謝 帥，林 航，王永強(qiáng)，許繼軍，陳 進(jìn)

(1.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 3.長江水利委員會 長江經(jīng)濟(jì)帶保護(hù)與發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

近些年來，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市用水壓力倍增，水資源利用的壓力已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1-3]。在此情況下，科學(xué)合理地開發(fā)利用雨水資源，將其作為常規(guī)水資源的補(bǔ)充，可以有效緩解城市用水壓力，改善居住生態(tài)環(huán)境，逐漸受到了越來越多的關(guān)注[4-5]。在雨水資源化利用中，其可利用量的分析評估是前提和基礎(chǔ)，能夠指導(dǎo)雨水資源利用實(shí)踐，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值[6]。

作為我國城市發(fā)展的典型代表，深圳市面臨著極大的水資源利用壓力[7]。深圳市的人均水資源量約為200 m3，不足全國平均水平的1/10，約為世界人均水資源量的1/22，并且其水污染問題嚴(yán)重，存在水質(zhì)性缺水的問題，是我國七大嚴(yán)重缺水的城市之一[8-9]。隨著深圳市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其水資源需求日益增大，導(dǎo)致其水資源供需矛盾日益嚴(yán)重，自有的水資源量難以滿足其用水量需求，約有2/3的用水量取自境外[10]。同時(shí)，深圳市內(nèi)澇問題嚴(yán)重，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，威脅人民的生命安全，還有大量雨水未加利用而直接排出，又進(jìn)一步加劇了深圳市的水資源匱乏問題[11]。針對深圳市水資源利用的問題，近些年來深圳市逐步開展海綿城市建設(shè)，通過雨水資源化利用的方式增大可利用水資源量、降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。其中，對雨水資源可利用量的評估是重要一環(huán)。

本文以深圳市觀瀾河流域?yàn)槔?，對其雨水資源量進(jìn)行評估，采用基于下墊面分類的雨水資源可利用量計(jì)算方法評估雨水資源利用理論潛力和現(xiàn)實(shí)潛力，并分析城市建設(shè)因素對利用潛力的影響，可為深圳市雨水資源化利用提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究區(qū)域

選取研究區(qū)域?yàn)閳D1中所示的位于深圳市的觀瀾河流域，具體包括龍華新區(qū)、龍崗區(qū)的平湖街道、坂田等片區(qū)、光明新區(qū)部分區(qū)域等。觀瀾河位于深圳市中北部，是深圳市集雨面積超過100 km2的五大河之一，是東江水系石馬河的上游段，發(fā)源于民治街道大腦殼山(海撥385.4 m)的牛咀水庫雞公頭一帶，干流自南向北穿過龍華新區(qū)，在觀瀾街道企坪以下進(jìn)入東莞市境內(nèi)，于東莞市塘廈鎮(zhèn)境內(nèi)匯入其他支流后稱石馬河，在東莞與惠州交界處匯入東江。本文所指觀瀾河流域包括觀瀾河子流域以及石馬河水系的其它支流中位于深圳市的部分，總面積為247.3 km2。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of the Guanlan River basin

觀瀾河流域下墊面可劃分為綠地、水體、屋面、路面、裸土和鋪裝6類。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，綠地(含山體)面積為104.25 km2，水體面積為11.25 km2，屋面面積為40.17 km2，路面面積為38.39 km2，裸土面積為2.64 km2，鋪裝面積為50.55 km2，總計(jì)247.30 km2。

2.2 數(shù)據(jù)

雨量數(shù)據(jù)采用深圳氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，共有1984—2018年共35 a雨量資料，雨量資料系列長，可靠性較好。根據(jù)雨量資料，深圳市多年平均降雨量為1 896.1 mm。各年的年降雨量如圖2所示。從圖2可知，深圳市年降雨量的年際差異較大，分布在1 269.7～2 710.0 mm之間，最大年降雨量在2008年，最小年降雨量在2011年。

