姜秀麗，武曉峰

（1.北京市昌平區(qū)水務(wù)局，102200，北京；2.清華大學(xué)研究生院，100084，北京）

當(dāng)前，水資源短缺和城市雨洪問(wèn)題在我們國(guó)家的許多城市同時(shí)存在，這些問(wèn)題同時(shí)影響和制約著城市的進(jìn)一步發(fā)展。實(shí)施城市雨水利用工程是充分利用水資源、修復(fù)城市生態(tài)環(huán)境、解決城市排水和防洪問(wèn)題的重要措施。

為了城市雨水利用工程的進(jìn)一步完善，有一些問(wèn)題尚需要探討：城市需要建設(shè)雨水利用工程，但是城市雨水利用量的最大潛力是多少？解決雨水問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題，城市雨水利用工程至少應(yīng)該利用多少雨水？雨水利用工程對(duì)雨水利用的程度有多大？基于對(duì)上述問(wèn)題的思考，提出了城市雨水利用量的最大潛力值、參考值和雨水利用程度這些概念，并進(jìn)行了案例研究。

一、城市雨水利用量最大潛力值的定義和計(jì)算方法

城市建成后無(wú)雨水利用工程狀態(tài)下的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的最大潛力值。城市建成之前，城市下墊面具有一定的徑流系數(shù)，降雨之后產(chǎn)生徑流。城市建成之后，建筑物和硬化道路等不透水面積增加，透水面積相應(yīng)減少，如果沒(méi)有實(shí)施雨水利用工程，此時(shí)的徑流系數(shù)就會(huì)增大到一定數(shù)值，降雨徑流量也隨之增大到一定數(shù)值；如果實(shí)施城市雨水利用工程，最多可以利用的雨水量就是此時(shí)的降雨徑流量數(shù)值，因此稱之為城市雨水利用量的最大潛力值。

城市雨水利用量最大潛力值的計(jì)算公式為：

式中，Wmax為城市雨水利用量的最大潛力值，m3；0.001 為單位換算系數(shù)；α1為多年平均降雨條件下，城市建成后，在無(wú)雨水利用措施時(shí)城市降雨徑流系數(shù)；P為研究區(qū)多年平均年降雨量，mm；F 為研究區(qū)域的面積，m2。

二、城市雨水利用量參考值的定義和計(jì)算方法

城市建成之后、在無(wú)雨水利用工程的情況下，相對(duì)于建成之前所增加的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的參考值。

在城市建成之前，下墊面一般是自然土壤和植被，或者是農(nóng)田，降雨很容易被植物吸收或者入滲土壤形成地下水，降雨徑流系數(shù)和徑流量都比較小，生態(tài)系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。城市建成之后，由于不透水面積增加，降雨徑流系數(shù)和徑流量都會(huì)相應(yīng)增加，如果沒(méi)有城市雨水利用工程，這些增加的降雨徑流會(huì)給城市帶來(lái)一些問(wèn)題，例如：這些徑流無(wú)法滲透到土壤當(dāng)中，無(wú)法回補(bǔ)地下水，就會(huì)造成地下水水位的下降及其相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題；當(dāng)這些徑流排出不暢時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地面積水，影響城市交通和生活環(huán)境；為了排出這些徑流，需要投資建設(shè)城市排水管線，增加了城市的運(yùn)行和管理成本；在當(dāng)前水資源緊缺的形勢(shì)下，這些徑流沒(méi)有得到充分的利用就被排放出境，也加劇了水資源緊缺的形勢(shì)。

實(shí)施城市雨水利用工程的目的正是為了解決以上問(wèn)題。為了保證城市雨水利用工程能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)，應(yīng)該盡量把城市建成之后比建成之前增加的降雨徑流量加以利用，盡量使降雨徑流量恢復(fù)到城市建成前的數(shù)值，保證城市生態(tài)環(huán)境的健康和城市的發(fā)展。因此，城市建成之后比建成之前增加的降雨徑流量定義為城市雨水利用量的參考值。

