基于近40 年降水?dāng)?shù)據(jù)的全國七大地理區(qū)屋面雨水利用可行性研究

張宸，于江華*，凌長，盛善強(qiáng)，蘇韋

1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.日照市生態(tài)環(huán)境局東港區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合執(zhí)法大隊(duì)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和人口的快速增長，城市水污染加劇，城市水資源供需矛盾日益突出，水資源短缺已經(jīng)成為亟待解決的難題[1-3]。在此背景下，城市雨水作為一種較清潔的非常規(guī)水資源，具有收集方便、污染負(fù)荷低和處理簡單等優(yōu)勢，受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，已成為解決我國水資源短缺問題的重要途徑之一[4-5]。城市雨水利用能有效緩解城市供水壓力和強(qiáng)化城市雨水管理系統(tǒng)，具有良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[6-7]。然而，由于我國降水受氣候和地形的影響，在空間上分布不均勻，導(dǎo)致城市雨水利用在時間和空間上也存在顯著差異[8]。因此，研究不同地區(qū)降水特征及其對雨水利用可靠性的影響具有重要意義。

目前，國內(nèi)外開展了大量關(guān)于雨水利用的研究。一些研究致力于雨水收集系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)參數(shù)的分析，如Imteaz 等[9]基于水量平衡模型，在墨爾本建立了雨水收集系統(tǒng)，對該地區(qū)雨水利用可靠性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水量、集雨面積、日用水需求量和設(shè)計(jì)的雨水罐容積對雨水利用的可靠性具有顯著影響；毛龍富等[10]建立日降水-用水平衡模型，對云南省紅河州瀘西縣石漠化區(qū)典型家庭集雨水窖最佳尺寸進(jìn)行了探討；邢國平等[11]開發(fā)了適用于當(dāng)?shù)亍⒁?guī)模適度的城市雨水利用設(shè)施的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。一些研究重點(diǎn)關(guān)注雨水利用帶來的效益，如樊超等[12]通過建造雨水罐、蓄水池，改造排水系統(tǒng)等措施對固原市某小區(qū)進(jìn)行海綿化改造，給小區(qū)帶來了良好的雨水調(diào)蓄效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益；馮峰等[6]對鄭州市雨水資源利用潛力進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示鄭州市城區(qū)年均可匯集雨水利用量為0.86 億m3，產(chǎn)生的可量化的效益為4.74 億元；Bashar 等[13]評估了雨水收集系統(tǒng)在孟加拉國6 個主要城市的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)豐水年的情況下，各城市雨水回收系統(tǒng)的投資回收期為2～7 年。

盡管這些研究覆蓋了雨水利用的各個方面，但關(guān)注大空間尺度的研究較少，尤其在國內(nèi)對雨水利用的研究基本集中在某一區(qū)域，鮮有在全國范圍內(nèi)對雨水利用進(jìn)行全面分析和總結(jié)的研究。另外，我國雨水利用工程的設(shè)計(jì)多采用國外的經(jīng)驗(yàn)公式，或由年降水量估算而來，我國幅員遼闊、地區(qū)差異明顯，采用這2 種方式對一些地區(qū)也許并不合適。當(dāng)前很多城市未開展屋面雨水利用工程的重要原因是無法根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓卣鞯茸匀粭l件選擇雨水利用方案和確定工程規(guī)模。因此，筆者以全國七大地理區(qū)為研究范疇，利用各地降水觀測站近40 年的降水資料，從年均降水量分布和降水集中度等方面分析不同地理區(qū)的降水特征；根據(jù)水量平衡原理，建立日降水量-用水量平衡模型，討論降水特征、雨水罐設(shè)計(jì)容積、日需水量和雨水收集面積對屋面雨水利用可靠性和節(jié)水效率的影響，以期為我國城市雨水利用提供參考和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