圖2 1984—2018年深圳市年降雨量Fig.2 Annual rainfall in Shenzhen from 1984 to 2018

2.3 雨水資源可利用量計(jì)算方法

雨水資源化利用潛力指的是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在特定區(qū)域和一定的時(shí)間內(nèi)，能夠開發(fā)利用雨水資源的最大能力[12]。目前通用的城市雨水資源化利用潛力的計(jì)算和分析方法通常有以下4種[13]：第1種是利用研究區(qū)域的降雨量和匯水面積這2個(gè)物理量來計(jì)算研究區(qū)域雨水資源利用的理論和現(xiàn)實(shí)潛力，又稱綜合徑流系數(shù)法；第2種是通過經(jīng)驗(yàn)公式來估算城市的雨水可利用量，即經(jīng)驗(yàn)公式法；第3種是先將研究區(qū)域按照下墊面類型的差異進(jìn)行分區(qū)，然后再根據(jù)不同的下墊面類型來計(jì)算分析雨水資源化利用潛力，即下墊面分類的方法；第4種是從水量平衡的角度出發(fā)，綜合分析研究區(qū)域產(chǎn)匯流的各個(gè)環(huán)節(jié)來計(jì)算雨水資源化利用潛力。

由于在短歷時(shí)降雨中蒸發(fā)的影響較小，因此上述4種方法均未單獨(dú)考慮蒸發(fā)的影響[14]。在4種方法中，第3種方法主要用于具有不同類型下墊面的區(qū)域，利用已知的降雨資料進(jìn)行城市雨水利用潛力計(jì)算，從而推算出雨水資源化可利用量，在降雨資料充分的情況下，計(jì)算結(jié)果較為精確。

2.3.1 雨水資源總量

結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，對于深圳市觀瀾河流域雨水資源總量的計(jì)算采用綜合徑流系數(shù)方法，即

W=HA。

(1)

式中：W表示城市雨水資源總量(m3)；H表示年降雨量(m)；A表示匯水面積(m2)。

2.3.2 雨水資源利用理論潛力

對于雨水資源利用理論潛力的計(jì)算采用下墊面分類的方法[15]，即

Ws=W1+W2+W3。

(2)

式中：Ws表示城市雨水資源利用理論潛力(m3)；W1表示城市不透水地面雨水資源量(m3)；W2表示城市園林綠地雨水資源量(m3)；W3表示城市水體雨水資源量(m3)。W1、W2、W3計(jì)算方法如式(3)—式(5)。

(3)

式中：Ri表示一定時(shí)間內(nèi)的降雨量(mm)；Rk表示降水初期損失和棄流的雨水量(此處Rk取6 mm)；S1表示城市不透水地面總面積(km2)。

(4)

式中：Ra表示植物截留的雨水量(根據(jù)文獻(xiàn)[15]，此處Ra取0.3 mm)；S2表示城市園林綠地總面積(km2)。

W3=RiS3。

(5)

式中S3表示城市水體總面積(km2)。

2.3.3 雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力雨量，因此雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力要小于理論潛力。具體計(jì)算公式為

We=Ws-Wt。

(6)

式中：Ws表示城市雨水資源利用理論潛力(m3)；We表示城市雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力(m3)；Wt表示臨界水資源量，即超過城市最大降水容納能力后需要排掉的多余水量(m3)。其中

(7)

式中：Rl表示臨界降雨量(mm)，臨界降雨量與各個(gè)城市的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，可以根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[16]中的年徑流總量控制率和降雨量的對應(yīng)關(guān)系確定；St表示城市總面積，St=S1+S2+S3(km2)；m表示降雨的次數(shù)。

3 結(jié)果分析及預(yù)測

3.1 降雨資料

將1984—2018年歷年年降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過P-Ⅲ型理論曲線進(jìn)行頻率適線，推求各頻率P下的設(shè)計(jì)雨量。各頻率設(shè)計(jì)雨量成果見圖3和表1。

表1 設(shè)計(jì)年降雨量成果Table 1 Designed annual rainfall

圖3 年降雨量設(shè)計(jì)頻率曲線Fig.3 Design frequency curve of total annual rainfall

通過繪制頻率曲線，得到Cv=0.24，Cs/Cv=2.92，Cv=0.7，進(jìn)而得到不同頻率年的降雨資料。根據(jù)圖3，可以得到特豐年(P=5%)、豐水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)對應(yīng)的年降雨量分別為2 723.74、2 167.57、1 843.44、1 567.43、1 248.36 mm。已有的實(shí)測系列中與設(shè)計(jì)值最接近的年份為典型年，故選取2008年、2005年、1998年、1984年、2011年作為典型年，年降雨量分別為2 710.0、2 143.6、1 825.0、1 579.3、1 269.7 mm(如表2所示)。按照上述城市雨水資源可利用量計(jì)算方法，計(jì)算深圳市觀瀾河流域的雨水資源總量、雨水資源利用理論潛力和現(xiàn)實(shí)潛力并進(jìn)行比較分析。

