第五节　雨水集蓄利用设施匹配技术及其理论

一、匹配原则与方法

雨水集蓄利用工程主要由集水工程、蓄水工程、净水工程和取水工程等构成。其中，作为集水工程的集流面是雨水集蓄利用工程的“水源”工程，主要用来收集天然降水，从而保障规划用水对象的用水需求，其面积大小取决于规划区域的天然降水量以及规划用水对象的规模；蓄水设施主要是保证用水过程的水量调节与供给，与规划区域的降水过程、降水特性、用水规模以及规划用水过程有关；包括水质处理设施与过滤、消毒、终端净化等处理设备在内的净水系统主要用于雨水水质处理，其处理能力大小决定于工程规模与用水过程；取水工程是指包括取水、用水在内的终端取用水系统，与规划用水对象的用水规模、用水强度、用水方式等因素有关。由此可见，在雨水集蓄利用工程系统中，由于集流面工程主导的“来水过程”与蓄水设施调节控制的“用水过程”之间存在的这种关联作用，实质上就是水量变化过程与时间变化过程之间的关系，从而使得无论是在满足规划工程的设计供水保证率方面，还是实现雨水集蓄利用工程的经济利用方面，都需要通过集流面与蓄水设施之间的良好匹配来保障整个系统的安全运行和保障供给。

（一）匹配目的

在具体工程实践中，雨水集蓄利用工程集流面面积与蓄水设施容积之间存在着不相匹配的缺陷，要么集流面面积过大，蓄水设施容积不足，要么集流面面积不足，蓄水设施容积偏大，这种集蓄矛盾导致在工程建设实践中长期存在着“有水无窖蓄”和“有窖无水蓄”的不合理现象，造成了工程设施的巨大浪费。因此，进行集流面与蓄水设施匹配研究，对提高雨水集蓄利用工程利用效率，保障可持续发展具有极其重要的意义。

实现集流面与蓄水设施之间的合理匹配，实质上就是在确定具体用水对象的前提下，采用一定的规划理论，根据雨水集蓄利用工程集流面的集水过程和蓄水设施的调节供水过程，对雨水集蓄利用工程进行具体设计的过程。在这个过程中，不同的规划理论决定了规划设计过程与结果之间的差异。总而言之，为实现这一环节的科学合理，从保障供水、经济利用的角度来看，实现集流面与蓄水设施匹配的目的主要体现在如下三个方面：

（1）解决雨水集蓄利用工程水量不足的问题，提高供水保证率和供水保障程度，满足不同用水对象的水量需求。

（2）实现雨水集蓄利用工程设施之间的合理配置，最大限度地发挥工程设施的应有作用，提高雨水集蓄利用工程的使用效率和效益。

（3）实现雨水集蓄利用工程设施之间的最佳配置，最大限度地降低工程建设成本，为工程的可持续发展奠定基础。

（二）匹配原则

集流面与蓄水设施的匹配是指规划的雨水集蓄利用工程，按照设计供水保证率要求，为满足规划用水对象的用水需求，集流面集蓄水量多少与蓄水设施容积大小之间存在的某种数量上的对应关系。在此条件下，集流面与蓄水设施实现良好配置，杜绝工程设施的闲置和浪费，保证其最大限度地发挥应有的作用，从而显著减少工程量，节省工程建设成本，提高雨水集蓄利用工程的使用效率和效益，满足建设资源节约型社会的要求。

综上所述，实现雨水集蓄利用工程设施的合理配置和最佳配置，是进一步提高雨水集蓄利用工程供水保证率，确保安全供水、经济利用的唯一途径。因此，在雨水集蓄利用工程的规划设计中，必须坚持如下的规划设计原则，才能确保雨水集蓄利用工程设施的合理配置和最佳配置。