我國陸地面積約960 萬km2，其中山區(qū)面積占1/3，地勢西高東低，呈階梯狀分布；東部多平原、丘陵，西部多山地、盆地。東部屬季風(fēng)氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候。根據(jù)氣候、地形、文化、經(jīng)濟(jì)等因素，把中國劃分為七大地理區(qū)域，即華東、華南、西南、華中、華北、東北和西北。綜合考慮我國不同地理區(qū)的氣候和地形條件差異，以七大地理區(qū)典型城市為研究對象進(jìn)行雨水利用可靠性的研究。為使雨水利用可靠性分析更具有代表性，選擇各典型城市多年平均降水量相近的降水年份作為該城市的研究年份。七大地理區(qū)典型城市地理位置及降水情況見表1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的降水量數(shù)據(jù)來自中國氣象局國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/），共收集了全國2 132 個降水監(jiān)測站點(diǎn)近40 年（1980—2020 年）的月均、年均降水量數(shù)據(jù)和各地理區(qū)典型城市近20 年（2000—2020 年）的日降水量數(shù)據(jù)。澆灑綠地用水定額參考GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]，確定其用水量為3 L/（m2·d）；洗衣沖廁用水定額參考GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》[15]，確定沖廁用水定額為4～6 L/(次·人)，本研究取6 L/(次·人)，每人5 次/d；洗衣用水定額為50 L/次，一周3 次。

1.3 分析方法

1.3.1 降水特征

降水量對我國城市雨水利用有直接的影響，年降水量的大小決定了雨水資源化利用方式和處理方案[16]，本研究中用到的降水量為多年平均降水量。降水量在年內(nèi)的分布情況對雨水利用同樣具有較大的影響，降水量分布越集中的地區(qū)，雨水利用設(shè)施的設(shè)計(jì)與管理更加便捷[17]。

采用降水集中度（PCD）作為反映年內(nèi)降水分布集中程度的指標(biāo)[18]，具體公式如下：

式中：rij為第i年第j月的降水量，mm；i為年份；j為月序；N為月份數(shù)；Ri為第i年的降水量，mm；θj為研究時段內(nèi)各月對應(yīng)的方位角，整個研究時段的方位角設(shè)為360°，θj=360×(j?1)/12。

1.3.2 雨水利用可靠性

雨水利用可靠性是指屋面可收集利用的雨量在各場景下滿足其用水需求的天數(shù)占全年總天數(shù)的比例[19]。為了分析中國不同地理區(qū)典型城市屋頂雨水收集系統(tǒng)的可靠性，采用Karim 等[20]構(gòu)建的日降水量-用水量平衡模型〔式（2）～式（4）〕。該模型綜合考慮日降水量、集雨面積、日需水量、初期棄流量及雨水罐設(shè)計(jì)容積對雨水利用可靠性的影響。模型假設(shè)收集的屋面雨水作為洗衣、沖廁和綠化的優(yōu)先供水水源。基于我國住宅特征，選擇6 層住宅樓（12 戶）為研究對象，制定4 種研究場景，計(jì)算每種場景下所有居民1 天的總用水量，具體見表2。

表2 4 種研究場景的具體設(shè)置Table 2 Specific Settings of 4 kinds of research scenarios

式中：Qt為第t天雨水罐儲存雨水的體積，m3；Pt為第t天收集到的屋面雨水量，m3；D為每日需水量，m3；ρ 為屋面徑流系數(shù)，取0.9；H為日降水量，mm；A為集雨面積即屋面面積，m2；FFL 為初期棄流量，取150 L，當(dāng)Qt?1＞FFL 時，第t天的初期棄流量為15 L[21]；OF 為溢流量，m3；C為雨水罐容積，m3。當(dāng)Qt＜0 時，Qt取0；當(dāng)Qt＞C時，Qt取C。

