城市雨水利用量的研究

姜秀麗，武曉峰

（1.北京市昌平區(qū)水務(wù)局，102200，北京；2.清華大學研究生院，100084，北京）

當前，水資源短缺和城市雨洪問題在我們國家的許多城市同時存在，這些問題同時影響和制約著城市的進一步發(fā)展。實施城市雨水利用工程是充分利用水資源、修復(fù)城市生態(tài)環(huán)境、解決城市排水和防洪問題的重要措施。

為了城市雨水利用工程的進一步完善，有一些問題尚需要探討：城市需要建設(shè)雨水利用工程，但是城市雨水利用量的最大潛力是多少？解決雨水問題和生態(tài)問題，城市雨水利用工程至少應(yīng)該利用多少雨水？雨水利用工程對雨水利用的程度有多大？基于對上述問題的思考，提出了城市雨水利用量的最大潛力值、參考值和雨水利用程度這些概念，并進行了案例研究。

一、城市雨水利用量最大潛力值的定義和計算方法

城市建成后無雨水利用工程狀態(tài)下的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的最大潛力值。城市建成之前，城市下墊面具有一定的徑流系數(shù)，降雨之后產(chǎn)生徑流。城市建成之后，建筑物和硬化道路等不透水面積增加，透水面積相應(yīng)減少，如果沒有實施雨水利用工程，此時的徑流系數(shù)就會增大到一定數(shù)值，降雨徑流量也隨之增大到一定數(shù)值；如果實施城市雨水利用工程，最多可以利用的雨水量就是此時的降雨徑流量數(shù)值，因此稱之為城市雨水利用量的最大潛力值。

城市雨水利用量最大潛力值的計算公式為：

式中，Wmax為城市雨水利用量的最大潛力值，m3；0.001 為單位換算系數(shù)；α1為多年平均降雨條件下，城市建成后，在無雨水利用措施時城市降雨徑流系數(shù)；P為研究區(qū)多年平均年降雨量，mm；F 為研究區(qū)域的面積，m2。

二、城市雨水利用量參考值的定義和計算方法

城市建成之后、在無雨水利用工程的情況下，相對于建成之前所增加的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的參考值。

在城市建成之前，下墊面一般是自然土壤和植被，或者是農(nóng)田，降雨很容易被植物吸收或者入滲土壤形成地下水，降雨徑流系數(shù)和徑流量都比較小，生態(tài)系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。城市建成之后，由于不透水面積增加，降雨徑流系數(shù)和徑流量都會相應(yīng)增加，如果沒有城市雨水利用工程，這些增加的降雨徑流會給城市帶來一些問題，例如：這些徑流無法滲透到土壤當中，無法回補地下水，就會造成地下水水位的下降及其相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題；當這些徑流排出不暢時，就會產(chǎn)生地面積水，影響城市交通和生活環(huán)境；為了排出這些徑流，需要投資建設(shè)城市排水管線，增加了城市的運行和管理成本；在當前水資源緊缺的形勢下，這些徑流沒有得到充分的利用就被排放出境，也加劇了水資源緊缺的形勢。

實施城市雨水利用工程的目的正是為了解決以上問題。為了保證城市雨水利用工程能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標，應(yīng)該盡量把城市建成之后比建成之前增加的降雨徑流量加以利用，盡量使降雨徑流量恢復(fù)到城市建成前的數(shù)值，保證城市生態(tài)環(huán)境的健康和城市的發(fā)展。因此，城市建成之后比建成之前增加的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的參考值。

城市雨水利用量的參考值的計算公式為：

式中，W0為城市雨水利用量的參考值，m3；α0為多年平均降雨條件下，城市建成前的降雨徑流系數(shù)。

三、案例研究

本文選取的工程案例是北京市某單位辦公區(qū)域的雨水利用工程。這項工程采用的雨水利用措施主要是透水地面、下凹綠地、景觀水池、滲透式雨水收集裝置和蓄水池。

在城市雨水利用量的最大潛力值和參考值計算中用到的最重要的參數(shù)就是降雨徑流系數(shù)。需要了解研究區(qū)的土地利用狀況，確定研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)，然后采用HYDRUS改進模型HYrunoff計算求得研究區(qū)建成后、無雨水利用工程狀態(tài)下的降雨徑流系數(shù)，計算得到研究區(qū)的雨水利用量的最大潛力值和參考值。再通過雨水利用量計算雨水利用程度。

1.研究區(qū)土地利用狀況

研究區(qū)總面積12961.86m2。在辦公區(qū)域建成前全部為農(nóng)田。辦公區(qū)域建成之后，在雨水利用工程實施之前，研究區(qū)的透水面積為水平綠地面積，共計4587.23m2；不透水面積為建筑物占地和地面面積之和，共計8374.63m2。雨水利用工程將3144.83m2的不透水地面改造為透水地面，將4569.23m2的水平綠地全部改造為下凹式綠地。在雨水利用工程實施之后，研究區(qū)的透水面積為透水地面和綠地面積之和，共計7714.06m2；不透水面積為建筑物占地和不透水地面之和，共計5229.80m2。

