来源：SWMM（微信号：Sponge-Model）

本文已获得原创授权

摘要：本次研究描述了德国国内雨水利用系统的发展和性能。首先分析了不同类型的雨水利用系统的运行特点。模型研究的目的在于量化雨水利用系统对城市排水系统的影响。在长达十年雨水数据模拟的基础上，模型对下列数据进行了计算：水池容积，覆盖率，饮用水节水量，溢流发生率，溢流量，排涝量，溢流周期。在波鸿市的一个工程案例分析中，研究人员对单户和高层建筑的雨水平衡进行了计算。

关键词：水文学；模型化；洪峰流量；降水；雨水利用；滞留池；屋面径流；工业水；水源控制；贮水池；雨水；城市排水系统；集水；节水；

1、历史简介

过去15到20年内，在环境领域有识之士地推动下，通过单户住宅、公共建筑和工厂的硬质粘土制管道系统进行雨水利用在德国已经达成初步的共识。方案是通过用屋面径流集水来替代冲厕水以节省有使用价值的饮用水。在过去十年，这门艺术工程已经从研究前线脱离，走向市场化。相关的雨水利用产品市场正在繁荣发展，对经济的作用日益突显。1995年11月，由资深顾问与经营雨水回收装置业务的公司组成的压力集团FachvereinigungRegen和Betriebswassernutzunge.v.(fbr)在美茵河畔法兰克福成立（fbr.1996）。现在的雨水利用市场有超过100家的商业制造公司参与竞争（fbr.1996）。对于它们其中的许多公司来说，雨水利用是它们唯一的或者最重要的业务分支。根据德国预制混凝土水池产业的领头公司Mall Beton GmbH的数据，过去10年，他们在德国安装了100000多座供于工业水的分散式雨水贮存池，它们的总贮存能力超过600000m3。雨水利用系统正越来越多地被运用在学校的商业运作区，洗车中心和有工业用水需求的工厂（Debus,1999）。在过去，许多像汉堡汉萨市这样的市政府，通过补贴和鼓励来推广雨水系统的使用。今天，许多城市趋向于将排放由消费产生污水的城市排水系统和由不透水地表面积产生的城市雨水系统进行分离。持续的经济问题驱使人们将屋面从污水道系统中移除。关于雨水系统的两个主要问题是：(1)评价城市排水系统的积极效果，特别是对于在德国广泛分布的合流制排水系统和（2）独立的雨水利用系统的成本效率。Herrmann和Hasse在1997年发布了第一份关于流域规模比例的预支平衡结算，而最近的一份是分别由Deltau和Stratmann在1997、1998年发布。研究表明，尽管要求不渗透面积内(Ar)大型特制的水池的存贮容积达到500m3/ha，且中心调蓄池的处理能力达到20-100m3/ha，提供使用水的分散式独立贮水池在经济效益上能与中心调蓄池进行竞争。对于成本效益，其中一个原因是独立贮水的混凝土预制的地下特制建筑的价位大约在250欧元/m3,这些中心调蓄池的预算在600-3400欧元/m3,最低值和最高值分别对应于敞开式和地下式圆形水池（LFU,1998;KleinschrothWirth,1996）。Bullermann,Klein,Busweier,Rexroth和Sell-Foro（1989）在他们研究的基础上所得到的第一份报告中给出了贮水池的水力尺寸标准和与水质量相关的物理化学指标。研究得出的结论是，几乎在所有情况下，工业水水质满足德国饮用水的物理化学指标要求和EU淋浴用水指标要求。根据这些研究的分析结果，从卫生方面的观点来看，在洗涤机中使用雨水是安全的，因此有必要推荐使用来自雨水的工业水，只将有大量鸽子活动的屋面不计算在流域面积内。直到最近，雨水都一直只是被视为一种节约饮用水的方法。它对排水系统的水力作用产生了不利的影响，但这种影响并没有得到定性分析和系统研究。一方面，雨水利用市场在经济中扮演越来越重要的角色，另一方面，暴雨所引发的许多市政排水问题，包括中心调蓄池的预算费用，让我们开始质疑分散式集流和屋面径流雨水的使用能带来多大的效益？通过分散式收集系统和雨水利用组件在排水系统水文模拟软件上的使用能够模拟雨水利用对城市排水系统的水力影响。现在在德国市场上相关的水文软件包括雨水利用：开发的第一款软件是RWIN(1995)，紧接的(1999)和是MURISIMKOSIM-MRS(1998)。

