城市化進程中雨水資源利用研究

蘆曉峰，孫 毅，李波，王鐵良

(沈陽農業(yè)大學水利學院，沈陽110866)

水是生命之源，是社會發(fā)展不可替代的資源。隨著國民經濟的不斷發(fā)展，尤其是工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，使人類賴以生存的水資源遭到了前所未有的挑戰(zhàn)。目前全球有12億人嚴重缺少飲用水，每年有2.5億人因為水的問題而染病，其中1 000萬人死亡。聯(lián)合國第二次人類住區(qū)大會秘書長沃利?恩道指出:“水將是21世紀國際社會爭論最激烈的城市問題”[1]。我國是一個水資源緊缺的國家，據(jù)統(tǒng)計，我國人均水資源量只有2 220 m3，僅為世界人均水平的1/4，全國600多座大中城市中，有近400座城市缺水或嚴重缺水，缺水量達1 600億m3/d，特別是近年來北方連續(xù)干旱，多數(shù)城市用水告急:南方地表水污染嚴重，地下水過度開采，節(jié)水問題再也不能小覷。由于供水不足，城市工業(yè)每年損失高達1 200億元，并且我國水資源分布的時間和空間分布不均勻，其中大部分在我國北方及西北干旱、半干旱地區(qū)，水資源短缺已經成為制約我國經濟發(fā)展的重要因素。據(jù)預測，到21世紀中葉，我國的貧水狀況將達到高峰。因此，如何最大限度地節(jié)流、開源，已越來越受到國內有關人士的關注。而在這些思路中，人們普遍注意的是污水回用，卻忽略了水資源的另一個重要組成部分，那就是雨水資源。雨水資源化不僅是水資源開源、節(jié)流的一條有效途徑，而且對生態(tài)環(huán)境的改善、水污染的控制等方面都具有重大意義[2]。

隨著社會的發(fā)展，人類不斷向城市集中，我國城市的數(shù)量不斷增加，規(guī)模急劇擴大。高層大型化建筑不斷增加，建筑密度增大，不斷增加的人口和不斷加快的發(fā)展帶來了一系列的問題，隨著城市化的發(fā)展，不透水面積增加，導致徑流系數(shù)增大，暴雨匯流迅速，徑流量成倍增加，使得每年有大量的雨水資源從城市雨污水管網白白流走，這不僅浪費了大量寶貴的雨水資源，還使城市排水管網不堪重負。而另一方面，我國雨水資源豐富，年降水量達6.2×1012m3。因此如何利用豐富的雨水資源緩解日益擴大的用水缺口，尤其是北方城市的“水荒”問題，越來越受到廣泛的關注。其中城市環(huán)境的日益惡化，尤其是城市水環(huán)境的惡化是當前人們面臨的最大的困難[3]。

長期以來，被稱為“無根水”的雨水多是任其排放，未加以充分利用。如果能將流失的雨水進行有效的收集和利用，必將成為解決城市水資源短缺的有效措施之一。如果合理、充分地利用雨水回灌，既可涵養(yǎng)地下水源，防止地面沉降，還能防洪減災，增加土壤中的含水量，調節(jié)氣候，改善城市生態(tài)環(huán)境[4]。解決好雨水利用問題對城市社會經濟可持續(xù)發(fā)展有重大意義，尋求新的雨水處置或利用方法已成為必然趨勢。

1 城市化發(fā)展對水資源的影響

城市化引起了城市氣候的改變，從而對城市區(qū)域的降雨產生了較大的影響。城市化過程中，在城市尤其是大城市區(qū)域，所有的氣候要素都有一定程度的改變。在城市化過程中地表的改變，使地表上的輻射平衡發(fā)生變化，空氣動力糙率的改變影響了空氣的運動。工業(yè)和民用供熱以及機動車量增加了大氣中的熱量，而且燃燒把水汽連同各種各樣的化學物質送入大氣層中。建筑物能夠引起機械湍流，同時城市作為熱源可導致熱湍流。因此，城市建筑對空氣運動能產生相當大的影響。一般來說，強風在市區(qū)減弱而微風可得到加強。因而城市與其郊區(qū)相比很少有無風的時候。而城市上空形成的凝結核、熱湍流以及機械湍流可以影響當?shù)氐脑屏亢徒涤炅縖5]。

隨著城市化的發(fā)展，樹木、農作物、草地等面積逐步減小，工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)規(guī)模、面積不斷增大。城市化過程使相當部分的流域為不透水表面所覆蓋，減少了蓄水洼地。與天然的下墊層相比，硬質化后的人工下墊層(建筑頂部、地表)的粗糙率要小得多[6]。由于不透水地表的入滲量幾乎為零，故地表徑流量增加，城市化后大量天然可入滲地面成為不透水的硬質地表面，不透水地表的高徑流系數(shù)使得雨水匯流速度提高，導致匯流時間縮短，城市雨水徑流系數(shù)增大，雨水匯集、排出時間縮短，高峰流量增大[7]，導致洪水風險增加，雨水大量流失，雨水地下滲透量及地下水位下降，地面井泉枯竭，湖河水量減少，水分蒸發(fā)量下降，空氣干燥，旱情加劇。

