30m3的雨水调蓄池，可控制该区域的雨水外排流量径流系数不大于开发前水平。
参考文献略。
本文发表于《给水排水》杂志2014年11期。
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建筑小区雨水调蓄池容积计算分析
2014-11-21 给水排水
[题记] 如何设计合理的调蓄池容积，既符合规范要求，又能兼顾经济因素，是小区雨水调蓄系统设计的关键。本文是北京市《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）编制过程中进行的专项研究成果，可供借鉴探讨。
李斯1许萍1郑克白2张雅君1
（1 北京建筑大学， 北京100044; 2 北京市建筑设计研究院有限公司， 北京100045）
0引言
为解决大型城市的城市内涝和雨水管理利用等问题，近年来，在建筑小区的雨水调蓄系统设计中越来越多地采用低影响开发理念，强调在源头控制雨水径流，削减建筑与小区外排雨水峰值流量和径流总量，从而减轻市政雨水管网的排水压力，达到控制城市内涝的目的。在小区建设中可采取设置下凹式绿地、透水铺装、雨水调蓄设施等来实现对雨水外排流量、峰值径流系数及雨水外排总量的控制。 国外城市化发展得较早，大型城市的城市内涝和水资源短缺等问题使得雨水控制与利用的概念应运而生。美国的雨水管理（Stormwater Management）是最早提出的雨水控制与利用概念，随后产生的美国最佳管理措施理论（BMP）及低影响开发理论（LID）都是基于对雨水控制与利用问题的研究和经验总结发展而来的。
雨水控制主要分为水量控制和水质控制两方面，在各国的雨水控制概念中都把雨水调蓄视为雨水控制的关键因素，是解决城市内涝，实现雨水管理和雨水资源化利用的最有效途径。美国绿色建筑认证（LEED）也在雨水调蓄中设立了重要得分点。
雨水调蓄的内容主要分为3个方面：
（1）雨水滞蓄，在降雨期间滞留和蓄存部分雨水以增加雨水的入渗、蒸发并收集回用。
（2）雨水储存，在降雨期间储存未经处理的雨水。
（3）雨水调节，也称调控排放，在降雨期间暂时储存（调节）一定量的 雨水，削减向下游排放的雨水峰值径流量、延长排放时间，但不减少排放的总量。设置雨水调节池的主要目的在于减小雨水外排的流量，减轻市政管网的压力。
对于建设区域外排雨水流量和总量，北京市《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）中有明确规定：应使得建设区域的外排水总量不大于开发前的水平，并满足以下要求：①已建成城区的外排雨水流量径流系数不大于0.5；②新开发区域外排雨水流量径流系数不大于0.4；③外排雨水峰值流量不大于市政管
网的接纳能力。雨水外排总量上，新开发区域年径流总量控制率不低于85%，其他区域不低于70%。
如何设计合理的调蓄池容积，既符合规范要求，又能兼顾经济因素，是小区雨水调蓄系统设计的关键。
1雨水调蓄池及调蓄容积的计算
雨水调蓄池是雨水调蓄系统的核心部分，应兼具雨水滞蓄、储存和调节的作用。雨水调蓄池按其与雨水管线的相对位置分为在线式雨水调蓄池和离线式雨水调蓄池；按其设置位置可分为集中式雨水调蓄池和分散式雨水调蓄池。本文主要针对设置于小区管网末端的集中式调蓄池进行计算分析。
精确计算雨水调蓄池容积比较复杂，邓培德、倪侨生等早在上世纪60年代就对我国的雨水调蓄池容积设计计算进行了研究，并根据国外的一些研究结合我国具体情况作出了改进。随着计算机技术的发展，准确计算雨水调蓄池的容积变得可能，地表径流采用连续性方程和非线性容积方程进行计算，雨水管渠系统中的水流服从动力学方程和连续性方程。Hong等简化了小型汇水区调蓄设施容积的计算方法，并集成到雨水控制利用的模型中，利用计算机对其进行模拟计算。然而在实际设计中，获得模拟数据比较困难，不利于设计应用。李俊奇等在城市雨水利用调蓄方式及调蓄容积实用算法上也进行了探讨，提出了多种调蓄池的设计方式，分别说明了不同方式的具体作用，并给出了计算公式。张书函等对雨水调蓄池也给出了明确的计算方法，该方法优化了原有国标规范中的计算公式，使雨水调蓄池的设计更有利于雨水控制和利用。
