基于GIS的城市區(qū)域雨水資源可利用量估算

徐志歡，紀(jì)靜怡

（揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

隨著城市化進程的加快，城市建成區(qū)面積不斷擴大，從而導(dǎo)致不透水面積大幅度增加，致使相同降雨條件下，徑流系數(shù)增大，洪峰提前，洪量增大，對城市排水和河道行洪構(gòu)成巨大壓力，同樣威脅著城市安全[1]。另一方面，城市化進程中用水量不斷增長，導(dǎo)致水資源短缺問題日益突出，成為制約我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[2]。而城市雨水利用是緩解城市缺水局面、減輕城市瀝澇威脅和防洪壓力、改善水生態(tài)環(huán)境的一項重要措施[3]。在此情況下，雨水收集利用越來越受到世界各國的重視和關(guān)注，許多國家在農(nóng)村和城市修建了形式各樣的雨水收集利用工程[4]。利用工程措施攔蓄雨水不僅能緩解城市和地區(qū)水資源短缺問題，也成為區(qū)域水資源利用規(guī)劃中不可忽略的一個重要水源[5]。充分利用降水資源，實施雨水資源化是一條既經(jīng)濟快捷又廣泛有效的途徑，并可帶來一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[6]。定量研究區(qū)域性城市降雨量及其可利用量是開展城市雨水資源化利用的基礎(chǔ)[7]。為了合理有效地開發(fā)城市區(qū)域雨水資源，有必要對城市區(qū)域雨水可利用量進行分析計算。以城市區(qū)域為例，結(jié)合GIS 技術(shù)對城市區(qū)域雨水可利用量進行定量研究，以期為城市區(qū)域的水資源利用和配置提供更加合理的依據(jù)。

1 城市雨水資源利用方式

雨水是自然界水循環(huán)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，對調(diào)節(jié)、補充地區(qū)水資源以及保護生態(tài)環(huán)境有著不可或缺的作用[8]。

雨水利用包括天然降水的自然利用和人工措施的集蓄利用，故雨水資源是指通過集流、匯流、存儲設(shè)施等雨水集流系統(tǒng)收集到的雨水量和可被作物直接吸收利用形成產(chǎn)量或用來維持生態(tài)環(huán)境的雨水量的總和[9]。雨水資源化潛力是指在一定的技術(shù)經(jīng)濟條件下，在特定區(qū)域，在一定的時段內(nèi)，能夠開發(fā)利用雨水資源的最大能力[10]。

城市雨水利用是指在城市范圍內(nèi)，采取多種措施對雨水資源加以保護和利用，包括收集、調(diào)蓄、回用等方面的直接利用；也包括雨水借助人工和自然水體滲透來補充地下水資源的間接利用；同時還包括回用與滲透相結(jié)合的綜合利用[11]。隨著對城市功能性要求的不斷提高，城市水環(huán)境越來越受到重視，雨水的收集和利用也在不斷的發(fā)展和完善，相關(guān)的雨水資源利用方式和技術(shù)日趨成熟。城市雨水資源利用方式一般可分為雨水集蓄、入滲、集蓄入滲結(jié)合和凈化4種方式[12]。

1.1 雨水集蓄措施

（1）雨水罐。雨水罐為一種簡易的地上或地下封閉式雨水集蓄利用設(shè)施，優(yōu)點是施工安裝方便和便于維護，因其容積小的特點，雨水罐凈化能力有限。

（2）調(diào)節(jié)塘。調(diào)節(jié)塘的主要功能為削減峰值流量，由進水口、調(diào)節(jié)區(qū)、出口設(shè)施、護坡及堤岸組成，可起到凈化雨水以及補充地下水的作用。

（3）集雨池。集雨池一般為地埋式鋼筋混凝土構(gòu)造物或玻璃鋼構(gòu)造物，兩側(cè)各設(shè)置有1 個進水管與溢水管，且在進水管前端配備沉沙池1座，具有匯集屋頂及地面徑流的功能。

1.2 雨水入滲措施

（1）透水鋪裝。透水鋪裝作為城市建設(shè)中常用的一種鋪裝構(gòu)件，具有雨水下滲和美化景觀的作用，多適用于城市建設(shè)類項目、平原地區(qū)公路項目等。

（2）綠色屋頂。綠色屋頂由排水層、過濾層、土壤基質(zhì)層和植被層組成，具有延緩達到徑流峰值所需時間、削減徑流峰值、延遲產(chǎn)流時間和削減雨水徑流污染物濃度等作用。

（3）生態(tài)樹池。生態(tài)樹池包括通過隔板隔開的種植區(qū)和集水區(qū)，可起到凈化雨水的作用，且收集凈化后的雨水，通過樹木自吸后可達到澆灌的效果。