1.1 城市化對蒸發(fā)的影響

由于城市建設，使原來的自然陸面(包括土壤、植被、水面)蒸發(fā)變成城市建筑物廣布的陸面蒸發(fā)(包括道路、廣場、房屋建筑等);原來可能是土壤或植被覆蓋的地面變成了不透水的道路或廣場、房屋，蒸發(fā)量集中但總量很少;原來是自然河流變成了人工渠道，蒸發(fā)量相對減小[8]。另外，由于城市人口和建筑物集中，平均氣溫較城市建設前略高，也影響著蒸發(fā)量大小。

1.2 城市化對降水的影響

從降水過程來看，自然條件下的降水直接降落到陸面，包括水面、地表、植物冠層;而城市覆蓋區(qū)，降水多直接降落到硬化的路面、廣場地面、房屋屋頂，接受降水的覆蓋條件發(fā)生了變化[9]。另外，由于城市氣候發(fā)生變化，大氣降水形成的過程和特征也發(fā)生變化。

1.3 城市化對下滲的影響

從下滲過程來看，由于原來透水的地面變成了不透水或透水性能弱的地面(如路面、廣場、房屋)，使降水下滲的可能性和下滲量大大降低。也是這些因素導致了降水形成的城市洪水比較集中(峰高、量大)，地下水補給量減小，即“地表徑流大、地下徑流小”。

1.4 城市化對徑流的影響

從徑流過程來看，天然流域的徑流過程主要表現(xiàn)為:降落到地面的降水，在蒸發(fā)、下滲、低洼蓄水條件下，多余的水分形成地表徑流，向下滲入地下的水分逐漸形成地下徑流。城市化導致建筑密度增加，不透水地面增加，天然排水系統(tǒng)改變，城市排泄生活污水和雨洪的地下管網系統(tǒng)的建成，城市局部小氣候發(fā)生變化，會對城市的環(huán)境發(fā)生綜合性潛在影響。流域的自然面貌發(fā)生改變，直接影響了雨洪過程。由于不透水地面的增加，相同降雨量在城市地區(qū)產生的徑流量比農村地區(qū)要大的多，而且在城市中雨水下水道的敷設及天然河道的改變，使雨水流向排水管網更為迅速，洪水總量也增大了，洪峰增高和峰現(xiàn)時間提前，徑流過程線的形態(tài)與時間尺度都與自然狀態(tài)顯著不同[10]。

2 沈陽市降雨分析

2.1 年降雨量分析

本文統(tǒng)計1971-2003年沈陽市的年降雨資料，年降雨量平均值為609.6 mm。其中年最大值出現(xiàn)在1986年達到921 mm ，最小值出現(xiàn)在2000年只有390.3 mm，兩者差值達到2.4倍之多。將沈陽市1971-2003年年降雨量的變化趨勢繪制成圖1。

圖1 沈陽市1971一2003年降雨量的變化曲線

分析沈陽市的降雨資料年度范圍是1971-2003年，按照24 h雨量(圖2所示)把降雨分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨6個等級。

圖2 沈陽市1971一2003年分類降雨量與天數(shù)比例分布圖

2.2 月降雨量分析

統(tǒng)計沈陽市1971-2003年近33 a的月平均降雨量繪制沈陽市1971-2003年月平均降雨量分布圖(圖3)。從圖中可以看出，沈陽市降雨量最大的兩個月份是7月份和8月份，其月平均降雨量百分比分別占了26.1%，25.7%。其余幾個月的降雨量分別為6.2%、8.0%、15.1%、11.6%、7.3%，在 6-9 月期間的月降雨量占全年降雨量的78.5%，而7-8月平均降雨量更是占了全年降雨量的51.8%。

通過統(tǒng)計沈陽市1971-2003年近33 a的月種類降雨量與降雨天數(shù)，可以得出從1971-2003年33 a中，沈陽市小雨、中雨和大雨在4-10月份均有分布均勻，暴雨、大暴雨和特大暴雨多出現(xiàn)在6-9兩個月份。4-10月份均有充分的雨水收集利用，7-8月還應特別注意城市防洪。

圖3 沈陽市1971一2003年月降雨量均值分布圖

通過1971-2003年33 a月降雨量的分析，可以看出沈陽市月降雨變化趨勢，在6-9月降雨量占全年降雨量的78.5%，多數(shù)降雨都是發(fā)生在這個時間段內，而降雨的種類分布并不均勻。由此，可以得出沈陽市的月降雨量分布十分不均衡，具有明顯的季節(jié)特點。這段時間也是沈陽市主要的汛期，對于雨水利用而言這段時間雨水量很大，在擁有充足雨量的同時也要面對如何解決無法利用的過剩雨量問題。