2.研究區(qū)雨水利用措施

（1）安裝雨水收集裝置

雨水收集裝置分為滲透式和無滲透式兩種。無滲透式裝置只有雨水輸送功能，而滲透式裝置具有雨水滲透和輸送兩種功能。滲透式雨水收集管道的管壁開孔率為3%，滲透管道外網(wǎng)包裹碎石和土工布，如圖1和圖2所示，這樣的管道使部分雨水滲入土壤，將另一部分沒有入滲的雨水收集匯入蓄水池。

安裝集水滲透雨水井 （圖3）、滲透式雨水口（圖4）和滲透式樹脂線性排水溝（圖5），開孔率 3%，具有收集滲透功能，有一定沉沙容積。

（2）鋪設(shè)透水地面

鋪設(shè)透水地面3144.83m2，主要位于停車場和人行道。透水地面的縱剖面自下而上包括基層、透水混凝土墊層、細石透水混凝土找平層和陶瓷透水硅砂磚4部分。

（3）安裝地下蓄水池

這是一種由塑料模塊組合而成的蓄水池，如圖6所示，容積160m3，蓄水池進水池與雨水收集管道的終端連接，出水口安裝潛水泵。

（4）鋪設(shè)雨水回用管道

雨水回用管道（圖7）和蓄水池的潛水泵連接，向綠地、景觀水池和洗車房供水，對雨水進行利用。

（5）修建景觀水池

景觀水池占地面積18m2，體積11m3，養(yǎng)殖觀賞魚，種植少量水草。景觀水池可以直接收集各時段降雨；當降雨不足時，從蓄水池調(diào)水補充。

（6）綠地改造

將原有的水平綠地改建為下凹式綠地，面積4569.23m2，并安裝雨水噴灌系統(tǒng)，雨水不足時，噴灌系統(tǒng)可接入備用自來水水源。

3.研究區(qū)建成前后的降雨徑流系數(shù)的確定

研究區(qū)在建成之前，該地區(qū)為普通農(nóng)田，依據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》對徑流系數(shù)的規(guī)定，確定研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)α0取 0.15。

根據(jù)研究區(qū)的土地利用狀況和北京市1956—2001年逐日降雨系列資料，應(yīng)用清華大學水文水資源研究所研發(fā)的HYrunoff模型，計算得到在無雨水利用措施的情況下研究區(qū)建成后的多年平均降雨徑流系數(shù)α1為0.601。

4.計算研究區(qū)雨水利用量的最大潛力值和參考值

根據(jù)北京市1956—2001年逐日降雨系列資料，統(tǒng)計得到多年平均年降雨量為600.14 mm，研究區(qū)面積為12961.86m2，研究區(qū)建成后的多年平均降雨徑流系數(shù)α1為0.601，將數(shù)據(jù)代入公式（1），計算出研究區(qū)雨水利用量的最大潛力值 Wmax＝4675.14m3。

研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)α0已經(jīng)確定為0.15，將數(shù)據(jù)代入公式（2），計算出研究區(qū)雨水利用量的參考值 W0＝3508.30m3。

四、對工程案例的雨水利用量程度進行分析

經(jīng)過計算，在工程案例中，透水地面平均每年雨水滲透量W1為290.65m3，下凹綠地平均每年雨水滲透量W2為101.46m3，景觀水池平均每年攔蓄雨水量W3為10.8m3，滲透式雨水收集裝置的雨水滲透量W4為105.64m3，地下蓄水池的雨水利用量W5為3217.76m3，相加得到整個雨水利用工程平均每年的雨水利用量Wt為3726.31m3。

工程的實際雨水利用量是各種雨水利用措施平均每年雨水利用量之和，是一個絕對的數(shù)量概念。在此提出一個相對的概念：城市雨水利用工程的雨水利用程度。

城市雨水利用工程的雨水利用程度分為兩種：

一種是相對于雨水利用參考值的雨水利用程度，即工程的實際雨水利用量占雨水利用量參考值的百分比，記作C1，計算公式如下：

式中，C1為相對于雨水利用量參考值的雨水利用程度，%；Wt為城市雨水利用工程的實際雨水利用量，m3。

將本工程的實際雨水利用量3726.31m3和研究區(qū)雨水利用量的參考值 3508.30m3代入公式（3），計算得出本工程相對于雨水利用量參考值的雨水利用程度C1為106.21%。說明雨水利用工程已經(jīng)有效地利用了雨水資源，同時使研究區(qū)建成后的降雨徑流量已經(jīng)略小于建成前的降雨徑流量。

另一種是相對于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度，即工程的實際雨水利用量占雨水利用量最大潛力值的百分比，記作C2，計算公式如下：

式中，C2為相對于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度，%。

將工程案例的實際雨水利用量3726.31m3和研究區(qū)雨水利用最大潛力值 4675.14m3代入公式（4），計算得出本工程相對于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度C2為79.70%。說明工程的雨水利用量還有一定潛力可挖，如果雨水利用量更多，例如通過增加洗車房和綠地灌溉利用雨水的量來增加蓄水池的雨水利用量，整個工程的雨水利用程度還會有一定程度的提高。

[1]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范（GB 50400-2006）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]陳少穎.城市雨水資源利用潛力及評價方法研究[D].碩士學位論文，2009.