雨水資源在城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

鄭婷婷，羅國杰

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

中國是水資源嚴(yán)重短缺的國家之一。河南鄭州市的人均水資源量?jī)H為178m3，是典型的水資源短缺城市。為維護(hù)居民的日常用水，亟待提出解決水資源短缺的對(duì)策。然而現(xiàn)實(shí)是，在水資源緊缺的同時(shí)，豐富的雨水資源卻被忽視或未能得到有效利用，“留住雨水”和利用雨水對(duì)于緩解城市水資源緊缺，保護(hù)和恢復(fù)水環(huán)境，修補(bǔ)生態(tài)環(huán)境意義重大，合理利用雨水資源成為當(dāng)今的重要課題[1-2]。海綿城市從理念到實(shí)踐，嘗試不斷。海綿城市，是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來的自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性，也可稱之為“水彈性城市”[3]。鄭州市苑陵故城，以合理開發(fā)、節(jié)約用水和保護(hù)水資源為原則進(jìn)行水資源論證，通過海綿城市建設(shè)理論，應(yīng)用城市海綿體系收集利用雨水，并通過分析水資源現(xiàn)狀，論證苑陵故城取用水的合理性、可供水量及取水水源可靠性，以滿足苑陵故城合理用水的要求[4]。

1 項(xiàng)目概況

苑陵故城位于新鄭市北，分為外城和內(nèi)城，東西長(zhǎng)約1700m，南北寬約2000m。內(nèi)城即苑陵城，平面呈長(zhǎng)方形，城垣周長(zhǎng)約2520m。2013年3月，國務(wù)院公布苑陵故城為第七批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。苑陵故城工程主要包括人工湖工程和駁岸工程。其中，苑陵故城人工湖為人工開挖湖，在滿足改善城市生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，需通過構(gòu)建自然的水生生態(tài)系統(tǒng)，保持水體水質(zhì)良好[5]。根據(jù)水體的功能需求，人工湖水面面積為9.50萬m2，平均水深1.0m，蓄水量9.50萬m3。

苑陵故城人工湖項(xiàng)目的工程任務(wù)是積蓄雨水以解決人工湖生態(tài)用水需求，通過海綿系統(tǒng)建設(shè)達(dá)到自身雨洪調(diào)蓄的目的，實(shí)現(xiàn)人工湖海綿功能[6-7]。取水方案，主要由雨水徑流和海綿工程匯流構(gòu)成，經(jīng)預(yù)處理后引入人工湖；用水方案，是利用雨水徑流和海綿系統(tǒng)收集的雨水，補(bǔ)償人工湖日常的蒸發(fā)、滲漏損失和水生植物用水，項(xiàng)目的建設(shè)順應(yīng)區(qū)域規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)[8]。

2 項(xiàng)目水源選擇

綜合考慮水資源管理政策，結(jié)合航空港區(qū)所處的地理位置和當(dāng)?shù)氐乃Y源開發(fā)利用條件，可供項(xiàng)目選擇的取水水源分別為：地表水、市政中水、市政自來水、園區(qū)雨水，現(xiàn)對(duì)各種水源的供水可行性進(jìn)行分析[9]。

項(xiàng)目區(qū)周邊地表人工湖不具備供水條件；航空港綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)空港第一污水廠中水管網(wǎng)未鋪設(shè)到園區(qū)內(nèi)，無法作為水源；二水廠的水源按照政策不能用于人工湖的水源[10]。

經(jīng)分析，園區(qū)內(nèi)雨水可滿足人工湖用水，緩解供水緊張。工程設(shè)計(jì)人工湖9.50萬m2，調(diào)蓄水位0.5m，人工湖因缺少雨水泵站，無法收取附近外圍雨水，日常以收集園區(qū)內(nèi)雨水為主。

3 用水合理性分析

苑陵故城人工湖初次充水為園區(qū)施工期施工降低水位而抽出的水及天然雨水，正常水位135.5m，最高蓄水位可達(dá)136.0m，最低水位控制在134.5m。人工湖水位與湖面面積、水位與蓄水量數(shù)據(jù)見表1。