城市雨水利用量的參考值的計(jì)算公式為：

式中，W0為城市雨水利用量的參考值，m3；α0為多年平均降雨條件下，城市建成前的降雨徑流系數(shù)。

三、案例研究

本文選取的工程案例是北京市某單位辦公區(qū)域的雨水利用工程。這項(xiàng)工程采用的雨水利用措施主要是透水地面、下凹綠地、景觀水池、滲透式雨水收集裝置和蓄水池。

在城市雨水利用量的最大潛力值和參考值計(jì)算中用到的最重要的參數(shù)就是降雨徑流系數(shù)。需要了解研究區(qū)的土地利用狀況，確定研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)，然后采用HYDRUS改進(jìn)模型HYrunoff計(jì)算求得研究區(qū)建成后、無(wú)雨水利用工程狀態(tài)下的降雨徑流系數(shù)，計(jì)算得到研究區(qū)的雨水利用量的最大潛力值和參考值。再通過(guò)雨水利用量計(jì)算雨水利用程度。

1.研究區(qū)土地利用狀況

研究區(qū)總面積12961.86m2。在辦公區(qū)域建成前全部為農(nóng)田。辦公區(qū)域建成之后，在雨水利用工程實(shí)施之前，研究區(qū)的透水面積為水平綠地面積，共計(jì)4587.23m2；不透水面積為建筑物占地和地面面積之和，共計(jì)8374.63m2。雨水利用工程將3144.83m2的不透水地面改造為透水地面，將4569.23m2的水平綠地全部改造為下凹式綠地。在雨水利用工程實(shí)施之后，研究區(qū)的透水面積為透水地面和綠地面積之和，共計(jì)7714.06m2；不透水面積為建筑物占地和不透水地面之和，共計(jì)5229.80m2。

2.研究區(qū)雨水利用措施

（1）安裝雨水收集裝置

雨水收集裝置分為滲透式和無(wú)滲透式兩種。無(wú)滲透式裝置只有雨水輸送功能，而滲透式裝置具有雨水滲透和輸送兩種功能。滲透式雨水收集管道的管壁開孔率為3%，滲透管道外網(wǎng)包裹碎石和土工布，如圖1和圖2所示，這樣的管道使部分雨水滲入土壤，將另一部分沒(méi)有入滲的雨水收集匯入蓄水池。

安裝集水滲透雨水井 （圖3）、滲透式雨水口（圖4）和滲透式樹脂線性排水溝（圖5），開孔率 3%，具有收集滲透功能，有一定沉沙容積。

（2）鋪設(shè)透水地面

鋪設(shè)透水地面3144.83m2，主要位于停車場(chǎng)和人行道。透水地面的縱剖面自下而上包括基層、透水混凝土墊層、細(xì)石透水混凝土找平層和陶瓷透水硅砂磚4部分。

（3）安裝地下蓄水池

這是一種由塑料模塊組合而成的蓄水池，如圖6所示，容積160m3，蓄水池進(jìn)水池與雨水收集管道的終端連接，出水口安裝潛水泵。

（4）鋪設(shè)雨水回用管道

雨水回用管道（圖7）和蓄水池的潛水泵連接，向綠地、景觀水池和洗車房供水，對(duì)雨水進(jìn)行利用。

（5）修建景觀水池

景觀水池占地面積18m2，體積11m3，養(yǎng)殖觀賞魚，種植少量水草。景觀水池可以直接收集各時(shí)段降雨；當(dāng)降雨不足時(shí)，從蓄水池調(diào)水補(bǔ)充。

（6）綠地改造

將原有的水平綠地改建為下凹式綠地，面積4569.23m2，并安裝雨水噴灌系統(tǒng)，雨水不足時(shí)，噴灌系統(tǒng)可接入備用自來(lái)水水源。

