不同气候条件下雨水收集系统的建模与性能评估
文献类型：学位论文
| 作者 | SHAHBAZ ALI |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 桑燕芳 |
| 关键词 | 雨水收集 节水节能 经济效益 空间区划 城市可持续发展 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 雨水收集系统（Rainwater Harvesting Systems, RHS）作为应对城市水资源短缺和雨洪控制问题的重要技术手段，已在全球多个国家广泛实施。大量前期研究均证实了RHS在节水效益、雨水控制性能以及经济可行性方面的显著优势。然而，由于 RHS 在环境和经济方面的效益尚未被充分认识，导致在社区或者更大范围内推广实施时仍存在疑虑。从全球看，多数RHS 研究主要集中在已建成可靠供水体系的发达国家，而在供水长期面临着压力的发展中国家，例如中国和巴基斯坦，围绕 RHS研究仍然相对匮乏。从研究空间尺度来看，现有的 RHS 研究主要集中在单体建筑和局部范围，但缺乏关于 RHS 性能的区域化评估与系统性研究。因此，亟需构建有效的 RHS 区域化评估方法，揭示不同情景下 RHS 在节水、雨水控制和经济效能等方面的空间差异。此外，降雨特性对 RHS 的雨水控制与节水双重效能具有显著的影响，但目前缺乏清晰的科学认识。RHS 还显示出降低供水能源消耗等方面的较大潜力，但目前尚未有对不同情景（气候条件、用水需求、储罐容积等）下城市区域——特别是以高能耗抽取地下水为主要水源城市的RHS性能综合评估研究。 本研究选取中国北京市和巴基斯坦四个城市（伊斯兰堡、拉合尔、白沙瓦、坎普尔）作为研究对象，围绕上述三个主要科学问题，重点开展不同气候条件下雨水收集系统的建模与性能评估研究。具体研究过程中，基于水量平衡理论和溢流后产水运行规则，构建日尺度的水文模型用于评估RHS的综合性能，并基于聚类分析方法分析其空间差异性；水文模型输入参数包括每日降雨序列、集水区面积、径流损失系数、初雨弃水量、储罐容积、每日用水需求和相关经济成本参数；重点考虑三种非饮用水需求情景（草坪灌溉、马桶冲洗及它们的组合利用），并构建指标体系表征RHS的节水、节能以及雨水控制量等潜在效益，综合评估RHS的环境和经济效益。取得的主要研究结果包括以下三方面。 （1）构建了RHS区域化评估方法体系，基于北京地区 77 个站点的日观测降雨记录进行分析，阐明了RHS 的节水、雨水控制和经济可行性的空间差异性。研究结果表明：RHS 的节水效率（WSE）和可靠性（R）存在显著的区域差异，其最大可获取阈值与需水情景密切相关，取值范围为 9%~99%；西部山区WSE值较小，东北郊区和中部城区WSE值较大。RHS 的雨水捕获效率（SCE）值也存在区域差异性，阈值区间为 61%~100%，其较高值出现在西部山区，而较低值出现在东北郊和中部城区。体积为10 m3的RHS储罐容积可以为北京地区提供最高的 RHS 收益成本比值。在 RHS为10 m3 储罐容积的条件下，WSE 和 R 的有效阈值范围为5% ~53%，而 SCE 的阈值则随区域和用水类型而发生变化，取值范围为31%~72%。本研究提出的区域化方法在考虑经济条件、降雨条件等影响因素的基础上，有助于揭示 RHS 的节水效益、雨水控制和经济效益的区域差异性。该区域化方法可以在全球其它地区推广应用，指导RHS 的优化设计和合理实施，通过加强节水和雨水管理，为城市可持续发展提供的重要支撑。 （2）系统揭示了降雨特征对雨水收集系统（RHS）在雨水控制和节水性能方面的综合影响，识别出有关键影响的降雨指标集。以北京地区 30 个站点的1968-2017 年日降雨量记录为例，采用 10 个降雨指标定量表征降雨特征，然后采用聚类分析方法揭示其对RHS性能的影响。研究结果显示，通过将30个站点划分为 8 个聚类簇，可以获得最优的降雨特征与 RHS节水性能的空间区划结果。此外，识别出对 RHS 的雨水控制和节水性能有显著影响的6 个降雨指标集：年均降雨量、标准降水指数、降雨集中度、干湿日比例、年连续干旱天数和平均干旱天数。因此，上述降雨指标集和降雨特征需要中重点考虑和关注，有望为RHS的性能评估与优化设计提供重要依据。该研究结果对于政府决策者制定更合理有效的城市雨水资源规划和管理指南具有重要指导意义。 （3）在考虑RHS潜在节能效益的基础上，改进了RHS综合环境效益评价模型，并在巴基斯坦三个气候区域下的四个城市（伊斯兰堡、拉合尔、白沙瓦、坎普尔）进行应用分析。研究结果表明，当抽取地下水所需的能耗就越大、储罐容积越大时，RHS 能够贡献的年节能率越高。在四个城市中，伊斯兰堡（温润亚热带气候）的年节水率最高，一个 20 m3 的 RHS 可以实现每年 126 m3 的节水量，并且在80% 的时间内能够满足混合用水需求；而坎普尔（温暖沙漠气候）的年节水率最低，一个 20 m3 的 RHS 每年仅能节水 23 m3，且仅在 10% 的时间内具有可靠性；在拉合尔（温暖半干旱气候）的年节能率最高，一个 20 m3 的 RHS 每年可为混合用水需求节省 119 kWh 的能源，而坎普尔的年节能率最低。此外，在所研究的四个城市中，通过合理实施RHS可以有效减少地下水开采量和抽水所需的能耗量，对城市优化水源配置和节水节能具有重要的意义。本研究构建的RHS综合环境效益评价模型，可以合理指导RHS的综合设计和运行，进一步促进水资源和能源节约，为推进城市可持续发展提供重要支撑。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 英语 |
| 页码 | 145 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217294]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | SHAHBAZ ALI. 不同气候条件下雨水收集系统的建模与性能评估[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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