基于GIS的城鎮雨水利用研究

楊國紅+申亞青+陳新年+李亞嬌

摘 要：隨著城鎮化速率的加快和經濟的高速發展，隨著社會的快速發展和城鎮人口的增長，城鎮面積急劇擴張，城鎮洪澇災害、干旱缺水、水環境惡化問題日益嚴重，緩解水危機刻不容緩。雨水利用是解決水危機的重要途徑。本研究運用GIS技術對石板灘鎮的雨水利用潛力進行了分析研究，并結合各匯水面的特點制定了合理的雨水利用方案。

關鍵詞：雨水利用；GIS；雨水收集潛力

水是生命之源，維系著社會和經濟的發展。但是隨著經濟的快速發展和城市化進程的加快，城鎮開始出現降雨量增多，降雨強度增大[1]，加大了城市排水系統的壓力，城鎮內澇問題日益凸顯。與此同時，隨著城鎮人口的增長、生活水平的提高和水環境污染問題的加劇，許多城市面臨著水資源短缺的問題。對雨水進行收集利用是解決這些問題最直接、最有效的途徑。雨水中的污染物質主要是大顆粒的無機污染物[2]，易于凈化處理。同時，雨水作為自然水體循環的重要參與者，其資源化利用可以加強雨水的土壤入滲能力，提升地下水水位，還可以提高城市排洪系統的可靠性，減少城市洪澇災害的發生。因此，雨水的資源化利用對城鎮的可持續發展具有非常重要的意義。

目前，雨水的收集利用已成為全球研究的熱點問題。Erwin[3]研究了來自屋面、庭院和交通流量較少的道路雨水，結果表明這類雨水的污染較輕，只需簡單的好氧生物處理和紫外消毒就可使用。Handia[4]等分析了贊比亞的雨水水質，結果表明雨水水質較好，不經處理或經簡單處理后便可使用。Enedir[5]等分析了巴西東南部195個城鎮的雨水收集潛力，結果表明雨水收集利用平均可節約41%的市政用水量。雨水利用工程是多途徑、多層次的系統工程，與當地多種地理信息因素密切相關，例如降雨量、下墊面情況、土地利用狀況等。必須全面的考慮相關因素，才能做出合理的規劃。其中最重要的因素是城市雨水降雨量及其可利用量，研究雨水的利用潛力是開展城市雨水資源化利用的基礎。本研究以成都市石板灘鎮為研究對象，以GIS（Geographical Information System）為分析平臺充分發揮GIS的空間數據的分析和處理功能，對多個因素進行全面分析，對該區域雨水利用潛力進行計算，并結合各匯水面特點制定合理的雨水利用方案。

1 城鎮雨水收集利用潛力估算

1.1 研究區概況與數據來源

成都市位于我國西南部，由平原和部分臺地構成。成都市屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，四季分明，無霜期長，雨量充沛、日照較少。石板灘鎮位于成都市新都區的東部中心，是成都市市級重點鎮，屬于工業型城鎮。用地規模5.23平方公里，人口4萬人。本研究所需的降雨資料從成都市氣象局網站得到，土地利用規劃圖從《成都市新都區區域總體規劃》（2007-2020）中得到。

1.2 降雨量特征分析

根據《建筑與小區雨水利用工程技術規范》（GB50400-2006）[6]的要求，降雨量應該根據近10年以上降雨量資料確定，本研究對成都市1971-2000年逐月降雨量資料進行統計分析，其結果見表1。

從表1可以看出，成都市降雨主要集中在夏秋季節，5至9月份降雨量大，占全年降雨總量的83.9%，并且以7、8月份最多，占全年降雨量的49%。而冬季降雨稀少，整個季節僅占全年降雨量的4. 67%。由此可見，成都市的降雨年內分布極為不均，對雨水資源進行集蓄利用將很大程度的減少城市內澇和干旱的發生。而且成都市年平均降雨量為870.2mm，根據《建筑與小區雨水利用工程技術規范》（GB50400-2006）[6]，適宜進行雨水收集利用。

