雄安新區起步區雨水利用及其影響研究

裴夢桐

(河北省唐山水文勘測研究中心，河北 唐山 063000)

0 引言

河北雄安新區作為北京非首都功能疏解集中承載地，是我國做出的一項重大歷史性的戰略選擇。根據《河北雄安新區規劃綱要》[1]要求，新區建設將綜合采用多種低影響開發設施，因地制宜的推行雨水資源利用，開展雨水資源的利用是新區多水源聯合調配的重要構成，也是破解新區水資源短缺等城市水問題的必由之路。

長期以來，雨水作為一種具有資源屬性的水已經被廣泛用于緩解城市水資源短缺，改善城市生態環境的重要儲備。現階段，由于雨水收集系統缺少源頭控制和公共設施缺少雨水利用試點及推廣，雨水仍處于較低利用率階段[2]。國內外雨水利用術主要有城市屋頂雨水收集利用技術、屋頂綠化技術、雨水攔截與滲透技術、生態小區雨水綜合利用技術、雨污分流設計5種[3-4]，主要分為雨水集蓄回用和滯留滲透技術。城市水文學者并針對不同地區的氣候、地理等條件，研發了綜合考慮降雨變化特征與利用技術相結合的雨水資源利用范式[5-6]，其中，由區域降水及土地利用特性決定了不同區域采用不同雨水利用技術的特點。

雨水作為一種硬度低、污染少等自然資源，其收集利用技術目前成為緩解城市供水壓力的重要手段，也是防治城市內澇的有效方法。在當前開展海綿城市建設與城市雨洪資源利用的地區，確定雨水資源的可利用量是區域制定水資源利用規劃以及支撐城市發展總體規劃的核心環節。

雄安新區因疏解而生、應創新而起、逐智能而強，在未來的建設中，必將充分利用好新科技革命的成果，建設成一個服務智慧型、資源可循環利用的綠色、安全的城市[7]。在建造綠色智慧新城的背景下，研究新區現狀雨水利用量及未來雨水利用潛力是建造資源循環利用的前提。為探究新區雨水利用潛力，本研究以雄安起步區為研究區域，解析現狀年(2014)及《河北雄安新區規劃綱要》中的規劃年(2035)土地利用，分析新區年尺度及場次尺度降雨特性，計算不同設計頻率年尺度及場次尺度的城市雨水利用潛力及利用量，明晰新區建設后雨水資源收集利用量及下滲水量的提升效率。研究結果可為新區供水水源保障提供參考，也為其他缺水城市雨水利用提供借鑒。

1 研究區概況

河北雄安新區規劃范圍涉及原河北省保定市雄縣、容城、安新三縣及任丘市、高陽縣部分區域，地處北京、天津、保定腹地，如圖1所示。新區屬暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，年均降雨量446mm；區內水系縱橫，湖泊廣布，隸屬海河流域大清河水系。

圖1 雄安起步區(新城)研究區域

本研究以雄安起步區(新城)為研究區域，起步區位于容城、安新兩縣交界區，面積約200km2，現狀年(2014年)土地利用以透水較強的旱地及不透水層(建設用地)為主，面積占起步區的91%，其中，旱地達140km2，占起步區面積的70%。根據相關規劃，規劃年(2035年)新區的土地利用較現狀年變化較大，旱地及農村用地隨著建設過程逐漸被替代，城市綠化面積大幅度提高，其面積占起步區的50%；規劃年水體面積占城區的15%，較現狀年增加了28km2。

2 研究方法

2.1 降雨特性分析及預測方法

為準確定位研究區未來規劃年雨水利用量，需分析其現狀降雨特性并預測其未來降雨。本研究采用安新、雄縣、容城3個國家基本氣象站的1977—2012年長系列逐小時降雨數據的平均值，根據Dunkerley[8]、王文婷[9]關于場次降雨事件的劃分方法，將連續兩場降雨時間間隔超過6h則識別為兩場降雨事件，依據此方法識別出歷年每場降雨的降雨特征。

