百望山森林公園雨水利用研究

張丹丹 于鳳珍

(首都綠色文化碑林管理處，北京 100094)

北京地區(qū)降水時(shí)空分布極不均衡，冬春季節(jié)干旱少雨，夏季降水充沛，80%的降雨集中在夏季，遇強(qiáng)降雨易造成城市內(nèi)澇、積水嚴(yán)重等問題[1]。如何把有限的雨水資源充分利用起來，澇蓄旱釋，變水害為水利成為亟待解決的問題。

百望山森林公園地理位置特殊，京密引水渠繞山而過，是距離城市最近的山體森林公園之一。公園坡面陡峭，暴雨時(shí)節(jié)易發(fā)生山體滑坡、泥石流等災(zāi)害，極易對山下城市帶來嚴(yán)重危害，且干旱時(shí)引水上山耗費(fèi)大量的財(cái)力、人力，成本較高。因而，開展雨水資源利用顯得尤為重要。

百望山森林公園采取“道法自然”的建設(shè)理念，在雨水控制與利用工程建設(shè)過程中盡可能地減少原地面干擾破壞，保留原有地形地勢，將雨水資源進(jìn)行滲、滯、蓄、用，把百望山打造成“會呼吸、能喝水”的海綿公園。百望山森林公園建設(shè)與雨水利用相結(jié)合，可有效減輕水土流失，降低山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，收集的雨水將用于綠地灌溉、防火應(yīng)急等，并有望為其他地區(qū)海綿公園建設(shè)提供參考。

1 百望山森林公園概況

1.1 基本信息

百望山屬太行山余脈，是太行山延伸到華北平原最東端的山峰，位于海淀區(qū)頤和園北3km處，京密引水渠繞山而過。百望山主峰海拔210m，總面積244.6hm2，是距核心區(qū)最近的山區(qū)森林公園。百望山內(nèi)有多處廢棄的采石場，碎石較多，土壤貧瘠，土壤蓄水保水能力差。現(xiàn)有的林業(yè)資源多為新中國成立后人工栽植的側(cè)柏、刺槐、黃櫨等人工純林，主要以觀賞性景觀林為主，林地面積234hm2，在森林生態(tài)演替恢復(fù)的過程中，土壤條件雖有改善，但水土流失現(xiàn)象仍常發(fā)生。

1.2 降雨情況

百望山位于海淀區(qū)，其年降雨量高于海淀區(qū)年降雨量，根據(jù)圖1降雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2012—2018年海淀區(qū)平均年降雨量451mm，百望山平均年降雨量638mm，是海淀區(qū)年降雨量的1.41倍，若發(fā)生高強(qiáng)度降雨引發(fā)山洪災(zāi)害，極易危害山下城市安全。因而，百望山森林公園建設(shè)雨水控制與利用工程顯得尤為重要。

圖1 2012—2018年百望山、海淀區(qū)年降雨量

2 雨水控制與利用工程措施

2.1 滲水措施

為讓更多的雨水自然下滲，補(bǔ)充地下水，基礎(chǔ)設(shè)施如園內(nèi)道路、停車場、休憩區(qū)、移動廁所等基本上選用透水的鋪裝材料。透水鋪裝形式為全透型鋪裝[3]，鋪裝方法選擇將原有地面平整后，素土夯實(shí)，鋪設(shè)碎石、透水磚等，縫隙間填土，未使用任何水泥、混凝土等不透水材料；或者在原有地面上架空抬高，采用近自然的方式盡可能地減少對原有地面的干擾，如木棧道、移動廁所等[2]，這些鋪裝方式能很好地保留地面的空隙通透性，雨水可通過鋪裝材料的縫隙滲入地下，回補(bǔ)地下水。公園內(nèi)因防火需要建有水泥公路，為盡可能地增加雨水下滲，在水泥防火公路一側(cè)鋪設(shè)透水的碎石路肩，在另一側(cè)設(shè)排水溝，將公路上未滲透的雨水徑流通過排水溝引入蓄水池。百望山森林公園內(nèi)現(xiàn)有道路廣場雨水控制措施面積1.95萬m2，嵌草磚停車場9100m2，架空安裝移動廁所4處(見表1)。