雨水利用可靠性計(jì)算公式如下：

式中：R為雨水利用可靠性，%；DTN為該年內(nèi)的總天數(shù)，d；DUD為收集的屋面雨水水量不能滿足日用水需求量的總天數(shù)，d。

節(jié)水效率（ηWSE）也被稱為體積可靠性，其定義為雨水收集系統(tǒng)總供水量與總需水量的比值，計(jì)算公式如下：

式中Dt為第t天的用水量，m3。

溢流率（rOFR）是指在某年內(nèi)從雨水罐溢流出去的雨水總量與系統(tǒng)流入總量的比值，溢流率越大，說明未有效利用的屋面雨水量越多。計(jì)算公式如下：

式中 OFt為第t天的溢流量，m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國不同地理區(qū)近40 年降水特征

2.1.1 年均降水量特征

對全國各監(jiān)測站點(diǎn)1980—2020 年的年均降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合歸納，得到各地理區(qū)的年均降水量分布（表3）。由表3 可知，七大地理區(qū)降水量呈現(xiàn)出顯著差異性，華南地區(qū)、西南地區(qū)（除西藏西北部）、華東地區(qū)以及華中地區(qū)的湖南、湖北年均降水量較大，華北地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)年均降水量較小。具體來看，華南地區(qū)年均降水量超過1 500 mm；華東地區(qū)除山東、安徽北部和江蘇北部外，其他地區(qū)年均降水量均大于1 000 mm；華中地區(qū)的湖南大部分地區(qū)都在1 300 mm 以上，湖北達(dá)到1 000 mm，河南北部降水量較少但河南整體降水量依然在700 mm 以上；西南地區(qū)除西藏西北部和四川西北部年均降水量低于900 mm，其他地區(qū)均大于900 mm，局部地區(qū)甚至高達(dá)2 000 mm；華北地區(qū)（除內(nèi)蒙古自治區(qū)較低，不到300 mm）年均降水主要集中在400～600 mm；東北地區(qū)的年均降水量多處于600 mm 左右，局部地區(qū)在800 mm 以上；而西北地區(qū)年均降水量最少，在300 mm 左右，只有陜西一些地區(qū)達(dá)到了600 mm。

表3 我國七大地理區(qū)各典型城市年均降水量Table 3 Average annual rainfall depth for typical cities in seven geographical regions of China mm

2.1.2 季節(jié)平均降水量特征

我國不同地理區(qū)季節(jié)平均降水量空間分布如表4所示。由表4 可知，各地理區(qū)季節(jié)平均降水量空間分布與年均降水量空間分布趨勢一致，各季節(jié)平均降水量之間存在明顯差異。季節(jié)平均降水量總體呈現(xiàn)出夏季＞春季、秋季＞冬季的趨勢，各地理區(qū)降水量均以夏季最多，華東、華中的春季降水量明顯高于秋季，其他地理區(qū)春季和秋季的降水量基本相當(dāng)。其中，華南地區(qū)夏季平均降水量在700 mm 以上，秋季和春季也能達(dá)到400 mm；而西北地區(qū)和西南地區(qū)的西北部各季節(jié)的平均降水量幾乎都小于200 mm，局部降水量達(dá)到200 mm。總的來說，我國降水量分布呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸遞減的趨勢，各地理區(qū)降水都具有明顯的季節(jié)性，東南部地區(qū)降水量遠(yuǎn)高于西北部地區(qū)。

2.1.3 降水集中度特征

通過各監(jiān)測站點(diǎn)1980—2020 年的月均降水量數(shù)據(jù)計(jì)算出對應(yīng)的降水集中度。不同地理區(qū)降水集中度空間分布（表5）與年均降水量空間分布存在顯著差異?？傮w來看，我國西北、東北以及華北地區(qū)降水相對集中，平均集中度在0.200 以上，而其他地區(qū)降水相對分散，平均集中度低于0.185。我國西藏局部，華北地區(qū)（除山西、北京外），東北地區(qū)大部，西北地區(qū)大部，華東地區(qū)的山東、安徽北部和江蘇北部以及華中地區(qū)的河南東部降水集中度達(dá)到0.200 以上；而降水量較大的華南地區(qū)、華東地區(qū)的南部及西南地區(qū)的東南部降水集中度相對較小，均不超過0.180。車伍等[8]開展過類似的研究，引入降水不均勻系數(shù)來定量分析中國南北城市的降水特征，發(fā)現(xiàn)北方城市的降水不均勻系數(shù)是南方城市的2 倍多。因此可以得出降水量較大的地區(qū)呈現(xiàn)出降水集中度較小的趨勢，而降水量較小地區(qū)的降水更為集中。