3.研究區(qū)建成前后的降雨徑流系數(shù)的確定

研究區(qū)在建成之前，該地區(qū)為普通農(nóng)田，依據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)徑流系數(shù)的規(guī)定，確定研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)α0取 0.15。

根據(jù)研究區(qū)的土地利用狀況和北京市1956—2001年逐日降雨系列資料，應(yīng)用清華大學(xué)水文水資源研究所研發(fā)的HYrunoff模型，計(jì)算得到在無(wú)雨水利用措施的情況下研究區(qū)建成后的多年平均降雨徑流系數(shù)α1為0.601。

4.計(jì)算研究區(qū)雨水利用量的最大潛力值和參考值

根據(jù)北京市1956—2001年逐日降雨系列資料，統(tǒng)計(jì)得到多年平均年降雨量為600.14 mm，研究區(qū)面積為12961.86m2，研究區(qū)建成后的多年平均降雨徑流系數(shù)α1為0.601，將數(shù)據(jù)代入公式（1），計(jì)算出研究區(qū)雨水利用量的最大潛力值 Wmax＝4675.14m3。

研究區(qū)建成前的降雨徑流系數(shù)α0已經(jīng)確定為0.15，將數(shù)據(jù)代入公式（2），計(jì)算出研究區(qū)雨水利用量的參考值 W0＝3508.30m3。

四、對(duì)工程案例的雨水利用量程度進(jìn)行分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在工程案例中，透水地面平均每年雨水滲透量W1為290.65m3，下凹綠地平均每年雨水滲透量W2為101.46m3，景觀水池平均每年攔蓄雨水量W3為10.8m3，滲透式雨水收集裝置的雨水滲透量W4為105.64m3，地下蓄水池的雨水利用量W5為3217.76m3，相加得到整個(gè)雨水利用工程平均每年的雨水利用量Wt為3726.31m3。

工程的實(shí)際雨水利用量是各種雨水利用措施平均每年雨水利用量之和，是一個(gè)絕對(duì)的數(shù)量概念。在此提出一個(gè)相對(duì)的概念：城市雨水利用工程的雨水利用程度。

城市雨水利用工程的雨水利用程度分為兩種：

一種是相對(duì)于雨水利用參考值的雨水利用程度，即工程的實(shí)際雨水利用量占雨水利用量參考值的百分比，記作C1，計(jì)算公式如下：

式中，C1為相對(duì)于雨水利用量參考值的雨水利用程度，%；Wt為城市雨水利用工程的實(shí)際雨水利用量，m3。

將本工程的實(shí)際雨水利用量3726.31m3和研究區(qū)雨水利用量的參考值 3508.30m3代入公式（3），計(jì)算得出本工程相對(duì)于雨水利用量參考值的雨水利用程度C1為106.21%。說(shuō)明雨水利用工程已經(jīng)有效地利用了雨水資源，同時(shí)使研究區(qū)建成后的降雨徑流量已經(jīng)略小于建成前的降雨徑流量。

另一種是相對(duì)于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度，即工程的實(shí)際雨水利用量占雨水利用量最大潛力值的百分比，記作C2，計(jì)算公式如下：

式中，C2為相對(duì)于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度，%。

將工程案例的實(shí)際雨水利用量3726.31m3和研究區(qū)雨水利用最大潛力值 4675.14m3代入公式（4），計(jì)算得出本工程相對(duì)于雨水利用量最大潛力值的雨水利用程度C2為79.70%。說(shuō)明工程的雨水利用量還有一定潛力可挖，如果雨水利用量更多，例如通過(guò)增加洗車房和綠地灌溉利用雨水的量來(lái)增加蓄水池的雨水利用量，整個(gè)工程的雨水利用程度還會(huì)有一定程度的提高。

[1]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范（GB 50400-2006）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]陳少穎.城市雨水資源利用潛力及評(píng)價(jià)方法研究[D].碩士學(xué)位論文，2009.