雨水儲水箱在雨水收集利用中的作用
1、簡介
促使水力設施和系統開發研究的主要原因是雨水的輸入問題。為了簡化設計計算和限制模擬的時間，一般利用典型的暴雨降雨來進行研究。在佛蘭德斯，在降雨強度/持續時間/頻率關聯性的基礎上，設計出標準的暴雨，用在綜合下水道設計上（IDF--關聯性）（Vaes，1999）。這些設計的暴雨被叫做“合成暴雨”（Fig.1），這是因為這種暴雨重現了各種暴雨降雨中的所有過程，暴雨降雨中的各種情況都包含在其中了[與著名的芝加哥暴雨相比（Keifer & Chu，1957）。
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Fig.1. 設計逆程周期為2年的佛蘭德暴雨（即合成暴雨）
然而，降雨的可變性是很高的。對照兩種模擬結果（水力系統中流量，水深，等等），一個模擬結果是從連續的模擬中得到的，一個模擬結果從設計暴雨降水得到的，從這個對照中可以可以當降雨固有可變性可以忽略的時候，通過研究一些顯著的差異，可以估算在一場暴雨出現的概率（Dah1，Harremoes，Jacobsen，1996；Vaes，1999）。這些差異對系統的影響是微小，而且它的變化是線性的，因為直接的降雨決定了流量的峰值和流量的最大值。當系統的變化越來越接近于“容量性”系統時（及儲水箱在系統中的作用越來越大），這種差異將變大。一個容量性的系統有受到以前降雨影響的存儲功能。一般來說綜合下水道系統有一個空置時間段，時間接近12個小時。由于有源頭控制建筑，這個空置時間段將變的很大（幾個星期或幾個月）。在暴雨過后不久，如果又連續下了好幾場的暴雨，在以前的的情況，降雨將大量會占用綜合下水道系統的容量或維持設施的容量。存儲器的影響力越大，降雨中的固有可變性對模擬的結果影響就越大。例如：在平坦地區的綜合下水道系統中，下游末端有水泵排水，對存儲容量來說流過量幾乎是完全獨立的，因此系統中的存儲容量主要是決定于流入量。在滲透設施也是一樣的，在滲透系統中滲透能力的大小僅僅取決于設施的容量大小和設施的剩余容量大小，因此它也是主要取決于輸入量的大小。
在過去的幾年里，越來越多的“容量性”系統建成，而且未來還將有更多的被建成。而且大容量的存儲對保留雨水和削減雨水的流量是必須的。這些存儲設施可以建在下水道系統中（即時存儲），也可以建在綜合下水道系統中（延時存儲）。然而，越來越多的人將開始關注“源頭控制”，這就意味著，存儲能力是由雨水儲水箱、滲透溝渠、逆流式排水系統等等方面決定的。由于這些源頭控制設施，降雨時間長短的影響甚至比綜合的下水道系統中的存儲還要大。人們已經發現在源頭控制在某些地方（利用地區）需要比下游地區更大容量的存儲（Vaes & Berlamont，1998，1999），這個現象同樣被Herrmann和Schmida發現（1999）。由于逆流式存儲有更長空置時間，可使用的存儲器的保持力就更小。在進行精確的計算時，這就需要更加加強對降雨中固有可變性的考慮。
2、在下游排水系統中設備水力保持力的影響
對綜合下水道系統中源頭控制影響力大小的評價，主要是通過對雨水中固有的可變性的即時評估，這是因為長時間的降雨具有重要的影響力。當存儲設施放置在綜合下水道系統的上游（在雨水進入下水道系統之前），降雨的輸入通常是模仿進入下水道系統的雨水徑流，這樣可以考慮到上游存儲設施的影響。這些源頭控制設施可以很簡單的用簡單的蓄水池形式的模型進行模擬，這樣就可以在一個很短的時間里處理連續的長時間段的雨水模擬仿真。因此這樣的預處理降雨可以用在下游排水系統設計中，這個處理方法可以在雨水儲水箱和溝渠使用。由于雨水儲水箱的存在，以前一個月內的降雨的情況可以在同時得到處理。同樣利用這個簡化的模型，我們可以得到雨水儲水箱各個最理想的設計參數（例如：Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999），從佛蘭德斯地區雨水儲水箱的設計參數可以得到如Fig.2圖所示（Vaes & Berlamont，1998，1999）。此外，這個簡化可以同時用在上游水力保持設施和下水道系統中（Vaes，1999），綜合下水道系統中上游水力保持設施在溢流上的效果已經得到驗證（Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999）。
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3、方法
為了使雨水儲水箱的作用在下水道系統中顯示出來，所以就要建立一個模型去估算雨水儲水箱在原下水道系統中的作用以及用這個模型去估算在人工合成的暴雨中儲水箱產生的作用。為達到這樣的目的，用一個簡單蓄水池模型來收集雨水如下圖Fig.3。屋面部分的雨水（α）將流入雨水儲水箱里，其他部分的雨水（1-α）直接流入下水道系統中。一小部分的雨水回用逐漸地用完儲水箱中的積存雨水，回用后的降雨再排入到綜合下水道系統中。如果儲水箱裝滿水的話，溢流出來的雨水直接流入下水道系統中去。
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Fig.3. （α）雨水儲水箱總體，（b）簡單的儲存模型用在儲水箱中，為了把上游式儲水箱用在綜合下水道系統中RWF的輸入（RWF=雨水流入，DWF=無雨水流入）。