表2 不同典型年雨水資源量Table 2 Rainwater resources in different typical years

3.2 雨水總量

觀瀾河流域內(nèi)多年平均降雨量為1 896.13 mm，則可以根據(jù)公式W=HA計(jì)算出觀瀾河流域雨水資源總量，觀瀾河流域多年平均雨水資源總量為4.7億m3。

在不同的典型年雨水總量不同，在特豐年，深圳市觀瀾河流域的雨水總量可達(dá)到6.70億m3，平水年達(dá)到4.53億m3，即使在特枯年也有3.14億m3，可見深圳市的雨水資源總量巨大，具有較大的雨水資源化利用潛力。

3.3 雨水資源利用理論潛力

不同的下墊面類型會產(chǎn)生不同的水文效應(yīng)，下墊面的組成狀況直接或間接地影響著地表徑流量、陸地蒸發(fā)量、降水入滲量、土壤含水量等水文要素[17]。

下墊面類型大致可分為3類：一是不透水下墊面，主要包括城市居民住房、廠礦企業(yè)、道路、廣場等用地，這類下墊面多為不透水的硬化路面，要對降雨進(jìn)行棄流處理，因此這類下墊面的雨水可利用量是在扣除降水損失和初期棄流后的凈雨量；二是園林綠地下墊面，指的是有綠色植被覆蓋的下墊面，雨水可以直接下滲，這類下墊面上的雨水資源化可利用量是扣除植被截流后的降雨量；三是水體下墊面，主要包括河流、湖泊等水域，這類下墊面上的降雨可以完全直接轉(zhuǎn)化為水資源。

根據(jù)下墊面類型分類的標(biāo)準(zhǔn)將觀瀾河流域下墊面分為不透水下墊面、園林綠地下墊面和水體下墊面3種類型。其中，不透水下墊面包括屋面、路面和鋪裝，面積為129.11 km2；園林綠地下墊面的面積為104.25 km2；水體下墊面的面積為11.25 km2。分別計(jì)算觀瀾河流域的雨水資源量W1、W2、W3，雨水資源利用理論潛力即為三者之和，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 觀瀾河流域不同典型年雨水資源利用理論潛力Table 3 Theoretical potential of rainwater resources utilization in different typical years in Guanlan River basin

3.4 雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力

雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力不僅和降雨量有關(guān)，還和城市的雨水資源收集、處理的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。根據(jù)深圳市海綿城市建設(shè)的規(guī)劃，要將70%的雨水就地消納和利用，則依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中廣州市的年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量的對應(yīng)關(guān)系作為參考，在達(dá)到70%年徑流總量控制率時(shí)，設(shè)計(jì)降雨量(日值)為25.2 mm，則雨水利用現(xiàn)實(shí)潛力計(jì)算中的臨界降雨量取25.2 mm。

對深圳市1984—2018年的降雨資料進(jìn)行分析，分別計(jì)算出不同典型年的臨界水資源量，雨水利用現(xiàn)實(shí)潛力即為扣除臨界水資源量之后的雨水利用理論潛力，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 觀瀾河流域不同典型年雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力Table 4 Practical potential of rainwater resources utilization in different typical years in Guanlan River basin

由表4可知，在此建設(shè)條件下，平水年的臨界降雨量為25.2 mm，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力為2.42億m3，表明深圳市的雨水資源具有較大的現(xiàn)實(shí)利用潛力。從不同典型年的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力可知，隨著降雨量增大，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力也增大。但是，值得注意的是，特豐年的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力反而小于豐水年和平水年。分別分析豐水年(2005年)、平水年(1998年)和特豐年(2008年)的降雨資料可知，在特豐年，降雨天數(shù)共132 d，24 h內(nèi)降雨量>100 mm的大暴雨共有7場，而在豐水年和平水年，降雨天數(shù)分別為127 d和148 d，大暴雨僅有1場。盡管特豐年的雨水資源總量最多，但極端降雨場數(shù)多，導(dǎo)致臨界水資源量偏大，雨水資源化利用困難太大，故特豐年的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力反而小于豐水年和平水年。

3.5 不同下墊面類型的影響

分別計(jì)算出不同下墊面類型所對應(yīng)的單位面積雨水資源量，可分析下墊面類型對于雨水資源利用的影響。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 觀瀾河流域不同下墊面類型單位面積的雨水資源量Table 5 Amount of rainwater resources per unit area of different underlying surface types in Guanlan River basin

