呼倫貝爾學(xué)院校園雨洪利用潛力分析

艾鳳巍 任賓賓

(呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

一、研究區(qū)概況及研究方法

(一)研究區(qū)概況

呼倫貝爾學(xué)院位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部呼倫貝爾市海拉爾區(qū)，大興安嶺西麓，伊敏河畔，屬于溫帶大陸性半干旱的季風(fēng)氣候。年平均氣溫-1.9℃，年平均最高氣溫0.1℃，年平均最低氣溫為-4.1℃，平均年較差為42.0℃-48.0℃。降水量季節(jié)變化大、年際變化大，降水集中于夏季。絕對(duì)濕度的年變化與溫度變化相一致，冬季1、2月最小，夏季7、8月最大。相對(duì)濕度全年平均為68%，冬季最高，75.4%；春季最低，達(dá)53%；12月最高，達(dá)79%；5月最低，達(dá)47%。全年平均蒸發(fā)量為1261.3mm，1月蒸發(fā)量最小，為4.8mm；5月蒸發(fā)量最大，為253.6mm；冬季蒸發(fā)量最小，春夏季蒸發(fā)量大。

研究區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型可以大體分為三類(lèi)，綠地、硬地和建筑用地。其中，綠地所占的比重較少，大部分是建筑用地和硬地。研究區(qū)域占地面積為1132200 m2，其中建筑面積279823.8m2，占總面積的24.7%；硬地面積為779100.2m2，占校園總面積的68.8%；綠化面積為73276m2，占校園總面積的6.5%，可見(jiàn)研究區(qū)生態(tài)用地面積較小。

(二)資料來(lái)源及研究方法

1.資料來(lái)源

(1)降水量資料來(lái)源

根據(jù)海拉爾區(qū)氣象局1956-2015年的各月降水量記錄，計(jì)算得出該區(qū)域各月及年降水量的平均值，以便進(jìn)行降水特性分析。

(2)呼倫貝爾學(xué)院土地利用現(xiàn)狀

呼倫貝爾學(xué)院各類(lèi)土地面積的資料來(lái)源于2015年《呼倫貝爾學(xué)院校舍建筑面積分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表》[1]，從表中分出了三類(lèi)土地利用類(lèi)型，即綠地、建筑、硬地。根據(jù)建筑材料特征，確定建筑用地和硬地的徑流系數(shù)，參考北方干旱地區(qū)綠地徑流系數(shù)[2]，以便計(jì)算各類(lèi)土地所產(chǎn)生的地表徑流，進(jìn)而估算出雨水利用潛力。

(3)排水設(shè)施資料

排水資料來(lái)源主要以呼倫貝爾學(xué)院后勤集團(tuán)相關(guān)部門(mén)調(diào)查數(shù)據(jù)所得，學(xué)院室外排水井共220口，平均容量1000m3。

2.研究方法

根據(jù)呼倫貝爾市海拉爾區(qū)降水特性以及土地利用類(lèi)型的下滲率，不考慮降水時(shí)段蒸發(fā)量的前提下，分別計(jì)算出綠地、硬地、建筑用地產(chǎn)生的地表徑流量，即為雨水資源的可利用量。雨水徑流量公式如下：

W=α*β*ψ*Η*Α

式中：W——可收集水量；

α——季節(jié)折減系數(shù)，取0.85；

β——初期其流系數(shù)，取0.87；

ψ——徑流系數(shù)；混凝土和瀝青路面等不透水表面一般取0.9，綠地表面一般取0.15；

H——多年平均年降雨量；

A——匯流面積。

二、研究區(qū)雨洪利用潛力分析

(一)降水及徑流特性分析

1.降水特性分析

海拉爾區(qū)的年平均降水量為351.1mm，年內(nèi)降水量分配極不均勻(圖1)。其中，春季平均降水量14.9mm，占年降水量4.2%；夏季平均降水量235mm，占年降水量的66.9%；秋季平均降水量57.5mm，占年降水量的16.4%；冬季平均降水量13.8mm，占年降水量的3.9%。5～10月，降水形式以降雨為主，10月至次年4月降水形式以降雪為主。

年際變化大是海拉爾區(qū)降水量的顯著特征，即降水相對(duì)變率大。最高年降水量達(dá)541.8mm(1990年)，最低年降水量為124.5mm(1986年)。最高年與最低年降水量相差417.3mm，最高年降水量是最低年的4.35倍。年降水量的相對(duì)變率14%，春季48%，夏季20%，秋季45%，冬季37%。植物生長(zhǎng)期降水變率為16%。

圖1 年內(nèi)降水量特征

2.徑流特性分析

校園地表可分為透水區(qū)域和不透水區(qū)域兩種。不透水區(qū)域包括建筑屋頂、混凝土地面、鋪裝道路、鋪裝停車(chē)場(chǎng)等。透水區(qū)域包括草地、農(nóng)田和泥土地等[3]。降落在地面的雨水除去各種損失以后，沿地面、屋面以及道路邊溝進(jìn)行流動(dòng)，一般由雨水口排入排水管道。從地表類(lèi)型來(lái)看，存在大量的不透水域區(qū)，如屋頂、混凝土路面、不透水地磚人行道、柏油路等，也有各種類(lèi)型的透水區(qū)，如綠化帶。呼倫貝爾學(xué)院校園各種用地具體分布見(jiàn)表1。