2、研究目的

本次研究重点是分析雨水利用系统在长时间不间断模拟状态下的水力性能。基于一系列的贮水容积，屋顶面积和工业水耗用速率，我们对下列参数进行了分析：系统效率，发生溢流事件的频率和溢流量，排向排水系统的溢流峰值的容积和周期、贮水池中附加调蓄容积的作用。

3、典型雨水利用系统的设计和制造

在建筑中安装的一座典型雨水利用系统通过提供冲厕和绿地用水来节约饮用水，当被安装在私用住宅时，它还要提供洗涤用水。图1展示了雨水收集利用系统的原理。屋面径流机械地通过过滤器或者格栅进行粗略收集。市场上提供了许多各种各样的雨水收集系统，能够根据水力特性对它们进行系统分类：

1）总径流类型（图1）。总径流被定义为是经过滤装置或者格栅流入贮存池的径流。只有在存储池池满时，流向排水系统的溢流才会发生。重要的是，在过滤装置和格栅被堵塞的情况下，没有流水排向贮存池。

2）引水管的一个导水管被安装在水沟后方的竖管上或者在地下排水管道上（图2）。分支的收集部分从总流中分离，溢流量被转移到排水系统。许多分支有能将大量颗粒透滤到排水道的细小网孔的滤网。那时雨水利用只是被看做是节约饮用水的的方法，把雨水排到排水管道被视为一种习以为常的习惯，这些设备就是在这个时代的背景下孕育出来的经典发明。转移设备的效率比值随着流量的增加而减小。因此，在强降雨期间，大量的径流被转移到排水系统。在低强度降雨时，转移到排水管道的流量很小且设备效率降低至零。根据制造厂商的数据，图3给出了这些新设备的效率值。尽管被称为自净装置，但这些网格细小的筛网还是被一些花粉之类的粘性颗粒堵塞住且它的效率随时间的推移而减小。Winkler（1991）和Graf（1995）给出了具体的技术分析。

图1 总流量类型的雨水利用系统

图2 转换器类型的雨水利用系统

图3 市场上得到的不同转换器的集水效率

（制造厂手册上的数据没有经过验证）

3）调蓄和节流类型（图4）。这里的贮存池提供了一个附加的调蓄容积，它处于空置的状态，通过节流阀与污水管道相连。

图4 调蓄和节流型的雨水利用系统

4）渗透型（图5）。对超出贮水池而被转移到污水管道的溢流进行局部渗透处理是一种可行的方法。Herrmann和Schmida(1996b)对渗透区域产生的水文影响进行了计算。Herrmann,Kaup,和Hesse(1999)对实例的运行状态进行了描述并且指出，通过联合局部渗透和雨水利用系统，自然的局部水量平衡在不受土壤渗透能力和渗透设施有效面积影响的情况下可以得到恢复和维持。

图5 雨水利用和局部渗透合并型的雨水利用渗透系统

本次研究仅仅考虑了总流管道、调蓄管和节流管的雨水利用系统，因为这些系统在延迟高峰流量的出现和满足源控制要求上比引水管的效率更高。

对在贮水池中的屋面径流进行自然沉淀处理是最有效的净化过程。因此，最简单的处理方法是避免急流流入池中以防止沉淀物与水混合。Herrmann(1993)给出了一个这样的建筑实例。泵后面的有压管道不建议也不需要使用小网孔的滤网。如果用氯进行消毒只会生成氯代烃类致癌物质，化学消毒显然不需要。唯一可以给出更多建议的是在泵前的管道系统中安装网孔大小为0.5到1.0mm的滤筛，以防止管道中的残渣物进入泵和其它装置中。第一次运行之后，筛网就可能被用于降低泵吸水管的压力损失。想获取更多的技术分析信息，请查阅参考文献。

4、材料，方法和术语

计算结果是在基于长达十多年的连续降雨数据上所得出的。通过运行有水文降雨径流背景资料的RWIN模型来进行模拟。模型赋值5分钟径流间隔的输入降雨数据，用一系列的存储数据画出单位过程线。根据屋面的材料和坡度，能够对湿润屋面的水量损失进行设置。通过建立蒸发模型，可以将存留在屋面上的雨水损失设置为空值。表格1给出了水文数据。表格2给出了模拟期间的年降雨量。