在Fig.4圖中，可以看出如何去使用這種方法來處理雨水。從儲水箱溢流出的雨水可以轉化為等量的降雨量來處理。降低的系數由降雨強度/持續時間/頻率關聯性（IDF關聯性）決定。最初的合成暴雨可以通過這個降低系數來調節，這個在暴雨期間大概是一個線性關系的函數方程。由于對這些人工合成的暴雨進行了精心的考慮和分析，所以在最初的合成暴雨中可以使用這個降低系數來處理。
4、最大價值評估
降雨參數中有大量的內在可變性因素的影響，所以在逆程周期中，降雨強度/持續時間/頻率關聯性的最大價值的衰減是需要精確考慮的。然而，雨水儲水箱顯而易見的改變了這種價值的分配系統。在雨水儲水箱儲存能力的作用下，即使強度最大的暴雨也幾乎沒有什么影響，而且仍然適用指數分配方式系統（Willems1998）。降雨的頻率越高，雨水儲水箱儲存能力產生的減波作用就越大，這樣就演化成另一種指數分配系統。因此最終結論性的分配系統有兩種方式，這兩種方式之間可以逐漸地相互轉化。這種混合形式的分配系統大體上接近排列分配方式，至少在雨水分析中有添加補充的作用。排列分配方式有很大的限定繼承性，這就意味著有更大突發性降雨概率。在這種排列分配方式下，降雨強度i和逆程周期T之間的是對數線性關系：
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因為暴雨降雨時間短和雨水儲水箱儲水力保持力大，那么減波所產生的作用就更大。依靠衰減給出的最大相關性，指數分配系統可以保留使用或是用排列分配方式。在這樣的分析中，使用簡單的雨水衰減就足夠了，因為沒有其他推斷的可靠性在逆程周期中比原降雨系統高。最后，線性衰減規律可以使用在暴雨降雨函數中的衰減系數，這樣可以得到單一的人工合成暴雨。
5、實際使用
當大兩的參數包含在內，這種方法可以在軟件程序中得到使用，軟件名稱“Rewaput”（‘REgenWAterPUT’雨水儲水箱的俚稱）。這個方法也可以把雨水徑流模型的影響因素綜合起來處理，或者使用在設計暴雨處理的上游滲透設施中。當越來越多的源頭控制技術得到使用，這種方法可以在計算處理中對降雨的有更大作用，并且可以在實際應用中得到使用。
滲透和設施的水力保持一般是非線性的，因為流出量是限定的，連續長周期的模擬因而是必要的。簡單概念上的模型（對上游設施水利保持力）是單一的，而且在長時間的模擬中，這個概念上的模型不需要長時間的計算。在這個模型中，27年的降雨被合并處理，這樣的降雨是和Flemish合成暴雨屬于一個系列的（1967—1993年）。一套Rewaput模型的參數處理在奔騰III733電腦上處理時間僅僅需要大概5秒鐘。如果參數變化超過集水量，這時候分配系數被離散化并且其他好幾套的參數被考慮。在處理中，離散化的步驟、參數的誤差和參數的種類決定了計算的數目，這些在處理中必須要考慮的。在Rewaput模型中，三角形的分配系統可用來估算隨機的儲存變量和雨水的消耗量（例如集水量的誤差量）（見Fig5）。
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對三角形的分配系統中每一個變化，乘上相應的參數權重，這樣可以計算出該參數的全部變化影響力。如用兩個隨機的參數，那么它們的計算時間將成平方的增加。為了減少計算時間，離散的時候需要考慮參數的誤差。
6、結果分析
雖然雨水儲水箱的儲存量和滲透設施在降雨中不一定完全起到作用（也就是因為這些設施沒有被實際降雨充滿），但這種上游式水力保持設施仍然對流入下水道的雨水徑流有很大的影響。可以看出，如果這些設施在一定范圍內安裝實施使用，那么合適的雨水儲水箱能很顯著的削減下水道中的流量峰值。在Fig.6圖中，可以看到雨水儲水箱在暴雨處理中的影響。在這個計算分析中，估計在30%封閉區域里，每100m2屋面設置一個5000升的雨水儲水箱，每天每100m2消耗100升雨水。這個幾乎削減里人工合成暴雨中的峰值，一年的使用相當于以前五年的分析。有可能通過一個簡單的設計方法去預見這個影響。
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7、結論
從這個方法可以看出，源頭控制技術在下游式排水系統中的作用。更進一步地，可以看出有可能對雨水中各種參數進行合并處理，這樣可以得到更精確的上游式對雨水處理的影響。為了限制計算時間，可以成功地使用簡單的模型去處理。
這種處理方法還可以用來合并處理非線性表面徑流模型或模擬滲透設施的作用，這些設計受到地表雨水的影響。通常情況，在佛蘭德斯，下水道系統設計中，在固定的封閉區域一般表面徑流系數取固定的0.8數值。在長時間段的方法使用中，更加實際的徑流（也就是更大容量的表面徑流模型）模型可以得到校準。這樣的處理可以包含在設計計算中，使用簡單的概念徑流模型和合并在設計暴雨中各個影響因素的處理方法。這個同樣可以適用于滲透設施和雨水徑流中。單一的概念性模型可以使用到暴雨設計中，這樣可以做到不會忽視雨水在上游式水力保持設施的作用。
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