（1）坚持以需定供的原则。根据规划用水对象的用水需求，按照以需定供的原则，规划雨水集蓄利用工程的集流面与蓄水设施。

（2）坚持经济利用的原则。通过对不同集流面面积与蓄水设施容积组合的经济分析，进一步降低雨水集蓄利用工程的使用成本。

（3）坚持科学发展的原则。依据供水保证率、用水定额等指标，科学规划、统筹布局，进一步提高雨水集蓄利用工程设施的使用效率。

（4）坚持高效利用的原则。在高标准集水工程、蓄水工程设施建设的基础上，进一步提高水资源利用效率，实现水资源的高效利用。

（5）坚持人与自然和谐的原则。按照经济、社会与生态环境协调发展的要求，坚持人与自然和谐的原则，充分考虑区域环境与生态的用水需求。

（三）匹配方法

对一个特定的雨水集蓄利用工程而言，由于规划用水过程的唯一性和用水总量的确定性，在某一个特定的规划区域内，当采用相关理论进行雨水集蓄利用工程的规划设计时，满足实现保障供水要求的集流面面积与蓄水设施容积数量之间必然存在一定的数量关系，这种数量关系也就是集流面与蓄水设施之间的匹配关系。研究表明，集流面与蓄水设施之间的这种匹配主要包括合理匹配与最佳匹配两种，即在满足设计供水保证率要求的前提下，以集水量与蓄水设施容积相协调的合理匹配和以集水量与蓄水设施容积相协调且工程造价最低的最佳匹配。进一步研究表明，前述两种匹配的实现，可在获得规划区域长系列降水资料的前提下，分别采用典型年法与长系列法计算确定。

1.集流面与蓄水设施合理匹配方法——典型年法

集流面与蓄水设施合理匹配采用典型年法计算确定。所谓典型年法，是指依据规划区域的典型年降水资料，通过调节计算确定集流面面积与蓄水设施容积的一种计算方法。集流面与蓄水设施合理匹配是指为满足具体用水要求，按照以需定供的原则，通过建设足够数量的集流面，在确保规划工程水量需求的前提下，根据典型年的降水量年内分配情况，充分利用蓄水设施的调节功能，通过调节计算确定满足供水需求时的蓄水设施容积。在此前提下，认为集流面面积与蓄水设施容积实现了合理匹配。

2.集流面与蓄水设施最佳匹配——长系列法

集流面与蓄水设施最佳匹配采用长系列法计算确定。所谓长系列法，是指依据规划区域的长系列降水资料（一般要求不少于20年），首先假定不同的集流面面积与蓄水设施容积组合，计算规划工程在长系列降水情况下的供水保证率，选取满足设计供水保证率的设施组合即为合理组合，经反复计算形成多组不同的集流面面积与蓄水设施容积组合；其次是通过计算多组集流面面积与蓄水设施容积组合条件下的工程设施总造价，从中选出的最小投资组合即为规划雨水集蓄利用工程的最佳匹配。在此集流面面积与蓄水设施容积组合下，不仅满足了工程的设计供水保证率，实现了保障供水，而且使得工程的建设造价最低，达到了经济利用，为雨水集蓄利用工程的可持续发展奠定了基础。

二、集流面与蓄水设施合理匹配技术

综上所述，集流面与蓄水设施合理匹配是指在计算时段内，为满足设计供水保证率要求，实现保障供水，按照集流面可集水量对蓄水设施容积的要求，使得雨水集蓄利用工程的集流面与蓄水设施容积相协调。事实上，实现这种协调的过程也就是总水量在整个计算时段内调节供给的过程，这个过程可通过典型年计算方法加以实现。

（一）年调节水量保障技术

年调节计算是指以一个用水年度为计算时段，对规划工程的年内来水、用水进行供需平衡分析的过程，其调节计算的基本原则是以需定供，即在计算时段内既无余水，亦无弃水现象发生。

1.需水过程及需水量

雨水集蓄利用工程重点解决农村生活用水、发展农业补充灌溉、恢复生态植被，其需水过程及需水量可根据具体工程规划用水对象的实际情况计算确定。

（1）单纯地以解决生活用水为目的的需水量计算。

根据农村生活用水特点，需水过程在整个计算时段内（1年）均匀分布，其需水量应依据规划用水对象数量及相应规划定额计算确定。单纯地以解决生活用水为目的的农村生活用水工程，当采用年调节方法进行计算时，逐时段需水量、整个计算时段的总需水量可按式（2-48）、式（2-49）计算确定：