1.3 下墊面分類

由于地表特征的不同，硬化程度不同的匯水面雨水下滲量不同，所以不同下墊面類型的匯水面所產生的徑流量也不同[6]。本研究根據不同的土地利用類型將下墊面劃分為以下8類：Ⅰ類，工業用地，包括廠房、車間、員工食堂等；Ⅱ類，物流用地，包括停車場，倉庫，辦公樓等；Ⅲ類，城鎮建設用地，包括居民區、商業區、學校、醫院、企事業單位等；Ⅳ類，生態用地，包括花園、綠化帶、公園、植物園等；Ⅴ類，水域，包括河流、人工湖等；Ⅵ類，道路，包括公路、城鎮街道、廣場等；Ⅶ類，遠景規劃，目前多為裸露地面；Ⅷ類，其他用地，包括荒地和農田等。

把石板灘鎮的規劃圖轉換為GIS的數據格式，各類型土地利用分布圖如圖1所示。利用GIS軟件的空間分析功能得到各土地利用類型的匯水面面積，結果見表2。

圖1 石板灘鎮各類匯水面分布圖

表2 各類型匯水面面積

1.4 降雨徑流系數

文章所估算的雨水利用潛力是指降雨所產生的徑流量。根據《建筑與小區雨水利用工程技術規范》（GB50400-2006）[6]中規定本研究采用的各種匯水面的降雨徑流系數見表3。

表3 各匯水面降雨徑流系數

1.5 石板灘鎮雨水利用潛力估算

大氣降水是各種形式水資源總的補給來源，因此降雨總量指一個流域或封閉區域內水資源量的最大值，可用以下公式（1）計算得出：

W0=H×A×10-3 （1）

式（1）中，W0為降雨總量（m3），H為年平均降水量（mm），A為匯水面積（m2）。

由于自然條件和技術經濟水平的限制，一個封閉區域內的降雨總量不可能完全被收集利用，即可收集利用雨水量一定會小于降雨總量，區域內理論可收集雨水總量按下式估算：

W1=？追×H×A×10-3 （2）

式（2）中，W1為理論可收集雨水量（m3），Ψ為徑流系數。

實際上降雨的季節分布很不均勻，在計算可收集雨水量時就需要考慮降雨的季節折減系數。另外，由于環境污染問題的存在，初期徑流雨水污染較重，需要進行初期雨水棄流。但對于河流、人工湖等水體來說不用考慮這兩方面的影響。實際可收集雨水量按下式估算：endprint

W2=？追×H×A×？琢×？茁×10-3 （3）

式（3）中，W2為實際可收集雨水量（m3），α為初期棄流系數，β為季節折減系數。根據前面降雨量分析得到成都市年平均降雨量為870mm；β取0.84，因為降雨主要集中在夏秋兩季，5月至9月降雨量大，占全年總降雨量的84%；α=1-初期雨量×年平均降雨次數/年平均降雨量，由此可得成都市初期棄流系數為0.67。實際可收集雨水量計算結果見表4。

石板灘鎮共4萬人，在《成都市新都區區域總體規劃》（2007-2020）中石板灘鎮的人口綜合用水量定額按400L/（cap.d）取值，由此可得石板灘鎮一年總用水量為5.84×106m3。從表4中可以看出，石板灘鎮年降雨總量多達4.6×106m3，理論可收集雨水量為2.7×106m3，而實際可收集的雨水量為1.6×106m3，分別相當于年用水總量的79%、46%和26%，雨水收集利用潛力巨大。如果能把可收集的雨水充分收集利用不僅可減少自來水的用水量，還有利于減少城市內澇的發生，對緩解水資源問題起著非常重要的作用。

2 石板灘鎮雨水收集利用方法分析研究

雨水利用應該盡量不破壞原有的水網結構，充分的利用有利條件。不同類型的匯水面要根據不同的地表特征以及可收集雨水量，進行綜合考慮，因地制宜選擇合適的雨水利用方案對雨水進行收集利用。城市雨水資源化利用應以就地利用為主，在降低利用成本的基礎上力求使雨水充分利用起來。

