理论教育 农村雨水集蓄利用:集流面积计算指南

农村雨水集蓄利用:集流面积计算指南

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:在确定雨水集蓄利用工程供水规模的基础上,集流面面积可依据规划供水对象的供水保证率、设计保证率下的年降水量以及不同材料年集流效率等计算确定。此外,降雨过程的气温、风速等都对集流效率有一定影响。全年降雨量及降雨强度是决定集流效率大小的首要因素。也就是说,按此要求计算确定的集流面面积为满足设计供水保证率时的最小集流面面积。

农村雨水集蓄利用:集流面积计算指南

在确定雨水集蓄利用工程供水规模的基础上,集流面面积可依据规划供水对象的供水保证率、设计保证率下的年降水量以及不同材料年集流效率等计算确定。

(一)供水保证率

供水保证率是指对具体用水对象用水需求的保证程度,一般根据水资源条件,结合用水对象的重要程度确定。开展雨水集蓄利用地区均为干旱缺水或季节性缺水地区,供水保证率可按有关规范就低确定。《雨水集蓄利用工程设计规范》(GB/T 50596—2010)确定的供水保证率见表3-3,在进行工程的具体设计时可参考执行。但在我国南方一些降水量相对较大的地区,不需建设集流面,而主要以建设蓄水工程为主时,可适当提高供水保证率进行工程设计。

表3-3 雨水集蓄利用工程供水保证率表

(二)集流效率

1.集流效率定义

集流效率是指一定区域内集流面上收集到的雨水径流占整个降落到相应集流面上天然降水量的比例。集流效率的定义可用式(3-3)表述:

式中 RCE——集流效率,%;

W径流——一定区域内集流面上收集的径流量,m3

W降水——降落到相应区域内集流面上的天然降水总量,m3

2.集流效率影响因素

影响集流效率的因素很多,主要有次降雨特性(降雨量和降雨强度)、集流面材料性能、集流面前期含水量以及集流面坡度与沿坡度方向的长度等。此外,降雨过程的气温、风速等都对集流效率有一定影响。

(1)降雨特性对集流效率的影响。全年降雨量及降雨强度是决定集流效率大小的首要因素。随着降雨量和降雨强度的增加,集流效率显著提高。多年平均降雨量越小,说明越是干旱,而越是干旱,则小雨量、小雨强的降雨过程也就越多,集流效率随之也就越低。

(2)集流面材料对集流效率的影响。集流面材料种类很多,各地试验结果表明,常见集流面材料中,以混凝土和水泥瓦集流效率最高,均可达70%~80%。这是因为这类材料密实性很好,吸水率低,在较小的雨量和雨强下即能产生径流。而土质集流面材料表面密实性差,空隙率大,防渗效果差,集流效率也就低,一般在30%以下。综合各地研究结论,各种防渗材料集流效率从大到小依次为混凝土、水泥瓦、机瓦、塑膜覆沙(或覆土)、青瓦、三七灰土、原状土夯实、原状土。但需要引起重视的是同一防渗材料在不同地区的集流效率也有差别,分析其原因,这主要是由施工质量差别所致,与材料的区域性分布并无太大关系。

(3)集流面前期含水量对集流效率的影响。集流面前期含水量较高时,当次降雨的集流效率就高。但随着下垫面材料的不同,这种影响的差别也较大,特别是土质类等表面密实度较差,渗透性较好的集流面,前期含水量对集流效率的影响更加明显。

(4)集流面坡度对集流效率的影响。一般来讲,集流面坡度较大,其集流效率也较大。因为坡度较大时可增加流速,从而减少降雨过程中坡面水流的厚度,一方面降低了降雨过程的入渗水头,继而减小入渗损失,提高集流效率;另一方面,降雨结束后坡面滞留水量也相应减少,因而也可提高集流效率。因此,为了提高集流效率,当建设专门集流面时,集流面纵坡一般应不小于1/10。

3.场次集流效率

场次集流效率是指每场降雨的集流效率,一般通过试验确定。在降雨过程中,测量降雨量和降雨过程形成的径流量,就可按式(3-3)计算集流效率。

为了缩短试验研究的过程,也可以采用人工模拟降雨的办法进行。此时,应尽量使试验场地各点雨量分布均匀。降雨时在试验场地上按间距30~50cm均匀安放一定数量的标准量杯(无标准量杯时可用其他容器代替),降雨后测量量杯中的水深或水重,即可计算平均降雨量。

当采用标准量杯时,平均降雨量按式(3-4)计算确定:

式中 R——平均降雨量,mm;

Ri——第i个标准量杯的水深,mm;

n——标准量杯的数量。

当无量杯而采用其他容器代替进行试验时,平均降雨量按式(3-5)计算:

式中 g i——第i个容器中的水重,g;

S——试验容器的水平投影面积,cm2

其他符号意义同前。

检验降雨均匀度的方法是,量杯或容器中水深或水重的相对误差应不大于0.2。相对误差可按式(3-6)计算确定:

式中 ——试验容器中的平均水重,g;(www.daowen.com)

其他符号意义同前。

降雨均匀度K可按式(3-7)计算:

4.年平均集流效率

年平均集流效率是进行雨水集蓄利用工程设计的主要参数,具体可按式(3-8)计算确定:

式中 RCE y、RCEi——分别为年平均和年内第i次降雨的集流效率,%;

Ri——年内第i次降雨量,mm;

n——年内发生降雨的次数。

甘肃省水利科学研究院根据对不同材料集流面集流效率与降雨特性之间关系的试验成果,采用代表多年平均降水量300mm、400mm及500mm地区的9个雨量站的长系列降水资料,计算确定了不同降水量地区相关下垫面材料年平均集流效率。根据这些成果,推荐了不同集流面的集流效率,具体见表3-4。

表3-4 不同降水量条件下不同材料集流面的年集流效率 %

5.《雨水集蓄利用工程技术规范》推荐的集流效率

计算年集流效率,需要有长系列降水资料以及集流效率与集流面材料、降水特性等多个因素之间的关系,这使得确定集流效率十分困难,对于部分资料缺乏的地区甚至无法进行。为方便雨水集蓄利用工程系统规划、设计,《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596—2010)规定了不同地区集流面材料的集流效率,工程实践中可结合当地实际情况参考使用,具体见表3-5。

表3-5 不同降水量地区不同防渗材料年集流效率 %

(三)集流面面积

雨水集蓄利用工程集流面面积计算均按照水量“以需定供”的原则确定。也就是说,按此要求计算确定的集流面面积为满足设计供水保证率时的最小集流面面积。

1.单一集流面

当规划雨水集蓄利用工程采用单一集流面时,集流面面积可按式(3-9)计算:

式中 W——雨水集蓄利用工程年供水量,m3

S——集流面面积,m2

K——集流面材料年集流效率;

P p——设计保证率条件下的年降水量,mm。

2.多种集流面

当规划雨水集蓄利用工程具有多种集流面且集流面面积不足需要补充建设集流面时,补充集流面面积可按式(3-10)计算确定:

式中 Sn——规划雨水集蓄利用工程第n种集流面(补充集流面)的面积,m2

Si——规划雨水集蓄利用工程第i种集流面的面积,m2

K i——规划雨水集蓄利用工程第i种集流面的年集流效率;

n——集流面材料种类数;

其他符号意义同前。

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