建筑與小區(qū)雨水資源化利用率建模與驗(yàn)證：以昆山廟涇圩為例

孔 赟，張 彬，馮 博

(江蘇省規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210036)

我國作為一個嚴(yán)重缺水的國家，雨水資源的合理收集與利用對優(yōu)化供水結(jié)構(gòu)、增加水資源供給、緩解供需矛盾和減少水污染、保障水生態(tài)安全具有重要意義。近幾年，海綿城市因具有適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面的良好“彈性”而成為雨洪管理的熱點(diǎn)[1]。在我國城市建設(shè)用地中，建筑與小區(qū)用地一般占總用地的40%，其產(chǎn)生的雨水徑流約占城市徑流總量的50%[2]。隨著綠色建筑及海綿城市理念的不斷深入，建筑與小區(qū)雨水資源化利用逐步推廣，展現(xiàn)出了良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，建筑與小區(qū)雨水資源化利用具有廣闊的前景。

合理的“海綿”效果考核將是海綿城市建設(shè)成功與否的必要程序，也是國家財政資金績效考核的重要內(nèi)容[3]。2015年7月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳印發(fā)《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法(試行)》(以下簡稱《辦法》)，《辦法》要求定量計算雨水資源利用率，并給出了計算方法，即雨水收集并用于道路澆灑、園林綠地灌溉、市政雜用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、冷卻等的雨水總量(按年計算，不包括匯入景觀、水體的雨水量和自然滲透的雨水量)與年均降雨量(折算成mm)的比值。2020年4月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳下發(fā)了關(guān)于開展2020年度海綿城市建設(shè)評估工作的通知。其中，雨水資源化利用率是評價水資源利用的重要指標(biāo)，要求對缺水城市海綿城市建設(shè)達(dá)標(biāo)區(qū)進(jìn)行雨水資源化利用率評價。

然而，受制于降雨的不確定性、雨水回用對象對雨水利用頻次的不同、蓄水設(shè)施規(guī)模大小不同等原因，在實(shí)際應(yīng)用過程中，雨水資源化利用率并未得到有效定量計算，雨水資源化利用情況也未得到有效評估。Feng等[4]提出合理的下墊面分類系統(tǒng)，搭建了海綿城市建設(shè)雨水資源利用潛力模型，并以開封為例驗(yàn)證其可行性。張期鑾[5]通過對雨水徑流資源化系統(tǒng)的最大可收集徑流量、回用需水量及調(diào)蓄池容積與系統(tǒng)的雨水收集利用率、雨水資源替代率之間關(guān)系的分析，建立了以年為周期、日為步長的Monte Carlo水量動態(tài)平衡方法。朱文彬等[6]綜合考慮雨水資源化利用的供給側(cè)約束和需求側(cè)約束，采用指標(biāo)體系法對我國661個城市雨水資源化利用效益進(jìn)行了評估，從雨水資源化利用量角度研究了雨水資源化利用效率問題。劉琳琳[7]以沈陽市渾南新區(qū)慧緣馨村小區(qū)為例，分析了蓄水池容積與暴雨重現(xiàn)期的關(guān)系，進(jìn)行了雨水資源化改造、雨水量計算等研究。曾超等[8]研究探索了基于層次分析法的變權(quán)PROMETHEE模型在雨水利用評價中應(yīng)用，認(rèn)為模型在雨水資源利用評價方面具有優(yōu)勢。曹萬春等[9]利用SWMM模型對某校園蓄水池進(jìn)行連續(xù)水量平衡分析，通過梳理蓄水池調(diào)蓄容積變化與雨水回用量的關(guān)系，得到雨水回用可靠性達(dá)61.8%。車晗等[10]通過選取典型年分鐘級降雨數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個地塊實(shí)際的用地結(jié)構(gòu)比例，提出了一種針對地塊的精細(xì)化計算雨水資源化利用量的方法。雖然上述現(xiàn)有的研究從不同的方面考慮，并基于多種方法，對雨水資源化利用進(jìn)行了直接或間接的效益評估和計算，但是對建筑與小區(qū)雨水資源化利用率的定量計算仍有所欠缺。本文以昆山為例，通過構(gòu)建降雨產(chǎn)流與蓄水設(shè)施蓄水耦合模型，系統(tǒng)研究蓄水設(shè)施規(guī)模大小與雨水資源化利用率之間的關(guān)系，提出了一種精確評估建筑與小區(qū)雨水資源化利用率的方法，從而盡可能準(zhǔn)確地評估雨水資源化利用情況，對雨水資源化利用設(shè)施規(guī)模的選擇也具有積極的參考意義。