式中　Wxi——第i时段需水量，m3；

ti——第i规划时段的天数，d；

Aij——第i时段第j类规划用水对象的数量，人（头或只）；

Qij——第i时段第j类规划用水对象的供水定额，L/[人（头或只）·d]；

n——规划用水对象的种类总数。

式中　Wx——计算时段总需水量，m3；

m——计算时段总数；

其他符号意义同前。

若整个计算时段规划用水对象数量保持不变，则式（2-49）可简化为

式中　Aj——第j类规划用水对象的数量，人（头或只）；

Qj——第j类规划用水对象的供水定额，L/[人（头或只）·d]；

其他符号意义同前。

（2）兼有其他供水目的的需水量计算。

当规划工程除满足生活用水要求外，还具有其他供水目的时，应根据具体用水对象的用水特点逐时段分析确定。对一些短期用水对象的集中用水，可将时段用水总量直接分配到计算时段内。在此情况下，逐时段需水量、整个计算时段的总需水量可按式（2-51）、式（2-52）计算确定：

式中　Wqi——其他用水对象在第i时段内的总需水量，m3；

其他符号意义同前。

式中　Wq——其他用水对象在整个计算时段内的总需水量，m3；

其他符号意义同前。

若整个计算时段规划生活用水对象数量保持不变，则式（2-52）可简化为

2.供水量及集水量

（1）供水过程及供水量。

根据以需定供的原则，按照规划工程的设计供水保证率，最大限度地实现保障供水是雨水集蓄利用工程的设计核心。因此，雨水集蓄利用工程的供水过程事实上就是需水过程。因此，时段供水量可按式（2-54）计算确定：

式中　Wgi——第i时段供水量，m3；

其他符号意义同前。

由此可见，按照以需定供的原则，在整个计算时段内既无余水，也无弃水，总供水量等于总需水量。即，Wg=Wx。

（2）集水量。

雨水集蓄利用工程设计集水量除应满足需水要求外，还应考虑蓄水、供水环节的渗漏损失和蒸发损失。目前，雨水集蓄利用工程的蓄水工程一般都采用砂浆抹面水窖、混凝土水池等封闭式结构，具有良好的防渗、防蒸发性能，总体来说蒸发、渗漏损失不大；另外，由于农村供水方式简单，供水线路较短，供水环节的水量损失也相对有限。研究表明，对设施完好的雨水集蓄利用工程来说，蓄水、供水环节的蒸发、渗漏损失一般仅在5%～10%左右。为确保安全供水，进一步提高供水保证率，分析认为，在工程规划设计环节按设计供水量的10%考虑蒸发、渗漏损失比较合理。即：

式中　Wl——规划工程在整个计算时段内的总集水量，m3；

Wg——规划工程在整个计算时段内的总供水量，m3；

其他符号意义同前。

3.集流面分析确定

集流面是雨水集蓄利用工程的水源，其供水量全部由集流面收集提供。用于雨水集蓄利用工程的集流面主要由屋面小青瓦、机瓦、水泥瓦、庭院混凝土、道路沥青混凝土、砂石（土）路面以及荒山荒坡组成，在缺乏当地实测资料时，其集流面的集流效率依据《雨水集蓄利用工程技术规范》（GB/T 50596—2010）有关规定确定。

集流面是实现保障供水的首要设施，集流面面积除与规划工程的总供水量有关外，还与规划区域的降水特性（降水量、降水强度）、集流面防渗材料类型（集流效率）有关。

（1）单一集流面面积计算。

当采用单一材料集流面时，规划工程的集流面面积可采用式（2-56）计算确定：

式中　S——集流面面积，m2；

Wl——计算时段设计总集水量，m3；

E——集流面防渗材料的集流效率，%；

Pp——满足设计供水保证率P时的典型年降水量，mm。

（2）多种集流面面积计算。

当某一项规划工程采用几种防渗材料联合作为集流面时，如前n-1种集流面面积已知，则第n种集流面面积可按式（2-57）计算确定：

式中　Sn——第n种防渗材料的集流面面积，m2；

En——第n种防渗材料的集流效率，%；

Sj——第j种防渗材料的集流面面积，m2；

Ej——第j种防渗材料的集流效率，%；

n——规划工程集流面种类总数；

其他符号意义同前。

4.集水过程分析确定

雨水集蓄利用工程的集水过程完全受控于典型年年内降水的分配过程。事实上，采用典型年法进行计算时，一般按月（旬）进行水量调节计算。为此，首先可进行典型年降水量P的逐月（旬）分配并记作Pi，再据此进行集水过程的计算。