（4）滲透塘。滲透塘作為雨水下滲補充地下水的一種洼地，具有凈化雨水和削減峰值流量等作用。

1.3 集蓄入滲結(jié)合措施

（1）下沉式綠地。下沉式綠地是低于周邊道牙地表5～10 cm 的低洼綠地。下沉式綠地不僅能將雨水下滲補給土壤和地下水，同時可將部分雨水聚集到集雨式綠地內(nèi)短暫蓄存。

（2）植草淺溝。植草淺溝是在綠地內(nèi)設(shè)置的排水溝，主要由反濾織物和透水性材料組成。植草淺溝既可增加綠地的雨水入滲效率，也可短暫蓄存雨水。

（3）生物滯留措施。生物滯留設(shè)施是通過在地勢低的區(qū)域內(nèi)種植植物，借助植物截流、土壤過濾滯留雨水，并對雨水處理后加以利用的措施。其主要由表面雨水滯留層、種植土壤覆蓋層、植被及其土層、砂濾層和雨水收集等組成。

（4）雨水濕地。雨水濕地是一種人工淺沼澤系統(tǒng)，可處理城市雨水和控制徑流水量。其功能為沉淀雨水中大顆粒污染物。

1.4 雨水凈化措施

（1）植被緩沖帶。植被緩沖帶位于坡度相對平緩的植被區(qū)，其功能是借助植被攔截及土壤下滲作用來減緩地表徑流流速，可去除徑流中的部分污染物。

（2）初期雨水棄流設(shè)施。初期雨水棄流設(shè)施可將存在初期沖刷效應(yīng)、污染物濃度較高的雨水初期徑流借助一定方法或裝置予以棄除，以期達到降低雨水后續(xù)處理難度的目的。

2 雨水利用潛力評估方法

2.1 評估方法

在GIS 技術(shù)支持下，對獲取的城市區(qū)域影像圖進行修正，根據(jù)城市區(qū)域的土地利用覆蓋類型進行分類：通過ArcGIS 軟件對影像圖進行重分類，分成若干個面，對每個面添加字段信息，根據(jù)字段信息區(qū)分成幾種不同的匯水面，并對其添加投影信息來算出每種匯水面的面積。同時，根據(jù)所分成的匯水面確定徑流系數(shù)。最后，結(jié)合區(qū)域降雨數(shù)據(jù)和區(qū)域雨量計算公式，估算降雨頻率為25%、50%、75%和90%下的城市區(qū)域年雨水資源總量、理論雨水資源潛力以及實際雨水資源潛力。

2.2 雨水資源估算

對城市區(qū)域進行匯水面劃分后，選取相應(yīng)的降雨徑流公式計算城市區(qū)域雨水資源總量、雨水資源潛力和雨水實際潛力。

2.2.1 雨水資源總量

由于大氣降水是陸地上各種形態(tài)水資源總的補給來源，是一個區(qū)域水資源量的最大值[13]，因此雨水資源總量的計算公式為：

式中：R0為雨水資源總量（m3）；H 為年降水量（mm）；A為匯水面面積（km2）。

2.2.2 雨水資源潛力

受限于區(qū)域自然條件和技術(shù)經(jīng)濟水平，封閉區(qū)域內(nèi)的降雨資源不可能被全部收集利用，棄除初期雨水棄流和季節(jié)折減的影響，研究區(qū)平均每年雨水資源潛力按下式估算：

式中：R1為雨水資源理論潛力（m3）；ψ 為徑流系數(shù)；其余變量含義同上。

實際上，降雨季節(jié)分布具有不均勻性，非雨季降雨量很小，基本不形成地表徑流，計算可收集雨水量時需要考慮季節(jié)折減系數(shù)。此外，由于城市大氣污染、地表污染等環(huán)境問題的存在，初期徑流雨水污染較為嚴重，這部分雨水不能被利用，所以計算中還需考慮雨水的初期棄流量，但對于河流、渠等開敞水體來說可不考慮這兩方面的影響。實際可收集雨水量按下式估算[14]：

式中：R2為雨水資源實際潛力（m3）；α 為季節(jié)折減率；β為初期棄流系數(shù)，β=1—初期棄雨量×年利用降雨次數(shù)/年平均降雨量[7]；其余變量含義同上。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)域