對于水域除了要考慮雨水的手機利用外還要考慮城市的防洪。而下凹式綠地和蓄水池不僅可以蓄集利用雨水，還可以消減洪峰流量。因此應該在河流兩側建蓄水池對雨水進行收集利用，另外應把河流附近的生態用地改為下凹式綠地，進一步加強削峰蓄洪的作用。城鎮建設用地、物流用地和工業用地集雨面主要是屋面，可收集雨水量大且水質較好，最好設置屋頂水箱對雨水進行收集，并就近利用。收集的雨水可用于生活雜用水、綠化用水和工業用水。

道路的徑流系數比較大，但是路面雨水受污染程度一般較高，收集的雨水多用于沖洗道路和綠化。同時道路兩側的生態用地和綠化帶可以建成集水明溝和下凹式綠地，在集水明溝內種植耐水淹的景觀植物。這樣不僅可以增加雨水入滲補充地下水，還可以攔截雨水中的雜質降低受污染的水進入河流造成面源污染的可能。生態用地是一種天然的滲透設施，為了進一步增加雨水入滲量應盡量建成下凹式綠地，即增加了雨水入滲量也起到了蓄集雨水的作用。

3 結束語

雨水資源化利用可以有效的解決城市水資源短缺的問題，同時能夠起到緩解城市內澇和防止面源污染的作用，對城鎮可持續發展具有重要意義。雨水收集利用是一個與當地降雨特點、下墊面情況、土地利用類型等地理信息參數密切相關的多途徑、多層次的系統工程，利用GIS在空間數據采集與處理方面的強大功能，可大大提高雨水收集與利用效益。

本研究文章以成都市石板灘鎮為研究區域，根據土地利用類型將匯水面劃分為工業用地、物流用地、城鎮建設用地、生態用地、水域、道路、遠景規劃和其他用地8類，并以GIS為分析平臺，估算出每種類型匯水面的面積和石板灘鎮的雨水收集潛力。結果表明，該鎮實際可收集的雨水量為1.6×106m3，相當于該鎮全年用水總量的26%。同時，本研究通過對不類型的匯水面進行綜合分析，提出了各匯水面的雨水利用方式。

參考文獻

[1]辛格（V·P·Singh）.水文系統流域模擬[M].趙衛民等譯.鄭州：黃河水利出版社，2000.

[2]劉寶山.城市小區雨水利用的研究[D].天津：天津大學，2008.

[3]Erwin Nolde. Possibilities of rainwater utilization in densely populated areas including precipitation runoffs from traffic surfaces [J].Desalination，2007，215（1）：l-11.

[4]L.Handia，J.M.Tembo，C.Mwiindwa. Potential of rainwater harvesting in urban Zambia [J].Physics and Chemistry of the Earth，2003，28（20）：893-896.

[5]E Ghisi，D.L.Bressan，M.Martini.Rainwater tank capacity and potential for potable water savings by using rainwater in the residential sector of southeastern Brazil[J].Building and Environment，2006，42（4）：1654-1666.

[6]中華人民共和國建設部.GB50400-2006.建筑與小區雨水利用工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

通訊作者：楊國紅（1981-），女，河南南陽人，博士，講師。endprint

W2=？追×H×A×？琢×？茁×10-3 （3）

式（3）中，W2為實際可收集雨水量（m3），α為初期棄流系數，β為季節折減系數。根據前面降雨量分析得到成都市年平均降雨量為870mm；β取0.84，因為降雨主要集中在夏秋兩季，5月至9月降雨量大，占全年總降雨量的84%；α=1-初期雨量×年平均降雨次數/年平均降雨量，由此可得成都市初期棄流系數為0.67。實際可收集雨水量計算結果見表4。

石板灘鎮共4萬人，在《成都市新都區區域總體規劃》（2007-2020）中石板灘鎮的人口綜合用水量定額按400L/（cap.d）取值，由此可得石板灘鎮一年總用水量為5.84×106m3。從表4中可以看出，石板灘鎮年降雨總量多達4.6×106m3，理論可收集雨水量為2.7×106m3，而實際可收集的雨水量為1.6×106m3，分別相當于年用水總量的79%、46%和26%，雨水收集利用潛力巨大。如果能把可收集的雨水充分收集利用不僅可減少自來水的用水量，還有利于減少城市內澇的發生，對緩解水資源問題起著非常重要的作用。