（1）单一集流面来水过程。

当采用单一集流面时，规划工程的逐时段（月或旬）集水、整个计算时段（年）的总集水可分别按式（2-58）、式（2-59）计算确定：

式中　Wli——规划工程第i时段集水量，m3；

Pi——第i时段降水量，mm；

其他符号意义同前。

（2）多种集流面集水过程。

当联合采用多种集流面时，规划工程的逐时段集水、计算时段总集水可分别按式（2-60）、式（2-61）计算确定：

（二）集流面与蓄水设施合理匹配技术

如前所述，雨水集蓄利用工程设施的合理匹配是指集流面集水量与蓄水设施容积之间存在的一种可显著提高设施利用效率的数量配置关系。当采用典型年法进行计算时，这种数量关系的建立，可在最大可能地满足规划用水对象需水要求、实现保障供水的同时，合理有效地杜绝设施的闲置和浪费，从而提高雨水集蓄利用工程设施的使用效率和效益水平。

1.供需水过程及调节计算

供水调节计算在前述水量保障技术研究的基础上进行，是雨水集蓄利用工程设施合理匹配的主要途径。具体计算依赖于蓄水设施对水量的有效调蓄，按照年调节水库兴利库容计算方法进行计算。其调节计算的基本方法是按照以需定供的原则，在整个计算期内，充分利用蓄水设施的调节功能，通过对集流面来水和用水对象需水过程的调节供给实现保障供水，使之在整个供水时段内既无缺水、也无弃水现象发生。

具体计算过程中，在用水中应同时考虑用水过程的蒸发、渗漏损失。前已述及，对雨水集蓄利用工程蓄水设施而言基本不发生蒸发损失，其渗漏损失按总用水量的10%考虑。严格地说，渗漏损失的大小与蓄水设施的适时蓄水量有关。然而，由于来水的不确定性，导致蓄水设施的实际蓄水在整个计算时段内不断变化。在这种情况下，要准确计算各时段的渗漏损失尚存在一定难度。为简化计算过程，分析认为，各计算时段水量损失按照各计算时段用水量的10%计算尚属合理。在此前提下，时段蓄水量可由式（2-62）计算得到：

式中　ΔWi——规划工程第i时段蓄水量，m3；

其他符号意义同前。

逐时段累计蓄水量计算可按式（2-63）进行：

式中　Wi——规划工程第i时段累计蓄水量，m3；

Wi-1——规划工程第i-1时段累计蓄水量，m3；

其他符号意义同前。

且各时段最小蓄水量应满足式（2-64）的条件：

式中　W1——规划工程第1时段累计蓄水量，m3；

W2——规划工程第2时段累计蓄水量，m3；

Wn——规划工程第n时段累计蓄水量，m3；

n——规划工程计算时段总数；

其他符号意义同前。

2.最大蓄水量及蓄水容积确定

在前述计算中，为确保整个计算期内的保障供水，各计算时段末的蓄水设施蓄水量W1，W2，…，Wn中，势必存在一个最大值，此值即为满足设计供水保证率时的规划工程蓄水设施容积。在此容积下，可按设计供水保证率保障水量安全供给。该容积可按式（2-65）计算确定：

据此，我们认为，通过调节计算确定的蓄水设施容积V与前述水量保障技术研究提出的集流面面积S之间实现了合理匹配。该匹配模式不仅为保障水量安全供给奠定了坚实基础，而且显著提高了工程设施使用效率，为雨水集蓄利用工程的可持续发展创造了条件。

（三）典型年计算方法

1.基本原理

雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施容积的合理匹配，是指构成雨水集蓄利用工程系统的集流面集水量与相应配套的蓄水设施容积的相适应，即集水量与蓄水设施容积之间反映为某种数量上的对应关系。在雨水集蓄利用工程的具体应用中，应当按照以需定供的原则，通过计算确定集流面面积后，集水量（来水过程）完全受控于工程所在地的天然降水过程，而需水过程则因具体规划工程服务用水对象的不同而各有差异。利用蓄水设施的调蓄功能可以有效调节来水过程与需水过程在时间上的不一致性，从而满足规划用水对象在各个用水时段内的用水需求，继而提高供水保证率，实现农村安全供水目标。

