鄭州綠地雨水資源有效利用途徑研究

雷雅凱, 彭丹丹, 張淑梅, 楊 晗, 田國(guó)行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

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鄭州綠地雨水資源有效利用途徑研究

雷雅凱, 彭丹丹, 張淑梅, 楊 晗, 田國(guó)行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 鄭州 450002)

城市綠地對(duì)雨水的流失有顯著的緩解作用，城市綠地的合理規(guī)劃與建設(shè)對(duì)雨水資源的有效利用有巨大的影響。以鄭州市為研究對(duì)象，基于2011年8月份TM影像，分析不同高程區(qū)間內(nèi)鄭州市區(qū)綠地面積、綠地斑塊數(shù)量與匯水面面積的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)結(jié)合氣象觀測(cè)資料，道路、公園、防護(hù)綠地分布資料等，對(duì)城市綠地對(duì)雨水資源有效利用提出合理的途徑。結(jié)果表明：綠地面積、綠地斑塊個(gè)數(shù)與匯水面均呈極顯著正相關(guān)。因此，建議鄭州市在增加綠地面積的基礎(chǔ)上提高綠地斑塊數(shù)量，在城市綠地設(shè)計(jì)多目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)雨水資源利用多目標(biāo)，最終達(dá)到改善鄭州水環(huán)境和減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害的目的。

鄭州市; 城市綠地; 雨水資源; 有效利用

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市內(nèi)道路、廣場(chǎng)、房屋等硬質(zhì)界面大量增加，降雨入滲量減少，雨水匯流時(shí)間縮短，自然水循環(huán)系統(tǒng)遭到破壞，城市水環(huán)境日益惡化。同時(shí)，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求日益增多，致使地下水資源開采量不斷增加，超過允許開采量，形成大面積的降落漏斗，造成地面沉降地質(zhì)災(zāi)害[1]。而水資源時(shí)空分布不均和質(zhì)量的不斷惡化，使水資源短缺局面更加嚴(yán)重[2]。雨洪問題和水資源匱乏已成為困擾和制約城市發(fā)展的重大難題[3]。面對(duì)日益增加的生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求，如何為當(dāng)代社會(huì)發(fā)展提供足夠穩(wěn)定的淡水資源，成為一個(gè)重大而緊迫的議題。

雨水資源利用作為一種最具潛力的開源手段被廣泛探索和實(shí)踐[4]。傳統(tǒng)灰色雨水基礎(chǔ)設(shè)施逐漸被綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施(Green Stormwater Infrastructure,GSI )[5]所替代，如生態(tài)停車場(chǎng)、綠色廊道、雨水景觀公園、雨水控制利用綜合模式及專項(xiàng)規(guī)劃等[6-7]，以自然的方式控制城市雨水徑流，減少城市洪澇災(zāi)害，控制徑流污染，保護(hù)水資源環(huán)境[8]。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施作為城市雨水系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)恢復(fù)與構(gòu)建城市良性水循環(huán)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用[9]。國(guó)內(nèi)對(duì)雨水資源的有效利用已進(jìn)行了大量的研究，但多是研究一個(gè)居住區(qū)、一個(gè)景區(qū)的雨水資源利用方法，或是利用工程措施將雨水收集再加以利用。在綠地建設(shè)中，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到城市綠地的多種功能，但目前多以綠地?cái)?shù)量和面積的增加為目的，缺乏對(duì)如何提高城市綠地利用雨水資源的效率的綜合考慮。因此，在城市綠地規(guī)劃中如何就近、直接、有效地積蓄雨水、利用雨水資源，是城市園林綠化亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題[10]。

隨著城市的發(fā)展，鄭州市正面臨著各種水資源問題，如：(1) 節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)，水資源污染浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇供需矛盾；(2) 地下水資源超采十分嚴(yán)重;(3) 徑流量利用率不高，大部分直接流走，成為不可利用的水資源等。城市中綠地是一種天然的滲透設(shè)施，是雨水下滲的主要渠道。利用綠地進(jìn)行雨水滲透，不僅滿足綠地自身的生態(tài)需水，補(bǔ)給地下水；而且植物根系能對(duì)雨水徑流中的雜質(zhì)、懸浮物等起到一定的凈化作用[11]。研究城市綠地與雨水資源的綜合利用，對(duì)于指導(dǎo)城市綠地規(guī)劃建設(shè)和雨水資源有效利用具有十分重要的意義。本文以鄭州市為研究對(duì)象，基于2011年8月份TM影像，分析不同高程區(qū)間內(nèi)綠地分布與匯水面面積的關(guān)系，以及城市綠地對(duì)雨水利用的現(xiàn)狀，分類討論并提出可改造的利用雨水資源的途徑，以期來提高綠地對(duì)雨水利用的綜合效益，最終形成區(qū)域水系的健全水循環(huán)，改善城市水環(huán)境，緩解城市水資源緊張的局面，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的目的。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會(huì)，地處河南省中部偏北，東經(jīng)112°42′—114°14′，北緯34°16′—34°58′，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，地處中原腹地。暖溫帶半干旱大陸性氣候，鄭州市年降雨量629.2 mm，7—9月為雨季，干濕季節(jié)分明，雨季雨量占全年雨量的60%左右。降雨集中、強(qiáng)度大、歷時(shí)短，且多屬暴雨，具有很好的集中貯存的價(jià)值，此特點(diǎn)表明鄭州市的雨水資源利用具有較大的潛力，且很有必要性[12]。