根據識別出的場次降雨，分別從年尺度、場次尺度分析雄安起步區降雨的離散性、趨勢性及未來降雨量變化等特征：①采用數理統計法，計算變差系數Cv[10]和偏態系數Cs[11]分析年降雨及場次降雨的離散程度和對稱性；②利用滑動平均法[12]分析降雨的趨勢性；③通過R/S分析法檢驗未來降雨的變化趨勢與歷史趨勢的一致性。R/S分析法是由Hurst[13-14]1951年提出的通過處理時間序列數據以評估資料未來趨勢性強弱程度的統計方法，其中，赫斯特指數H是R/S分析法的有效統計量，其區間為0～1，當H>0.5時說明數據的時間序列具有長持續性，且H越大，持續性越強；當H<0.5時，持續性相反，且H越接近0，數據的反持續性越強；當H=0.5時，代表未來數據的變化與過去一致。

2.2 城市雨水利用計算方法

城市降雨總量由雨水收集利用量、下滲水量、入河水量、初雨棄流量及蒸發量(棄水及蒸發量)4部分構成。雨水利用量為徑流收集量與下滲量之和，研究區現狀年缺乏雨水徑流收集措施，雨水利用量即為雨水下滲量；棄水及蒸發量為降雨總量與雨水利用量、入河水量之差。

雨水資源利用潛力是指特定的經濟技術條件下，雨水資源利用量的最大值[15-16]，其內涵為考慮城市的地形條件、管網等工程措施、現有技術條件及降雨特性等因素后，應用工程及非工程措施可收集利用的水量[17]，主要是城市地表雨水徑流收集量和地表下滲量之和[18-19]。

依據馮峰等[20]提出的根據不同性質的下墊面分類計算雨水利用的方法，計算城市雨水利用潛力Q：

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中，Q1—地表雨水徑流收集量，m3，規劃年為降落在路面的雨水可收集量；Q2—地表下滲量，m3；Q3—降落在水面的雨水資源量，m3。

Q1、Q2、Q3的計算公式分別為：

(2)

(3)

(4)

式中，ψ—徑流系數，參照余衛東等[5]提出將城市雨水劃分為不透水路面、透水路面和水域3種類型計算雨水利用潛力的分類理念，ψ可根據不同的下墊面分別取值；α—季節折減系數[21]；β—初雨棄流系數；A—不同下墊面的面積，m2；P′—場次降雨量大于2mm[22]的降雨的年均值，mm；P—年均降雨量，m；λ—透水地面下滲系數；hf—歷年汛期平均降雨量，mm；q—初雨棄流深度，依據GB 50400—2016《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》，綜合采用雨水棄流深度q為2mm；np—年均降雨次數，由于降雨量小于2mm的降雨無法產生徑流，因而該降雨次數為場次降雨量大于2mm的降雨次數[22-23]。

3 結果

3.1 起步區降雨變化特征及預測

3.1.1歷史降雨變化特征

在年尺度上，研究區降雨特征值見表1，多年平均降雨量446.2mm，年均降雨歷時238.5h，年均降雨48次；降雨量年際差異大，且離散程度較大，年際差異性在20世紀80年代尤為明顯，最大年降雨量可達852mm，而年最小值僅為243.6mm。進入21世紀后，年降雨量在200～600mm之間，年際差異較20世紀有所減小，如圖2所示；研究區降雨量年內分布不均勻，如圖3所示，主要集中在6—9月中，約占全年降雨量的80%；由滑動平均法分析歷年降雨趨勢可知，研究區年降雨量趨勢性不顯著。

表1 研究區降雨特征值

圖2 研究區逐年降雨變化及5年滑動平均圖

圖3 研究區多年平均降雨量年內分布圖

在場次尺度上，研究區1976年以來極端降雨比較顯著，歷年場次最大降雨量在37～182mm之間，如圖4所示，場次最大降雨量均大于降雨頻率5%對應的2h降雨量33.2mm，表明研究區小概率降雨事件出現頻繁，不容忽視。根據國家氣象站記錄的研究區所在的大清河流域的日降雨量資料，大清河流域1963年8月大暴雨歷時10天，總降雨量達500mm以上，為建國以來記錄到的最大的一次降雨，也是迄今為止中國大陸長歷時暴雨的最高記錄[24]。由圖5研究區歷年逐小時降雨總量及降雨次數控制比重統計圖可以明顯看出，雖然2h降雨事件的總雨量及次數在逐小時中均未處于最高水平，但其控制均值在控制比中位居首位，比1h降雨的控制均值大2.44%。