2.3 日降雨量分析

在降雨的雨量方面，1971-2003年共有2 218天降雨，日最大雨量發(fā)生在1973年8月21日，其間日降雨量達到了215.2 mm。日降雨量在10 mm以下的小雨天數(shù)占到總降雨天數(shù)的72.05%，降雨量占到20.84%，雖然降雨量不是最多，但降雨日數(shù)比較多;日降雨量10～25 mm的中雨天數(shù)雖然不多，但降雨量占到28.58%;日降雨量25～50 mm的大雨雖然天數(shù)較少，降雨量占到31.14%;所以小到大雨將是雨水收集利用的主要對象。分析不同類型降雨的多年日降雨量，可以從中發(fā)現(xiàn)并且對比各個類型降雨的日分布和降雨量的特點，考察其時間分布特點。得出沈陽市暴雨集中分布在6-9月，其余月份在1971-2003年從未有暴雨記錄，因此，沈陽市暴雨分布具有明顯季節(jié)特性。

2.4 沈陽市暴雨年內分布特點

根據(jù)沈陽市1971-2003年的日降雨量資料，對24 h降雨量超過50 mm的暴雨天數(shù)進行統(tǒng)計，如連續(xù)兩日或者多日24 h雨量超過50 mm，則計為一次暴雨。其間沈陽市總共出現(xiàn)暴雨是99次，平均每年3次，最多的年份是1995年7次。最少的年份有1976年、1987年和2000年三年均無暴雨記錄。日最大暴雨量發(fā)生在1973年8月21日，其間日降雨量達215 mm。

由圖4和圖5可以看出暴雨發(fā)生年度次數(shù)和暴雨降雨量具有一定的波動性和隨機性，暴雨次數(shù)變化趨勢說明沈陽市年度暴雨的發(fā)生次數(shù)基本保持穩(wěn)定;從年降雨量來看，沈陽市年降雨量呈逐漸減少的趨勢，而沈陽市暴雨降雨量說明沈陽市1971-2003年暴雨產生降雨量有增加的趨勢，可見近年來暴雨對沈陽市防洪減災構成了越來越大的威脅。

圖4 沈陽市1971一2003年暴雨次數(shù)

圖5 沈陽市1971一2003年降雨量

2.5 沈陽市暴雨量P-Ⅲ分布

在統(tǒng)計分析中，假定樣本來自一個正態(tài)分布的總體，然后再進行結果分析。然而資料不一定服從正態(tài)分布，即使進行數(shù)據(jù)轉換，也可能難符合理想的正態(tài)分布。而DPS采用人機交互方式進行適線和參數(shù)調整、繪制頻率曲線圖可以克服這些不足。根據(jù)沈陽市1971-2003年暴雨資料，應用P-Ⅲ分布進行分析，見圖6。

圖6 1971一2003年各年暴雨量統(tǒng)計頻率曲線

從圖6中可以看出，理論值(線)和觀察值(點)擬合較好，該地區(qū)暴雨量均值94.24 mm，10 a一遇的暴雨量為145.90 mm，大于139 mm降雨量的概率是11.97%。

3 雨水資源利用化實例分析

本研究以沈陽農業(yè)大學校園為實例研究對象，沈陽農業(yè)大學位于沈陽市東陵區(qū)，其氣象水文條件與沈陽市是一致的。學校坐落在沈陽市東郊的天柱山南麓，東與名勝古跡東陵毗鄰，西與沈陽城區(qū)相連，學校占地2.2萬hm2，校園有山有水、有旱田水田、坡地和林園，校區(qū)環(huán)境幽美，景色宜人。其中大型的新建的建筑物比較多，有大型的體育場、體育館、圖書館、辦公樓等占地比較大的建筑物。

3.1 產流量計算

校園地表可分為透水區(qū)域和不透水區(qū)域兩種。不透水區(qū)包括建筑屋頂、混凝土地面、鋪裝道路、鋪裝停車場等。透水區(qū)包括草地、農田和泥土地等[11]。降落在城市地面的雨水除去各種損失以后，沿地面、屋面以及道路邊溝進行流動，一般由雨水口排入排水管道。沈陽農業(yè)大學校園功能齊全，包括實驗室、醫(yī)院、食堂、家屬區(qū)、教學樓、運動場、商店等所有城市典型功能區(qū)。從地表類型來看，存在大量的不透水區(qū)，如屋頂、混凝土路面、不透水磚人行道、柏油路等，也有各種類型的透水區(qū)，如綠化帶、透水磚人行道等。沈陽農業(yè)大學校園各種用地具體分布見表1。

