石家莊市雨水利用淺析

楊志娟 鄭剛 封春華

1.1選題背景

水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源，是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人口不斷增加，城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，工業(yè)用水、城鄉(xiāng)生活用水和生態(tài)建設(shè)用水大幅度增加，水資源的供需矛盾日益突出，人們開始感到可用水資源的匱乏。而雨水資源作為城市地區(qū)可利用的潛在資源，將成為解決21世紀(jì)水資源的重要途徑之一。

為減少地面徑流量，減少城市排水和河道的壓力，增加可利用水源，涵養(yǎng)地下水，緩解地下水位下降等，城市雨水資源利用是必要性。雨水資源利用將是城市開發(fā)水資源、節(jié)約用水、減輕城市洪澇災(zāi)害、緩解排水管道負(fù)擔(dān)、減少污染負(fù)荷、改善城市水環(huán)境狀態(tài)的有效措施。應(yīng)用雨水作為非飲用生活水將越來越具有可行性與必要性。

本文選取石家莊市作為研究對(duì)象，是因?yàn)槭仪f市處于華北中部，是嚴(yán)重缺水的北方城市，幾十年來主要依靠開采地下水來維持生產(chǎn)及生活用水，目前已累計(jì)超采15億m3左右（2005年數(shù)據(jù)）。強(qiáng)制性野蠻開采，造成市區(qū)部分地區(qū)地下水干涸，地下水水質(zhì)惡化。因此，在氣象格局及水資源總量短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生太大變化的形勢(shì)下，節(jié)約用水這個(gè)問題就必須引起我們所有人的重視。本文通過對(duì)石家莊市降雨資料、城市用地類型、城市居民用水總量及成本研究說明城市雨水有效利用對(duì)緩解城市用水緊張的作用。

2.1地理特點(diǎn)

石家莊市位于河北省中南部，地處太行山東麓，華北平原西緣。東臨衡水市，南部與邢臺(tái)市毗鄰，西部與山西省接壤，北部與保定市交界。全市南北長(zhǎng)148km,東西寬172km，總面積14077km2。

西部為太行山區(qū)，平均海拔1000m左右，最高峰為西北部海拔2281m的南坨梁。山區(qū)面積7322.6km2，占全市面積的52%。京廣鐵路以東為廣闊的冀中平原，海拔30~100m，地勢(shì)平坦，面積6754.4km2，占全市面積的48%。

石家莊市地處中緯度歐亞大陸東岸，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。太陽輻射的季節(jié)性變化顯著，地面的高低氣壓活動(dòng)頻繁，四季分明，寒暑懸殊，雨量集中于夏秋季節(jié)。干濕期明顯，夏冬季長(zhǎng)，春秋季短。夏季經(jīng)常達(dá)到34度。

總降水量為401.1-752.0毫米，時(shí)空分布不均。其中西部山區(qū)雨量為628.4-752.0毫米；其它地區(qū)為401.1-595.9毫米。冬季降雪量偏多，總雪量為10.0-19.2毫米。大雪雖給交通帶來一些不便，但對(duì)小麥越冬起到保護(hù)作用，為春季返青提供了有利的水分條件。春季降水偏少，季總雨量為11.0-41.7毫米。夏季雨量分布不均，降雨量為145.2-516.4毫米。

2.2水文特性

石家莊市降水主要受大氣環(huán)流天氣系統(tǒng)和地形條件的影響。全市多年平均年降水量538.3mm，平水年（P=50%）降水量509.5mm，偏枯年（P=75%）降水量408.3mm。

石家莊市降水量地域分布不均，西部山區(qū)明顯多于東部平原，暴雨區(qū)分布在太行山脈的迎風(fēng)區(qū)。小覺至崗南水庫的滹沱河河谷以北和磁河上游，因地形抬升作用比較明顯，降水量隨高程增高而增加，迎風(fēng)坡山區(qū)形成一個(gè)多雨區(qū)，平均年降雨量600~730mm；滹沱河河谷以南險(xiǎn)隘河獅子坪一帶，另形成一個(gè)多雨中心，平均年降水600~640mm；在贊皇縣西南槐河上游，受地形抬升作用又形成一個(gè)多雨區(qū)，平均年降600~667mm。