1 研究區(qū)域概況

昆山地處江蘇省東南部，長江三角洲南翼，位于120°48′21″E～121°09′04″E，31°06′34″N～31°32′36″N，是典型的平原水網(wǎng)地區(qū)。全市劃分為98個圩區(qū)，每個圩區(qū)獨(dú)立排水，圩內(nèi)河網(wǎng)通過水閘與圩外骨干河道聯(lián)通。昆山屬北亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為1 133.3 mm?！独ド绞泻＞d城市專項規(guī)劃》依托圩區(qū)將昆山劃分為98個海綿管控分區(qū)，其中位于城市建成區(qū)內(nèi)的廟涇圩為海綿城市建設(shè)達(dá)標(biāo)區(qū)。

2016年2月，昆山出臺《市政府關(guān)于印發(fā)昆山市建設(shè)項目節(jié)約用水管理辦法的通知》(以下簡稱《通知》)，《通知》明確要求，規(guī)劃用地面積為20 000 m2以上的新建建筑配套建設(shè)雨水利用設(shè)施，建筑面積為30 000 m2以上的賓館、飯店以及建筑面積為100 000 m2以上的校園、居住區(qū)及其他民用建筑配套建設(shè)中水或者雨水利用設(shè)施。每10 000 m2建設(shè)用地宜建設(shè)不小于100 m3的雨水調(diào)蓄池，路幅超過70 m的道路兩側(cè)逐步配套建設(shè)雨水蓄水設(shè)施。同時，景觀用水水源不得采用自來水、逐步禁止綠化、環(huán)衛(wèi)等使用自來水。

在《通知》的指導(dǎo)下，從2016年至今，昆山市市域上報昆山市節(jié)水辦的雨水利用設(shè)施總規(guī)模超過140 000 m3，涵蓋了住宅區(qū)、學(xué)校、行政中心、商業(yè)辦公、工業(yè)等用地。其中，城市建成區(qū)范圍內(nèi)已建雨水利用設(shè)施體積約為13 366 m3。

2 研究模型構(gòu)建

2.1 地塊條件假定

據(jù)調(diào)研，廟涇圩內(nèi)建筑與小區(qū)占地規(guī)模為3 000～54 000 m2。因此，本研究選定的小區(qū)規(guī)模分別為10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2。根據(jù)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50180—2018)中關(guān)于居住街坊用地與綠地率最小值的控制指標(biāo)和《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51345—2018)，一般情況下，二類居住用地的綠地率為30%～35%，硬化地面面積占比25%～35%。為便于計算，不同規(guī)模小區(qū)的綠地率均設(shè)為30%，硬化面積占比均設(shè)為35%。

2.2 建筑與小區(qū)雨水利用需求量估算

地塊內(nèi)雨水資源化利用途徑主要為綠地、道路和廣場澆灑。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50015—2019)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400—2016)，小區(qū)內(nèi)綠地澆灑用水量按澆灑面積為2 L/(m2·d)計算，硬質(zhì)地面(主要為道路和廣場)澆灑用水量按澆灑面積為2 L/(m2·d)計算，據(jù)此估算不同規(guī)模小區(qū)每日雨水利用需求量，如表1所示。

表1 不同規(guī)模小區(qū)雨水利用需求量估算

2.3 降雨產(chǎn)流模擬

以昆山市2013年—2015年實(shí)測逐日降雨資料為降雨輸入條件，逐日降雨量扣除2 mm后進(jìn)行產(chǎn)流模擬。昆山市2013年—2015年降雨產(chǎn)流情況如圖1所示，綜合考慮昆山建筑小區(qū)下墊面情況和排水設(shè)計參數(shù)，雨量徑流系數(shù)取0.65，構(gòu)建降雨產(chǎn)流連續(xù)性模擬計算模型，由此依據(jù)降雨產(chǎn)流情況進(jìn)行蓄水池雨水收集計算。

