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环境工程

雨水收集系统模拟器

这是一款用于设计雨水收集系统的工具：把落在屋顶上的雨水收集储存起来，用于冲厕或庭院浇灌。改变集水面积、年降水量和水箱容量，即可实时看到一年能收集多少雨水，以及可满足多大比例的用水需求。

参数设置
集水面积（屋顶）
m²
承接雨水的屋顶水平投影面积
年降水量
mm
该地区一年的总降水量
径流系数
扣除飞溅、蒸发、润湿等损失的系数
过滤·初期弃流效率
经初期弃流（first flush）与过滤器截留后剩余的比例
每日用水量
L/天
希望由雨水满足的每日用水量
储水箱容量
L
用于储存不规则降雨的缓冲水箱容量
计算结果
—
年可收集雨水量 (m³)
—
年用水需求 (m³)
—
供水覆盖率 (%)
—
水箱独立供水天数 (天)
—
年节水量 (m³)
—
系统评价
—
雨水收集系统概念图 — 集水动画

落在屋顶上的雨水经雨水槽、初期弃流装置和过滤器流入储水箱，再从水龙头取用。水箱水位表示供水覆盖率。

年集水量 vs 集水面积
供水覆盖率 vs 年降水量
理论·主要公式

$$V_{harvest}=A_{roof}\times R_{annual}\times C_{runoff}\times \eta_{filter}$$

年可收集雨水量 V_harvest [L]。1mm 的雨落在 1m² 的屋顶上恰好等于 1 升，因此可直接用面积×降水量计算。C_runoff：径流系数，η_filter：过滤·初期弃流效率。

$$Coverage=\min\!\left(100,\ \frac{V_{harvest}}{D_{daily}\times 365}\times 100\right)\ [\%]$$

供水覆盖率。D_daily：每日用水量 [L/天]。年用水需求 = D_daily × 365，覆盖率表示其中可由雨水满足的百分比。

$$t_{tank}=\frac{V_{tank}}{D_{daily}}\ [\text{天}]$$

水箱独立供水天数。V_tank：水箱容量 [L]。储水箱的作用是在不规则的来水与每日近乎恒定的需求之间起缓冲作用。

什么是雨水收集系统

🙋
所谓“雨水利用”，就是把落在屋顶上的雨水存起来使用吧？不过，雨水真的能收集到那么多吗？
🎓
收集到的量其实相当可观。有一个很好记的关系——“1mm 的雨落在 1m² 的屋顶上，正好是 1 升”。所以比如 120m² 的屋顶一年降雨 1600mm，简单一算就是 120×1600 = 192,000 升，也就是说有 192 吨水从屋顶上流走。把这些水接住利用起来、而不是任其排进下水道，这就是雨水收集系统。它其实是人类自古以来一直沿用的、最古老的水利工程之一。
🙋
192 吨全都能用吗？那太厉害了……不过，把左边的“径流系数”或“过滤效率”调低，集水量就会减少呢。
🎓
你注意到了关键点。全部收集是不可能的。落在屋顶上的雨水，有的会溅走，有的在放晴时蒸发，还有的被用来润湿干燥的屋面而损失掉。表示这些损失的就是“径流系数”，瓦或石板屋面大约为 0.8～0.9。此外，“过滤效率”表示“初期弃流（first flush）”——故意舍弃降雨初期含灰尘、鸟粪、落叶的脏水——以及过滤器截留的部分。按默认值计算，最终约为 146.9m³——这仍然相当可观。
🙋
集水量 146.9m³，年用水需求 146.0m³……几乎一样呢。那水箱小一点也可以吗？
🎓
这正是设计中最难的地方。即使按全年总量看是够的，雨也是“集中而不规则”地下的，而用水量却“每天几乎恒定”。台风一口气下完之后，也可能连续两周滴雨不下。这段干旱期就必须靠水箱里存的水来支撑。所以水箱是填补供需时间错位的“缓冲（buffer）”。确定水箱容量，正是雨水收集系统设计中最核心的判断。
🙋
原来如此。那水箱是不是越大越好呢？
🎓
不，太大了也不行。水箱既贵又占地方。可以参考“水箱独立供水天数 = 水箱容量 ÷ 每日用水量”这一指标。5000L 的水箱每天用 400L，相当于 12.5 天。只要有足以撑过当地无降雨期——例如梅雨结束后的盛夏干旱——的天数就够了，再大往往就是浪费。拖动下方图表中的降水量，可以看到覆盖率如何变化。在少雨地区，即使加大水箱，降水量本身也会成为上限。
🙋
收集来的雨水不能直接喝吧？用来做什么比较好呢？
🎓
对，不经处理不适合饮用。但冲厕、洗车、清扫，尤其是庭院和花木的浇灌完全够用——在这些用途中，“未经处理”并不是缺点。日本家庭用水量的三到四成用于冲厕，仅把这部分改用雨水，自来水用量就会显著下降。此外，暴雨时把屋顶的雨水暂存起来，还能减轻下水道负荷、缓解城市内涝。节水与防灾——这是一套同时承担两种角色的设施。