鹽城市鹽都區(qū)地處江蘇省中部里下河地區(qū)，位于北緯33°07' ～33°26'和東經(jīng)119°41' ～120°13'之間，東、北部與亭湖區(qū)、建湖縣相鄰，南部與大豐市、興化市相望，西部與寶應(yīng)縣接壤，面積1 044.6 km2，如圖1 所示。鹽都區(qū)地處南北氣候過渡帶，季風(fēng)環(huán)流影響明顯，全年四季分明，雨熱同季，降雨較為充沛，近39 a 年平均降雨量為1 073.7 mm，但時空分布不均，豐水期承受上游來水的壓力，廢棄水不能利用，因此易澇易旱，災(zāi)害頻繁。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程加快，供水量逐年增大，水資源及其開發(fā)利用問題較為突出[15]。而城市雨水資源的有效利用，對調(diào)節(jié)、補充地區(qū)水資源和改善、緩解城市用水壓力，改善區(qū)域水文循環(huán)，保護生態(tài)環(huán)境有極為關(guān)鍵的作用，具有生態(tài)和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢[8，16，17]。同時，蓄積利用雨水資源可以調(diào)蓄河川徑流，具有良好的防洪作用[7]。因此，為了合理地開發(fā)雨水資源，推進節(jié)水型社會建設(shè)，為區(qū)域雨水利用提供依據(jù)以及減輕鹽都區(qū)內(nèi)的防洪、防澇壓力，有必要對鹽都區(qū)內(nèi)的雨水資源進行估算。

圖1 鹽都區(qū)地理位置

采用的研究區(qū)域降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，研究區(qū)域地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)SRTMDEM90M 分辨率數(shù)字原始高程數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)來源于91衛(wèi)圖助手鹽都區(qū)第16級影像級別。以上數(shù)據(jù)通過ArcGIS 軟件對鹽都區(qū)區(qū)域進行了匯水面的劃分，并計算出每種匯水面對應(yīng)的面積以及對應(yīng)的徑流系數(shù)。

3.2 不同匯水面類型劃分

由于地表特征的不同，不同匯水面雨水下滲量不同，產(chǎn)生的徑流量以及對應(yīng)的降雨徑流系數(shù)也不一樣。所以本研究根據(jù)這些依據(jù)將鹽都區(qū)雨水匯水面分為以下9類：Ⅰ類，村莊；Ⅱ類，水面（包括河流、湖泊、渠道、水產(chǎn)養(yǎng)殖廠等）；Ⅲ類：旱地，主要指鹽都區(qū)內(nèi)的農(nóng)田、裸地、撂荒地等；Ⅳ類：路面（包括鐵路和公路）；Ⅴ類：企業(yè)單位、科技園、工廠以及商業(yè)區(qū)等；Ⅵ類：度假村；Ⅶ類：城市居民區(qū)、街坊小區(qū)等；Ⅷ類：林地、植物園、花園、苗圃等；Ⅸ：文教區(qū)。在GIS支持下求得各匯水面面積，詳見表1。各匯水面分布，如圖2所示。

表1 鹽都區(qū)各匯水面面積

圖2 鹽都區(qū)分類匯水面分布

3.3 降雨徑流系數(shù)的確定

所估算的雨水資源潛力是指降雨所產(chǎn)生的徑流量。前面已對鹽都區(qū)內(nèi)各種匯水面進行了劃分，但各種匯水面又有不同的下墊面，不同的下墊面所對應(yīng)的降雨徑流系數(shù)亦不相同，同時影響徑流系數(shù)取值的因素有很多，如降雨強度、下墊面坡度、土壤結(jié)構(gòu)、洼蓄能力等[18]。本文從宏觀角度對整個區(qū)域進行雨水資源估算，僅對下墊面坡度進行了分析，其他因素暫未考慮，如圖3所示。

圖3 鹽都區(qū)地面坡度

由圖3 分析可知，整個鹽都區(qū)下墊面坡度較為平緩，且坡度變化不大，故對降雨徑流系數(shù)的影響也不大。

確定每種匯水面的平均徑流系數(shù)依據(jù)下墊面的種類加權(quán)算平均：

式中：ψz為每種匯水面平均徑流系數(shù)；Ai為匯水面上各下墊面面積（km2）；ψi為各下墊面的徑流系數(shù)；A為匯水面面積（km2）。

通過吳俊等[19]、陳彥熹等[20]和孫燁等[18]分別在降雨條件下對城市區(qū)域道路、建筑小區(qū)以及綠地等下墊面徑流系數(shù)的研究和分析，同時根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》[21]、《室外排水設(shè)計規(guī)范》[22]及9 大匯水面的地表特征，經(jīng)過計算和查閱相關(guān)文獻，確定各匯水面的降雨徑流系數(shù)，詳見表2。

表2 各匯水面降雨徑流系數(shù)

3.4 鹽都區(qū)降雨量分析

本文根據(jù)鹽都區(qū)1981—2019年近39 a的降雨資料對鹽都區(qū)降雨量進行分析，結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 鹽都區(qū)1981—2019年系列年降水量過程