表1 滲水的雨水控制措施

2.2 滯水措施

百望山地形復(fù)雜，地勢陡峭，遇強(qiáng)降雨，高陡坡面匯流時(shí)間短，地表徑流流速快，沖刷力強(qiáng)，易造成水土流失。為延長雨水匯流時(shí)間，削減洪峰流量，在坡面尤其是高陡坡面及坡長較長的坡面，采取滯水控制措施(見圖2)。

圖2 滯水的雨水控制措施

a.荊條排子。在碎石較多、植被較少的高陡坡面(坡度大于30°)，利用割灌清雜產(chǎn)生的荊條枝，編成縱橫交錯(cuò)的“排子”覆蓋在坡面上，猶如給坡面穿上一件鏤空的外套，可有效減輕降雨對坡面的直接打擊。

b.坡面樹盤。百望山內(nèi)樹盤有兩種形式，第一種是鳥窩式樹盤，把修枝產(chǎn)生的細(xì)枝條用編筐的形式在目標(biāo)樹的坡下處圍成半橢圓式的鳥窩，鳥窩式樹盤可用于坡度10°～30°的坡面；第二種是碎石樹盤，利用坡面的碎石壘成碎石樹盤，適用于坡度15°～25°碎石較多的坡面。樹盤可以攔截坡面的枯枝落葉，增加地表枯落物覆蓋，降雨時(shí)可以吸持雨水，阻滯徑流，增加入滲，同時(shí)也能為樹盤內(nèi)喬木生長營造良好水分條件和養(yǎng)分條件。

c.下凹式綠地。在山中的平面休息區(qū)綠化整地時(shí)，綠地高度低于周邊道路標(biāo)高5～10cm，或者在坡度小于10°的平緩坡面上挖滯水坑，滯水坑坡下側(cè)用土埂圍擋，坑內(nèi)種植耐淹的嶗峪苔草等，這樣遇強(qiáng)降雨時(shí)，雨水即使來不及滲透，下凹式綠地也可以積蓄近5～10cm的雨水，隨后慢慢滲入地下，延滯雨水產(chǎn)流時(shí)間，多余的雨水可通過截排水溝引入蓄水池，百望山森林公園現(xiàn)有下凹式綠地面積1613m2。

2.3 蓄水措施

百望山森林公園現(xiàn)有規(guī)模不一的蓄水池16座，蓄水塘3座，安全蓄水容積11.2萬m3，其中最大的蓄水池是天澄湖，安全蓄水容積達(dá)8萬m3。根據(jù)北京市《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 11/685-2013)，百望山森林公園下墊面徑流系數(shù)取值見表2。

表2 百望山森林公園下墊面徑流系數(shù)

經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算，百望山森林公園綜合徑流系數(shù)ψz為0.17，初期棄流降雨厚度取3mm，則初期雨水棄流量W1為1247.5m3。

根據(jù)現(xiàn)有蓄水池安全蓄水容積C，可利用公式反推現(xiàn)有蓄水池滿足的設(shè)計(jì)降雨量。

C=W-W1

(1)

W=10ψzhyF

(2)

式中：W為徑流總量,m3；ψz為綜合徑流系數(shù)；hy為設(shè)計(jì)降雨量,mm；F為匯水面積,hm2。

經(jīng)計(jì)算：hy為272.3mm，通過查詢對比北京市水文手冊暴雨圖集，百望山森林公園所處地區(qū)20年一遇最大24h降雨量為270mm，故百望山森林公園現(xiàn)有蓄水池安全蓄容能抵御20年一遇的最大24h降雨。

另外，百望山在公園臨近城市道路側(cè)建有4座儲水窖，并配有4座泵站，這樣遇強(qiáng)降雨臨近城市道路積水較多時(shí)，路上積水可匯至儲水窖中，經(jīng)泵站提升通過輸水管道輸送至蓄水池，為城市道路提供雨水蓄滯空間，有效分擔(dān)臨近城市道路排水壓力。

這些雨水收集設(shè)施可以有效攔蓄雨水，削減洪峰流量，減低城市雨水管道的疊加效應(yīng)，緩解城市管道、河流行洪壓力。在干旱時(shí)蓄積的雨水可用于森林灌溉、防火應(yīng)急等，實(shí)現(xiàn)雨水資源的“澇蓄旱釋”。