滹沱河河谷平均年降雨量為500~550mm，山區(qū)平均年降雨量形成三個(gè)高區(qū)、兩個(gè)低谷互相間隔的布局。平原地區(qū)平均年降水量在432~539mm之間，大部分在500mm以下，分布比較均勻，東部無極、晉州和藁城北部一帶為華北平原的少雨中心區(qū)，平均年降水量在470mm以下。

年內(nèi)降水分配極不均勻。全年降水量75%~80%集中在6月~9月的汛期，而汛期降水量又主要集中在7月中下旬至8月上中旬的30天甚至更短的時(shí)間內(nèi)。降水量的年際變化很大，年降水量變差系數(shù)Cv一般在0.27~0.48之間。

2.3.1石家莊市水資源利用現(xiàn)狀

全市截止到2000年已建成大型水庫4座，總庫容量31.29億m3，興利庫容13.75億m3，中型水庫7座，總庫容2.91億m3，興利庫容1.61億m3，小型水庫216座，總庫容1.359億m3，興利庫容0.784億m3；另外還有塘壩691處，總庫容0.209億m3；目前全市有引水工程22處，現(xiàn)狀供水能力5.5億m3，提水工程2618處，現(xiàn)狀供水能力8337萬m3，另外全市還有集雨工程12628處。

2009年全市自產(chǎn)水量為6.51億立方米 ，比上年偏少0.741億立方米，偏少幅度10.2%，比多年平均偏少3.40億立方米，偏少幅度34.3%。2009年石家莊市入境水量5.65億立方米，其中山西省流入石家莊市的地表水量為5.38億立方米，全市入境水量比去年減少0.056億立方米。其中滹沱河入境水量最大，為2.35億立方米，占41.6%；綿河入境水量為2.37億立方米，占42.0%；甘陶河入境水量0.653億立方米，占11.6%；沙河入境水量0.270億立方米，占4.8%。 2009年石家莊市出境水量為2.40億立方米，比去年減少0.204億立方米。出境水量主要為石津渠灌溉引水量和南水北調(diào)中線總干渠京石段向北京供水量，其中向北京供水0.611億立方米。

2.3.2地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2009年全市地下水資源總量（礦化度≤2gL）為17.30億立方米，其中平原地下水資源量12.43億立方米，山區(qū)地下水資源量8.24億立方米，山區(qū)與平原之間的重復(fù)水量為3.37億立方米。2009年全市地下水資源總量比去年減少2.40億立方米,比多年平均多2.54億立方米

2.4石家莊市雨水利用的必要性

石家莊市多年平均水資源總量為21.16億m3，依此計(jì)算人均水資源量為238m3，低于全省平均值，約為全國(guó)平均的1/10。畝均水資源量239m3，略高于全省平均值，約為全國(guó)平均的1/7~1/8。據(jù)1993年國(guó)際人口行動(dòng)提出的《可持續(xù)利用的水》報(bào)告，人均水資源量少于1700m3為用水緊張地區(qū)，少于1000m3為缺水地區(qū)，少于500m3為嚴(yán)重缺水地區(qū)。以此可見，我市人均水資源遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)不到人均水資源占有量500m3的水資源極度緊缺標(biāo)準(zhǔn)。

由于多年來地下水連續(xù)超采，造成石家莊市地下水埋深大面積急劇下降，平原區(qū)已形成石家莊市區(qū)工業(yè)開采型漏斗和高邑～趙縣一帶的農(nóng)業(yè)開采型漏斗。由于農(nóng)業(yè)灌溉用水超采形成的地下水降落漏斗跨越石家莊市和邢臺(tái)市，涉及我市的趙縣、元氏、高邑縣，地下水埋深自北向南逐漸增大，高邑城關(guān)地下水最大埋深53.43米。

