庭院/村落雨水智能生态集存利用技术

庭院/村落雨水智能生态集存利用技术

韩峰1彭思贤2

1.河海大学水利水电学院南京210098；2.河海大学水文水资源学院南京210098

摘要：西北农村地区一直是我国水资源严重短缺的地区，因此非常有必要将有限的雨水进行收集与利用，缓解当地缺水现状，提升居民生活水平。目前，对雨水的收集储存和利用的研究不够完善，本研究针对甘肃省牛谷河流域居民点降雨情况，利用SWMM建模等方法，设计出缺水型庭院雨水生态集存利用的结构。本文主要就西北农村地区的雨水收集与利用技术、管理系统与实施过程等方面进行简要阐述。

关键字：雨水收集；分水质蓄水；雨水交换管理系统；动态开关

选取以甘肃为代表的半干旱地区为研究对象。从该地区牛谷河流域陈家湾雨量站获取2013年至2016年间的降雨降水资料，表1为当地普通农村家庭庭院布置概况。

表1典型庭院院内布置概况

考虑到降落的雨水不可能百分之百的被收集利用，应乘折损因数。由于西北地区土壤长期处于不饱和的状态，所以产流模式为超渗产流，大多数雨水都渗入地面。查资料得，西北西区土壤的渗透系数约为0.9。对于屋顶，雨水通过集雨槽容易收集，只考虑蒸发的部分。屋顶的折减系数取0.95。对于道路来说，易有积水，故折损系数略小，取0.85[1]。

1.居民用水需求的动态变化

用水量的多少和季节密切相关，夏季温度高，气候湿润，5、6月份处于农忙时节，农业灌溉、牲畜用水、生活用水增多，且暴雨多集中在7、8月份，气候炎热，需水量、用水量明显偏高，而冬季温度低，气候干燥，处于农闲时期，当地农作物是以小麦为主的需水量较少的农作物，冬天很少需要农业用水，生活用水量也偏少。当地居民需水量主要来自于生活用水、农业用水、牲畜用水三个方面，结合季节对需水量的影响，设计出每个月每户人家用水随季节变化需水量大致分布表2（农业用水主要用于小麦、马铃薯等农作物，农业面积平均一家100m²，牲畜用水按每户人家牲口量一个猪圈，一个草棚来算）

表2每户人家每月需水量季节变化

根据水的用途分布表格，结合外出打工等人为因素造成的人口减少与气候影响，大致估算出一户人每月的需水量，做出分布曲线如图1：

图1每户需水量月份变化曲线（需水量单位：吨）

2.最大降雨量的选取及最大可收集雨量的计算

根据时段间隔，将从水文站获取的历年降雨资料分为若干降雨过程，选取一段连续降雨过程J₁作为分析样本。在一段连续降雨过程内，按时段内线性分布计算降雨量。在J₁过程内选取两个测量的时间点（单位h），记录两个点的降水深度（单位mm/h），将两个时间点之间的降水深度变化近似为线性处理。降雨量即为x轴、这段折线以及两个端点作竖直线到x轴围成的梯形面积大小。

由此易得该单一时段内降雨量为：

因此可得该连续降雨过程内的降雨量：

以此类推可得其他连续降雨过程的降雨量W,比较各个连续降雨过程降雨量的大小，选出降雨量最大的一次降雨过程，并计算得最大降雨量。

根据从陈家湾雨量站获取的2013-2016年降雨资料，通过计算得这几年内当地最大的一次降雨过程为2013年8月1日的降雨，降雨雨量数据见下表3。

表32013年8月1日降雨数据

根据表格数据作图算出面积降水深度为66.6mm（其中补充13：00及22:00数据使该降雨过程完整），用公式

降雨量=降水深度*径流系数*集水面积

计算出可收集的最大雨水量约为8.964m³。

3.庭院蓄水池与污水池设计

根据需水折线图得出最大需水量10m³，设计蓄水池容积为10m³（蓄水量略少于可收集水量），设计为深2m，占地面积约为5m³（设计为长2.5m,宽2m），水窖容积约为9.5m³，考虑到水量蒸发损失设计为柱体，深3m，半径1m。每户人家每月需水量大约为4~10m³，由于初期雨水污染物较多，且猪圈、草垛等地方渗透的雨水无法利用，分水质蓄水，将这些废水直接排到污水池中，根据前期排出较脏雨水弃水量（一户按一个猪圈、一个草垛的弃水面积）,根据化学反应接触停留时间确定,以及根据可收集最大雨水量8.964m³及最少需水量4m³，设计污水池容积为5m³（长2.5m，宽1m）。

4.设计动态开关分水质蓄水

降雨初期，由于雨水中溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后，又由于直接冲刷屋面、路面等，使得前期雨水中含有大量的化学污染物质及尘土颗粒物，因此前期雨水的污染程度较高，甚至超出普通城市污水的污染程度。因而这一时期的雨水不能直接收集作为生活用途，而需与后期雨水分开收集，前期雨水可先收集于污水池中，经适当的处理可作为灌溉用水（由于污染程度较重，不宜作生活用水），而后期雨水收集于蓄水池中，处理后可作生活用水。

因此，在一次降雨过程中，将前后期雨水分蓄，需在管道系统中布置动态感应开关，该开关应具备识别前后期雨水并开启不同的输水通道的功能。在识别前后期雨水方面，考虑到前后期雨水成分的主要区别有：尘土颗粒浓度、ph，前期雨水较后期雨水尘土颗粒浓度大得多，同时前期雨水由于溶解的酸性气体等，导致其ph值偏小。由于酸性气体的溶解度较小，因此前期雨水的ph值减小量有限，不不具有较明显的区分度，且结合市场上已有的检测器材，为提高开关系统的智能感应的灵敏度，应使用尘土颗粒浓度作为前后期雨水的检测指标。尘土颗粒浓度越高，通俗的讲，即雨水越浑浊，雨水的透光性能则越差，将水中ss浓度大于49.124mg/l的视为前期雨水[2]，根据这一特点，可在输水管道中某位置布置红外发射器，其中红外光束透过管中流过的雨水，在红外发射器另一侧布置红外传感器，通过接收到的红外光强的强度来区分前后期雨水。

当红外传感器检测并区分出前后期雨水，需将信息传递给控制设备，从而控制的开关的开闭，使前后期雨水分开收集。动态开关的工作原理即为：（1）信号接收反馈阶段：通过在分流管道前的管道内开孔安装红外光源，在另一侧安装红外传感器，传感器与光敏电阻相连，光敏电阻将光信号转换为电信号后经IC或三极管处理后控制可控硅的通断，完成电源的开关动作，其中将有效光强设定为A坎德拉，大于该光强，则视为可利用雨水，反之则为前期雨水。（2）机械控制闸门开关阶段：主要利用电磁铁原理。如上所言，通过控制可控硅的通断来控制电源的开关，电源接通时，电磁铁通电，产生磁场，将钢闸门吸起，从而使闸门打开。反之，当电源关闭，则电磁铁失去磁性，闸门关闭[3]。

参考文献

[1]吴欣,崔鹏.基于雨水收集利用的高校景观设计研究——以西北大学长安校区为例[J].地下水,2015,37(05):162-165.

[2]魏孜.村镇庭院降雨径流水质与污染特征的研究[D].北京交通大学,2011.

[3]孙华,李扬.热释电红外传感器原理及其应用[J].内江科技,2010,31(12):116+160.