西北旱區海綿城市建設中雨洪資源量分析

趙逸超，王正中，劉銓鴻，王 羿

(1.西北農林科技大學旱區寒區水工程安全研究中心，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

西北地區是我國干旱問題最嚴重的地區之一，平均年降水量230 mm[1]。干旱缺水嚴重制約著經濟社會的健康發展及生態環境建設。有限的降雨集中在汛期(5月至10月)，并多以雨洪形式流失，特別是造成城市內澇“看海”與干旱缺水并存的旱澇災害并舉現象[2]。隨著西北地區經濟社會高速發展以及城鎮化進程加快，土地利用變化、不透水面增加均對城市暴雨洪水、徑流等產生了很大的影響[3]。城市降雨時以及降雨后一段時間內扣除入滲、蒸發等雨量，剩余在下墊面形成徑流的有可能被人類利用的這部分雨水可稱為雨洪資源。這部分雨洪資源量經過工程措施蓄積、凈化后變為雨水可利用量。雨水可利用量能在一定程度上補充城市供水[4,5]等。

關于城市雨洪資源的計算，可以通過傳統的徑流系數法計算，目前更多的是運用數值模擬方法。SWMM(Storm Water Management Model)是美國EPA (Environmental Protection Agency)開發的動態降雨—徑流模擬軟件，主要用于城市區域徑流水量和水質的單一事件或者長期(連續)模擬[6]。SWMM已在國際上被廣泛用于城市暴雨徑流分析、流域規劃設計等。劉金星[7]、胡偉賢[8]對幾種城市雨洪模型做出分析對比。譚瓊[9]、趙東泉[10]、Lei Yao[11]對數值模擬中不同產匯流模型參數特點進行了研究。周毅[12]對模型參數中寬度參數估算做了詳細介紹。王虹[13]結合GIS與數值模擬從流域尺度研究城市雨洪特征。但大多數研究集中在單個城市內澇模擬或模型參數敏感性分析，對于大范圍雨洪資源的計算很少。

對于干旱缺水的西北地區，海綿城市建設任務與東南地區不同，應突出發展“滲、滯、蓄、凈、用、排”六類低影響開發設施中的“蓄”和“用”，并構建多級雨水收集利用系統，工作重心放在雨洪資源化利用上。如何實現干旱區人水和諧，科學管理和利用城市雨洪資源是旱區城市化建設及海綿城市建設的主要任務。而城市雨洪資源計算是海綿城市建設的基礎任務。為此，本文結合旱區海綿城市建設，運用雨水管理模型SWMM開展對西北地區即陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆五省的汛期雨洪資源量計算以及開發潛力進行初步分析。為西北旱區海綿城市建設任務規模確定以及各城市雨洪資源化利用的規劃提供參考。

1 西北旱區主要城市產流模擬

1.1 SWMM產匯流模型

SWMM模型包含徑流模塊、輸送模塊、擴展輸送模塊和處理/蓄存模塊組成，用戶主要輸入降雨資料、下墊面資料等來模擬產匯流過程。本文主要利用SWMM中降雨徑流模塊，通過連續模擬得到徑流深度，再經計算得出西北旱區主要城市雨洪資源量。

SWMM中模擬過程包括地表產流模擬、地表匯流模擬、管網匯流模擬。其中產流模型是將每個子匯水區分為有洼地不透水區、無洼地不透水區以及透水區。透水區入滲計算由三種入滲模型構成，分別是Horton模型、Green-Ampt模型以及SCS(Soil Conservation Service)模型[14]。其中SCS模型將土地利用類型、土壤條件、植被覆蓋等用一個綜合的CN系數反應，對于降雨過程資料不足，研究面積較大時適用，因此本文選用SCS入滲模型。

地表匯流模擬采用非線性水庫模型，由曼寧方程(1)和連續性方程(2)聯立求解：

(2)