2 石板灘鎮雨水收集利用方法分析研究

雨水利用應該盡量不破壞原有的水網結構，充分的利用有利條件。不同類型的匯水面要根據不同的地表特征以及可收集雨水量，進行綜合考慮，因地制宜選擇合適的雨水利用方案對雨水進行收集利用。城市雨水資源化利用應以就地利用為主，在降低利用成本的基礎上力求使雨水充分利用起來。

對于水域除了要考慮雨水的手機利用外還要考慮城市的防洪。而下凹式綠地和蓄水池不僅可以蓄集利用雨水，還可以消減洪峰流量。因此應該在河流兩側建蓄水池對雨水進行收集利用，另外應把河流附近的生態用地改為下凹式綠地，進一步加強削峰蓄洪的作用。城鎮建設用地、物流用地和工業用地集雨面主要是屋面，可收集雨水量大且水質較好，最好設置屋頂水箱對雨水進行收集，并就近利用。收集的雨水可用于生活雜用水、綠化用水和工業用水。

道路的徑流系數比較大，但是路面雨水受污染程度一般較高，收集的雨水多用于沖洗道路和綠化。同時道路兩側的生態用地和綠化帶可以建成集水明溝和下凹式綠地，在集水明溝內種植耐水淹的景觀植物。這樣不僅可以增加雨水入滲補充地下水，還可以攔截雨水中的雜質降低受污染的水進入河流造成面源污染的可能。生態用地是一種天然的滲透設施，為了進一步增加雨水入滲量應盡量建成下凹式綠地，即增加了雨水入滲量也起到了蓄集雨水的作用。

3 結束語

雨水資源化利用可以有效的解決城市水資源短缺的問題，同時能夠起到緩解城市內澇和防止面源污染的作用，對城鎮可持續發展具有重要意義。雨水收集利用是一個與當地降雨特點、下墊面情況、土地利用類型等地理信息參數密切相關的多途徑、多層次的系統工程，利用GIS在空間數據采集與處理方面的強大功能，可大大提高雨水收集與利用效益。

本研究文章以成都市石板灘鎮為研究區域，根據土地利用類型將匯水面劃分為工業用地、物流用地、城鎮建設用地、生態用地、水域、道路、遠景規劃和其他用地8類，并以GIS為分析平臺，估算出每種類型匯水面的面積和石板灘鎮的雨水收集潛力。結果表明，該鎮實際可收集的雨水量為1.6×106m3，相當于該鎮全年用水總量的26%。同時，本研究通過對不類型的匯水面進行綜合分析，提出了各匯水面的雨水利用方式。

參考文獻

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[2]劉寶山.城市小區雨水利用的研究[D].天津：天津大學，2008.

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[4]L.Handia，J.M.Tembo，C.Mwiindwa. Potential of rainwater harvesting in urban Zambia [J].Physics and Chemistry of the Earth，2003，28（20）：893-896.

[5]E Ghisi，D.L.Bressan，M.Martini.Rainwater tank capacity and potential for potable water savings by using rainwater in the residential sector of southeastern Brazil[J].Building and Environment，2006，42（4）：1654-1666.

[6]中華人民共和國建設部.GB50400-2006.建筑與小區雨水利用工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

通訊作者：楊國紅（1981-），女，河南南陽人，博士，講師。endprint

W2=？追×H×A×？琢×？茁×10-3 （3）

式（3）中，W2為實際可收集雨水量（m3），α為初期棄流系數，β為季節折減系數。根據前面降雨量分析得到成都市年平均降雨量為870mm；β取0.84，因為降雨主要集中在夏秋兩季，5月至9月降雨量大，占全年總降雨量的84%；α=1-初期雨量×年平均降雨次數/年平均降雨量，由此可得成都市初期棄流系數為0.67。實際可收集雨水量計算結果見表4。

