雨水储水箱在雨水收集利用中的作用
1、简介
促使水力设施和系统开发研究的主要原因是雨水的输入问题。为了简化设计计算和限制模拟的时间，一般利用典型的暴雨降雨来进行研究。在佛兰德斯，在降雨强度/持续时间/频率关联性的基础上，设计出标准的暴雨，用在综合下水道设计上（IDF--关联性）（Vaes，1999）。这些设计的暴雨被叫做“合成暴雨”（Fig.1），这是因为这种暴雨重现了各种暴雨降雨中的所有过程，暴雨降雨中的各种情况都包含在其中了[与著名的芝加哥暴雨相比（Keifer & Chu，1957）。
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Fig.1. 设计逆程周期为2年的佛兰德暴雨（即合成暴雨）
然而，降雨的可变性是很高的。对照两种模拟结果（水力系统中流量，水深，等等），一个模拟结果是从连续的模拟中得到的，一个模拟结果从设计暴雨降水得到的，从这个对照中可以可以当降雨固有可变性可以忽略的时候，通过研究一些显著的差异，可以估算在一场暴雨出现的概率（Dah1，Harremoes，Jacobsen，1996；Vaes，1999）。这些差异对系统的影响是微小，而且它的变化是线性的，因为直接的降雨决定了流量的峰值和流量的最大值。当系统的变化越来越接近于“容量性”系统时（及储水箱在系统中的作用越来越大），这种差异将变大。一个容量性的系统有受到以前降雨影响的存储功能。一般来说综合下水道系统有一个空置时间段，时间接近12个小时。由于有源头控制建筑，这个空置时间段将变的很大（几个星期或几个月）。在暴雨过后不久，如果又连续下了好几场的暴雨，在以前的的情况，降雨将大量会占用综合下水道系统的容量或维持设施的容量。存储器的影响力越大，降雨中的固有可变性对模拟的结果影响就越大。例如：在平坦地区的综合下水道系统中，下游末端有水泵排水，对存储容量来说流过量几乎是完全独立的，因此系统中的存储容量主要是决定于流入量。在渗透设施也是一样的，在渗透系统中渗透能力的大小仅仅取决于设施的容量大小和设施的剩余容量大小，因此它也是主要取决于输入量的大小。
在过去的几年里，越来越多的“容量性”系统建成，而且未来还将有更多的被建成。而且大容量的存储对保留雨水和削减雨水的流量是必须的。这些存储设施可以建在下水道系统中（即时存储），也可以建在综合下水道系统中（延时存储）。然而，越来越多的人将开始关注“源头控制”，这就意味着，存储能力是由雨水储水箱、渗透沟渠、逆流式排水系统等等方面决定的。由于这些源头控制设施，降雨时间长短的影响甚至比综合的下水道系统中的存储还要大。人们已经发现在源头控制在某些地方（利用地区）需要比下游地区更大容量的存储（Vaes & Berlamont，1998，1999），这个现象同样被Herrmann和Schmida发现（1999）。由于逆流式存储有更长空置时间，可使用的存储器的保持力就更小。在进行精确的计算时，这就需要更加加强对降雨中固有可变性的考虑。
2、在下游排水系统中设备水力保持力的影响
对综合下水道系统中源头控制影响力大小的评价，主要是通过对雨水中固有的可变性的即时评估，这是因为长时间的降雨具有重要的影响力。当存储设施放置在综合下水道系统的上游（在雨水进入下水道系统之前），降雨的输入通常是模仿进入下水道系统的雨水径流，这样可以考虑到上游存储设施的影响。这些源头控制设施可以很简单的用简单的蓄水池形式的模型进行模拟，这样就可以在一个很短的时间里处理连续的长时间段的雨水模拟仿真。因此这样的预处理降雨可以用在下游排水系统设计中，这个处理方法可以在雨水储水箱和沟渠使用。由于雨水储水箱的存在，以前一个月内的降雨的情况可以在同时得到处理。同样利用这个简化的模型，我们可以得到雨水储水箱各个最理想的设计参数（例如：Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999），从佛兰德斯地区雨水储水箱的设计参数可以得到如Fig.2图所示（Vaes & Berlamont，1998，1999）。此外，这个简化可以同时用在上游水力保持设施和下水道系统中（Vaes，1999），综合下水道系统中上游水力保持设施在溢流上的效果已经得到验证（Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999）。
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3、方法
为了使雨水储水箱的作用在下水道系统中显示出来，所以就要建立一个模型去估算雨水储水箱在原下水道系统中的作用以及用这个模型去估算在人工合成的暴雨中储水箱产生的作用。为达到这样的目的，用一个简单蓄水池模型来收集雨水如下图Fig.3。屋面部分的雨水（α）将流入雨水储水箱里，其他部分的雨水（1-α）直接流入下水道系统中。一小部分的雨水回用逐渐地用完储水箱中的积存雨水，回用后的降雨再排入到综合下水道系统中。如果储水箱装满水的话，溢流出来的雨水直接流入下水道系统中去。
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Fig.3. （α）雨水储水箱总体，（b）简单的储存模型用在储水箱中，为了把上游式储水箱用在综合下水道系统中RWF的输入（RWF=雨水流入，DWF=无雨水流入）。