可收集的雨水資源量根據(jù)計算出的道路、屋面、綠地等的面積，查其徑流系數(shù)，根據(jù)沈陽市的多年平均年降雨量，進行計算。需注意的是:要考慮到多場雨中，降雨量小的雨不會形成地面徑流，特別是非雨季的雨，因此要考慮一個季節(jié)折減系數(shù)。另外，經實驗研究發(fā)現(xiàn)，一場雨中，初期的雨水水質是比較差的。COD和SS都特別高，因此可考慮棄除。所以也應考慮一個初期棄流系數(shù)[12]。

式中:W ——可收集水量;α——季節(jié)折減系數(shù)，取0.85;β——初期其流系數(shù)，取0.87;Ψ——徑流系數(shù);H——多年平均年降雨量(沈陽市多年平均降雨量為609.6 mm，這里取整數(shù)600 mm化為國際單位制即0.6 m);A——匯流面積。經計算得出校園全年總降雨量 57.4萬 m3，建筑面屋頂、道路、綠地、校園全年可收集雨量分別為5.84萬m3、4.48萬 m3、1.42萬m3、11.75萬 m3。

表1 沈陽農業(yè)大學校園用地類型分布 m2

3.2 雨水資源利用量分析

在沈陽農業(yè)大學校園內部分用水可用雨水代替，估算如下:

(2)綠化用水。綠化灌溉用水主要用于補充公共或住宅綠地的蒸發(fā)、蒸騰的水分損失及植被生長所需水分。根據(jù)調查統(tǒng)計顯示，各地的綠化灌溉用水定額，同土壤、植被狀況和養(yǎng)護條件有關。《城市生活居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范(GB50180-93)》規(guī)定用水量為:1～2 L/(m3?d)。在實際操作中，一般是在非降雨日對綠地進行定時定量灌溉，對于規(guī)劃建設下沉式綠地的地區(qū)，可適當減少無雨日的綠化灌溉。取綠化用水量為0.001 m3/d，由于沈陽市每年5-9月雨量充沛，綠化用水量很少，并且去除冬季無需綠化時間，綜合取得綠化用水按照年4個月計算，則每年綠化需水量為:W1=214149.8×0.001×120=25697.976 m3。

(3)道路廣場噴灑用水。道路廣場噴灑用水包括道路廣場保潔沖洗和干燥季節(jié)灑水兩部分，該用水量根據(jù)城市規(guī)模大小、道路廣場的等級而有所不同。《城市生活居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》規(guī)定，高級住宅區(qū)的道路廣場澆灑用水標準為1.0～1.5 L/(m2?次)，普通住宅區(qū)則為0.5～1.0 L/(m2?次)，每日均為一次。降雨日一般不需要沖灑。取道路廣場灑水用量為1.0 L/(m2?次)，灑水時間按照4個月計算，則每年灑水需水量為:Wr=112149.8×0.001×120=

13457.976 m3。

(4)景觀用水。景觀、娛樂水體補水主要為了促進景觀水體的流動，同時補充蒸發(fā)等的水分損失，以維系健康要求。娛樂、景觀水體補水一般考慮使水體中的水約每周或10 d完全更新一次。每年校園內可收集雨水總量除去沖廁、綠化、道路灑水、蓄水池蓄水剩余的雨水量為:Wj=117489.32-67500-25697.976-13457.976=10833.368 m3。

這部分雨水量可以作為景觀用水、洗車用水或者環(huán)境用水等，沈陽農業(yè)大學校園內環(huán)境優(yōu)秀，克威園內的小型濕地作為一處景觀用水可以使用雨水，另外也可以建造如人工湖或者洗車廠等利用雨水資源，它們都具有良好的社會、環(huán)境、經濟綜合效益。從以上分析可以看出，沈陽農業(yè)大學校園雨水利用工程可以滿足校園內的多種用水需求。

4 結論

沈陽市的月降雨量分布十分不均衡，具有明顯的季節(jié)特點;沈陽地區(qū)日降雨量10～25 mm的中雨天數(shù)雖然不多，但降雨量占到28.58%，日降雨量25～50 mm的大雨雖然天數(shù)較少，但降雨量占到31.14%，所以小到大雨將是雨水收集利用的主要對象;以沈陽農業(yè)大學為試驗對象，分析、計算了沈陽農業(yè)大學雨水資源利用個情況，結果表明沈陽農業(yè)大學校園雨水利用工程可以滿足校園內的多種用水需求。

在城市雨水利用中，涉及到許多知識領域(如氣象、水文、巖土等)和前沿科學，且需大量降雨實測記錄資料和雨水徑流觀測資料、試驗、資金和人力等;本文對此僅進行了部分內容的研究和探討，提出了一些方法和得出了一些獨到的見解，鑒于時間的限制，有些方面和還有待進一步深入研究。

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