1.1底部流槽式雨水调蓄池
底部流槽式雨水调调蓄池采用重力流自然排空，必要时可用水泵强排，排空时间不得大于12 h；出水管管径不应超过市政管道排水能力；应设外排雨水溢流口，溢流雨水应采用重力流排出；应设检查口便于排出沉积物。
此类型调蓄设施的优点为结构简单，无需外加动力，维护方便，能很好地调节峰值流量。但缺点是雨水池内雨水自然排空，无法滞蓄收集回用，对于雨水总量的控制有所欠缺；另外当雨水调蓄池前端管线较长时，入池雨水管线标高已经较低，再经过雨水调蓄池的下出水口排出，标高进一步降低，很难保证与市政管网的对接。
调蓄容积可采用式（1）计算。
底部流槽式调蓄池构造如图1所示。进水口设置在较高位置，管底与调蓄水位持平；出水口设置在调蓄池底部，管底与池底持平。式（1）中10hy,t×ψcF项为设施在不同降雨历时下的进水水量，601 000×Q′βpt项为设施在不同降雨历时下的出水量。将不同降雨历时代入式（1）试算，两者的差值将呈现先增大后减小的趋势，差值中的最大值即为调蓄容积的最小取值。
在调蓄池设置区域不大的前提下（不会由于管道过长，雨水汇流峰值不同时到达的情况），池中入水量随时间变化曲线可由图2中入水量曲线近似表示，类似于典型降雨雨型曲线，随着时间推移先增大后减小。排水量可由图2中出水量曲线表示，由于底部流槽式调蓄池采用管道排水，排水能力主要取决于排出管管径和调蓄池中雨水的水量，排水曲线的峰值低于进水曲线，并且落后于进水的峰值出现。
在图2中A-B段，初期雨量较小，入池雨水全部及时排出，调蓄池中不积水；B-C段降雨强度变大，入水量增加，大于管道排水能力，调蓄池开始积水，池中水位不断上升；C-D段降雨强度减小，但入水量仍大于出水量，池中水位仍然上升，但上升速度减慢；D点时池中水位最高，此时出水量最大，D点以后，降雨量逐渐减小，池中水位不断下降，出水量不断减小。
调蓄池的最小调蓄容积为降雨时间内总进水量-总排水量，即：
进水量曲线类似于雨型曲线，对其进行积分计算较为困难，为方便设计可采用式
（3）计算。
V入水=10×hy,tψcF （3）
重现期大于2 a，小于100 a的降雨,其设计降雨厚度可按式(4)计算：
代入不同的设计重现期和设计降雨历时，即可得到不同的设计降雨厚度，从而得到不同的进水量，此进水量为代入的设计降雨历时内的降雨累加量。
出水量主要由出流的流量控制，Q′为控制目标峰值流量，引入参数βp，估算平均流量，从而计算出流总量。
设施进水量和出水量的差值随着不同设计降雨历时的增大呈现先增大后减小的趋势，计算得出的入水量和出水量差的最大值，即为调蓄容积的最小体积。详见设计举例。
1.2水泵提升式雨水调蓄池
水泵提升式雨水调蓄池构造见图3。采用水泵提升排空，必要时可启用备用水泵强排，排空时间不得大于12 h；出水管流量不应超过市政管道排水能力。
此类型调蓄设施可有效控制管网末端标高，为设计和施工带来方便。缺点是需要水泵提升，耗费能源；水泵的维修和保养需要后续费用。
调蓄池的进出水流量曲线可由图4表示。由于水泵提升式调蓄池采用水泵排水，排水能力主要取决于水泵功率、扬程，排水曲线是不随时间变化的函数。
在图4中A-B段，初期雨量较小，入池流量小于水泵外排能力，雨水全部及时排出，调蓄池中不积水；B-C段降雨强度变大，入水流量增加，大于水泵排水能力，调蓄池中开始积水，水位不断上升；C-D段降雨强度减小，但入水流量仍然大于出水量，调蓄池中水位仍然上升，但上升速度减慢；D点时池中水位最高，D点以后，降雨量逐渐减小，池中水位不断下降直至被水泵排空。