常见问题

年可收集雨水量按“集水面积 × 年降水量 × 径流系数 × 过滤效率”计算。其基础是“1mm 的雨落在 1m² 的屋顶上正好等于 1 升”这一关系。径流系数代表飞溅、蒸发和屋面润湿造成的损失，过滤效率代表初期弃流（first flush）与过滤器截留的部分。例如集水面积 120m²、年降水量 1600mm、径流系数 0.85、过滤效率 0.90 时，一年可收集约 146.9m³ 的雨水。
雨是集中而不规则地下的，而用水量每天几乎恒定。水箱就是填补这一落差的“缓冲（buffer）”，其容量选择是雨水收集系统设计的核心。可参考“水箱独立供水天数 = 水箱容量 ÷ 每日用水量”这一指标。例如 5000L 的水箱、每天用 400L，即 12.5 天。基本原则是确保能撑过当地的无降雨期（如梅雨结束后的盛夏干旱），但容量过大会浪费初期投资和安装空间。
雨水未经处理不适合饮用，但对于冲厕、洗车、清扫，尤其是庭院和绿植浇灌等非饮用（中水）用途完全够用。在这些用途中，未经处理并不构成劣势。在日本，家庭用水量约三到四成用于冲厕，仅把这部分改用雨水就能大幅减少自来水用量。若要用于饮用，则需要增设过滤、消毒等设备。
合理选型的雨水收集系统能同时带来两方面效果。一是减少家庭自来水用量和水费；二是在暴雨时把屋顶径流暂存于水箱，减轻下水道（雨水管）负荷，缓解城市内涝。后者被称为“雨水径流控制”，近年来受到高度重视，不少地方政府甚至为安装提供补贴。虽然单栋建筑的效果有限，但在整个城市范围内累积起来，就是一项有意义的防灾基础设施。

实际应用

独栋住宅的节水系统：这是最常见的用途：在屋顶雨水槽下接一个“雨水桶”，把存下的水用于庭院浇灌、洗车和洒水降温。常见的是容量 100～300L 的小型水箱，许多地方政府提供安装补贴。若要把冲厕也改用雨水则需要管道改造，但冲厕用水占家庭用水量的三到四成，因此节水效果十分显著。

大型建筑·公共设施：学校、体育馆、办公楼、工厂等屋顶面积大，可在地下或场地内设置大容量雨水蓄水池。存水用于冲厕、冷却塔补水和绿化浇灌，灾害发生时还可作为生活用水储备。体育场、机场等屋顶面积达数万 m² 的设施，甚至有一年利用数千吨雨水的实例。

城市雨水径流控制（绿色基础设施）：近年来，雨水储存的主要目的已从“节水”转向“暴雨时的径流控制”。把屋顶雨水暂存起来，可将短时强降雨的峰值径流控制在下水道可承受的范围内，缓解内涝（城市型水害）。它作为与雨水花园（rain garden）、透水铺装相结合的“绿色基础设施”的一部分，正在城市规划层面推广。

缺水地区·农业利用：在降水季节性集中的地区和干旱地区，自古以来就有把雨季存下的雨水用于旱季生活用水和灌溉的做法。除屋顶集水外，与蓄水池、地下储水相结合的大规模雨水收集（rainwater harvesting），本身就是供水基础设施薄弱地区的水安全保障。本工具的集水量计算可直接用于此类规划的初步估算。

常见误解与注意事项

最大的误解是“只要年集水量超过年需求，仅靠雨水就够了”。本工具的供水覆盖率只是“全年总量”上的比较，并未考虑降雨时间与用水时间的错位。实际上，台风一次性倾泻之后若连续两周晴天，这期间就只能靠水箱里的水支撑。水箱太小的话，即使全年总量足够，也会在干旱期断水。反之，水箱再大也收集不到超过降雨量的水。即使年覆盖率为 100%，实际利用率（真正由雨水满足的比例）通常也会因水箱容量而降到 70～90%。

其次是“径流系数和过滤效率取固定值即可”的疏忽。径流系数随屋面材料变化：瓦屋面、金属屋面约为 0.85，绿化屋面或粗糙表面则可能降到 0.5 以下。它还随降雨强度变动：小雨可能只润湿屋面、径流为零，大雨时系数升高。过滤效率同样受初期弃流量设定、落叶堆积和维护频率的显著影响。这些参数应保守（偏小）取值，并把本工具的结果视为“理想上限值”才稳妥。

最后是“雨水不经处理即可直接使用”的误解。雨水含有屋面尘土、鸟粪和大气污染物，未经处理直接饮用存在健康风险。即使是非饮用用途（冲厕、浇灌），水在箱内滞留也会滋生藻类和孑孓，因此遮光、密闭和定期清洗必不可少。此外，长期不用水会变质，所以容量并非“越大越好”，而应结合用水量和周转情况选择合适的尺寸。若要转为饮用，务必以过滤、紫外线消毒等附加处理为前提。

使用指南

  1. 输入集水面积。例如坡屋顶 800m² 时，将 roofRange 设为 800
  2. 输入年降水量。东京地区约为 1600mm，北海道札幌约为 1200mm，可作参考
  3. 设置径流系数。混凝土屋面输入 0.9，瓦屋面 0.85，缓坡屋面 0.7
  4. 将过滤效率设在 0.85～0.95 范围内，点击运行按钮即可开始模拟

具体计算示例

办公楼屋顶面积 1200m²、年降水量 1500mm、径流系数 0.88、过滤效率 0.90 时：年可收集雨水量＝1200×1.5×0.88×0.90＝1425.6m³。若该设施年用水需求为 800m³（冲厕、冷却塔用），则供水覆盖率为 178%，梅雨期 5 月～7 月可由水箱独立供水 40 天，年节水量可达 720m³

实务注意事项