南水北調(diào)工程受水區(qū)城市雨水利用潛力分析

劉家宏，王佳，邵薇薇，蘇鑫，杜曉鶴

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室,北京 100038)

在全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化背景下，極端水文事件[1-2]和旱澇急轉(zhuǎn)[3]現(xiàn)象頻現(xiàn)，城市洪澇和干旱問題并存,一方面因汛期暴雨造成城市內(nèi)澇淹水災(zāi)害[4]，另一方面是城市面臨水資源短缺的持續(xù)風(fēng)險[5]。如何科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、高效利用雨水，緩解內(nèi)澇成為城市水資源管理的熱點[6]。2021年5月14日習(xí)近平總書記在推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展座談會上強(qiáng)調(diào)要堅持節(jié)水優(yōu)先，把節(jié)水作為受水區(qū)的根本出路[7-8]?？茖W(xué)高效地利用城市雨水資源[9]是踐行新時代治水思路的重要內(nèi)容，也是南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)模論證需要考慮的關(guān)鍵問題之一。

城市雨水利用方式及其相關(guān)的技術(shù)[10]、政策、效益[11]研究在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[12-13]，特別是在缺水國家[14-15]和缺水城市[16-17]，相關(guān)的科學(xué)研究和實踐探索較多?？傮w來看，城市雨水利用的研究重點主要包括4個方面：面向不同水質(zhì)要求研發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的雨水處理技術(shù)[18-19]，例如Costa等[20]等提出利用丙烯酰毛毯過濾雨水的處理方法，其出水的濁度指標(biāo)可以達(dá)到巴西的雨水利用標(biāo)準(zhǔn)；雨水利用設(shè)施的設(shè)計和優(yōu)化技術(shù)[21-22]，例如Kim等[23]提出了家庭雨水收集的容積優(yōu)化方法;雨水利用潛力評估模型，例如黃顯峰等[24]、李曉貝等[25]、徐志歡等[26]、曹言等[27]、Almeida等[28]、Kanno等[29]針對不同的城市或片區(qū)分別提出了雨水利用潛力的計算模型和方法；海綿城市雨水資源利用潛力分析[30-36]。其中，現(xiàn)有城市雨水利用潛力的計算方法多是采用水文或水動力模型評價得到的雨水可能收集量，沒有測算具體可以替代多少自來水量，因此評估結(jié)果尚不能直接作為城市供水規(guī)模論證的依據(jù)。為了貫徹落實節(jié)水優(yōu)先的方針，須在充分考慮受水區(qū)城市雨水利用的前提下，科學(xué)論證南水北調(diào)后續(xù)工程的調(diào)水規(guī)模。本研究調(diào)研分析海綿城市建設(shè)試點雨水資源的利用水平，將其實際替代的城市自來水比例作為經(jīng)濟(jì)可行的指標(biāo)，據(jù)此測算南水北調(diào)工程受水區(qū)城市雨水利用潛力。

1 受水區(qū)海綿城市雨水利用現(xiàn)狀

海綿城市為城市雨水管理和利用提供了新的指南和思路。2015—2016年全國共確定第一批和第二批共30個國家級海綿城市建設(shè)試點。2021年國家又遴選了20個“系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)示范城市”，推動海綿城市建設(shè)邁上新臺階。海綿城市對于城市雨水資源管理來說就是一種系統(tǒng)化的、綜合化的理念，通過多種海綿設(shè)施的實施對城市水文過程進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對“水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全”的統(tǒng)合協(xié)調(diào)治理。

城市雨水的資源化利用是海綿城市考核指標(biāo)中的一項定量的約束性指標(biāo)，目的是將雨水資源收集并利用，以有效減少城市自來水資源供水，緩解水資源短缺的壓力。海綿城市雨水資源利用方面的示范以及推廣應(yīng)用已經(jīng)初見成效。南水北調(diào)受水城市中，北京、天津、濟(jì)南、青島、鶴壁、西咸新區(qū)6個為國家級海綿城市試點城市，已經(jīng)通過了驗收。通過6個城市海綿試點建設(shè)績效評估報告等文獻(xiàn)調(diào)研和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，獲得了南水北調(diào)工程受水區(qū)海綿城市雨水資源利用現(xiàn)狀，見表1。

表1 南水北調(diào)工程受水區(qū)雨水資源利用現(xiàn)狀

表1顯示南水北調(diào)工程受水區(qū)6個海綿試點城市或區(qū)域年均雨水利用總量為795.57萬m3，從總量上看，南水北調(diào)工程受水區(qū)城市雨水利用率還比較低，未來還有一定的開發(fā)利用潛力。除了國家級試點以外，很多省區(qū)市也開展了省級、市級海綿城市示范區(qū)建設(shè)，由于缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，本次統(tǒng)計暫未列入。