式中：W為子匯水區特征寬度，m；n為曼寧系數；dp為滯蓄水深，m；S為子匯水區坡度；V為子匯水區水量，m3；d為子匯水區地表水深，m；A為子匯水面積，m2；t為降雨時間，s；i為降雨強度，m/s；Q為徑流量，m3/s。

管網匯流模擬有3種方法，恒定流、運動波和動力波。對于長期雨洪資源計算模擬，可采用較為簡單的恒定流法，即假設每一時間步長內流量恒定均勻。

城市徑流特點之一是地面流程短，意味著雨水降落到地面很快流入排水管網中。為了方便起見，本次研究城市降雨可忽略蒸發損失。

1.2 計算參數選取

本文采取直接對遙感影像目視解譯的方式[15]，將研究區域分為耕地、林地、草地、水域、城鎮用地、未利用裸地、道路。其中將城鎮用地及道路、水域定為不透水面積；耕地、林地、草地、裸地定位透水面積。再經逐類統計分析計算得到不透水區比例，不同的子匯水區不透水區比例在20%～85%之間。

子匯水區域面積對應的寬度參數也具有較高的敏感性。根據SWMM手冊給出的定義， 特征寬度=面積/地表漫流長度。本文采用Width=K×SQRT(area) (0.2

子匯水區表面參數根據《SWMM用戶手冊》中給的建議范圍確定。SWMM中定義的土壤類型有四種，西北地區多為B類，例如淺層黃土、砂質壤土，飽和導水率在3.81～7.62 mm/h之間。在確定SCS曲線數時主要根據B類土壤對應曲線數根據遙感圖像中下墊整體情況確定。另外利用SCS曲線數法時還需設置排干時間，合理的范圍在2至14 d，本文假定排干時間為6～7 d。其余參數如曼寧粗糙系數等均參考趙東泉等的研究以及《SWMM用戶手冊》中附件表格參考值確定。

降雨氣象資料來源于中國氣象局氣象數據中心，全西北地區共選取50個氣象站數據。西北旱區在非汛期降水量相對較小，很難形成徑流也很難利用，因此本文僅考慮5到10月的汛期降雨，選取1981-2010年汛期每日平均降雨量，模擬時長確定為5月1日至10月31日共180 d。選取臨近的涇陽站與秦都站降雨資料對比分析。得到涇陽站降雨系列均值比秦都站小3.1%，Cv值相對偏小0.8%，代表性較好。

1.3 模型建立

利用CAD-SWMM軟件間數據交換進行子匯水區建模。在Google Earth中提取遙感影像并獲取地面高程等數據，在CAD中提取出主要匯水區后載入到SWMM中。再根據遙感影像解譯結果輸入各個子匯水區屬性參數。最終共劃分子匯水區368個。圖1、圖2以西安市為例顯示西北旱區主要城市產匯流模型建模過程。

圖1 在Google Earth中提取模型參數Fig.1 Extraction of model parameters in Google Earth

圖2 參數信息導入SWMM模型Fig.2 Import parameters into the SWMM

在劃分子匯水區時，首先根據西安市特點，主要在城市及周圍主要干道、古城墻以及建筑分布特點三方面綜合考慮。在每個子匯水區邊界附近及內部取若干點高程，計算其平均坡度。根據目視解譯的基本方法得到每個子匯水區不透水面積比例，其中貫穿城市的河道、渠道、城市中的人工湖計入透水區面積。城市地表主要考慮瀝青或混凝土，排水管道主要考慮封閉管道分別設置相應曼寧N值。最后根據不同土地利用及土壤分類確定SCS曲線數。

1.4 模擬結果

各城市集雨面積為各子匯水區面積之和，地表徑流深度與降雨量的比值得到徑流系數 ，即：

(3)

式中：S為各城市集雨面積，km2；n為子匯水區數量；Ai為子匯水面積，hm2。

集雨面積與通過模擬得到的地表徑流深度的乘積為城市汛期雨洪資源量，即：

Qi=Yi×Si(i=1,2,…,n)

(4)