表5 七大地理區(qū)各典型城市降水集中度Table 5 Precipitation concentration degree for typical cities inseven geographical regions of China

2.2 我國不同地理區(qū)屋面雨水利用可行性分析

2.2.1 屋面雨水利用可靠性對比

4 種研究場景下我國各地理區(qū)典型城市的屋面雨水利用可靠性如圖1 所示。從圖1(a)可以看出，各地理區(qū)典型城市屋面雨水利用可靠性隨雨水罐容積的增加而增加，說明雨水儲存量越大，收集的雨水越多，可利用的雨水就越多。但是當(dāng)雨水罐容積大于10 m3時，雨水利用可靠性的增加顯著放緩。這一結(jié)果與Bashar 等[13]對孟加拉國6 個城市的雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行研究得到的結(jié)果相似，其設(shè)定的情景是屋頂面積200 m2、人數(shù)為50 人的6 層居民樓，各城市的可靠性也是在雨水罐容積達(dá)到10 m3時增加顯著減緩。各地理區(qū)典型城市的屋面雨水利用可靠性呈現(xiàn)出明顯的差異，與降水量特征趨勢一致（廣州＞武漢＞南京＞昆明＞哈爾濱＞北京＞西寧）。廣州、武漢、南京、昆明、哈爾濱、北京和西寧的屋面雨水利用可靠性最大值分別為89.36%、87.63%、58.53%、50.18%、29.22%、25.14%和21.74%，最小值分別為34.91%、29.46%、25.85%、31.54%、17.06%、14.96%和12.72%。

圖1 4 種研究場景下各地理區(qū)典型城市屋面雨水利用可靠性Fig.1 Roof rainwater utilization reliability for typical cities in seven geographical regions of China under 4 research scenarios

對比圖1（a）和圖1（b）可知，場景Ⅱ的各地理區(qū)典型城市屋面雨水利用可靠性呈現(xiàn)的趨勢與場景Ⅰ相似，但是遠(yuǎn)低于場景Ⅰ。表明日用水量對屋面雨水利用可靠性影響較大。這是因?yàn)槿招枨罅吭龃髸r，雨水罐收集的雨水難以滿足日用水需求，導(dǎo)致屋面雨水利用可靠性降低。

由圖1（c）和圖1（d）可知，場景Ⅲ與場景Ⅳ各典型城市屋面雨水利用可靠性呈現(xiàn)的趨勢一致，但各典型城市在場景Ⅳ下實(shí)現(xiàn)的雨水利用可靠性要高于場景Ⅲ。這是由于集雨面積增加時，收集到的屋面雨水量更多，因而更容易滿足日用水需求。

2.2.2 節(jié)水效率對比

在設(shè)定的4 種場景中，場景Ⅲ集雨面積小、用水量大，是條件設(shè)定最嚴(yán)苛的研究場景，選取場景Ⅲ研究各地區(qū)的節(jié)水效率，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，節(jié)水效率的變化趨勢和雨水利用可靠性變化趨勢〔圖1（c）〕基本一致，但是數(shù)值上各地區(qū)的節(jié)水效率均高于雨水利用可靠性。因?yàn)樵谌沼盟枨筝^高的情況下，一年中會有多日無法滿足用水需求，導(dǎo)致雨水利用可靠性偏低。7 座城市中，廣州、武漢、南京、昆明的節(jié)水效率和可靠性的差異較明顯，哈爾濱、北京、西寧的節(jié)水效率只比可靠性稍高。這是由于哈爾濱、北京、西寧處于半濕潤/半干旱地區(qū)，年均降水量較低，因此節(jié)水效率較低。Zhang 等[22]評估了我國4 個城市雨水收集系統(tǒng)的節(jié)水效率，得到了與本研究相似的結(jié)論，即福州和北京由于處于季風(fēng)氣候帶降水量比烏魯木齊和銀川高，因此福州和北京有相對更高的節(jié)水效率。