表1 苑陵故城人工湖不同水位蓄水量表

根據(jù)人工湖近幾年水體情況，在自身循環(huán)工程和水生態(tài)凈化作用下，水質(zhì)狀況良好，滿足水質(zhì)目標(biāo)要求，無需考慮外部換水等因素[11-12]。因此，論證研究人工湖用水量主要考慮運(yùn)行期間水量的損失，包括人工湖蒸發(fā)、滲漏和水生植物用水[13]。

3.1 湖面蒸發(fā)量

項(xiàng)目所在區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，其中湖面蒸發(fā)是人工湖用水的一個(gè)主要因素[14]。研究根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料計(jì)算水面蒸發(fā)量，計(jì)算公式：

Wre=ArEw/10=8.4萬m3/a

(1)

式中，Wre—人工湖水面年蒸發(fā)量；Ar—人工湖水面面積，0.095km2；Ew—水面多年平均蒸發(fā)量，884.3mm。在人工湖正常水位135.5m時(shí)Ar取值9.5hm2。經(jīng)計(jì)算，人工湖蒸發(fā)損失量約為8.4萬m3/a，水面蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水面蒸發(fā)量計(jì)算表

3.2 水生植物耗水量

苑陵故城人工湖及周邊區(qū)域種植有地被植物和水生植物，主要品種有睡蓮、香蒲、小香蒲、再力花、水蔥、水生美人蕉等，生長(zhǎng)狀況良好，合計(jì)數(shù)量為4700m2，這些植物共同營(yíng)造出了濕地花園的景象[15]。種植面積及數(shù)量見表3。

表3 水生植物統(tǒng)計(jì)表

水生植物需水量計(jì)算公式為：

Wp=A(t)·ETm

(2)

式中，Wp—水生植物需水量，1.04萬m3/a；A(t)—水生植物面積，0.47萬m2；ETm—多年平均蒸散量，2210.75mm/m2。

研究參考國內(nèi)外水生植物蒸散量的實(shí)測(cè)值，取蒸散系數(shù)平均值為2.5時(shí)多年平均蒸散量ETm為2210.75mm/m2，根據(jù)表3可知水生植物面積A(t)為0.47萬m2。經(jīng)計(jì)算，園區(qū)水生植物需水量Wp為1.04萬m3/a。

3.3 滲漏量

根據(jù)航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)淺層水水位埋深為5～7m，采用達(dá)西定理計(jì)算人工湖的滲漏量，表達(dá)式為：

W滲=K1·W蓄

(3)

式中，W滲—人工湖滲漏損失，0.48萬m3/a；K1—滲漏系數(shù)，取5%；W蓄—人工湖年均蓄水量，9.50萬m3。

目前，隨著周邊城市建設(shè)，地下水位呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，隨著地下水壓采，遠(yuǎn)期附近地下水位將會(huì)有所回升。考慮到人工湖已有聚氨酯防水層防滲，滲漏量將大大減少。項(xiàng)目屬于水文地質(zhì)條件優(yōu)良情況，滲漏系數(shù)取5%，經(jīng)計(jì)算，人工湖滲漏量W滲為0.48萬m3/a[16]。

綜上可知，正常運(yùn)行期間，每年需要彌補(bǔ)水系的蒸發(fā)、滲漏損失量和水生植物的需水量合計(jì)為9.92萬m3/a。

3.4 苑陵故城人工湖周邊綠化用水量

苑陵故城綠化占地面積較大，為18.16萬m2，周邊綠化用水量可根據(jù)地方生活用水定額計(jì)算，用水定額為0.51m3/(m2·a)。經(jīng)計(jì)算，人工湖周邊綠化年用水量為9.26萬m3/a，當(dāng)汛期快來臨時(shí)，可用水泵抽出人工湖的水用于周邊綠化灌溉，保證庫容可平穩(wěn)度過汛期[17]。