式中：Qi為城市汛期雨洪資源量，106m2；通過模型模擬可以得到不同城市降雨地表徑流深度Yi，mm；Si為集雨面積，km2；n為子匯水區數量。

通過模擬得到地表徑流深度Yi(mm)后，與降雨量Xi(mm)的比值可以反推出城市徑流系數α，即：

(5)

表1為具體城市模擬結果。其中各城市的徑流系數有所差別，可以反映出城市化程度不同，徑流系數越大，說明城市化程度更高，屋面路面等硬化程度更高，等降雨量情況下積水可能性也更高。

2 城市汛期雨洪資源量分析與汛期雨洪資源潛力分析

2.1 城市汛期雨洪資源量分析

我們將5月至10月降雨在城市下墊面形成徑流的這部分水量稱為汛期雨洪資源量，這部分潛在水量可以經過工程、非工程措施轉化為水資源供人們使用。

經SWMM模擬計算，從表1可以得出，整體上集雨面積越大，相應的汛期雨洪資源量越多，西北旱區主要城市總集雨面積為3 288.97 km2，汛期雨洪資源量達8.92 億m3。

表1西北旱區主要城市汛期雨洪資源量
Tab.1Rain-floodresourcesinfloodseasoninNorthwesternaridregionsofChina

城市集雨面積/km2雨洪資源量/萬m3徑流系數城市集雨面積/km2雨洪資源量/萬m3徑流系數西安市439．07168150．938固原市38．3612580．869咸陽市104．0340600．927中衛市35．114120．746寶雞市100．5350670．934西寧市112．7637420．922渭南市81．4930940．828海北州69．1927560．840榆林市71．9320040．824海西州57．361850．803銅川市44．9718790．833海南州52．749220．745延安市38．9414600．842海東市48．379860．792安康市38．3323470．888黃南州35．579860．761漢中市35．0523570．965果洛州28．326780．808商洛市25．7712650．856玉樹州7．592850．849蘭州市227．1045900．906烏魯木齊市428．08150600．916白銀市54．467210．754巴音郭楞蒙古自治州101．8922020．875酒泉市50．772970．805克拉瑪依市57．033880．783天水市45．5516990．889喀什地區55．112190．826金昌市40．585900．766阿克蘇地區52．722750．822平涼市38．2714650．913石河子市37．843740．770武威市31．433990．865吐魯番地區32．89250．736慶陽市27．249750．885哈密地區30．91620．645定西市22．698620．887昌吉回族自治州29．743110．846隴南市15．036020．857博爾塔拉蒙古自治州27．752880．731臨夏州8．603470．926和田地區24．10690．874甘南州5．591690．836塔城地區14．401760．853銀川市166．5722740．842克孜勒蘇柯爾克孜自治州9．69510．767石嘴山市99．9511940．790阿勒泰地區7．23670．832吳忠市50．256900．856伊犁30．011540．858

為了便于比較，將汛期雨洪資源量劃分為5個水量分區：大于1 億m3為1區，2 000 萬m3到1 億m3為2區,1 000 萬m3到2 000 萬m3為3區， 200 萬m3到1 000 萬m3為4區，小于200 萬m3為5區。劃分后經過統計可得到表2結果。

1區、2區城市有13個， 1區2區城市雨洪資源十分豐富，開發潛力大；3區和4區城市占總數的大部分，雨洪資源量大小中等，開發潛力適中；而5區城市雨洪資源量相對較小，開發潛力不大。所有城市中2區城市主要集中在陜西省關中地區和陜南地區，其中關中地區的西咸新區已經作為海綿城市試點城市，在之后的海綿城市建設過程中可從其余2區以上城市中優先選擇。其余四省中由分布區域看，寧夏、青海優先建設海綿城市潛力較大，另外省會城市雨洪資源量均較大，可優先作為試點城市。

表2 汛期雨洪資源量水量分區城市分布情況Tab.2 Distribution of water volume partition about rain-flood resources in flood season