2.计算方法

雨水集蓄利用工程蓄水设施容积典型年法计算方法应用水文学基本原理，按照年调节水库兴利库容计算理论和方法，选择典型年、划分计算时段进行调节计算。其中，典型年的选择在获得长系列降水资料的基础上，根据设计供水保证率与相应保证率时的降水量分析确定，各计算时段则根据典型年的年内降水分配过程确定，一般以月或旬作为计算时段。具体计算时，首先考虑年内各时段的来水、用水过程（包括损失水量）以及各时段内水量的增减变化情况；其次，一般以各计算时段连续水量平衡出现负值的结束时段作为典型年法计算的起始时段，且令此时段末的蓄水设施储存水量Wn=0，并据此进行各时段水量调节计算。

按照典型年法水文计算的基本原理和要求，在一个完整的计算时段内，从起始计算时段开始至全部计算时段结束，各计算时段末蓄水设施的储存水量是一个连续的增减变化过程并直接受控于来水、用水过程，而在这个储存水量的连续变化阈值内，势必有一个最大值出现，此值即为以实现保障供水为前提的雨水集蓄利用工程设施合理匹配的蓄水设施蓄水容积。

3.计算步骤

结合雨水集蓄利用工程实际以及典型年法计算流程要求，确定雨水集蓄利用工程蓄水设施容积典型年法计算按如下步骤进行：

（1）确定规划用水对象的具体数量（解决生活用水人口、农业灌溉面积以及其他用水情况）、用水时段、用水定额等。

（2）根据设计用水对象的用水时段、用水定额，逐时段（月或旬）计算需水量Wxi和整个计算时段内的总需水量Wx，且

（3）按需水量的10%考虑整个计算时段内的蒸发、渗漏损失，按Wl=1.1Wx计算整个时段的总来水量（可集水量）。

（4）依据规划区域的长系列降水资料，选定满足设计供水保证率的典型年降水P，并进行逐时段（月或旬）降水量Pi分配计算，且

（5）按照因地制宜，就地取材的原则，确定规划工程选用的集流面材料类型。

（6）根据集流面材料类型及规划所在地降水资料，确定规划集流面的集流效率Ej。

（7）依据前述集流面面积计算公式，按照供需平衡、以需定供的原则，根据总用水量（Wy=Wl）计算雨水集蓄利用工程在满足设计供水保证率时所需的集流面面积Sj。

（8）分别计算逐时段（月或旬）余缺水量ΔWi，即ΔWi=Wli-1.1Wxi。

（9）以计算时段内枯水期末（余缺水量连续为负值的结束时段）作为计算起始时段，并令起始计算时段的存储水量Wn=0，开始累加计算典型年内各计算时段（月或旬）末的累计储存水量Wi，并使年内储存水量不出现负值，即Wi≥0即可满足年内供水需求，且Wi=Wi-1+ΔWi，同时满足Wn=0。

（10）在整个计算时段内，选择各计算时段末蓄水设施储存水量的最大值即为典型年法计算确定的蓄水设施容积V。

雨水集蓄利用工程蓄水设施容积典型年法计算方法流程图见图2-3。

三、集流面与蓄水设施最佳匹配技术

所谓集流面与蓄水设施最佳匹配是指在满足设计供水保证率条件下，按照经济利用的原则，使得构成雨水集蓄利用工程设施的集流面与蓄水设施之间的匹配实现最优组合，即提出雨水集蓄利用工程的经济利用模式。也就是说，在此匹配模式下，集流面与蓄水设施的工程总造价达到最低。由此可见，实现最佳匹配的过程包括两大环节：①满足设计供水保证率条件的水量保障环节；②保障水量供给需求的工程设施集流面与蓄水设施造价分析环节。研究证明，集流面与蓄水设施的最佳匹配可采用长系列计算方法，在得到多组集流面面积与蓄水设施容积组合的前提下，通过相应工程造价的分析比较确定。