圖4 研究區歷年降雨量圖

3.1.2規劃年降雨預測

R/S分析法的基本思想是改變樣本序列的時間尺度，研究其在不同尺度范圍內的統計規律，從而進行大小時間尺度間的相互轉換。通過Hurst指數，可判定徑流時序的狀態持續性及其記憶長度。若比值R(τ)/S(τ)=R/S存在R/S∝τH(8)關系，則說明時間序列{ξ(t)}，t=1，2，…，n存在Hurst現象，H稱為Hurst指數。H值可根據計算出的(τ，R/S)的值，在雙對數坐標系(lnτ，lnR/S)中用最小二乘法擬合得到。

如圖6—7所示，研究區歷年降雨量與歷年場次降雨量的H值均接近于0.5，根據R/S分析法原理，表明研究區降雨量在未來很長一段時間內具有一致性，因此在計算未來起步區雨水資源利用時假設未來降雨序列變化特征與過去一致，即研究區未來降雨量沒有顯著的增加或減小趨勢。

圖6 研究區歷年降雨Hurst指數擬合曲線

圖7 歷年場次降雨Hurst指數擬合曲線

3.2 起步區雨水資源利用量

為進一步揭示規劃情景下新區起步區雨水利用情勢及其提升空間，分別從年尺度、場次尺度對雨水資源量構成、雨水利用量及雨水利用潛力進行分析計算，并考慮了不同設計降雨頻率對應的豐枯年份變化情景，在此基礎上，對比了現狀年(2014年)與規劃年(2035年)之間的差異。

根據研究區降雨數據，將設計降雨頻率定為95%、80%、50%、20%、5%，通過皮爾遜III型分布曲線計算方法，計算得到不同設計頻率年尺度及場次尺度降雨量見表2。其中場次尺度上，根據研究區2h降雨量及降雨歷時平均控制率最大的特性，采用年最大2h降雨抽樣方法，設計降雨歷時為2h的不同頻率降雨量。

表2 不同重現期設計年降雨量

3.2.1不同尺度下起步區雨水資源利用量

新區起步區在現狀年及規劃年平均年雨水利用量分別達2789、5195萬m3，規劃年較現狀年提升了25.8%，如圖8所示，其中，主要是規劃年城市綠化面積提升至研究區面積的50%及綠色屋頂、透水鋪裝等雨水收集利用設施的建設，使得雨水年徑流收集量增加了25%，減少了1800萬m3的未經利用的雨水入河量。同時，在規劃年，棄水量及蒸發量相比現狀年也有6%的減少，對雨水利用量的增加也有一定的貢獻。

圖8 起步區年尺度平均雨水資源結構

在場次尺度上，規劃情景下新區起步區雨水資源量的構成變化與年尺度上具有一致的趨勢。其中，規劃年雨水利用量相比現狀年增加了36%，如圖9所示。結果還表明海綿城市設施建設對場次尺度雨水資源量的構成變化影響相比年尺度更大，徑流收集量占比達37.5%，特別是硬化路面面積的減少，顯著減少了場次降雨初期棄水的占比，棄水及蒸發量的比例由現狀年的27.3%減少到規劃年的13.7%。

圖9 起步區場次尺度平均雨水資源結構

此外，圖8—9還表明，現狀年與規劃年雨水利用潛力(雨水利用量與徑流入河量之和)差異性較小，其中，年尺度上不同水平年雨水利用潛力分別為占雨水資源量的63.1%和57.2%，而場次尺度上雨水利用潛力占比均在71%左右，可知，新區的規劃建設對雨水利用潛力的影響較小，但對雨水資源量的構成及雨水利用量具有顯著影響。

