城市雨水利用量的研究

姜秀丽，武晓峰

（1.北京市昌平区水务局，102200，北京；2.清华大学研究生院，100084，北京）

当前，水资源短缺和城市雨洪问题在我们国家的许多城市同时存在，这些问题同时影响和制约着城市的进一步发展。实施城市雨水利用工程是充分利用水资源、修复城市生态环境、解决城市排水和防洪问题的重要措施。

为了城市雨水利用工程的进一步完善，有一些问题尚需要探讨：城市需要建设雨水利用工程，但是城市雨水利用量的最大潜力是多少？解决雨水问题和生态问题，城市雨水利用工程至少应该利用多少雨水？雨水利用工程对雨水利用的程度有多大？基于对上述问题的思考，提出了城市雨水利用量的最大潜力值、参考值和雨水利用程度这些概念，并进行了案例研究。

一、城市雨水利用量最大潜力值的定义和计算方法

城市建成后无雨水利用工程状态下的降雨径流量定义为城市雨水利用量的最大潜力值。城市建成之前，城市下垫面具有一定的径流系数，降雨之后产生径流。城市建成之后，建筑物和硬化道路等不透水面积增加，透水面积相应减少，如果没有实施雨水利用工程，此时的径流系数就会增大到一定数值，降雨径流量也随之增大到一定数值；如果实施城市雨水利用工程，最多可以利用的雨水量就是此时的降雨径流量数值，因此称之为城市雨水利用量的最大潜力值。

城市雨水利用量最大潜力值的计算公式为：

式中，Wmax为城市雨水利用量的最大潜力值，m3；0.001 为单位换算系数；α1为多年平均降雨条件下，城市建成后，在无雨水利用措施时城市降雨径流系数；P为研究区多年平均年降雨量，mm；F 为研究区域的面积，m2。

二、城市雨水利用量参考值的定义和计算方法

城市建成之后、在无雨水利用工程的情况下，相对于建成之前所增加的降雨径流量定义为城市雨水利用量的参考值。

在城市建成之前，下垫面一般是自然土壤和植被，或者是农田，降雨很容易被植物吸收或者入渗土壤形成地下水，降雨径流系数和径流量都比较小，生态系统处于比较稳定的状态。城市建成之后，由于不透水面积增加，降雨径流系数和径流量都会相应增加，如果没有城市雨水利用工程，这些增加的降雨径流会给城市带来一些问题，例如：这些径流无法渗透到土壤当中，无法回补地下水，就会造成地下水水位的下降及其相关的生态环境问题；当这些径流排出不畅时，就会产生地面积水，影响城市交通和生活环境；为了排出这些径流，需要投资建设城市排水管线，增加了城市的运行和管理成本；在当前水资源紧缺的形势下，这些径流没有得到充分的利用就被排放出境，也加剧了水资源紧缺的形势。

实施城市雨水利用工程的目的正是为了解决以上问题。为了保证城市雨水利用工程能够实现这些目标，应该尽量把城市建成之后比建成之前增加的降雨径流量加以利用，尽量使降雨径流量恢复到城市建成前的数值，保证城市生态环境的健康和城市的发展。因此，城市建成之后比建成之前增加的降雨径流量定义为城市雨水利用量的参考值。

城市雨水利用量的参考值的计算公式为：

式中，W0为城市雨水利用量的参考值，m3；α0为多年平均降雨条件下，城市建成前的降雨径流系数。

三、案例研究

本文选取的工程案例是北京市某单位办公区域的雨水利用工程。这项工程采用的雨水利用措施主要是透水地面、下凹绿地、景观水池、渗透式雨水收集装置和蓄水池。

在城市雨水利用量的最大潜力值和参考值计算中用到的最重要的参数就是降雨径流系数。需要了解研究区的土地利用状况，确定研究区建成前的降雨径流系数，然后采用HYDRUS改进模型HYrunoff计算求得研究区建成后、无雨水利用工程状态下的降雨径流系数，计算得到研究区的雨水利用量的最大潜力值和参考值。再通过雨水利用量计算雨水利用程度。

1.研究区土地利用状况

研究区总面积12961.86m2。在办公区域建成前全部为农田。办公区域建成之后，在雨水利用工程实施之前，研究区的透水面积为水平绿地面积，共计4587.23m2；不透水面积为建筑物占地和地面面积之和，共计8374.63m2。雨水利用工程将3144.83m2的不透水地面改造为透水地面，将4569.23m2的水平绿地全部改造为下凹式绿地。在雨水利用工程实施之后，研究区的透水面积为透水地面和绿地面积之和，共计7714.06m2；不透水面积为建筑物占地和不透水地面之和，共计5229.80m2。