圖2 場景Ⅲ下全國各地理區(qū)典型城市的節(jié)水效率Fig.2 Water saving efficiency for typical cities in seven geographical regions of China under scenarios Ⅲ

本研究中節(jié)水效率最大值（對應(yīng)雨水罐容積15 m3）從高到低分別為廣州（62.91%）、武漢（50.09%）、南京（44.14%）、昆明（35.63%）、北京（19.83%）、哈爾濱（19.24%）、西寧（16.02%）；節(jié)水效率最小值（對應(yīng)雨水罐容積2 m3）從高到低分別為廣州（24.20%）、武漢（23.22%）、昆明（19.65%）、南京（18.75%）、北京（9.40%）、哈爾濱（11.55%）、西寧（8.71%）。雨水罐容積超過12 m3后北京的節(jié)水效率超過了哈爾濱，這是由于在年均降水量近似的情況下，北京有幾日降水量較高，雨水罐在這幾日可以收集超過12 m3的雨水，因此節(jié)水效率進(jìn)一步提高。而哈爾濱降水天數(shù)雖多于北京，但有一些天的日降水量較低，雨水被棄流導(dǎo)致無法有效利用。

2.2.3 溢流率對比

溢流率對屋面雨水利用的影響較大，溢流率越高，意味著未有效利用的雨水越多?？刂埔缌髀试诤侠淼姆秶鷥?nèi)，能實(shí)現(xiàn)雨水資源化利用效益最大化。不同集雨面積時各地理區(qū)典型城市溢流率如圖3 所示。從圖3（a）可以看出，集雨面積為300 m2時各地理區(qū)典型城市的溢流率呈現(xiàn)出的差異較明顯，降水量大的城市溢流率相對更高。總的來說，表現(xiàn)為廣州＞武漢＞昆明（南京）＞哈爾濱（北京、西寧），其中哈爾濱、北京和西寧由于年均降水量較小溢流率差異不明顯。各城市溢流率隨雨水罐容積的增加而減小，但當(dāng)雨水罐容積大于10 m3時，廣州、武漢、南京、昆明溢流率隨雨水罐容積的變化相對平緩，哈爾濱、北京和西寧的溢流率已經(jīng)趨近于0。由圖3（b）可知，集雨面積為400 m2時各地理區(qū)典型城市溢流率變化趨勢和集雨面積為300 m2相似，但數(shù)值上均高于集雨面積為300 m2，這說明在用水量相同的情況下，集雨面積增大收集的雨量增多，雨水罐產(chǎn)生的溢流量增多。當(dāng)雨水罐容積為15 m3時，哈爾濱、北京、西寧的溢流率為0，武漢、南京、昆明的溢流率不超過10%，只有廣州溢流率較大，為22%。因此，在進(jìn)行雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時需要考慮可靠性和溢流率來確定雨水罐的最佳尺寸。

圖3 不同集雨面積下全國各地理區(qū)典型城市的溢流率Fig.3 Overflow rate for typical cities in seven geographical regions of China under different rainwater harvesting areas

3 討論

3.1 雨水利用受降水特征的影響分析

從我國的年均降水分布來看，華南、華東、西南（除西藏西北部）進(jìn)行雨水利用的可行性較高，東北、華北次之，西北地區(qū)的可行性最低。從降水季節(jié)分布來看，各地理區(qū)降水量均以夏季最高，春季、秋季次之，而冬季最低，但華東、華中、華南的冬季降水量仍較高，在100 mm 以上。從降水集中度來看，降水量大的地區(qū)集中度相對較低。因此綜合分析可以得出，華南、西南（除西藏西北部）、華東（除了安徽北部、江蘇北部和山東）、華中（除了河南北部）全年均適宜進(jìn)行雨水利用，華北、東北、西北因?yàn)榻邓卸雀哌x擇夏季進(jìn)行雨水利用為佳。