由表5可知，在同一年份相同的降雨情況下，水體下墊面的雨水資源利用理論潛力和實(shí)際降雨量一致，園林綠地下墊面的理論利用潛力略小于實(shí)際降雨量，而不透水下墊面的雨水資源理論利用潛力遠(yuǎn)小于實(shí)際降雨量。根據(jù)W1、W2、W3的計(jì)算公式，水體下墊面無棄水，園林綠地下墊面需考慮植物截留的雨水量，損失量較小，且植物有涵養(yǎng)水源的作用，故雨水資源的損失量很小，而不透水下墊面在降水初期損失雨水量較大，小型降雨產(chǎn)生的雨水資源基本難以利用，故在同樣的降雨條件下，不透水下墊面的雨水資源理論利用潛力較小。因此，在建設(shè)中減少不透水下墊面面積，有助于增大深圳市的雨水資源利用潛力。

3.6 不同開發(fā)程度的影響

當(dāng)城市建設(shè)過程中采用不同的年徑流總量控制率時(shí)，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力也有所變化。根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中的標(biāo)準(zhǔn)，深圳市60%、70%、75%、80%、85%年徑流總量控制率所對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量(日值)分別為18.4、25.2、29.7、35.5、43.4 mm。按照不同的年徑流總量控制率分別計(jì)算出不同典型年的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力，計(jì)算結(jié)果見表6和圖4。

表6 雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculated practical potential of rainwater resources utilization

圖4 雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculated practical potential of rainwater resources utilization

對不同年徑流總量控制率的觀瀾河流域雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力計(jì)算結(jié)果表明，對于不同的典型年，隨著年徑流總量控制率的增加，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力呈現(xiàn)出上升的趨勢。年徑流總量控制率增加，即直接排放浪費(fèi)掉的雨水資源量減少，可被利用的雨水資源量增加，故雨水利用現(xiàn)實(shí)潛力會呈現(xiàn)出上升的趨勢。

3.7 目標(biāo)及預(yù)測

根據(jù)《深圳市海綿城市規(guī)劃要點(diǎn)和審查細(xì)則》，深圳市2030年的年徑流總量控制率要達(dá)到70%，雨水資源替代城市自來水供水的水量應(yīng)達(dá)到3%。其中，觀瀾河流域的年徑流總量控制率需達(dá)到69.9%。在特枯年，70%的年徑流總量控制率下，深圳市觀瀾河流域的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力可達(dá)1.73億m3。根據(jù)深圳市城市供水水源規(guī)劃，雨水資源重點(diǎn)用于生態(tài)，中部的龍華、觀瀾、坂雪崗在2035年的城市需水量為4.13億m3，其中環(huán)境用水量為0.19億m3。若能完成深圳市海綿城市建設(shè)并進(jìn)行雨水資源化利用，則雨水資源可以滿足環(huán)境用水需求，且可替代部分其他水源，從而緩解深圳市用水壓力。

4 結(jié) 論

在本文的研究中，從雨水資源總量、雨水資源利用理論潛力和雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力方面對深圳市觀瀾河流域的雨水資源可利用量進(jìn)行了評估，并分析了城市建設(shè)條件對于雨水資源可利用量的影響。主要結(jié)論如下：

(1)深圳市觀瀾河流域具有較大的雨水資源利用潛力。觀瀾河流域多年平均雨水資源總量為4.7億m3，在平水年，雨水資源總量達(dá)到4.53億m3，雨水資源利用理論潛力為3.74億m3，在70%的年徑流總量控制率下，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力可達(dá)2.42億m3。

(2)下墊面條件的差異對于雨水資源利用理論潛力有著較大的影響。在相同的降雨條件下，園林綠地、水體下墊面的雨水資源利用理論潛力遠(yuǎn)大于不透水下墊面。在平水年降雨量為1 825 mm的情況下，園林綠地下墊面單位面積的雨水資源量達(dá)到1 784.2 mm，不透水下墊面單位面積的雨水資源量僅為1 293.5 mm。

(3)隨著年徑流總量控制率的增加，雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力呈現(xiàn)出上升的趨勢。在平水年，60%年徑流總量控制率下的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力為2.03億m3，85%年徑流總量控制率下的雨水資源利用現(xiàn)實(shí)潛力為2.96億m3。

綜上，深圳市觀瀾河流域的雨水資源利用潛力較大，通過合理的雨水資源利用設(shè)施建設(shè)，減少不透水下墊面面積，提升雨水資源存蓄、處理能力，有助于增大水資源可利用量，緩解深圳市的水資源短缺問題。