计算调蓄池容积时，也可采用式（1）。调控峰值流量Q′为恒定值，调控出流过程平均流量相对于峰值流量的比值βp可取1。 2计算实例
2.1项目概况
该项目为位于北京的某公共建筑项目，总用地面积为12738m2，其中屋面总面积为7 960 m2，绿地总面积为371m2，硬化地面面积为4085m2。
按照DB 11/685-2013规定，主要设计参数如下：
（1）设计降雨重现期为5 a。
（2）下凹式绿地面积为185 m2。下凹式绿地为计入绿化指标绿地总面积的50%。计入绿化指标绿地面积是覆土深度满足规划绿地要求的绿地面积，本工程为371 m2。
（3）透水铺装面积为公共停车场、人行道、步行街、自行车道和休闲广场、室外庭院总面积的70%。项目设置透水铺装面积为2860 m2。
根据区域内各下垫面种类和面积计算得到区域内综合流量径流系数为0.74。区域内硬化面积总和为屋面面积与地面硬化面积之和，9185 m2。为降低峰值流量，减小区域外排雨水流量径流系数，提高雨水总量控制率，应在区域管网末端设置雨水调蓄池。
2.2雨水调蓄池计算
如采用底部凹槽式雨水调蓄池，则将设计重现期和设计降雨历时代入式（4）（t取5 min,10 min,15 min……）得出一系列设计降雨厚度数据。再将得到的不同设计降雨历时下的设计降雨量代入式（3），得出相应的入池水量。然后利用式
（6）求得调控目标峰值流量Q′（排空时间设为6 h），将计算得到的Q′代入式（5），βp取值为0.6，得到不同降雨历时下的出池水量。最后找出一系列入池水量与出池水量差值中的最大值。
本工程计算雨水调蓄池容积的为274 m3，对应的控制目标峰值流量为17 L/s。 利用式（7）核算区域外排雨水流量径流系数为0.19。
该项目中设置的下凹式绿地均为下凹10 cm，则下凹式绿地本身蓄水空间为18.5 m3；透水铺装蓄水空间为212 m3（可按照“透水铺装面积×透水铺装厚度×孔隙率”计算）；调蓄池可蓄水空间为274 m3，总调蓄容积可达504.5 m3。
如采用水泵提升式雨水调蓄池，其计算过程与底部凹槽式雨水调蓄池相似，计算结果雨水调蓄池容积为233 m3，对应的调控目标峰值流量为15 L/s。
利用式（7）核算区域外排雨水流量径流系数为0.16。计算总调蓄容积为463.5 m3。
采用底部流槽式雨水调蓄池计算得出的调蓄池体积为274 m3，采用水泵提升式雨水调蓄池计算得出的调蓄池体积为233 m3，两种调蓄池计算结果差异的原因是池体排出雨水方式不同，排水能力存在差异。
在实际工程中，为提高设计安全性，可适当放大调蓄池的容积。为方便设计取值，通过以上计算可得到如下结论：每1 000 m2硬化面积配建调蓄容积不小于30 m3的雨水调蓄池。
3结论
建筑小区雨水调蓄系统的设计过程中，应贯彻低影响开发理念，降低雨水外排峰值流量，减小雨水外排径流总量，保证雨水的资源化利用。积极采用下凹式绿地、透水铺装和雨水调蓄池等具体措施实现低影响开发。
底部流槽式雨水调蓄池和水泵提升式雨水调蓄池是雨水调蓄池设计中的两种重要形式，可有效控制雨水外排径流系数，达到削减雨水外排径流峰值的作用，减轻市政管网的压力。
实际项目中两种雨水调蓄池容积计算结果存在差异，这是由于两种调蓄池排水方式不同，排水能力不同。
在建筑小区设计中，每1000m2硬化面积配建调蓄容积不小于30m3的雨水调蓄池，可控制该区域的雨水外排流量径流系数不大于开发前水平。
参考文献略。
本文发表于《给水排水》杂志2014年11期。
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