海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價研究

馬瑾瑾， 陳 星, 許 欽

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源研究所， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

隨著城市化發(fā)展對水資源的需求日益迫切，人們越來越重視對非傳統(tǒng)水資源的利用。近些年來，有關(guān)我國城市雨洪資源利用及利用潛力的研究取得了較大進(jìn)展。許多研究表明，城市建設(shè)增加下的地表雨洪徑流可以通過海綿城市建設(shè)中的雨洪資源綜合利用措施得以留存和應(yīng)用，這些留存下來的雨洪利用量即城市區(qū)域雨水資源利用潛力[1-4]。在區(qū)域雨水資源利用潛力方面的研究中，余衛(wèi)東等[5]提出了城市雨水資源化的概念，并把建成區(qū)劃分為了幾種不同的類型進(jìn)行計算。在對雨水資源利用潛力計算方面，申亞青[6]通過GIS軟件，對某地一年的水資源潛力進(jìn)行了預(yù)算；李曉貝等[7]建立了雨水利用潛力分析模型，得出其結(jié)果與實際情況極為相似；趙飛等[8]利用多年平均降水量計算法對我國部分城市的雨水利用潛力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在實施雨洪利用措施后，雨水利用效果較好。海綿城市是結(jié)合我國城市現(xiàn)狀提出的治水新構(gòu)想，由于其注重源頭控制，所以與低影響開發(fā)理念有著高度的契合[9]。建立契合自然的低影響開發(fā)模式是解決城市水生態(tài)、水安全的重要途徑[10]。

海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力的大小不僅與雨水利用工程有關(guān)，當(dāng)?shù)貧夂驐l件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都會成為影響雨水資源利用潛力的因素。本文在總結(jié)了相關(guān)區(qū)域雨水資源利用潛力研究的基礎(chǔ)上，提出了海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價模型，從5個方面反映了研究區(qū)-臨海市海綿城市建設(shè)試點區(qū)的雨水資源利用潛力，客觀評估了區(qū)域采取海綿城市建設(shè)后的雨水資源利用潛力，為該區(qū)域?qū)嵤┖＞d城市建設(shè)方案提供了理論依據(jù)，也為后續(xù)將要實施海綿城市建設(shè)的地區(qū)提供了參考方法。

2 雨水資源利用潛力內(nèi)涵

所謂雨水資源化利用潛力，是指某個特定的區(qū)域在一定時段內(nèi)，通過規(guī)劃設(shè)計及采取相應(yīng)的技術(shù)工程措施后，能夠開發(fā)利用的最大雨水資源量。在不考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)是否可行的情況下，某一范圍內(nèi)的雨水資源有可能會被全部開發(fā)利用，此時的雨水資源量即雨水資源的理論潛力。但無論采取何種技術(shù)措施和方法，是不可能實現(xiàn)雨水資源的全部利用的，此時雨水資源的可實現(xiàn)潛力稱為雨水資源化潛力[11-12]。在構(gòu)建評價體系進(jìn)行雨水資源利用潛力評價之前，為驗證指標(biāo)體系與模型結(jié)果的精確度與可信任度，首先采用綜合徑流系數(shù)法[13]對區(qū)域內(nèi)雨水資源的利用潛力進(jìn)行初步粗略計算。

雨水資源利用理論潛力：

W=HAψ

(1)

雨水資源利用現(xiàn)實潛力：

W′=HAψαβ

(2)

式中：W為區(qū)域雨水資源利用理論潛力,m3；W′為區(qū)域雨水資源利用現(xiàn)實潛力,m3；H為年降雨量,m；A為下墊面匯水面積,m2；ψ為徑流系數(shù)；α為棄流系數(shù)；β為季節(jié)折減系數(shù)。

3 區(qū)域雨水資源利用潛力的研究方法

3.1 評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

區(qū)域在實施海綿城市建設(shè)后的雨水資源利用潛力大小可通過海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價指標(biāo)體系進(jìn)行判斷，建立一個能夠從各方面衡量雨水資源化利用潛力的評價指標(biāo)體系是對區(qū)域雨水資源化利用潛力進(jìn)行評價的基礎(chǔ)。陳衛(wèi)賓等[14]從生活、生產(chǎn)、生態(tài)3個方面選取了評價因素構(gòu)成評價指標(biāo)體系，對區(qū)域雨水資源開發(fā)潛力進(jìn)行了評價。