3.2 屋面雨水利用的影響因素分析

屋面雨水利用可靠性在各地理區(qū)典型城市表現(xiàn)出巨大差異，這在宏觀上是由降水量決定的，降水量越大的地區(qū)雨水利用可靠性越大[13]。例如在場景Ⅰ中，廣州屋面雨水利用可靠性最高能達(dá)到89.36%，而西寧屋面雨水利用可靠性最高只能達(dá)到21.74%。在實(shí)際應(yīng)用中，屋面雨水利用還受到溢流率、雨水罐容積、日用水需求量和集雨面積等因素的影響。從圖1（a）可以看出，雨水罐容積為15 m3時，武漢的雨水利用可靠性與年降水量更高的廣州接近，這是由于廣州的日降水強(qiáng)度較高，在雨水罐容積為15 m3時溢流率依然很高。當(dāng)日降水強(qiáng)度超過雨水罐儲存容積時，雨水罐發(fā)生溢流，雨水利用可靠性并未提高，因此合理地控制溢流率對雨水資源化利用有重要意義。本研究的4 種場景中，在雨水罐容積大于10 m3時，雨水利用可靠性隨雨水罐容積的增加顯著放緩；當(dāng)日用水需求量增加時，雨水利用可靠性下降明顯；當(dāng)集雨面積增大時，屋面雨水利用可靠性隨之增大[23]。另一個值得注意的是，4 種場景中各典型城市的雨水利用可靠性均難以達(dá)到100%，其中有雨水罐容積和集雨面積不夠大的原因，但也說明根據(jù)目前中國的住宅、人口、用水量等特征，各地區(qū)的城市屋面雨水利用無法完全滿足居民日用水量需求，必須要城鎮(zhèn)供水的補(bǔ)充。因此在各地理區(qū)典型城市進(jìn)行雨水利用時，要綜合考慮以上因素，因地制宜地設(shè)計(jì)出最適合當(dāng)?shù)氐挠晁梅桨福詫?shí)現(xiàn)雨水資源化利用的效益最大化。

目前很多國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行雨水資源化利用的分析時，只考慮降水量的影響，而忽略了其他因素，這會導(dǎo)致對雨水資源化利用可行性的評估產(chǎn)生偏差。本研究分析了不同地區(qū)包括降水量、降水集中度的多個降水特征，同時分析了屋面雨水利用可靠性的多種影響因子及溢流率，結(jié)果可以更全面地比較和評估不同地區(qū)雨水資源化利用的可行性。

4 結(jié)論

（1）我國不同地理區(qū)降水量受氣候條件和地形的影響呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸遞減的趨勢。降水量年內(nèi)季節(jié)的變化顯著，春、夏兩季降水量較大。各地理區(qū)降水集中度呈現(xiàn)出與降水量不同的特征，在年均降水量較小的地區(qū)集中度較大。

（2）屋面雨水利用可靠性與雨水罐容積、集雨面積成正比，與日用水需求量成反比，但是受溢流作用影響當(dāng)雨水罐容積達(dá)到10 m3時，對應(yīng)可靠性的增加顯著減緩。在華南地區(qū)、華東地區(qū)和華中地區(qū)實(shí)現(xiàn)雨水利用可靠性較大，將其用作洗衣、沖廁和綠化澆灌能節(jié)約年內(nèi)50%以上的市政用水。

（3）在我國各地理區(qū)進(jìn)行雨水資源化利用是切實(shí)可行的，但在進(jìn)行工程應(yīng)用時，要充分考慮降水特征、可靠性和溢流率的影響，合理地設(shè)計(jì)雨水利用方案，以實(shí)現(xiàn)雨水利用效益最大化。