21世紀(jì)石家莊市將進(jìn)入城市化高速發(fā)展的時(shí)期，到21世紀(jì)30年代，石家莊市城區(qū)人口預(yù)計(jì)將由218萬增加到270萬左右。城市人口的迅速增長(zhǎng)，將使城市人均占有水量不斷下降，缺水形勢(shì)將更加嚴(yán)重。因此，發(fā)展雨水利用具有重要的意義。

2.5石家莊市雨水利用潛力分析

1.綠地入滲量計(jì)算

石家莊市城區(qū)人口約占218萬人，城市面積為1.82*108m2，綠地覆蓋率平均為31%，人均綠地面積為25m2。根據(jù)石家莊市城市化發(fā)展水平，到2030年，城市面積逐漸增加到2.3*108m2,綠地覆蓋率將達(dá)到38%以上，人均綠地面積將增加到34 m2。

由于城市綠地的存在，可大大增加降雨對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給，同時(shí)減少城市雨洪災(zāi)害。根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿2005）查的草地入滲系數(shù)為0.4～0.85,按0.5計(jì)算，全市平均降雨量為538.3mm，則現(xiàn)有綠地面積降雨入滲量由下式計(jì)算：

F滲=?*P*A

式中:F滲—降雨入滲量萬m3；

?—入滲系數(shù)；

P—降雨量(mm)；

A—綠地面積(m2）；

則降雨入滲量F滲=0.5*0.5383*1.82X108m2*0.31=1521萬m3。則同理可得2030年降雨入滲量為2352萬m3。

2.城區(qū)雨洪量計(jì)算

根據(jù)城市的下墊面特征，城市的匯水面主要分為不透水面(建筑物和道路)和綠地，所以城區(qū)雨洪資源量公式可以簡(jiǎn)化為：

Q=R不透水面+R綠地

式中：R不透水面=不透水面積×降雨量×徑流系數(shù)

R綠地=綠地面積×降雨量×徑流系數(shù)

由于石家莊市區(qū)69％的面積是不透水面積，使城市的雨洪水量大量增加，匯流時(shí)間縮短，造成城市下游地區(qū)的洪水威脅加劇。若把雨洪水量蓄積起來作為城市人工回灌水源或雜用水水源，也將大大增加城市水資源量。現(xiàn)將石家莊市雨洪水量按不透水面積和綠地面積分別計(jì)算，根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》查的不透水面積的徑流系數(shù)為0.8～0.9，這里取0.8，綠地面積徑流系數(shù)為0.15，則現(xiàn)狀不透水面積和綠地面積分別占城市建成區(qū)面積的69%和31%，汛期降雨量占全年降雨量的75%，則全市雨洪水量Q計(jì)算如下：

R不透水面=不透水面積×降雨量×徑流系數(shù)

=1.82X108×0.69×0.8×0.5383×0.75=3993萬m3

R綠地=綠地面積×降雨量×徑流系數(shù)

=1.82X108×0.31×0.75×0.5383×0.15=336萬m3

Q=3993+336=4329萬m3

由此可推斷2030年城市雨洪水量為5055萬m3

3.城區(qū)雨洪利用量計(jì)算

根據(jù)石家莊市城市雨水利用情況和降雨特點(diǎn)，并參照國(guó)內(nèi)其他城市雨水利用率確定情況，石家莊市城市雨水利用率按40%計(jì)算，2007年可利用雨洪水量為1731萬m3，2030年可利用雨洪水量是2022萬m3。