截至2010年年底，鄭州市建成區(qū)綠化覆蓋面積11 590 hm2，綠地面積10 096 hm2，公園綠地面積2 970 hm2，綠化覆蓋率36%、綠地率31.3%，人均公園綠地面積9.9 m2[13]?？梢姡鞘芯G地?cái)r蓄雨水及其綠地雨水徑流面積大，綠地雨水利用潛力巨大。本研究以鄭州市區(qū)為主要研究范圍，主要包括鄭州市所轄的金水區(qū)、二七區(qū)、中原區(qū)、管城區(qū)、鄭東新區(qū)、高新區(qū)和經(jīng)開區(qū)。

1.2研究方法

采用2011年8月的Landsat-TM影像(圖像軌道編號(hào)為：124/36)，所選圖像成像時(shí)天氣晴好，研究區(qū)無云覆蓋，影像成像質(zhì)量較好。對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣輻射校正、幾何校正、圖像裁切等前期處理，然后利用ArcGIS軟件對(duì)衛(wèi)星影像圖進(jìn)行分析，提取出鄭州市不同類型綠地的綠地面積、匯水面面積等信息，結(jié)合鄭州市地形圖及其它相關(guān)的屬性資料，分析鄭州市城市綠地對(duì)雨水資源利用和調(diào)控的現(xiàn)狀，為鄭州市城市綠地的規(guī)劃建設(shè)和雨水資源有效利用提供新的思路。

2　研究結(jié)果與解決途徑

2.1鄭州市綠地結(jié)構(gòu)分析

由圖1可以看出，鄭州市綠地系統(tǒng)主要由公園綠地、生產(chǎn)綠地、道路綠地、防護(hù)綠地、附屬綠地等構(gòu)成。公園綠地多位于鄭東新區(qū)相對(duì)集中的新建成的綠地公園系統(tǒng)及舊城區(qū)相對(duì)分散的幾大公園(紫荊山公園、碧沙崗公園、人民公園等)，高程在285～417 m區(qū)間，大多數(shù)呈片狀分布，綠地面積大，相應(yīng)的匯水面積大，是城市綠地雨水資源利用的潛力區(qū)；生產(chǎn)綠地多位于鄭州市北部高程較低的區(qū)域，多是為城市綠化提供苗木、花草、種子的苗圃、花圃、草圃等，綠地斑塊面積大，可以很好的利用雨水資源；道路綠地、防護(hù)綠地多位于鄭州市道路兩側(cè)，是建立的以植物為主體的線狀或帶狀景觀，具有衛(wèi)生、隔離和安全防護(hù)功能，斑塊密度小，各個(gè)高程區(qū)間均勻分布；附屬綠地斑塊小而分散，但景觀面積僅次于公園綠地，在綠地雨水資源利用中同樣發(fā)揮很大作用。鄭州市圍繞城市總體規(guī)劃構(gòu)成的以“以綠環(huán)圍繞、綠線穿插、綠點(diǎn)均布“為布局特色的綠地結(jié)構(gòu)，已成為一個(gè)點(diǎn)帶網(wǎng)狀的綠地系統(tǒng)，如果將雨水資源的利用與此環(huán)網(wǎng)相結(jié)合，在一定程度上使城市綠地起到生態(tài)雨水管網(wǎng)的作用，將便于雨水徑流的收集和處理。