石板灘鎮共4萬人，在《成都市新都區區域總體規劃》（2007-2020）中石板灘鎮的人口綜合用水量定額按400L/（cap.d）取值，由此可得石板灘鎮一年總用水量為5.84×106m3。從表4中可以看出，石板灘鎮年降雨總量多達4.6×106m3，理論可收集雨水量為2.7×106m3，而實際可收集的雨水量為1.6×106m3，分別相當于年用水總量的79%、46%和26%，雨水收集利用潛力巨大。如果能把可收集的雨水充分收集利用不僅可減少自來水的用水量，還有利于減少城市內澇的發生，對緩解水資源問題起著非常重要的作用。

2 石板灘鎮雨水收集利用方法分析研究

雨水利用應該盡量不破壞原有的水網結構，充分的利用有利條件。不同類型的匯水面要根據不同的地表特征以及可收集雨水量，進行綜合考慮，因地制宜選擇合適的雨水利用方案對雨水進行收集利用。城市雨水資源化利用應以就地利用為主，在降低利用成本的基礎上力求使雨水充分利用起來。

對于水域除了要考慮雨水的手機利用外還要考慮城市的防洪。而下凹式綠地和蓄水池不僅可以蓄集利用雨水，還可以消減洪峰流量。因此應該在河流兩側建蓄水池對雨水進行收集利用，另外應把河流附近的生態用地改為下凹式綠地，進一步加強削峰蓄洪的作用。城鎮建設用地、物流用地和工業用地集雨面主要是屋面，可收集雨水量大且水質較好，最好設置屋頂水箱對雨水進行收集，并就近利用。收集的雨水可用于生活雜用水、綠化用水和工業用水。

道路的徑流系數比較大，但是路面雨水受污染程度一般較高，收集的雨水多用于沖洗道路和綠化。同時道路兩側的生態用地和綠化帶可以建成集水明溝和下凹式綠地，在集水明溝內種植耐水淹的景觀植物。這樣不僅可以增加雨水入滲補充地下水，還可以攔截雨水中的雜質降低受污染的水進入河流造成面源污染的可能。生態用地是一種天然的滲透設施，為了進一步增加雨水入滲量應盡量建成下凹式綠地，即增加了雨水入滲量也起到了蓄集雨水的作用。

3 結束語

雨水資源化利用可以有效的解決城市水資源短缺的問題，同時能夠起到緩解城市內澇和防止面源污染的作用，對城鎮可持續發展具有重要意義。雨水收集利用是一個與當地降雨特點、下墊面情況、土地利用類型等地理信息參數密切相關的多途徑、多層次的系統工程，利用GIS在空間數據采集與處理方面的強大功能，可大大提高雨水收集與利用效益。

本研究文章以成都市石板灘鎮為研究區域，根據土地利用類型將匯水面劃分為工業用地、物流用地、城鎮建設用地、生態用地、水域、道路、遠景規劃和其他用地8類，并以GIS為分析平臺，估算出每種類型匯水面的面積和石板灘鎮的雨水收集潛力。結果表明，該鎮實際可收集的雨水量為1.6×106m3，相當于該鎮全年用水總量的26%。同時，本研究通過對不類型的匯水面進行綜合分析，提出了各匯水面的雨水利用方式。

參考文獻

[1]辛格（V·P·Singh）.水文系統流域模擬[M].趙衛民等譯.鄭州：黃河水利出版社，2000.

[2]劉寶山.城市小區雨水利用的研究[D].天津：天津大學，2008.

[3]Erwin Nolde. Possibilities of rainwater utilization in densely populated areas including precipitation runoffs from traffic surfaces [J].Desalination，2007，215（1）：l-11.

[4]L.Handia，J.M.Tembo，C.Mwiindwa. Potential of rainwater harvesting in urban Zambia [J].Physics and Chemistry of the Earth，2003，28（20）：893-896.

[5]E Ghisi，D.L.Bressan，M.Martini.Rainwater tank capacity and potential for potable water savings by using rainwater in the residential sector of southeastern Brazil[J].Building and Environment，2006，42（4）：1654-1666.

[6]中華人民共和國建設部.GB50400-2006.建筑與小區雨水利用工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

通訊作者：楊國紅（1981-），女，河南南陽人，博士，講師。endprint