本研究对以下术语进行了定义。

贮水池或者将埋在地下水池的叫做水箱：用于收集和存储屋面径流的不漏水水池。

贮存容积或者池容：仅仅用于供应雨水且处于空置状态下的水池体积。

滞留体积：不断通过节流阀且不受用水量影响的水池，处于放空状态下的体积。调蓄体积的目的不在于供应用水，而是为了减缓和延迟屋面径流高峰流量的出现。

工业水或者贮存水：取自雨水存储池的水用泵抽送到建筑物中，然后用管道分配以供于用水。当缺少降雨时，安装在泵前的贮水池或者一座特别设计的复充水池就会通过公共水网中的饮用水再次进行补水。

雨水：源自屋面径流的一部分工业水，其余部分用饮用水补充。

屋面径流：相关屋面的总流量的体积。

溢流：当贮存池满流时，剩余的屋面径流被认为是溢流量。

饮用水：与公共水网相连的系统供给家庭或者单位的用水，包括补充水。

系统效率：雨水收集系统收集量在工业水供给量中所占的百分数。

收集效率：屋面径流用水在降雨量中所占的百分数。

有效面积：屋面的水平投影面积。

下列等式方程有效：

径流—溢流=雨水（1）

雨水+补充水=工业水（2）

径流—溢流+补充水=工业水（3）

覆盖率=雨水使用量/工业水使用量

收集率=雨水使用量/屋面径流量

5、结果和讨论

5.1 系统效率

家用平均水量取决于设备使用年限，家用设备的类型，变化范围为100-145L/(人·天)（Herrmann 和Schmida,1996年；HMUEB,1994）。图6描述了一系列工业水用水效率所对应的系统效率、贮存容积和屋面面积之间的关系。为了将不同的日用水量和屋面面积简化到一个参数组中，有必要在日用水量Qd(1/d)和有效屋面面积之间建立关系Qd/Ar=Qs，得到的日用水量定额Qs的单位为mm/d。贮水容积V与屋顶面积Ar相关，可以得到贮水容积定额Vs=V/Ar,它也被用于确定集中式分布雨水调蓄池的尺寸。得到的数据在图7中进行了描述：这里你发现系统的效率与用水速率相关，而不受屋面范围的影响。对于使用4-6m3贮水容积的单独用户来说，饮用水的平均节水率在30%到60%之间，这取决于用水习惯和有效屋面面积。当得到最大的系统效率时，我们可以从表格3中获取所需要的水池容积。图8给出了在居住有两个年轻人和两个孩子的建筑中检测到的用水数据,他们居住在位于巴伐利亚州法兰克尼亚市上游的米斯特巴赫市。

图6 系统效率和贮存容积在不同用水速率下的关系

图7系统效率和用水量定额在不同贮水容积定额下的关系

图8 1993年巴伐利亚州法兰克尼亚市上游米斯特巴赫市四人住房的日用水量。贮水容积6m3，屋面面积Ar=150m2.平均总用水量（=雨水加饮用水）=66L/（人·d）(数据源自米斯特巴赫的B.Koppe)。

5.2溢流容积

图9显示了在一系列的贮水容积定额中，水池溢流量与日用水量定额的比例关系。对于四人入住且其屋面面积达到100m2的房屋建筑，如果冲厕用水需求量为25L/（人·d）,则可以减少44%的屋面径流，且只需要1m3/100m2的水池容积。，当用水量很高时，水池容积则增加到5m3/100m2,剩余的溢流量可以削减到少于径流容积的15%。

图 9 溢流量和特定雨水使用率在不同贮水容积定额下的关系

5.3 溢流事件

联合表格3中最大的覆盖率，图10给出了溢流容积和溢流事件次数之间的关系。对于排水系统，我们更感兴趣的是它在强降雨期间的运行效能。因此，我们分析了在10年的模拟过程中发生的11次最大径流事件。图11给出了在这些极端降雨事件中所得到的径流容积减少量。可以察到不同的反应：在用水速率为1.6mm/d时没有径流事件发生：1988年11月30日，1981年6月28日和1990年1月23日。其它的径流事件得到增强或减弱：1985年7月14日，1984年2月6日和1984年5月28日。这些反应是由于在暴雨事件之前贮存池中的雨水量水平所导致的。图12分析了一定的径流容积在相应周期下所对应的的径流削减量。周期是根据经验频率公式得到的。即使10年周期这样的极端事件，当运行雨水利用系统时，径流容积会得到大量的削减。