2.2鄭州市綠地與匯水面分布分析

2.2.1綠地面積與匯水面的關(guān)系 將196～638 m的高程區(qū)間進(jìn)行十等分，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)高程區(qū)間的城市綠地面積、匯水面面積值，結(jié)果表明，在285～329 m高程區(qū)間內(nèi)，綠地面積最大，相應(yīng)的匯水面面積也達(dá)到最大值(圖2)。將統(tǒng)計(jì)出的綠地面積由小到大進(jìn)行排列，通過一元線性回歸分析得出綠地面積與匯水面面積之間的關(guān)系，由此可判斷綠地面積對(duì)匯水面的影響(圖3)。同時(shí)，通過SPSS軟件對(duì)綠地面積與匯水面的相關(guān)性分析也得出，綠地面積與匯水面面積的相關(guān)系數(shù)為0.928，呈極顯著正相關(guān)；即當(dāng)區(qū)域中綠地面積較小時(shí)，其服務(wù)的匯水面相應(yīng)就越小，當(dāng)區(qū)域中綠地面積較大時(shí)，匯水面相應(yīng)越大，擴(kuò)大城市綠地面積對(duì)雨水資源收集和利用是很好的途徑。在同等面積下如何提高綠地對(duì)雨水的利用效率，在合適的位置或條件下建成提高雨水資源利用的調(diào)蓄設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)充分利用雨水資源、控制水澇、改善環(huán)境等多重目的，是我們眼下需要克服的障礙。

2.2.2綠地斑塊數(shù)量與匯水面的關(guān)系 同樣將196～638 m的高程進(jìn)行十等分，統(tǒng)計(jì)每個(gè)高程區(qū)間的城市綠地斑塊數(shù)量、匯水面面積值(圖2，5)，再將統(tǒng)計(jì)出的綠地斑塊數(shù)量由少到多進(jìn)行排列，通過一元線性回歸來分析綠地斑塊數(shù)量對(duì)匯水面的影響，是一種正相關(guān)關(guān)系(圖5)。

圖1　鄭州市區(qū)匯水面上綠地分布

圖2　高程與綠地面積、匯水面面積的關(guān)系

圖3　綠地面積與匯水面的關(guān)系

圖4　高程與綠地斑塊數(shù)量

同時(shí)，通過SPSS軟件對(duì)綠地斑塊數(shù)量與匯水面的相關(guān)性分析也得出，綠地斑塊數(shù)量與匯水面面積的相關(guān)系數(shù)為0.991，呈極顯著正相關(guān)，即當(dāng)區(qū)域中綠地斑塊較少時(shí)，其服務(wù)的匯水面就越小，當(dāng)區(qū)域中綠地斑塊較多時(shí)，其服務(wù)的匯水面相應(yīng)越大。在城市綠地規(guī)劃建設(shè)中，可將適宜建設(shè)綠地的屋頂全部設(shè)計(jì)成綠色屋頂并完成建造，增加綠地斑塊數(shù)量，利用屋頂綠地的滯蓄作用滯蓄雨水。

圖5　綠地斑塊數(shù)量與匯水面的關(guān)系

2.3不同綠地類型在雨水資源利用中的應(yīng)用研究

2.3.1下凹式綠地分流和集蓄雨水 下凹式綠地的結(jié)構(gòu)為：城市硬化地面(包括滲透地面)的設(shè)計(jì)高程高于綠地高程150～300 mm，雨水口設(shè)置于下凹綠地中，且雨水口高程高于綠地高程50～100 mm，并低于硬化地面高程。這樣一種設(shè)置，可以使雨后的雨水徑流先匯入綠地，通過蓄積滲透后，多余的雨水徑流再從雨水口流走，進(jìn)而由雨水管道排出。既能灌溉綠地植被，節(jié)約大量綠化用水，又能提高地下水位，減少清潔工作量。很多研究也證明，在城市綠地規(guī)劃中，建設(shè)下凹式綠地，使綠地地面標(biāo)高低于其周邊的道路和場(chǎng)地，在條件允許的情況下，適當(dāng)加大這一部分的高差，可增加綠地可匯集的雨水量[14]和降低綠地本身的徑流系數(shù)，達(dá)到滯蓄汛雨作用[15]。