圖1 昆山市2013年—2015年連續(xù)降雨產(chǎn)流

2.4 雨水收集利用邊界條件假定

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定雨水收集利用的一般邊界條件。

(1)雨水收集

當(dāng)日降雨產(chǎn)流進(jìn)入雨水調(diào)蓄池直至蓄滿后，產(chǎn)生溢流外排；若調(diào)蓄池未蓄滿則無外排雨量，剩余調(diào)蓄空間待下次降雨產(chǎn)流繼續(xù)收集雨水，直至蓄滿。

(2)雨水利用

根據(jù)實(shí)際情況，假定雨天無澆灑需求，僅晴天進(jìn)行小區(qū)澆灑產(chǎn)生雨水利用量。雨水調(diào)蓄池收集雨量根據(jù)小區(qū)每日雨水需求量進(jìn)行分配，直至用完。

(3)雨水收集-利用平衡

基于昆山市連續(xù)3年逐日降雨資料系列，概化逐日“降雨-產(chǎn)流-調(diào)蓄池收集-小區(qū)澆灑利用”計算程序，動態(tài)分析每日雨水收集-利用平衡關(guān)系，如圖2所示。

圖2 雨水收集利用計算

2.5 蓄水設(shè)施雨水收集利用分析

按照昆山市海綿城市建設(shè)關(guān)于蓄水設(shè)施建設(shè)的相關(guān)要求，研究分析100 m3的雨水調(diào)蓄池在不同規(guī)模小區(qū)(10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2)的雨水收集利用情況。

以面積為10 000 m2的小區(qū)設(shè)置蓄水池為100 m3的雨水調(diào)蓄池為例，進(jìn)行雨水收集利用模擬計算，分析雨水調(diào)蓄池在昆山市2013年—2015年逐日降雨條件下雨水收集利用情況，如表2和圖3所示。根據(jù)模擬計算結(jié)果分析，100 m3雨水調(diào)蓄池在10 000 m2小區(qū)逐月雨水收集率在0～44.84%，3年平均值為16.06%，呈現(xiàn)出汛期雨水收集率小于非汛期的趨勢；雨水利用率在0～65.88%，3年平均值為15.90%；梅雨季節(jié)(每年6月—7月)雨水收集率和利用率明顯偏低于相鄰月份。

表2 2013年—2015年逐月雨水收集利用

2013年—2015年逐月雨水收集利用率變化如圖3所示。

圖3 2013年—2015年逐月雨水收集、利用率變化

模擬計算100 m3雨水調(diào)蓄池在面積分別為10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2小區(qū)的雨水收集利用情況，說明單位面積雨水調(diào)蓄池規(guī)模與雨水收集利用率的關(guān)系。不同規(guī)模小區(qū)設(shè)置100 m3雨水蓄水設(shè)施時，雨水收集利用情況如表3、圖4所示。根據(jù)模擬計算結(jié)果分析標(biāo)明，單位面積雨水調(diào)蓄池規(guī)模越大，雨水收集情況越好。

圖4 雨水調(diào)蓄池收集利用率與小區(qū)面積關(guān)系

表3 不同規(guī)模小區(qū)雨水收集利用

進(jìn)一步分析可知，雨水收集利用率與單位面積調(diào)蓄池規(guī)模呈良好的指數(shù)關(guān)系，具體如下。

①雨水收集率與小區(qū)單位面積蓄水池規(guī)模指數(shù)如式(1)。

Y1=-0.064lnX1+0.158 8

(1)

其中：Y1——雨水收集率；

X1——小區(qū)單位面積蓄水池規(guī)模，m3/(10 000 m2)。

②雨水資源化利用率與小區(qū)單位面積蓄水池規(guī)模指數(shù)如式(2)。

Y2=-0.063lnX2+0.157 2

(2)