3 雨水利用效益分析

百望山雨洪利用工程監(jiān)測系統(tǒng)顯示，2018年百望山森林公園降雨量756mm，汛期降雨量606.5mm，蓄水池共收集雨水總量1.94萬m3。2018年“7·16暴雨”是對百望山海綿公園建設(shè)的考驗(yàn)。百望山雨洪監(jiān)測系統(tǒng)顯示，暴雨于2018年7月16日凌晨3時(shí)開始，7月17日18∶30時(shí)結(jié)束，整個(gè)降雨過程延續(xù)約40h。7月16日凌晨3∶10雨強(qiáng)達(dá)到最大，百望山望京樓、楓嶺碑林、望鄉(xiāng)亭3個(gè)雨量站的降雨強(qiáng)度分別為125.0mm/h、116.0mm/h、102.0mm/h，高強(qiáng)度降雨持續(xù)近30min。3個(gè)觀測點(diǎn)平均降雨量198.7mm，其中，海拔最高的望京樓監(jiān)測點(diǎn)降雨量達(dá)到了大暴雨量級，為218.0mm。在此次的大暴雨過程中，雨水控制與利用工程充分發(fā)揮作用，百望山無雨洪山地災(zāi)害發(fā)生，蓄水池?zé)o溢流發(fā)生，未給城市帶來山洪危害。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

雨水利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在節(jié)約中水費(fèi)用、減輕排水設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用、減少缺水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)用等[3]。除此之外，還有回補(bǔ)地下水收益、改善生態(tài)環(huán)境帶來的收益等，因這些收益很難精確地估算，本研究中予以忽略。

節(jié)約中水費(fèi)用：蓄水池蓄積的雨水用于澆水灌溉、灑水防火等。2018年節(jié)省中水水量1.94萬m3，《關(guān)于調(diào)整北京市再生水價(jià)格的通知》(京發(fā)改〔2014〕885號)中明確要求每立方米中水價(jià)格不超過3.5元，本文選取中水價(jià)格3.5元/m3，則節(jié)約的中水費(fèi)用為6.79萬元。

減輕排水設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用：百望山森林公園開展雨洪利用工程可以減少雨水的外排，緩解城市雨水管道的排水壓力。減少的外排水量，除了蓄水池蓄積的水量，還包括下凹式綠地增加的蓄滲量、透水鋪裝增加的下滲水量，根據(jù)雨洪利用監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的降雨情況，下凹式綠地蓄滲初期棄流3mm，透水鋪裝增滲的水量按式(2)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得出下凹式綠地蓄滲量0.92萬m3，透水鋪裝增滲水量1.41萬m3，2018年減少雨水外排量共計(jì)4.03萬m3，排入雨水管網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用為0.08元/m3[4]，則減輕的排水設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用為0.34萬元。

減少的缺水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)用：根據(jù)韓宇平等[5]的研究，北京市每缺水1m3造成的經(jīng)濟(jì)損失為14.70元，則2018年度減少由缺水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)用為28.50萬元。

百望山森林公園開展的雨洪蓄積利用工程具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，2018年帶來的經(jīng)濟(jì)效益約為35.63萬元。

3.2 生態(tài)效益

百望山森林公園雨水蓄積工程海拔由高到低，錯(cuò)落分布，蓄積的雨水可用于園區(qū)林木花卉灌溉、旱季森林防火等，為園區(qū)林木和花卉植物健康生長提供有效的水源保證。雨水利用工程蓄積的雨水用于下滲，補(bǔ)給地下水，對于緩解北京市地下水位下降等具有重要意義。蓄水后的天澄湖猶如一顆明亮的珍珠鑲嵌在百望山，給公園添加了靈秀之氣，引來雁鴨戲水，動物飲水，豐富了公園物種多樣性。

4 結(jié) 語

百望山在海綿公園建設(shè)方面先試先行，摸索出一條“尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然”的綠色海綿公園建設(shè)之路，在實(shí)現(xiàn)徑流調(diào)控、節(jié)省水資源成本、豐富公園的生態(tài)和景觀功能等方面取得了很好成效，為其他山地森林公園海綿公園建設(shè)提供了參考。

百望山森林公園先期做到把雨水資源“留下來”的同時(shí)，后期應(yīng)考慮如何把雨水資源“美起來”。因此，在下一步的海綿公園建設(shè)過程中，要盡可能地提高雨水水質(zhì)，提高雨水的景觀觀賞價(jià)值，建議在雨水進(jìn)入蓄水池前設(shè)置攔污柵、沉沙池等，避免枯枝落葉、泥沙等進(jìn)入蓄水池，造成水質(zhì)惡化。