指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)遵循以下原則：(1)科學(xué)性原則；(2)系統(tǒng)性與層次性原則；(3)全面性與代表性原則；(4)動態(tài)性與靜態(tài)性原則。根據(jù)海綿城市建設(shè)中區(qū)域雨水資源利用潛力的量度要求，遵循層次分析原理[15]，將評價指標(biāo)體系分為3個層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。通過分析影響區(qū)域雨水資源利用潛力(A)的因素，遴選出雨水資源化條件(B1)、雨水資源化可實施程度(B2)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況(B3)、經(jīng)濟(jì)可行性(B4)、綜合雨水需求率(B5)5個主導(dǎo)層次制定雨水資源利用潛力評價指標(biāo)體系，具體評價指標(biāo)體系見表1。

雨水資源化條件(B1)是區(qū)域是否可以開展雨水資源開發(fā)利用工作的決定性因素，是衡量雨水資源利用潛力的決定性因素[16]。雨水資源化可實施程度(B2)是區(qū)域內(nèi)雨水資源條件開發(fā)利用能力的反映，依據(jù)區(qū)域不同用地性質(zhì)，因地制宜地選擇其對應(yīng)的低影響開發(fā)措施，將滲透滯留設(shè)施可實施率(C4)、雨水運輸設(shè)施可實施率(C5)和調(diào)蓄凈化設(shè)施可實施率(C6)作為雨水資源化可實施程度的指標(biāo)[17]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況(B3)主要反映了雨水利用潛力實現(xiàn)的自然條件，主要包括林草覆蓋比率(C7)、坡度(C8)、土壤滲透系數(shù)(C9)。經(jīng)濟(jì)可行性準(zhǔn)則層(B4)的指標(biāo)(C10、C11、C12)是區(qū)域雨水資源能夠利用得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，開展雨水利用工作需要巨大的經(jīng)濟(jì)支撐，擁有突出的經(jīng)濟(jì)實力的地區(qū)在開展雨水資源利用方面更有優(yōu)勢。綜合雨水需求率(B5)在很大程度上決定了區(qū)域雨水資源轉(zhuǎn)化量的多少，包括以下幾種形式：生活用水率(C13)、生態(tài)用水率(C14)、工業(yè)用水率(C15)，雨水回用后的不同用水途徑及需水量計算方式見表2。

表1 海綿城市建設(shè)中區(qū)域雨水資源利用潛力評價指標(biāo)體系

表2 雨水回用不同用水途徑及需水量計算公式

參考其他水資源相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)及研究結(jié)果，確定了本文海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價指標(biāo)體系的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體評價指標(biāo)等級見表3。Ⅰ級表示雨水資源豐富且可實施條件充裕，雨水資源利用潛力大，可大力發(fā)展海綿城市建設(shè)；Ⅱ級表示雨水資源豐富度或可實施條件相對沒有那么理想，雨水資源利用潛力處于中度利用狀態(tài)；Ⅲ級表示雨水資源相對缺乏，可實施條件相對較差，雨水資源利用潛力弱。

3.2 構(gòu)建評價模型

海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力的眾多評價指標(biāo)中定性指標(biāo)較多，具有模糊性和不確定性等特點，所以引入模糊綜合評價法對其進(jìn)行雨水資源利用潛力的評價[18]。本文將層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合，對海綿城市建設(shè)中雨水資源的利用潛力進(jìn)行分析評價。通過層次分析法確定評價體系中各評價指標(biāo)的權(quán)重，再使用模糊綜合評價法對海綿城市建設(shè)中雨水資源的利用潛力進(jìn)行評價。

3.2.1 確定評價指標(biāo)權(quán)重 根據(jù)標(biāo)度法的計算步驟，首先邀請部分專家根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和在分析地區(qū)特性的基礎(chǔ)上對準(zhǔn)則層的指標(biāo)進(jìn)行重要性評判，構(gòu)建判斷矩陣，通過歸一化計算指標(biāo)的相對權(quán)重，之后對其進(jìn)行一致性檢驗，一致性檢驗的相關(guān)公式如下。

一致性指標(biāo)：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

一致性比例：

CR=CI/RI

(4)

式中：λmax為判斷矩陣對應(yīng)的最大特征值；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可通過查表獲得相關(guān)值。只有當(dāng)CR<0.1時，才符合一致性檢驗，根據(jù)上述公式計算得出所有指標(biāo)的權(quán)重。

3.2.2 模糊綜合評價模型 首先設(shè)定兩個集合，集合U={U1，U2，…，Un}，為評價要素集合；集合V={V1，V2，…，Vm}，為評語集，每一評語集對應(yīng)著一個評價等級。

ui的單因素評價集為：

ri={ri1，ri2，…，rim}

(5)

把n個單因素評價集作為矩陣的行，得到模糊綜合評價矩陣：

(6)