3.2.2考慮豐枯差異的起步區雨水利用量分析

年尺度上，現狀年及規劃年相同頻率降雨具有相等雨水資源總量，豐、平、枯年份分別為13900萬、8000萬、5300萬m3。在豐水年(頻率5%)情景下，規劃年雨水利用量為8160萬m3，較現狀年提高了4200萬m3，其中，規劃年雨水收集利用量達3900萬m3，下滲水量提高了300萬m3。平水年(頻率50%)雨水利用量在規劃年提高了2000萬m3，占雨水資源量的57%，主要是徑流入河水量減少了1600萬m3及棄水及蒸發水量也有5%的減少。規劃年枯水年(頻率95%)情境下下滲水量提高了300萬m3、入河水量及棄水分別減少了雨水資源量的17%、6%，雨水收集利用量為900萬m3，較現狀年提高了22%。

場次尺度上，不同情景下雨水資源量及雨水利用量的構成與年尺度變化趨勢具有一致性。在2h降雨量為33mm(頻率5%)的情境下，雨水收集利用量為177萬m3，下滲水量310萬m3，比現狀年增加了80萬m3，雨水利用量達到了雨水資源量的74%，提高了490萬m3。設計頻率為50%降雨的雨水利用量180萬m3，較現狀年提高了36%，其中雨水收集量及下滲水量分別為50萬、130萬m3；設計頻率為95%的2h降雨5.2mm，其雨水資源量為104萬m3，其中雨水利用量達70萬m3，包括16萬m3的收集水量和54萬m3的下滲水量，入河水量15萬m3，較現狀年下降了12萬m3，棄水也下降了19萬m3。

3.3 規劃雨水利用及其影響

(1)提高雨水利用效率，減緩城區供水壓力

與現狀年相比，規劃年雨水利用量有較大幅度提升，現狀年雨水資源利用效率低，下滲補給地下水為雨水利用的唯一途徑，雨水利用效率僅占雨水利用潛力的一半，雨水資源沒有經過利用直接匯入城市河道，雨水資源浪費嚴重。規劃年通過提高城市綠地面積，增加雨水收集利用措施，控制徑流外排，起步區雨水資源的利用量較現狀年有大幅度提升，其中最主要的是增加了雨水資源收集利用量，不同豐枯年份年收集雨水為900萬～3900萬m3，達雨水資源量的16%～28%。起步區規劃城市綠地面積將達100km2，依據河北省地方標準DB13/T 1161—2016《用水定額》，估算得到2035年起步區綠地生態需水量為0.23億m3，雨水資源作為起步區的生態用水的供水水源，可滿足城市綠化的40%以上的需水量，適當緩解城區緊張的供水壓力。

(2)支撐地下水資源保護

由圖10—11結果可知，年尺度及場次尺度的雨水下滲量均有不同程度的提高。年尺度下，不同頻率降雨對應的下滲量提高到了2200萬～4200萬m3，較現狀年的提升范圍是230萬～300萬m3；在場次尺度上，隨著設計頻率的下降，下滲量提高尺度隨之增大，場次降雨下滲補充地下水50萬～320萬m3，降雨下滲補充地下水提升了15萬～85萬m3。規劃年通過建設，大量增設綠化面積，提高降雨滲透率，對壓減地下水開采量，恢復地下水位有一定的意義。

圖10 年尺度不同頻率降雨下滲水量

圖11 場次尺度不同頻率降雨下滲水量

4 結論

(1)為規劃情景下城市雨水利用評估提供方法。解析了新區起步區降水的變化特征，考慮了新區規劃情景下不同下墊面的特性，提出了不同尺度、不同頻率的雨水利用量及其閾值的分析計算方法。

(2)為新區城市水源保障方案的制定提供參考。雨水資源作為城市供水水源之一，規劃年起步區不同設計頻率降雨情境下年雨水收集量為1200萬～3900萬m3，其收集量可滿足城市生態供水量的40%以上。

(3)為新區恢復地下水位提供數據支撐。規劃年下滲水量占雨水資源量的30%～41%，較現狀年提高約230萬～300萬m3，可一定程度補充地下水，對恢復地下水位具有廣闊前景。