（一）多年调节水量保障技术

多年调节计算是以规划区域长系列降水资料为依据且以资料年限为计算时段，对规划工程在整个计算时段内的来水、用水进行计算和供需平衡分析的过程，其调节计算以规划工程设施的实际供水保证率能够满足设计供水保证率，实现保障供水为目标。

当采用长系列方法进行雨水集蓄利用工程设计时，一般采用给定集流面与蓄水设施容积组合，计算供水保证率的方法进行。

1.基本资料与设计参数

（1）资料系列与时段降水量。为保证长系列计算结果的科学合理，一般要求具有不少于20年的实测降水系列资料。同时，在收集整理长系列实测降水资料的基础上，可按月或旬确定计算时段，计算逐时段降水量Pi与设计供水保证率（来水频率）下的年降水量Pp。

（2）设计参数：①按照相关规定，分析确定雨水集蓄利用工程的设计供水保证率P；②分析确定相应来水频率P时的P-Ⅲ曲线模比系数Kp；③根据设计供水保证率时的年降水量Pp值，参照《雨水集蓄利用工程技术规范》（GB/T 50596—2010），分析确定各类集流面的集流效率Ej（j=1，2，3，…，n）。

2.供需水过程及水量调节

（1）需水过程。如前所述，雨水集蓄利用工程重点解决规划区域的人口与大小牲畜用水，部分工程同时兼有其他供水目的，其需水过程及时段需水量根据具体工程规划用水对象的实际情况计算确定，其时段需水量仍按式（2-48）、式（2-51）计算确定。

（2）供水过程及水量损失。与典型年计算方法一样，长系列计算方法的供水过程同样涉及整个计算时段，其时段供水过程就是时段需水过程。因此，Wgi=Wxi。

与年调节计算相一致，长系列计算方法供水过程的水量损失主要是渗漏损失，按时段供水量的10%计算。

（3）来水过程。事实上，雨水集蓄利用工程的来水全部通过集流面实现，来水过程受集流面集流过程控制。在一般的雨水集蓄利用工程中，首先选择利用现有集流面，不足部分新建混凝土等高效集流面作为补充。如前所述，当采用长系列方法进行雨水集蓄利用工程设计时，一般采用给定集流面面积与蓄水设施容积组合，计算工程实际供水保证率的方法进行设计。因此，在来水过程计算时，首先进行现有集流面的量测和集水量的计算，当现有集流面集水量不足时，再修建一定数量的补充集流面。其来水过程仍按式（2-60）、式（2-61）计算确定。

（4）水量调节。在分析确定供水、需水及来水过程的前提下，可进行时段水量调节计算。在此基础上，可在给定蓄水设施容积V的前提下，按起始计算时段累计水量为0开始计算逐时段累计水量。计算过程中，逐时段累计剩余水量受给定蓄水设施容积大小的控制，当上一计算时段累计水量出现负值时即认为该计算时段内缺水，下一时段计算时上一时段累计水量按0计算；当上一时段累计水量大于蓄水设施容积时，该时段出现弃水，下一时段计算时上一时段累计水量按蓄水设施最大容积控制计算。按此原则，时段累计水量计算可分别采用式（2-66）进行：

3.实际供水保证率

实际供水保证率是指给定集流面面积与蓄水设施容积组合条件下的规划工程供水保证程度，用保障供水时段（计算时段内不缺水）占整个供水时段的百分数来表示。可用式（2-67）计算确定：

式中　Ps——实际供水保证率，%；

A——发生缺水的计算时段数；

B——整个供水过程的计算时段总数。

根据前述计算过程，只有在给定的集流面面积与蓄水设施容积组合下，计算的实际供水保证率满足设计供水保证率要求，即Ps≥P，才认为规划工程在水量上满足了设计供水保证率要求，达到了保障供水的目的。

（二）工程设施最佳匹配技术

如前所述，最佳匹配模式要求构成雨水集蓄利用工程的集流面与蓄水设施的总造价最低，从而实现雨水集蓄利用工程的经济利用。然而，研究表明，实现最佳匹配的过程包括两个环节：①满足设计供水保证率条件下的水量保障计算环节；②保障水量供给的工程设施集流面与蓄水设施造价经济分析计算环节。为此，工程设施的最佳匹配研究必须在多年调节水量保障技术研究的基础上才能进行。