2.研究区雨水利用措施

（1）安装雨水收集装置

雨水收集装置分为渗透式和无渗透式两种。无渗透式装置只有雨水输送功能，而渗透式装置具有雨水渗透和输送两种功能。渗透式雨水收集管道的管壁开孔率为3%，渗透管道外网包裹碎石和土工布，如图1和图2所示，这样的管道使部分雨水渗入土壤，将另一部分没有入渗的雨水收集汇入蓄水池。

安装集水渗透雨水井 （图3）、渗透式雨水口（图4）和渗透式树脂线性排水沟（图5），开孔率 3%，具有收集渗透功能，有一定沉沙容积。

（2）铺设透水地面

铺设透水地面3144.83m2，主要位于停车场和人行道。透水地面的纵剖面自下而上包括基层、透水混凝土垫层、细石透水混凝土找平层和陶瓷透水硅砂砖4部分。

（3）安装地下蓄水池

这是一种由塑料模块组合而成的蓄水池，如图6所示，容积160m3，蓄水池进水池与雨水收集管道的终端连接，出水口安装潜水泵。

（4）铺设雨水回用管道

雨水回用管道（图7）和蓄水池的潜水泵连接，向绿地、景观水池和洗车房供水，对雨水进行利用。

（5）修建景观水池

景观水池占地面积18m2，体积11m3，养殖观赏鱼，种植少量水草。景观水池可以直接收集各时段降雨；当降雨不足时，从蓄水池调水补充。

（6）绿地改造

将原有的水平绿地改建为下凹式绿地，面积4569.23m2，并安装雨水喷灌系统，雨水不足时，喷灌系统可接入备用自来水水源。

3.研究区建成前后的降雨径流系数的确定

研究区在建成之前，该地区为普通农田，依据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》对径流系数的规定，确定研究区建成前的降雨径流系数α0取 0.15。

根据研究区的土地利用状况和北京市1956—2001年逐日降雨系列资料，应用清华大学水文水资源研究所研发的HYrunoff模型，计算得到在无雨水利用措施的情况下研究区建成后的多年平均降雨径流系数α1为0.601。

4.计算研究区雨水利用量的最大潜力值和参考值

根据北京市1956—2001年逐日降雨系列资料，统计得到多年平均年降雨量为600.14 mm，研究区面积为12961.86m2，研究区建成后的多年平均降雨径流系数α1为0.601，将数据代入公式（1），计算出研究区雨水利用量的最大潜力值 Wmax＝4675.14m3。

研究区建成前的降雨径流系数α0已经确定为0.15，将数据代入公式（2），计算出研究区雨水利用量的参考值 W0＝3508.30m3。

四、对工程案例的雨水利用量程度进行分析

经过计算，在工程案例中，透水地面平均每年雨水渗透量W1为290.65m3，下凹绿地平均每年雨水渗透量W2为101.46m3，景观水池平均每年拦蓄雨水量W3为10.8m3，渗透式雨水收集装置的雨水渗透量W4为105.64m3，地下蓄水池的雨水利用量W5为3217.76m3，相加得到整个雨水利用工程平均每年的雨水利用量Wt为3726.31m3。

工程的实际雨水利用量是各种雨水利用措施平均每年雨水利用量之和，是一个绝对的数量概念。在此提出一个相对的概念：城市雨水利用工程的雨水利用程度。

城市雨水利用工程的雨水利用程度分为两种：

一种是相对于雨水利用参考值的雨水利用程度，即工程的实际雨水利用量占雨水利用量参考值的百分比，记作C1，计算公式如下：

式中，C1为相对于雨水利用量参考值的雨水利用程度，%；Wt为城市雨水利用工程的实际雨水利用量，m3。

将本工程的实际雨水利用量3726.31m3和研究区雨水利用量的参考值 3508.30m3代入公式（3），计算得出本工程相对于雨水利用量参考值的雨水利用程度C1为106.21%。说明雨水利用工程已经有效地利用了雨水资源，同时使研究区建成后的降雨径流量已经略小于建成前的降雨径流量。

另一种是相对于雨水利用量最大潜力值的雨水利用程度，即工程的实际雨水利用量占雨水利用量最大潜力值的百分比，记作C2，计算公式如下：

式中，C2为相对于雨水利用量最大潜力值的雨水利用程度，%。

将工程案例的实际雨水利用量3726.31m3和研究区雨水利用最大潜力值 4675.14m3代入公式（4），计算得出本工程相对于雨水利用量最大潜力值的雨水利用程度C2为79.70%。说明工程的雨水利用量还有一定潜力可挖，如果雨水利用量更多，例如通过增加洗车房和绿地灌溉利用雨水的量来增加蓄水池的雨水利用量，整个工程的雨水利用程度还会有一定程度的提高。

[1]建筑与小区雨水利用工程技术规范（GB 50400-2006）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]陈少颖.城市雨水资源利用潜力及评价方法研究[D].硕士学位论文，2009.