2 受水區(qū)雨水資源利用潛力

2.1 雨水資源利用潛力計算方法

廣義的雨水資源利用潛力是指在經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行的前提下通過降雨或降雨產(chǎn)生的徑流收集、存儲、凈化以及回用的雨水資源量，既包括社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的利用量，也包括生態(tài)環(huán)境的利用量。本研究服務(wù)于南水北調(diào)后續(xù)工程論證，將其限定于社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中雨水利用替代自來水的量(因為南水北調(diào)工程的水源主要供城市利用)?；诖耍狙芯康挠晁Y源利用潛力是指：以雨水資源為核算對象，計算在可預(yù)見期內(nèi)，南水北調(diào)工程受水區(qū)城市可通過海綿城市的建設(shè)實現(xiàn)的雨水資源對自來水的替代量。計算方法是統(tǒng)計分析已建海綿城市試點和系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)示范城市的雨水資源利用現(xiàn)狀和規(guī)劃雨水利用目標(biāo)，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，分不同氣候區(qū)設(shè)定海綿城市雨水利用替代自來水的比例，包括平均值、上限閾值和下限閾值，進(jìn)而根據(jù)城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒中的城市自來水供水量計算雨水利用潛力。本方法基于海綿城市試點建設(shè)經(jīng)驗，同時考慮了不同區(qū)域的氣候特點，滿足雨水利用潛力計算中的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性要求。

現(xiàn)有的海綿城市雨水利用指標(biāo)主要有兩類：一類是雨水資源替代自來水比例；另一類是雨水資源回用率。前者以城市自來水供水量為基數(shù)，后者以城市建成區(qū)面積上的年降水量為基數(shù)。兩類指標(biāo)通過式(1)，將雨水資源回用率轉(zhuǎn)化為雨水資源替代自來水比例，實現(xiàn)指標(biāo)統(tǒng)一。

Ki=0.1Pi×Si×Ri/Ws,i

(1)

式中:Ki為城市i的雨水資源替代自來水比例指標(biāo)；Ws,i為城市i的年均自來水供水量，萬m3；Pi為城市i的多年平均降雨量，mm；Si為城市i的建成區(qū)面積，km2，Ri為城市i的海綿城市雨水資源回用率指標(biāo)。

由式(1)可知，只要取得各個城市多年平均降雨量、建成區(qū)面積和城市自來水的供水量，就可實現(xiàn)“雨水資源回用率”和“雨水資源替代自來水比例”兩個指標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。表2列出了南水北調(diào)工程受水區(qū)60個城市(東線26個，中線22個，西線15個，東線與中線受水城市重合3個)2018年的建成區(qū)面積以及多年平均降水量，可作為各受水城市海綿試點實施后雨水資源利用率指標(biāo)轉(zhuǎn)換的計算依據(jù)。其中，年平均降雨量數(shù)據(jù)主要來源于中國天氣網(wǎng)關(guān)于城市的氣象數(shù)據(jù)以及地方城市的氣象類網(wǎng)站，建成區(qū)面積數(shù)據(jù)來源于2018年度《城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》。

表2 南水北調(diào)工程各受水城市建成區(qū)面積及年平均降雨量

2.2 雨水資源替代自來水比例

以我國第一、二批國家級海綿城市試點城市以及2021年確定的全國首批國家級海綿城市示范城市的系統(tǒng)化方案作為數(shù)據(jù)源，篩選出在南水北調(diào)工程受水區(qū)內(nèi)及周邊降雨量相當(dāng)?shù)脑圏c和示范城市26個，其中，中、東部地區(qū)19個(表3)，西部地區(qū)7個(表4)。南水北調(diào)工程東、中、西線的受水區(qū)東西跨度大，氣候條件差別較大：中、東部地區(qū)為季風(fēng)氣候區(qū)，降水量較大；西部為大陸性氣候，降水偏少，因此，在“雨水資源替代自來水比例”指標(biāo)分析時分為兩大類。統(tǒng)計分析得到我國中、東部地區(qū)海綿城市建設(shè)目標(biāo)中，雨水資源替代自來水比例均值為6.6%，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，上閾值為8.5%，下閾值為4.8%。西部地區(qū)通過雨水資源回收利用，規(guī)劃實現(xiàn)雨水資源替代自來水比例均值為4.7%，上閾值為7.7%，下閾值為1.6%。各分區(qū)的均值、上下限閾值見圖1。南水北調(diào)工程受水區(qū)內(nèi)城市的雨水資源利用率K根據(jù)其所處地理位置，選擇相應(yīng)的值。上述指標(biāo)確定時主要考慮了城市雨水用途、適宜海綿城市建設(shè)的城區(qū)面積比例等。一般而言，城市雨水替代自來水主要為綠化澆灌和一部分市政雜用。海綿城市雨水資源利用替代自來水的比例上限不宜超過城市綠化澆灌和市政雜用的用水比例。下限主要是考慮到一部分老城區(qū)難以建設(shè)海綿城市，因此雨水收集利用量較少，根據(jù)試點建設(shè)經(jīng)驗做了相應(yīng)的折扣。