1.集流面面积与蓄水设施容积组合

在多年调节水量保障技术研究的基础上，通过保障水量需求的集流面面积与蓄水设施容积组合的多次重复计算，可以得到多组不同的集流面面积与蓄水设施容积组合结果。为方便叙述，定义该组合为面积—容积组合Di，且：

式中　Di——集流面面积与蓄水设施容积的第i个组合；

Si——集流面面积第i个计算结果，m2；

Vi——蓄水设施容积第i个计算结果，m3；

i——集流面面积与蓄水设施容积组合计算序号，取值1，2，3，…，n。

进一步研究表明，在前述集流面面积与蓄水设施容积合理匹配的多组组合中，遵循集流面面积越大，蓄水设施容积越小；集流面面积越小，蓄水设施容积越大的规律。

2.工程设施最佳匹配

如前所述，在集流面面积与蓄水设施容积最佳匹配模式下，可实现工程设施造价最低，达到经济利用之目的。由此可见，最佳匹配过程事实上就是工程设施造价分析和经济比较的问题。

（1）单位工程造价分析与确定。单位工程造价分析可结合集流面材料性质与蓄水设施结构类型，根据工程所在地施工水平、材料单价等分析确定。

为方便研究，我们暂且给定集流面单位面积造价为Ds，蓄水设施单位容积造价为Dν。

（2）蓄水设施造价。在前述分析确定单位工程造价的基础上，保障水量需求的雨水集蓄利用工程设施造价可用式（2-69）计算确定：

式中　Ci——第i种组合时的蓄水设施造价，元；

Ds——集流面单位面积造价，元/m2；

Dν——蓄水设施单位容积造价，元/m3；

其他符号意义同前。

（3）最佳匹配组合确定。通过前述计算，在水量保障工程设施造价C1，C2，C3，…，Cn中势必存在一个最小值，此最小值对应的工程设施组合即为保障水量需求时的雨水集蓄利用工程设施最佳组合。其最佳组合C可按式（2-70）确定：

一般情况下，要求前述计算得到的面积—容积组合数量不少于7组。而且，当计算确定的满足设计供水保证率的集流面面积与蓄水设施容积组合数量持续增加到n+m组时，此最小值仍为最小。也就是说，此最小值须同时满足式（2-71）的要求：

据此，通过经济分析确定的集流面面积与蓄水设施容积组合C即为满足设计供水保证率，且能够实现保障供水的雨水集蓄利用工程最佳匹配组合。

（三）长系列计算方法

1.基本原理

长系列计算方法是通过对一定数量的集流面匹配相应容积的蓄水设施，从而实现对雨水的收集和调控利用，使得设计用水对象在整个长系列降水过程中的用水能够满足设计供水保证率要求。在此计算过程中，由于调蓄利用水量同时受控于集流面面积和蓄水设施容积两个因素，因而具体计算结果存在多个不同的集流面面积和蓄水设施容积组合。也就是说，在长系列计算方法中，在总集水量大于总用水量的前提下，只要给定一定量的集流面面积数值，总会有一个相应的蓄水设施容积使得设计工程能够满足设计供水保证率要求。进一步分析可知，在这些组合中，总有一组组合使得构成雨水集蓄利用工程的集流面与蓄水设施组成的工程设施组合造价最低。因此，这组组合即被认为是满足设计供水保证率时的雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施容积的最佳匹配模式。

2.计算方法

（1）满足设计供水保证率的水量保障计算方法。雨水集蓄利用工程蓄水设施容积长系列计算方法的基本原理是在划分计算时段的基础上，利用蓄水设施的调蓄能力，通过对不同时段来水、用水过程的水量平衡计算，确定长历时条件下满足设计供水保证率时的集流面面积和蓄水设施容积组合。其中计算时段可根据长系列资料情况确定，一般以月或旬作为计算时段。