表1 呼倫貝爾學(xué)院校園用地類(lèi)型分布及下滲率統(tǒng)計(jì)表

這一過(guò)程中，不同的土地利用類(lèi)型就形成了不同的產(chǎn)流。產(chǎn)流過(guò)程是指流域中各個(gè)徑流成分的生成過(guò)程，也是流域下墊面對(duì)降雨的再分配過(guò)程。產(chǎn)流實(shí)質(zhì)上是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水和輸水特性的下墊面土層中垂向運(yùn)行時(shí)，“供水與下滲”一組矛盾相互作用的產(chǎn)物[4]。有供水而無(wú)下滲，例如，雨水降在全不透水的巖石面上，沒(méi)有下滲過(guò)程，產(chǎn)流過(guò)程表現(xiàn)為匯流過(guò)程。研究區(qū)域內(nèi)，建筑的下滲率為0，從而不會(huì)形成產(chǎn)流，直接參與匯流過(guò)程；有供水，有下滲，則不僅存在產(chǎn)流問(wèn)題，同時(shí)也存在不同成分的徑流生成問(wèn)題和不同量的時(shí)間分配問(wèn)題。研究區(qū)域內(nèi)綠地和硬地，由于下滲率的不同，徑流產(chǎn)生的快和慢、徑流的大小也會(huì)不同。產(chǎn)流的速率和地表徑流量的大小，均表現(xiàn)為綠地<硬地<建筑。下滲率不同的土地利用類(lèi)型，所產(chǎn)生的徑流量也不同。

(二)可利用量分析

可收集的雨水資源量根據(jù)計(jì)算出的道路、屋面、綠地等的面積，查其徑流系數(shù)，根據(jù)呼倫貝爾市的多年平均年降雨量，進(jìn)行計(jì)算。

表2 研究區(qū)降雨徑流潛力計(jì)算結(jié)果

從表2中我們可以看出，不同的土地利用類(lèi)型所產(chǎn)生的降雨徑流潛力也不同，從而可利用量也會(huì)不同。在不考慮蒸發(fā)量的前提下，建筑用地由于下滲率為0，所產(chǎn)生的徑流量最高，為65387.71m3；其次是硬地，由于硬地有一定的下滲性質(zhì)，所以在形成徑流量的過(guò)程中，產(chǎn)流與匯流都有發(fā)生，以匯流為主，所產(chǎn)生的徑流量最高，為182055.93m3；綠地由于下滲性質(zhì)最強(qiáng)，在形成徑流時(shí)，以產(chǎn)流為主導(dǎo)，從而所得降雨徑流潛力值最小，為2853.79m3。

因該區(qū)域具有寒溫帶半干旱區(qū)季風(fēng)氣候的特征，5月-9月以降雨為主的季節(jié)，所形成的地表徑流量較大，總地表徑流為212727.87m3。綠地所產(chǎn)生的徑流量為2425.44m3；硬地所產(chǎn)生的徑流量為154729.39m3；建筑用地所產(chǎn)生的徑流量為55573.04m3。10月至次年4月以降雪為主的季節(jié)，所形成的徑流量以固態(tài)為主，總地表徑流為37569.57m3。綠地所產(chǎn)生的徑流量為428.35m3；硬地所產(chǎn)生的徑流量為27326.54m3；建筑用地所產(chǎn)生的徑流量為9814.68m3。

(三)雨洪利用現(xiàn)狀分析

呼倫貝爾學(xué)院在每年11月至次年4月，形成固態(tài)降雪，并以人工鏟雪收集為主，除了綠地以及建筑屋頂?shù)难┮酝猓驳夭糠值氖占慕笛?dǎo)熱系數(shù)大，可以堆積在樹(shù)木周?chē)?，使溫度不致因冬季的?yán)寒而降得太低。次年的5月-9月份的降雨季節(jié)利用的過(guò)程中，由于綠地高于路基面，不利于降雨過(guò)程中雨水的收集，并且校園建筑屋頂以及硬地的雨水沿著水落管流入地面或進(jìn)入排水管道，校園地面基本為瀝青和混凝土路面等非透水面，所以雨水很快形成地表徑流，進(jìn)入校園的污水排放管網(wǎng)，造成了雨水浪費(fèi)，從而雨水不能合理的被利用。

三、存在的問(wèn)題及解決措施

(一)存在問(wèn)題

1.雨水資源浪費(fèi)