在Fig.4图中，可以看出如何去使用这种方法来处理雨水。从储水箱溢流出的雨水可以转化为等量的降雨量来处理。降低的系数由降雨强度/持续时间/频率关联性（IDF关联性）决定。最初的合成暴雨可以通过这个降低系数来调节，这个在暴雨期间大概是一个线性关系的函数方程。由于对这些人工合成的暴雨进行了精心的考虑和分析，所以在最初的合成暴雨中可以使用这个降低系数来处理。
4、最大价值评估
降雨参数中有大量的内在可变性因素的影响，所以在逆程周期中，降雨强度/持续时间/频率关联性的最大价值的衰减是需要精确考虑的。然而，雨水储水箱显而易见的改变了这种价值的分配系统。在雨水储水箱储存能力的作用下，即使强度最大的暴雨也几乎没有什么影响，而且仍然适用指数分配方式系统（Willems1998）。降雨的频率越高，雨水储水箱储存能力产生的减波作用就越大，这样就演化成另一种指数分配系统。因此最终结论性的分配系统有两种方式，这两种方式之间可以逐渐地相互转化。这种混合形式的分配系统大体上接近排列分配方式，至少在雨水分析中有添加补充的作用。排列分配方式有很大的限定继承性，这就意味着有更大突发性降雨概率。在这种排列分配方式下，降雨强度i和逆程周期T之间的是对数线性关系：
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因为暴雨降雨时间短和雨水储水箱储水力保持力大，那么减波所产生的作用就更大。依靠衰减给出的最大相关性，指数分配系统可以保留使用或是用排列分配方式。在这样的分析中，使用简单的雨水衰减就足够了，因为没有其他推断的可靠性在逆程周期中比原降雨系统高。最后，线性衰减规律可以使用在暴雨降雨函数中的衰减系数，这样可以得到单一的人工合成暴雨。
5、实际使用
当大两的参数包含在内，这种方法可以在软件程序中得到使用，软件名称“Rewaput”（‘REgenWAterPUT’雨水储水箱的俚称）。这个方法也可以把雨水径流模型的影响因素综合起来处理，或者使用在设计暴雨处理的上游渗透设施中。当越来越多的源头控制技术得到使用，这种方法可以在计算处理中对降雨的有更大作用，并且可以在实际应用中得到使用。
渗透和设施的水力保持一般是非线性的，因为流出量是限定的，连续长周期的模拟因而是必要的。简单概念上的模型（对上游设施水利保持力）是单一的，而且在长时间的模拟中，这个概念上的模型不需要长时间的计算。在这个模型中，27年的降雨被合并处理，这样的降雨是和Flemish合成暴雨属于一个系列的（1967—1993年）。一套Rewaput模型的参数处理在奔腾III733电脑上处理时间仅仅需要大概5秒钟。如果参数变化超过集水量，这时候分配系数被离散化并且其他好几套的参数被考虑。在处理中，离散化的步骤、参数的误差和参数的种类决定了计算的数目，这些在处理中必须要考虑的。在Rewaput模型中，三角形的分配系统可用来估算随机的储存变量和雨水的消耗量（例如集水量的误差量）（见Fig5）。
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对三角形的分配系统中每一个变化，乘上相应的参数权重，这样可以计算出该参数的全部变化影响力。如用两个随机的参数，那么它们的计算时间将成平方的增加。为了减少计算时间，离散的时候需要考虑参数的误差。
6、结果分析
虽然雨水储水箱的储存量和渗透设施在降雨中不一定完全起到作用（也就是因为这些设施没有被实际降雨充满），但这种上游式水力保持设施仍然对流入下水道的雨水径流有很大的影响。可以看出，如果这些设施在一定范围内安装实施使用，那么合适的雨水储水箱能很显著的削减下水道中的流量峰值。在Fig.6图中，可以看到雨水储水箱在暴雨处理中的影响。在这个计算分析中，估计在30%封闭区域里，每100m2屋面设置一个5000升的雨水储水箱，每天每100m2消耗100升雨水。这个几乎削减里人工合成暴雨中的峰值，一年的使用相当于以前五年的分析。有可能通过一个简单的设计方法去预见这个影响。
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7、结论
从这个方法可以看出，源头控制技术在下游式排水系统中的作用。更进一步地，可以看出有可能对雨水中各种参数进行合并处理，这样可以得到更精确的上游式对雨水处理的影响。为了限制计算时间，可以成功地使用简单的模型去处理。
这种处理方法还可以用来合并处理非线性表面径流模型或模拟渗透设施的作用，这些设计受到地表雨水的影响。通常情况，在佛兰德斯，下水道系统设计中，在固定的封闭区域一般表面径流系数取固定的0.8数值。在长时间段的方法使用中，更加实际的径流（也就是更大容量的表面径流模型）模型可以得到校准。这样的处理可以包含在设计计算中，使用简单的概念径流模型和合并在设计暴雨中各个影响因素的处理方法。这个同样可以适用于渗透设施和雨水径流中。单一的概念性模型可以使用到暴雨设计中，这样可以做到不会忽视雨水在上游式水力保持设施的作用。
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