为减少试算工作量且在实现工程设施之间合理匹配的同时，尽量满足最佳匹配的要求，具体计算时，首先根据长系列降水资料分析确定设计供水保证率情况下的年降水量并以此为依据，大致按照“供需平衡”的原则初步估算集流面面积，作为长系列计算确定集流面面积的参考数据；其次是给定集流面面积，假定蓄水设施容积，依据计算时段的来水过程和设计用水过程，进行供水环节的水量调节计算；最后根据整个计算时段内的水量余缺情况计算实际供水保证率，满足设计供水保证率时的集流面面积与蓄水设施容积组合即为长系列计算确定的雨水集蓄利用工程合理匹配设计结果。

采用雨水集蓄利用工程长系列计算方法，确定规划工程的集流面面积和蓄水设施容积组合的过程是一个多次反复试算的过程，当工程的实际供水保证率满足设计供水保证率时，对应的一组集流面面积与蓄水设施容积组合则就是设计工程设施的合理匹配结果。

（2）蓄水设施最佳匹配计算方法。按照设计保证率要求，通过集流面面积与蓄水设施容积组合的多次重复计算，在得到多组不同集流面面积与蓄水设施容积组合的基础上，进行工程设施建设造价分析，其中造价最低的一组集流面面积与蓄水设施容积组合即为雨水集蓄利用工程的经济利用组合，此时就认为实现了雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施的最佳匹配。

3.计算步骤

（1）收集并整理规划工程所在地的长系列降水资料，进行计算时段月（旬）降水量Pi的分配计算。

（2）确定规划雨水集蓄利用工程的设计用水对象数量、用水时段和用水定额。

（3）按照实现保障供水的要求，确定雨水集蓄利用工程的设计供水保证率P。

（4）依据长系列降水资料，确定保证率P时的多年平均降水量Pp。

（5）分析确定相应来水频率P时的P-Ⅲ曲线模比系数Kp。

（6）参照《雨水集蓄利用工程技术规范》（GB/T 50596—2010），分析确定规划工程各类集流面的集流效率Ej。

（7）分析确定计算时段的需水量Wxi，并按10%考虑各计算时段内的蒸发、渗漏损失。

（8）根据Pp值，按照供需平衡的原则初步估算集流面面积Sp，并将其作为长系列计算确定集流面面积的参考依据。其中，Sp计算按典型年方法进行。

（9）给定集流面面积Si=Sp+ΔS，计算各时段来水量Wli。

（10）假设蓄水设施容积Vi，考虑蒸发、渗漏损失，进行长系列降水过程各计算时段的水量调节计算，确定各计算时段末的蓄水设施累计水量。

（11）统计整个计算时段数量和发生缺水的计算时段数量，计算实际供水保证率。

（12）当实际供水保证率小于设计保证率时，重复前述（10）、（11）的计算步骤；当实际保证率大于或者等于设计保证率时，统计集流面面积、蓄水设施容积并记作D1={S1，V1}。

（13）重复前述（9）～（12）的计算步骤，得到多组面积—容积组合计算结果Di={Si，Vi}。

（14）结合集流面材料性质与蓄水设施结构类型，根据工程所在地施工水平、材料单价等分析确定集流面面积、蓄水设施容积单位工程造价。

（15）计算多组组合方案下的雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施建设造价。

（16）选择集流面面积、蓄水设施建设造价最低组合，此组合为工程设施最佳匹配组合。

雨水集蓄利用工程设施最佳匹配长系列计算流程见图2-4。

四、结论

实施雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施匹配，是干旱缺水地区提高有限水资源利用效率以及雨水利用设施使用效率，降低工程建设成本的有效途径，对实现雨水集蓄利用工程的可持续发展具有重要意义。

（1）提出了雨水集蓄利用工程典型年计算方法，采用典型年时段降水量分配资料，按照以需定供的原则，计算确定了典型地区集流面与蓄水设施合理匹配结果，实现了集流面面积与蓄水设施容积之间的相互协调，为满足设计供水保证率，实现保障供水奠定了基础。

（2）提出了雨水集蓄利用工程长系列计算方法，以长系列降水资料为依据，依据水库工程多年调节计算原理，通过对整个计算时段来水、用水和供水、需水过程的分析计算，在确定满足设计供水保证率要求的集流面面积与蓄水设施容积组合的基础上，通过工程设施建设造价的比较分析，确定了雨水集蓄利用工程集流面与蓄水设施的最佳匹配，确保了雨水集蓄利用工程的经济利用。