式中:R反映的是因素ui和評語vj的模糊關(guān)系，稱R為模糊綜合評價矩陣。R的第i行Ri=(ri1，ri2，…，

rim)為第i個因素Ui的單因素評價結(jié)果;rij表示Ui對Vj的隸屬度。

模糊綜合評價的模糊變換為:

B=A·R

(7)

表3 海綿城市建設(shè)中區(qū)域雨水資源利用潛力評價指標(biāo)等級劃分

4 實例應(yīng)用

應(yīng)用上述評價模型，對浙江省臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)的雨水資源利用潛力進(jìn)行評價。研究區(qū)多年平均降水量1 602.7 mm，年內(nèi)降雨主要集中在5-9月的雨季，汛期降水量占全年75%左右，汛期天然徑流量占全年的80%；現(xiàn)狀建成區(qū)面積約15.3 km2，現(xiàn)狀水面率為13.3%，現(xiàn)狀用地以居住用地和工業(yè)用地為主，其次是建設(shè)用地與生態(tài)用地；主要河道有洛河、大寨河、大田河，主要湖泊有靈湖。研究區(qū)獨特的氣候條件與地理環(huán)境決定了雨水資源的可利用性，有效利用本地雨洪資源，對促進(jìn)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用。該區(qū)域未來3～5年要進(jìn)行城市建設(shè)，所以在建設(shè)初期考慮將海綿城市建設(shè)下基于低影響開發(fā)措施的雨水利用工程與城市建設(shè)相結(jié)合[19]，這樣可以極大地減少雨水利用工程的建設(shè)成本，獲得更好的運行效果。

4.1 研究區(qū)雨水資源的利用潛力及增加值

臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)的現(xiàn)狀建成區(qū)面積約15.3 km2，各部分的功能特點明顯，可以劃分為六個土地利用類型，分別是生態(tài)用地、水域、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、市政道路、居住用地。由公式(1)、(2)計算得到該研究區(qū)的雨水資源利用的理論與現(xiàn)實潛力。α為棄流系數(shù)，取0.85；β為季節(jié)折減系數(shù)，研究區(qū)的年內(nèi)降雨主要集中在5-9月份，汛期降水量占全年75%左右，由此可確定季節(jié)折減系數(shù)為0.75；根據(jù)《城市小區(qū)雨水利用技術(shù)規(guī)范》(GB50400-2006)和車伍等[20]的資料分析研究，可以得出研究區(qū)不同下墊面對應(yīng)下的綜合徑流系數(shù)值的大小。

計算結(jié)果見表4。

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中各措施的適用性，針對不同的土地利用形式或基礎(chǔ)設(shè)施選擇適宜的低影響開發(fā)措施。研究區(qū)內(nèi)與未來城市建設(shè)相結(jié)合的“海綿城市”建設(shè)下相關(guān)低影響開發(fā)措施的可實施情況見表5。

該區(qū)域在采用了以上“海綿城市”建設(shè)工程措施后，雨水總調(diào)蓄容積達(dá)到284 590 m3，即在實施海綿城市低影響開發(fā)措施后雨水利用潛力增加了28.46×104m3?？梢姡搮^(qū)域海綿城市建設(shè)中雨水資源較豐富，且有條件開展實施海綿城市建設(shè)工程。各雨水利用設(shè)施工程的滲透量、運輸量或調(diào)蓄量的詳細(xì)計算方法見《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》。

表4 臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)雨水資源潛力計算表

表5 臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)雨水利用設(shè)施可實施工程量匯總表

4.2 模型計算結(jié)果與分析

評價體系中相關(guān)指標(biāo)的具體資料及數(shù)據(jù)主要來源于《臨海市2017年國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、《臨海市2017年水資源公報》、《臨海市2017年環(huán)境公報》、《臨海市2017年統(tǒng)計年鑒》、《臨海市海綿城市建設(shè)試點實施方案》、《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》和《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB50013-2006)等資料，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過計算整理得到。

首先根據(jù)各項評價指標(biāo)與雨水資源利用潛力之間的相關(guān)關(guān)系以及實際的評價經(jīng)驗，聽取了區(qū)域相關(guān)部門人員以及專家的建議，構(gòu)造出判斷矩陣，通過歸一化計算出指標(biāo)的相對權(quán)重，之后根據(jù)公式(3)、(4)對其進(jìn)行了一致性檢驗，得到準(zhǔn)則層及目標(biāo)層各評價指標(biāo)的合成權(quán)重見表6。