由圖3可以看出，在鄭州市各高程區(qū)域內(nèi)，綠地面積與匯水面積是一種顯著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)分析在鄭州市道路綠地中采用下凹式綠地的集水效果，降雨量采用鄭州市水務(wù)局官網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)及氣象要素資料，采用高橋浩一郎經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算[16]，另外基礎(chǔ)資料根據(jù)世界銀行氣象數(shù)據(jù)和鄭州市年鑒統(tǒng)計(jì)，其中豐水年降雨量平均值為727.3 mm，平水年平均降雨量為629.2 mm，枯水年平均降雨量為498.4 mm。統(tǒng)計(jì)的道路綠地面積為112 358 m2，占城市綠地總面積的2%。根據(jù)初損后損法[17]的計(jì)算模型和文獻(xiàn)資料，假設(shè)綠地下凹深為150 mm，則在這種情況下，平均每年將有168 300 m2雨水轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪? 056 000 m3補(bǔ)給地下水，外溢水量只有29 700 m3。這將大大補(bǔ)充鄭州市區(qū)的地下水源，對(duì)因過度開采地下水從而引起的地面沉降現(xiàn)象也起到一定的緩和作用。因此，可根據(jù)鄭州市實(shí)際情況，適當(dāng)在各高程綠地區(qū)域中設(shè)計(jì)和建設(shè)短時(shí)蓄水的下凹式綠地來集蓄雨水，并使這些下凹式綠地與城市排水管網(wǎng)相連，形成區(qū)域生態(tài)雨水蓄排系統(tǒng)，來提高鄭州市對(duì)雨水利用的效率。

2.3.2綠色屋頂進(jìn)行雨水資源的利用 屋頂在城市不透水下墊面中占有50%以上的比例[18]，且屋頂雨水集蓄是雨水收集的主要手段。在增加綠地總面積的基礎(chǔ)上，盡可能的增加綠地斑塊的數(shù)量可以更有效地利用雨水資源。屋頂綠化恰好滿足多體塊、分散的特點(diǎn)，因此可以考慮增加鄭州市屋頂綠化的面積。

屋頂綠化的關(guān)鍵問題是植物和種植土壤的選擇，要根據(jù)本地氣候和自然條件，篩選本土耐旱植物，并與土壤類型、厚度相適應(yīng)，對(duì)植物品種進(jìn)行合理的搭配。對(duì)鄭州市建造時(shí)間長(zhǎng)、承重能力差的屋頂，以地被、草坪或其他低矮花灌木為主進(jìn)行綠化，土層厚度為5～20 cm；承重能力和防滲能力相對(duì)較差的屋頂，種植草坪和灌木，土層厚度為15～25 cm；承重能力很好，且在建筑設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到屋頂綠化的，盡量種植喬灌木，構(gòu)筑花臺(tái)、花壇等。對(duì)具有較大屋頂面積的公共建筑，如學(xué)校建筑、辦公建筑、商業(yè)建筑，作為種植屋面，形成規(guī)模。通過對(duì)建筑屋頂?shù)母脑煸O(shè)計(jì)，改變鄭州市原有屋頂雨水徑流的流向，從而減少地表雨水徑流。

2.3.3生物滯留溝進(jìn)行雨水資源的利用生物滯留溝是種對(duì)水質(zhì)水量的截流并暫時(shí)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)型雨水控制，它利用淺水洼或景觀區(qū)中的土壤和植被來去除雨水徑流中的污染物。公園綠地以喬灌木、花卉、草地為主，兼以人工景觀，是人們休閑娛樂、進(jìn)行戶外運(yùn)動(dòng)和科普教育的場(chǎng)所；防護(hù)綠地在城市中本就具有衛(wèi)生、隔離和安全防護(hù)功能，兩者具有相對(duì)較大的綠地面積，最適合改造和建設(shè)生物滯留溝。鄭州市已有公園綠地2 970 hm2，防護(hù)綠地188.3 hm2，共占全部綠地的43.5%。利用生物滯留溝蓄存雨水，晴天時(shí)滯留的雨水經(jīng)過蒸發(fā)，產(chǎn)生較強(qiáng)的上升氣流，增加鄭州市空氣流動(dòng)性，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，同時(shí)，下滲的雨水還會(huì)增加鄭州市的地下水水位，增加土壤中的含水量，減少綠地灌溉量。

2.3.4雨水花園進(jìn)行雨水資源的利用雨水花園是自然形成的或人工挖掘的淺凹綠地，被用于匯聚并吸收來自屋頂或地面的雨水，是一種生態(tài)可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用設(shè)施[19]，能夠有效地去除徑流中的懸浮顆粒、有機(jī)污染物以及重金屬離子、病原體等有害物質(zhì)[20]。近年來，特別是在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，雨水花園被廣泛用于雨水控制與徑流污染控制，是一種很重要的綠色水基礎(chǔ)設(shè)施[21]。雨水花園對(duì)較小雨量最有效，可以短期迅速吸收雨水。同時(shí)，雨水花園不僅將收集的雨水作為一種景觀要素整合進(jìn)景觀中，最大化提升視覺感和游憩價(jià)值；而且對(duì)補(bǔ)充地下水、減小洪峰量、降低雨水徑流量等方面也有很大作用。