其中：Y2——雨水資源化利用率；

X2——小區(qū)單位面積蓄水池規(guī)模，m3/(10 000 m2)。

3 昆山廟涇圩片建筑與小區(qū)雨水利用評估

3.1 建筑與小區(qū)雨水利用量計算

廟涇圩片是昆山市建成區(qū)海綿城市建設(shè)達(dá)標(biāo)區(qū)，片區(qū)內(nèi)建設(shè)有2 830.8 m3的蓄水池，對應(yīng)的建筑與小區(qū)面積為1 221 400 m2。廟涇圩片區(qū)雨水設(shè)施建設(shè)如表4所示。

表4 廟涇圩片雨水調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)

根據(jù)《辦法》，雨水資源化利用率的計算如式(3)。

(3)

其中：a——年雨水收集利用的總量，mm；

b——年均降雨量，mm。

由圖4可知，不同規(guī)模小區(qū)配建同樣規(guī)模的雨水利用設(shè)施(蓄水池為100 m3)時，雨水收集率與雨水資源化利用率數(shù)值基本相同，而圖4表明雨水資源化利用率數(shù)值與小區(qū)規(guī)模存在明顯的負(fù)相關(guān)：雨水利用設(shè)施規(guī)模與小區(qū)規(guī)模比值越小時，雨水資源化利用率就越高。本次評估基于以上模擬結(jié)論，盡可能準(zhǔn)確地評估雨水資源化利用情況。

為了更精確地反映不同規(guī)模小區(qū)、不同蓄水設(shè)施體積與雨水資源化利用率之間的關(guān)系，采用不同配建比例指標(biāo)(雨水利用設(shè)施體積與小區(qū)占地面積的比例)來研究與雨水資源化利用率之間的關(guān)系。根據(jù)圖4和表4得到不同配建比例與雨水利用率關(guān)系，如表5和圖5所示。

圖5 雨水資源化利用率與配建比例的關(guān)系

表5 雨水資源化利用率與配建比例的關(guān)系

通過數(shù)據(jù)分析得到雨水利用率與配建比例的關(guān)系滿足一下對數(shù)擬合關(guān)系式[式(4)]。

Y2=0.062 9lnB+0.446 9

(4)

其中：B——不同配建比例。

據(jù)此得到建筑與小區(qū)雨水利用量計算如式(5)。

V=F×b×(0.062 9lnB+0.446 9)

(5)

其中：V——小區(qū)年雨水利用量，m3；

F——小區(qū)面積，m2。

昆山年均降雨量為1 133.3 mm，則廟涇圩片建筑與小區(qū)的雨水利用量如表6所示,雨水利用總量為74 755.6 m3。

表6 廟涇圩片區(qū)建筑與小區(qū)雨水利用量計算

3.2 廟涇圩片建筑與小區(qū)雨水資源化利用率計算

4 結(jié)語

雨水資源化利用對于缺水型城市開源節(jié)流、改善用水結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。雨水資源化利用率的精確計算不僅是對海綿城市建設(shè)水資源評價的內(nèi)容，也是評估雨水生態(tài)、經(jīng)濟(jì)價值的重要環(huán)節(jié)。本研究以昆山為例，構(gòu)建了降雨產(chǎn)流與蓄水設(shè)施蓄水耦合模型，系統(tǒng)研究蓄水設(shè)施規(guī)模、小區(qū)規(guī)模與雨水資源化利用率之間的關(guān)系，形成如下結(jié)論：(1)本研究的模型可有效評估雨水資源化利用率；(2)建筑與小區(qū)的雨水收集率與雨水資源化利用率數(shù)值基本相同，但雨水資源化利用率數(shù)值與小區(qū)規(guī)模存在明顯的負(fù)相關(guān)，雨水利用設(shè)施規(guī)模與小區(qū)規(guī)模比值越小，雨水資源化利用率就越高；(3)通過不同雨水利用設(shè)施體積與小區(qū)占地面積的比例(配建比例)與雨水資源化利用率之間關(guān)系擬合，能夠簡單而又精準(zhǔn)地評估建筑與小區(qū)的雨水資源化利用率。本研究對于昆山積極推進(jìn)建筑與小區(qū)雨水資源化利用具有指導(dǎo)作用，建議昆山在開展全域系統(tǒng)化海綿城市建設(shè)過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)非常規(guī)水資源利用，尤其是建筑與小區(qū)雨水資源化利用，并通過本研究結(jié)論進(jìn)行定量計算，以便快速評估雨水資源化利用效率。