表6 評價指標(biāo)權(quán)重值

將評價要素集U分為2個層次，根據(jù)層次分析法確定的各評價指標(biāo)的權(quán)重建立各級評價指標(biāo)的權(quán)重向量，根據(jù)構(gòu)造出的判斷矩陣R，由公式(7)可以求得準(zhǔn)則層各指標(biāo)的模糊綜合評價向量，進(jìn)而獲得目標(biāo)層對應(yīng)的評價矩陣，最終求得目標(biāo)層的模糊綜合評價向量；按照最大隸屬度原則，確定出評價等級，最大隸屬度及評價等級見表7。

雨水資源化條件準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為“Ⅰ級”，對應(yīng)指標(biāo)層的多年平均降雨量、蒸發(fā)量評價結(jié)果為“Ⅰ級”，綜合徑流系數(shù)為“Ⅱ級”，表明該區(qū)域雨水資源條件較好，雨水資源可利用度較高。雨水資源化可實施程度準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為“Ⅰ級”，對應(yīng)指標(biāo)層下的各指標(biāo)的評價結(jié)果均為“Ⅰ級”，表明該地區(qū)海綿城市相關(guān)工程的的可實施率較高，根據(jù)《臨海市海綿城市建設(shè)試點實施方案》及表5可知，該區(qū)域相關(guān)工程設(shè)施覆蓋率較廣，有利于雨水資源回收利用。區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為“Ⅱ級”，對應(yīng)指標(biāo)層下的區(qū)域林草覆蓋比率評價結(jié)果為“Ⅰ級”，坡度及土壤滲透系數(shù)評價結(jié)果為“Ⅱ級”，表明該區(qū)域林草覆蓋比率較大，但由于土壤性質(zhì)屬于紅壤土亞黏土，故土壤滲透系數(shù)相對偏大，且地勢較為平坦，坡度較小，表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況對雨水回收利用稍有不利。經(jīng)濟(jì)可行性準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為“Ⅱ級”，對應(yīng)指標(biāo)層下的人均GDP評價結(jié)果為“Ⅰ級”，雨水利用工程單方投資及節(jié)水成本的評價結(jié)果均為“Ⅱ級”，表明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較好，但對雨水利用工程建設(shè)方面的投資力度尚未達(dá)到住建部估算的高標(biāo)準(zhǔn)，將會導(dǎo)致工程設(shè)施工作效率稍有落后，節(jié)水成本達(dá)不到理想狀態(tài)。綜合雨水需求率準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為“Ⅰ級”，對應(yīng)指標(biāo)層下的生活、生態(tài)、工業(yè)用水率的評價結(jié)果均為“Ⅰ級”，表明該區(qū)域?qū)厥盏挠晁Y源的需求量較大，符合海綿城市建設(shè)的初衷，同時對節(jié)約城市水資源、適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求有重要意義。以上結(jié)果與研究區(qū)“海綿城市”建設(shè)中雨水資源利用潛力較大的增加值有較好的一致性，說明構(gòu)建的評價指標(biāo)體系合理且準(zhǔn)確，可為臨海東北部新區(qū)接下來的發(fā)展提供一些新的思路。

表7 海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力各級評價指標(biāo)的模糊評價結(jié)果

5 結(jié) 論

海綿城市可大大提升城市在水資源、水環(huán)境等方面的保障能力，雨水資源利用潛力是區(qū)域發(fā)展海綿城市建設(shè)的一個評價標(biāo)準(zhǔn)。本文從5個方面構(gòu)建了海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價體系，主要研究結(jié)論如下：

(1)本文基于雨水資源化條件、雨水資源化可實施程度、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況、經(jīng)濟(jì)可行性與綜合雨水需求率，從5個方面共15個指標(biāo)構(gòu)建了海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力評價體系，將評價指標(biāo)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個等級表示雨水資源利用潛力大小，并采用層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合的方法對海綿城市建設(shè)中雨水資源利用潛力的大小進(jìn)行綜合評價。

(2)對研究區(qū)——臨海市海綿城市建設(shè)試點區(qū)運用評價體系進(jìn)行評價，結(jié)果顯示：該區(qū)域海綿城市建設(shè)中的雨水資源利用潛力為Ⅰ級，即雨水資源豐富且可實施條件充裕；通過綜合徑流系數(shù)法計算出，該地區(qū)在實施海綿城市建設(shè)后可增加的雨水資源利用量為28.46×104m3。兩種方法計算出來的結(jié)果有較好的一致性，說明了該評價體系的合理性，可為之后的城市發(fā)展建設(shè)提供一些新的思路，也為區(qū)域雨水資源的開發(fā)利用及保證區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)設(shè)施依據(jù)。