在水循環(huán)過(guò)程中，大氣降水在一定的前提下會(huì)在下墊面形成徑流，而研究區(qū)的土地利用過(guò)程中，硬地面積以及建筑面積卻占了比較大比例，從而一定程度簡(jiǎn)化了水循環(huán)的過(guò)程(見(jiàn)圖2)。不透水地面會(huì)直接產(chǎn)生地表徑流，而透水地面由于大氣降雨產(chǎn)生下滲，形成地下徑流以及地表徑流。由于研究區(qū)雨水利用設(shè)施不健全，導(dǎo)致雨污同排，造成了很大程度的浪費(fèi)。

受植物生長(zhǎng)的周期特征影響，夏季蒸發(fā)量大，同時(shí)也是各類(lèi)生態(tài)用地(綠地)需水量最大的時(shí)段，但由于“高位花壇”式綠地的設(shè)置，不能夠容納下墊面所產(chǎn)生的地表徑流，導(dǎo)致雨水資源的浪費(fèi)。由于各類(lèi)生態(tài)用水來(lái)源只能依靠地下水，因此雨水資源浪費(fèi)的同時(shí)，也增加了生態(tài)用水的成本。

圖2 研究區(qū)水循環(huán)部分示意圖

2.增加污水處理成本

雨水形成徑流時(shí)，缺乏雨水收集裝置，以污水形式直接排放至污水井，不能合理的利用，因此加大了排污設(shè)施的壓力。在污水處理的過(guò)程中，加上了雨水排放的部分，使污水處理成本加大，增大了污水處理單位財(cái)政壓力，市政基礎(chǔ)設(shè)施和地下管網(wǎng)設(shè)施也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

(二)解決措施

1.設(shè)立下沉綠地

在雨水收集處理的過(guò)程中，應(yīng)該將“高位花壇”式的生態(tài)用地改為“下沉綠地”，即綠地基準(zhǔn)面設(shè)置低于路基面，以便于地表徑流的收集。加大下沉綠地的建設(shè)，增大透水地面的鋪設(shè)，變不透水地面為透水地面。一方面可以增加雨水的下滲，涵養(yǎng)土壤中的水份；另一方面，可以抑制和減少降雨產(chǎn)生的地表徑流，特別是暴雨形成的地表徑流。從而不僅有效的利用了雨水資源，又增加了校園生態(tài)用地面積，增加了校園美感。

2.增加湖泊蓄水量

研究區(qū)內(nèi)東山腳下有人工湖泊，對(duì)雨水利用設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以圍繞湖泊進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加湖岸帶植被，這樣不僅可以對(duì)地表徑流進(jìn)行有效截流，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。抑制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，還增加了湖區(qū)的容量，有效改善湖泊水循環(huán)。同時(shí)，可以增加地面蒸發(fā)，調(diào)節(jié)氣溫改善氣候，逐漸形成生態(tài)良性循環(huán)，美化校園景觀帶。

四、結(jié)論

研究表明，呼倫貝爾學(xué)院生態(tài)用地所占比例較小，僅為6.5%，且以“高位花壇”式綠地為主，對(duì)雨水資源的利用存在極大的浪費(fèi)現(xiàn)象，夏季尤為明顯。雨洪利用具有很大的潛力。硬地和建筑用地所產(chǎn)生的徑流量為247443.64m3，若將各類(lèi)土地類(lèi)型所產(chǎn)生的地表徑流進(jìn)行收集，將可以抵消一部分生態(tài)用水的成本，同時(shí)也可以減輕排污的壓力，有效減低污水處理成本。因此，本研究從景觀建設(shè)的角度，提出設(shè)置下沉綠地和增加湖岸帶及增加湖區(qū)蓄水量的設(shè)計(jì)建議。

在研究中，沒(méi)有考慮研究區(qū)蒸發(fā)量和地形因素，而這兩個(gè)因素可能在以后的研究中對(duì)研究結(jié)果有一定影響。但本次研究，是對(duì)研究區(qū)的潛力分析的初步調(diào)研，上述因素對(duì)于本次研究的影響不大。需注意的是：多次降水中，降雨量小的雨不會(huì)形成地面徑流，特別是非雨季的雨，因此要考慮一個(gè)季節(jié)折減系數(shù)[5]。

綜上所述，雨洪利用在呼倫貝爾學(xué)院今后的校園規(guī)劃建設(shè)中越來(lái)越重要。可以將學(xué)院內(nèi)的人工湖作為雨洪后收集水量的蓄水池，實(shí)現(xiàn)人工湖的功能多元化。若用地有限，可修建地下蓄水池，提高雨水利用系統(tǒng)的雨水利用率[6]。由于地區(qū)的水資源又相對(duì)比較緊缺，因此合理利用雨水資源對(duì)呼倫貝爾學(xué)院以及北方干旱區(qū)今后的生態(tài)建設(shè)具有很大的幫助。一方面，節(jié)約了大部分的淡水資源；另一方面，也減輕了市政供水的壓力。因此，學(xué)校雨水利用具有較好的節(jié)水意義和發(fā)展前景。

注釋?zhuān)?/p>

徑流系數(shù)：任意時(shí)段內(nèi)徑流深度與同時(shí)段內(nèi)降水深度之比。