4.城區(qū)雨水利用量計(jì)算

城市雨水利用量為城市雨洪利用量和綠地入滲量之和，則可算出2007年、2030年城市雨水利用量分別為3252萬m3和4374萬m3，見表3-4；

雨水利用量（104m3) 2007 2030

綠地入滲量 1521 2352

城區(qū)雨洪量 4329 5055

城區(qū)雨洪利用量 1731 2022

城區(qū)雨水利用量 3252 4374

表3-4 石家莊市城市雨水利用潛力計(jì)算

據(jù)調(diào)查分析石家莊市區(qū)人均用水定額為320L/人.d，2007年石家莊市區(qū)用水量如下：

單位：億m3

工業(yè)用水量 城鎮(zhèn)公共用水 居民生活用水量 生態(tài)環(huán)境用水量

總量 其中 地下水 總量 其中 地下水 總量 其中 地下水 總量

0.6409 0.6409 0.5962 0.2462 1.0377 0.4653 0.9849

2.5石家莊市雨水利用效益分析

1.經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)調(diào)查石家莊市的自來水水費(fèi)為3.2元/噸，處理一噸污水需要0.9元，由于雨水水質(zhì)較好，處理一噸雨水的價(jià)格在0.1元到0.2元之間，據(jù)2007年雨水利用量計(jì)算，相同噸位的自來水需要0.3252*3.2=1.04億元，而雨水只需要0.15*0.3252=0.048億元，可見這部分雨水如果能夠有效利用起來將會(huì)為市政和師市民節(jié)省將近1億的開支。

同時(shí)，小區(qū)雨水利用工程可以減少需由政府投入的用于大型污水處理廠、收集污水管線和擴(kuò)建排洪設(shè)施的資金。將地面雨水就近收集并回灌地下，不僅可以減少雨季溢流污水，改善水體環(huán)境，還可以減輕污水廠負(fù)荷，提高城市污水廠處理效果，雨水蓄水池和分散的滲渠系統(tǒng)可降低城市洪水壓力和節(jié)省封閉路面下的排水管網(wǎng)負(fù)荷。

2.環(huán)境效益分析

1雨水蓄水池作為人工濕地系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響

濕地系統(tǒng)是指天然的或人工的、長(zhǎng)久的或暫時(shí)的沼澤地、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動(dòng)、淡水、半咸水或咸水的水體，在城市規(guī)劃中，除考慮城市的實(shí)用性外，對(duì)城市的生態(tài)系統(tǒng)和景觀方面的要求也越來越高。城市中的濕地系統(tǒng)在美化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候和為居民提供休憩空間方面有著重要的社會(huì)效益。雨水蓄水池作為城市濕地系統(tǒng)的一部分對(duì)美化城市景觀和增強(qiáng)城市的生態(tài)效應(yīng)能起到很好的作用。

2雨水滲透對(duì)環(huán)境的影響

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，不透水面的徑流系數(shù)一般為0.8左右，因此，若僅考慮將雨水徑流快速排出，將造成地下水位及水資源缺乏，洪澇嚴(yán)重。利用雨水滲透能夠有效的改善水環(huán)境。據(jù)研究表明，利用雨水滲透設(shè)施涵養(yǎng)地下水、抑制暴雨徑流的作用明顯，采用滲透設(shè)施可以使雨水徑流消減1/6。雨水的滲透和回灌可有效控制地面沉降，防止地下水污染，還可以增加地面蒸發(fā)、調(diào)節(jié)氣候，對(duì)提高空氣中濕度，緩解溫室效應(yīng)，增加降雨均有一定幫助。

地下水，沒有從戰(zhàn)略高度認(rèn)識(shí)雨水資源的重要性。另一方面，由于沒有確立雨水是資源的概念，使得大量的雨水資源白白的浪費(fèi)掉了。

結(jié)論：

城市雨水利用是一個(gè)方興未艾的具有廣闊發(fā)展和應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域，它涉及到城市雨水資源的科學(xué)管理、雨水徑流的污染控制、雨水作中水等雜用水源的直接收集利用、用各種滲透設(shè)施將雨水回灌地下的間接利用、城市生活小區(qū)水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)及其生態(tài)環(huán)境建設(shè)等多個(gè)方面，是一項(xiàng)涉及面廣泛復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

楊志娟 鄭剛 封春華

河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。