2.2 城市汛期雨洪資源供水潛力分析

雨水經過地面匯流后若直接由排水管網出境，是無法被利用的，對于干旱地區，降雨過程相對平緩，雨洪資源可以通過人工措施蓄積利用。汛期雨洪資源供水潛力是指汛期形成的雨洪資源中經過工程措施蓄積處理后供給人們使用的這部分水資源。雨洪資源不可能被完全利用，能達到供水要求的雨洪資源量有限。因此本文假設西北旱區主要城市進行海綿城市建設后雨洪資源量中50%經蓄積處理后可用于生活用水。

結合《中國統計年鑒-2015》中全國水資源情況及供水用水情況進行雨洪資源供水潛力分析。分別從各省2015綜合統計年鑒中統計城鎮人口數，結合《城市給水工程規劃規范(GB50282-98)》中表2.2.4所給定額范圍取平均值得到各城市綜合生活用水總量。按照汛期雨洪資源量的50%計算出汛期雨水供水量。雨水供水量/綜合生活用水量=雨水供水比例。

不同的雨水供水比例能夠反映出汛期雨洪資源供水潛力大小。將供水比例也劃分為不同供水分區：供水比例占40%以上的為A區，占10%～40%的為B區，占5%～10%的為C區，小于5%的為D區。經統計可得表3結果。

其中A區、B區供水潛力較大，很適合建設雨水蓄積利用系統；C區供水比例相對較小，可以建設中等規模的雨水蓄積利用系統；D區則雨水蓄積利用收益不顯著,但也可在一定程度上緩解城市缺水問題。

值得注意的是，城市汛期雨洪資源生活供水比例超過40%的城市只有青海省的海北、黃南、果洛、海南四州，其主要原因是這4個城市的生活用水需求不高。這意味著對于西北旱區海綿城市建設在規劃階段不僅要注重雨洪資源量本身的大小，還要重視供需之間的比例關系。具體來說，就是要同時考慮某個城市水量分區供水分區疊加的結果。圖3為疊加結果示意圖。

表3汛期雨洪資源供水潛力
Tab.3Distributionofwatervolumepartitionaboutrain-floodresourcesinfloodseason

省份城市數量A區B區C區D區陜西0631新疆02112寧夏0230甘肅0255青海4211

圖3 兩種分區疊加結果示意圖Fig.3 The result of superposition of two kinds of partition

其中深色部分很適宜雨洪資源開發潛力高，中間部分開發利用潛力中等，淺色部分開發利用價值不高。同時在水量分區1、2區，供水分區A、B區的城市雨洪資源潛力最大，應首先在建設海綿城市過程中開發。它們包括：西安市、寶雞市、榆林市、安康市、漢中市、西寧市、海北州、烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州。在海綿城市建設時應優先建設雨洪資源易被利用的高潛力區，得到充分的旱區海綿城市建設經驗后再向開發利用難度較高的中、低潛力區發展，形成有順序有層次的發展。

本文主要成果為數值計算成果，與實際情況的雨洪資源量必然存在誤差，用作不同城市間雨洪資源開發潛力相互對比，其結果可供參考。

3 結論與展望

(1)海綿城市建設過程中城市雨洪資源化利用是解決當今水資源供需矛盾的有效手段，尤其對于西北干旱、半干旱地區。它轉變了傳統的治水思路，將雨洪資源化利用，是解決西北旱區城市旱澇并存局面的有效途徑。

(2)西北旱區汛期雨洪資源量約為8.92 億m3，其中新疆1.97 億m3、陜西4.03 億m3(相當于陜西引漢濟渭工程的規劃調水量約1/4)、甘肅1.27 億m3(接近甘肅引洮工程的規劃調水量約1/4)、青海1.05億m3、寧夏0.58 億m3。

(3)在西北旱區海綿城市建設規劃階段應同時考慮當地雨洪資源量和雨洪資源供水潛力，優先選擇高潛力區的城市作為試點，形成有層次和不同側重點的雨洪資源開發。對于西北城市，可從西安市、寶雞市、榆林市、安康市、漢中市、西寧市、海北州、烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州這幾個高潛力城市開始。

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