圖5 鹽都區(qū)近39 a月平均降水量

從鹽都區(qū)近39 a 降水時間序列圖來看，鹽都區(qū)降雨年際波動較大，但大部分都保持在1 000 mm 以上，可以看出鹽都區(qū)雨量資源豐富，若將這些雨量資源利用起來，可緩解城市內(nèi)部分用水壓力。從鹽都區(qū)近39 a 月平均降水量來看，鹽都區(qū)降雨主要集中在5—9月，占全年降雨量的78%，并且6、7、8、9月最多，占全年降雨量的22%，冬季雨量稀少，僅占全年雨量的10%。

3.5 計算結(jié)果

根據(jù)鹽都區(qū)近39 a 的降雨數(shù)據(jù)，當(dāng)降雨頻率為25%時降雨量為1 220.3 mm，H 取1 220.3 mm；當(dāng)降雨頻率為50%時降雨量為1 019.4 mm，H取1 019.4 mm；當(dāng)降雨頻率為75% 時降雨量為868.6 mm，H 取868.6 mm；當(dāng)降雨頻率為90%時降雨量為770.6 mm，H 取770.6 mm。因鹽都區(qū)降雨主要集中在夏秋季節(jié)，其中5—9 月占比最大，為0.78，故α 取0.78；根據(jù)計算和查閱資料，β 取0.87。

依照上述計算公式和各系數(shù)的取值，結(jié)合各匯水面的徑流系數(shù)和面積，按照式（1）、（2）、（3）分別計算出降水頻率為25%、50%、75%和90%下鹽都區(qū)雨水資源總量、雨水資源理論潛力和雨水資源實際潛力，詳見表3。

從表3可以看出，在降雨頻率為25%時，鹽都區(qū)1 a 內(nèi)的雨水資源總量多達12.7億m3，雨水資源理論潛力為8.8億m3，雨水資源實際潛力7.7億m3；在降雨頻率為50%時，鹽都區(qū)1 a 內(nèi)的雨水資源總量多達10.6億m3，雨水資源理論潛力為7.4億m3，雨水資源實際潛力6.5億m3；降雨頻率為75%時，鹽都區(qū)1 a內(nèi)雨水資源總量為9.1億m3，雨水資源理論潛力為6.3億m3，雨水資源實際潛力5.5億m3；在降雨頻率為90%時，鹽都區(qū)1 a內(nèi)的雨水資源總量多達8.0億m3，雨水資源理論潛力為5.6億m3，雨水資源實際潛力4.9億m3。從這些數(shù)據(jù)看出鹽都區(qū)的雨量資源是非常豐富的，但同時也反映出鹽都區(qū)的雨量資源雖然豐富，但因為初期棄流和季節(jié)折減的因素，導(dǎo)致實際的雨水資源潛力與雨水資源總量相差甚大，若能將損失的這一部分雨量收集起來，比如修建初期棄流池的方式將這部分雨水收集起來并進行處理，也可以投入使用，包括綠化用水、廠區(qū)用水、景觀用水等，將進一步合理地配置鹽都區(qū)的用水需求。

表3 鹽都區(qū)雨水資源潛力計算值104m3

4 結(jié)論

城市雨水利用可以有效解決城市部分區(qū)域用水缺乏的現(xiàn)象，同時也能減輕城市防洪防澇壓力。對雨水徑流污染進行防治能有效地改善城市水資源環(huán)境，對城市社會、經(jīng)濟和生態(tài)有著重大的意義。我國在借鑒國外發(fā)達國家關(guān)于雨水收集處理的先進技術(shù)與經(jīng)驗的同時，還應(yīng)該認清自身水資源的特征與生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，頒布相關(guān)的規(guī)范準(zhǔn)則作為依據(jù)，強化雨水收集與利用的技術(shù)研發(fā)，將雨水收集與利用的進程向前推進，以解決水資源的供給與需求。

基于GIS 方法，計算了鹽都區(qū)在降雨頻率為25%、50%、75%和90%的條件下1 a內(nèi)的雨水總量、雨水理論潛力和雨水實際潛力。結(jié)果表明，鹽都區(qū)的雨量資源相當(dāng)可觀；若收集利用這一部分雨水資源，一方面可緩解鹽都區(qū)的城市用水壓力；另一方面，可減輕鹽都區(qū)城市洪澇災(zāi)害，改善鹽都區(qū)城市生態(tài)環(huán)境。另外，本文僅從宏觀上對鹽都區(qū)的城市雨水資源進行了估算，并沒有考慮到蒸發(fā)、初期棄雨量以及因降雨強度、下墊面坡度、土壤結(jié)構(gòu)、洼蓄能力等所導(dǎo)致匯水面徑流系數(shù)的改變，若將這些因素再進一步考慮，可更為準(zhǔn)確地評估鹽都區(qū)的雨水資源潛力。