表3 中部和東部地區(qū)海綿城市試點、示范城市名單

表4 西部地區(qū)海綿城市試點、示范城市名單

圖1 試點及示范海綿城市雨水資源利用替代自來水的比例統(tǒng)計分析

2.3 雨水資源利用潛力計算結(jié)果

基于雨水資源利用潛力計算方法和雨水資源替代自來水比例等指標(biāo)，可進(jìn)行南水北調(diào)東線、中線和西線工程海綿城市雨水資源利用潛力分析。計算得到各受水城市通過海綿城市建設(shè)。在高、中、低利用水平下各城市的雨水資源利用潛力見表5。南水北調(diào)工程受水區(qū)各城市高、中、低水平下的雨水利用潛力及分布見圖2。

表5 南水北調(diào)工程各受水城市雨水資源利用潛力(中水平)

表5 (續(xù))

圖2 海綿城市建設(shè)下南水北調(diào)工程各受水城市雨水資源利用潛力及分布

京津冀地區(qū)是南水北調(diào)東線工程和中線工程受水區(qū)的重合區(qū)域，且是南水北調(diào)工程受水區(qū)中最重要的城市群區(qū)域，其城市雨水利用潛力受到格外關(guān)注，因此本研究做了專門的統(tǒng)計，得到京津冀地區(qū)受水城市通過海綿城市建設(shè)可利用的雨水資源潛力約為0.94億～1.66億m3/a，見表6。南水北調(diào)工程東、中、西線60個城市的雨水資源利用總體潛力約為3.27億～6.19億m3/a。

表6 京津冀地區(qū)受水區(qū)海綿城市建設(shè)雨水資源利用潛力

統(tǒng)計得到通過海綿城市建設(shè)東線、中線、西線受水城市雨水資源利用潛力見表7。按照2015年國務(wù)院75號文件的要求，到2030年全國80%的建成區(qū)建成海綿城市，并不能使建成區(qū)完全實現(xiàn)海綿城市雨水資源利用，因此以上計算的城市雨水資源利用潛力還需要根據(jù)海綿城市的建設(shè)時序做相應(yīng)的折扣。

表7 東線、中線、西線受水城市雨水資源利用潛力

3 雨水資源利用保證率分析

城市雨水資源受氣象降雨條件影響，具有很大的不確定性。以北京、天津、石家莊、濟(jì)南、太原等城市為相應(yīng)受水區(qū)代表，開展不同水文年條件下東、中、西線受水城市以及京津冀受水城市雨水資源的不確定性分析。對各城市多年的降雨數(shù)據(jù)(1970—2020)進(jìn)行統(tǒng)計和排頻分析，計算得到各城市在不同水文年條件下東線、中線、西線受水城市以及京津冀受水城市通過海綿城市建設(shè)可實現(xiàn)雨水資源利用潛力(中水平)，見表8。

表8 不同水文年南水北調(diào)工程受水區(qū)及京津冀雨水資源利用潛力(中水平)

城市供水保證率是指預(yù)期供水量在多年供水中能夠得到充分滿足的年數(shù)出現(xiàn)的概率。城市供水保證率一般要求較高，居民用水的供水保證率一般在95%以上，公共設(shè)施與居民生活密切相關(guān)，其供水保證率也在95%以上，工業(yè)用水的供水保證率在90%以上。以北京、天津、石家莊、濟(jì)南、太原等城市作為各受水區(qū)典型城市，以各城市1970—2020年的降雨序列作為數(shù)據(jù)源，計算得到各城市滿足雨水利用均值要求的年份的分布圖見圖3，其中,柱狀圖的長短表示超出均值部分的比例，柱狀圖頂格表示超過均值100%，達(dá)到中間線表示超過均值50%。由圖3可見，各城市雨水資源利用的保證率分別為45.1%、51.0%、41.2%、45.1%、47.1%，平均為45.9%，遠(yuǎn)低于城市供水保證率的要求。

圖3 典型城市1970—2020年序列雨水資源利用保證率分析

4 結(jié) 論

城市雨水利用是海綿城市建設(shè)的一個重要考核指標(biāo)，在全球氣候變化和快速城市化的共同作用下，城市洪澇和缺水問題并存，開展海綿城市雨水利用研究十分必要。本文基于國家海綿試點城市和系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)示范城市的科學(xué)調(diào)研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，提出了南水北調(diào)工程受水區(qū)不同氣候區(qū)城市雨水資源替代自來水的比例等指標(biāo)。提出的指標(biāo)被用于南水北調(diào)工程受水區(qū)城市雨水資源利用潛力計算，結(jié)果表明：高、中、低利用水平下南水北調(diào)工程受水區(qū)城市雨水利用的潛力分別為6.19億、4.71億和3.27億m3，典型城市多年平均的供水保證率為45.9%，低于城市供水保證率要求(95%)。綜上所述，南水北調(diào)工程受水區(qū)城市經(jīng)濟(jì)技術(shù)上可利用的雨水資源數(shù)量有限，且不確定性高，保證率低，年際變化大，因此適用于作為城市的補(bǔ)充性水源，而難以作為穩(wěn)定的水源供給。