图 10 受水池尺寸和用水速率控制的雨水利用对径流容积和径流事件次数的影响

图11 径流削减量与特定用水量和水池容积的关系

图12 流往排水系统且与特定用水量和水池容积相关的对应周期定义下的径流事件

5.4 附加滞留池容积

为了避免水池完全充满后会出现溢流的缺点，人们在贮存池中引入了附加的调蓄容积（Mall-Beton,1999b）。通过对模拟期间最极端降雨情景下的水位过程线（图13）和水池中的水位图（图14）的检验结果，说明了贮水容积对径流产生的影响。附加的9.5m3调蓄容积会将溢流量削减至0。表格4给出了与节流阀直径为1mm和4mm相对应的调蓄容积。根据Torricelli（1646）的描述，节流阀是带有尖端小圆孔的装置。图15描述了受水位控制的节流流量。当想达到95%-99%这样高的系统效率时，才需要表格4中给出的相对应的高用水贮存体积。对于普通住户，经济合理的贮存容积不超过6m3/100m2Ar。当需要灌溉用水时，应该提高水池的贮存能力。为水池溢流提供调蓄容积的其它可能方法是在水池的周围区域建造碎石床（Mall-Beton,1999b）。由于土壤的渗透能力在以后会成为限制性因素，所以不采用局部土壤阀门渗透的方法。

图13 对屋面面积Ar=200m和特定用水量1mm/d的10年模拟过程中最强降雨的径流水文过程线

图14 6m3贮存池在强降雨期间的水位变化

图15 与尖端孔口直径为1mm和4mm的节水阀流量对应的水位关系

5.5 水量平衡

单户和多层住房两种类型的建筑在1976年到1986年间的年水量平衡得到了计算。在这两个案例中，雨水存贮池都附加提供了lmm节流阀的调蓄容积。表格5和6给出了建筑的各个参数。水量平衡包括降雨，屋面的湿润损失，蒸发，雨水使用，节流阀的溢流水量和饮用水补水。

降雨=蒸发+雨水使用+溢流(7)

图16给出了单户住房的年水量值，雨水用水量是随时间不变的恒定值，溢流容积随降雨量不断变化。图17展示了四层建筑的水量平衡。

雨水占有较高的使用率，溢流量所占的比例较低。饮用水的补水占工业水使用量的10%，并且比例在干旱的年份有所增加。这两种不同的水量平衡表明了低等和中等定额用水量的影响作用。

图 16 波鸿市单户建筑的水量平衡

图17 波鸿市多层建筑的水量平衡

5.6 环境影响

德国是否缺水是一个需要确定的问题。当然，在任何时候任何地方，德国没有对来自水龙头的饮用水进行限流。德国公共饮用水的供应水源72%是来自地下水和泉水，22%来自地表水，6%来自河流渗滤（UBA,1997）。在过去一百年间建造的长距离给水系统不仅解决了大城市的供水问题，而且还附带地供应乡村用水。莱茵河和美因河被认为是原水水质，它意味着人口的密度和高质量的原水处于失衡状态。德国的乡村通常不缺乏可饮用地下水，而在年降雨量不大于650mm的地区，地下水的再生速率天然就低。在弗兰肯（法兰克尼亚上游），地下水的再生速率在100-120mm/年（BStLMU,1994）。硝酸盐和农业杀虫剂对地下水的污染，垃圾填埋点的出流或者工业污染导致一系列的水质量问题。从这个世纪初开始，饮用水中硝酸盐的浓度一直在逐渐增加。从1986年到1992年期间，研究对取自遍及德国国内的超过195000份的饮用水样本的杀虫剂含量进行了分析。9.7%的样本中检测到了杀虫剂，3.2%的样本中的杀虫剂含量超过了饮用水指标的限定值，为0.1μg/l(UBA,1993)。问题在于一方面为什么在山上建造饮用水水塔并且用水泵将其送到千里之外的城市，另一方面，转移近似相等水量的中心调蓄池没有起到任何作用。判定是否真正缺水的一个客观系数指标是观测夏季干旱期间土壤的含水量。处理过的污水和自然形成的地下水在干旱季节的水流中占有的比例是多少？夏季的暴雨初期是观测城市排水系统溢流量的最佳时期。将取自雨水利用系统的每升水用于用水消耗可以增加河流中的旱季流量，因为通过节约饮用水的使用量可以增加地下水的含量。这些水流来自排水管道溢流量的高峰流量时段。

6、结论

得到的系统效率结果清楚地阐明了雨水利用系统能够明显减少饮用水的使用量。溢流事件的特点表明了高定额用水量能够有效地减少和削减溢流量。研究得到的结论是雨水利用系统在多层建筑和高密度人群区域对缓解排水系统非常有效。在这里人均的特定屋面面积较小，因此屋面产生的径流量能够得到完全利用。现在，水文模型软件能够对城市的雨水利用系统进行模拟。你居住的区域什么时候开始行动呢？