3.5 取水量合理性分析

苑陵故城人工湖水體面積9.50萬m2。經(jīng)計(jì)算，園區(qū)通過海綿系統(tǒng)和雨水徑流可收集雨水量約為19.18萬m3/a，用水保證率為50%[18]。為滿足人工湖項(xiàng)目用水量需求，正常運(yùn)行情況下，年需水量為9.92萬m3/a，包括蒸發(fā)量為8.40萬m3/a，滲漏量為0.48萬m3/a，水生植物需水量為1.04萬m3/a，可供水量滿足取水要求。人工湖通過海綿系統(tǒng)、雨水徑流收集雨水19.18萬m3/a，蒸發(fā)、滲漏和水生植物用水9.92萬m3/a后，通過水泵抽水9.26萬m3/a用于周邊綠化，水量平衡。

4 取水水源論證

4.1 可供水量

應(yīng)用人工湖面積計(jì)算雨水徑流量，計(jì)算公式如下[19]：

W=(ψchyF)/1000

(4)

式中，W—降雨徑流總量，m3；ψc—雨量徑流系數(shù)，取1.0；hy—設(shè)計(jì)降雨量，mm；F—匯水面積，km2。

項(xiàng)目計(jì)算區(qū)域包括景觀人工湖，綜合考慮現(xiàn)狀景觀水體集雨面積和道路硬化、綠化、水土保持現(xiàn)狀及海綿工程現(xiàn)狀，其中，直接集雨的景觀人工湖雨量徑流系數(shù)取1.0。項(xiàng)目人工湖內(nèi)降雨量采用航空城(1956—2015年)平水年P(guān)=50%，降雨量596.9mm。

4.2 降雨匯水量

苑陵故城在微地形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以主園路為基本骨架，利用生態(tài)排水技術(shù)形成匯流，積蓄雨水。人工湖水面、綠化、道路、廣場(chǎng)、建筑及停車場(chǎng)，都能進(jìn)行雨水的匯流蓄積，共同構(gòu)成了園區(qū)海綿體。經(jīng)計(jì)算，人工湖年匯集雨水量為19.18萬m3/a，不同類型地面對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)及面積見表4，匯水量計(jì)算見表5。

表4 不同類型地面對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)及面積

表5 苑陵故城人工湖匯水量計(jì)算表

4.3 月供水與需水平衡調(diào)節(jié)分析

本次供需水計(jì)算采用苑陵故城人工湖正常水位135.5m，蓄水量9.50萬m3為基準(zhǔn)，月供需水情況見計(jì)算表6—7，由表中數(shù)據(jù)可知，1—5月和11—12月降水匱乏，遠(yuǎn)小于用水需求；6—10月的降水較充裕，遠(yuǎn)大于用水需求。人工湖工程可通過海綿系統(tǒng)調(diào)蓄水措施，將6—10月的多余水量?jī)?chǔ)蓄起來，按需分配至缺水月份，使各月供需水量維持相對(duì)平衡。

表6 月供水量計(jì)算表 單位：m3

表7 月供需平衡調(diào)節(jié)計(jì)算表 單位：m3

5 結(jié)論

通過苑陵故城人工湖實(shí)例分析，論證研究了以雨水作為主水源的合理性，由于每月的降水不均衡導(dǎo)致供需水失衡，苑陵故城人工湖蓄水量在容積范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的起伏，每月蓄水量隨著降雨量變化，最低蓄水量為8.38萬m3，最高蓄水量為11.89萬m3，在海綿工程的調(diào)蓄作用下，人工湖水位維持在135.5m，蓄水量維持在9.50萬m3。通過海綿工程等調(diào)蓄水措施，可以調(diào)整改善各月降水不均現(xiàn)象，能夠充分有效利用天然降水[20]。結(jié)合運(yùn)行期湖面蒸發(fā)總量及海綿城市規(guī)劃，分析苑陵故城年降雨匯水量，本項(xiàng)目用水保證率為50%，保證率偏低，但隨著城市建設(shè)，雨水可成為第二水源。