雨水花園是以其土壤與植物的共同作用來處理雨水的，所以雨水花園植物的選擇很重要。根據(jù)鄭州市氣候與土壤特點(diǎn)，鄭州市雨水花園建議植物，喬木：白蠟、旱柳、楓楊等；灌木：山茱萸、齒葉莢蒾、木槿等；草本：千屈菜、大花萱草、景天、狐尾草、玉帶草、落新婦、蛇鞭菊、鳶尾等。

3　結(jié) 論

(1) 隨著高程的增加，匯水面面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且在285～329 m高程區(qū)間內(nèi)，綠地面積最大，相應(yīng)的匯水面面積也達(dá)到最大值。

(2) 鄭州市不同高程區(qū)間內(nèi)的綠地面積、綠地斑塊數(shù)量與匯水面面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 結(jié)合鄭州降雨時(shí)間分布不均、降雨集中的特點(diǎn)和對(duì)一系列城市綠地雨水利用途徑的分析，對(duì)現(xiàn)有不同類型綠地分別進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，在道路、廣場(chǎng)、公園等多種城市綠地中運(yùn)用雨水資源利用設(shè)施，例如建植物淺溝、下凹式綠地和雨水花園等隱形于城市綠地中的蓄水設(shè)施，提高對(duì)雨水的收集和滲透效率。

傳統(tǒng)排水機(jī)制成本高、占地面積大，只是雨水排出的系統(tǒng)，而雨水作為未來城市發(fā)展的重要水源，如果仍然按照傳統(tǒng)方式規(guī)劃，則解決不了由于城市快速發(fā)展所引發(fā)的一系列環(huán)境問題。綠色生態(tài)排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)理念上的排水系統(tǒng)不同，它依托于城市綠地網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)城市綠地進(jìn)行改造，達(dá)到利用綠地對(duì)雨水進(jìn)行蓄、滲、排的多重效果，構(gòu)建綠色生態(tài)排水系統(tǒng)，將排水與景觀合并是勢(shì)在必行的選擇。結(jié)合鄭州市綠地建設(shè)城市蓄水調(diào)水系統(tǒng)，在城市綠地設(shè)計(jì)多目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)雨水資源利用多目標(biāo)，提出從屋頂?shù)降缆贰V場(chǎng)，再到綠地的雨水資源綜合利用路線，將這些隱形蓄水設(shè)施相互連通，并使其與城市地下排水系統(tǒng)相連，運(yùn)用于鄭州市生態(tài)排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，達(dá)到改善鄭州水環(huán)境和減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害的目的，實(shí)現(xiàn)新型的可持續(xù)雨洪利用模式，使鄭州市變成宜居的、可持續(xù)的、吸引人的城市。

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Efficient Utilization Ways of Rainwater Resources in Greenland of Zhengzhou

LEI Yakai, PENG Dandan, ZHANG Shumei, YANG Han, TIAN Guohang

(College of Forestry, He′nan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Urban green space has the significant mitigation on loss of rainwater, rational planning and construction of urban green space has the huge impact on the efficient use of rainwater resources. Taking Zhengzhou City as the research example, based on the TM images of August, 2011, we analyzed satellite images to calculate the elevation range of different green area in Zhengzhou City, the number of green patches and sink surface area of the correlation coefficient, at the same time, and put forward the way on the efficient use of rainwater resources in the urban green space according to the meteorological data, roads, parks, green space protection distribution data, etc. The results showed that the green space area, the number of green patches and the collected water were very significant positive correlation. Therefore, we suggested that on the basis of increase of the green area in Zhengzhou City, number of green patches should be increased, rainwater resources use multi-objective should be realized in urban green space design multi-objective in order to improve the water environment of Zhengzhou and relieve the urban waterlog disaster.

Zhengzhou; urban green space; rainwater resources; efficient use

2014-06-03

2014-10-07

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(30600407);城市景觀生態(tài)安全格局與3S技術(shù)應(yīng)用研究(096SYJH32108), 高速公路高效節(jié)約綠景觀構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究(2013J49)

雷雅凱(1985—),男，河南省平頂山市人，博士，講師,主要從事城市景觀生態(tài)。E-mail:lykfjyl@163.com

田國(guó)行(1964—)，男，河南省新鄉(xiāng)市人，博士，教授,主要從事城市綠地資源建設(shè)與管控。E-mail:tgh-6408@163.com

TU986

A

1005-3409(2015)04-0173-05