建筑與小區雨水資源化利用率建模與驗證：以昆山廟涇圩為例

孔 赟，張 彬，馮 博

(江蘇省規劃設計集團有限公司，江蘇南京 210036)

我國作為一個嚴重缺水的國家，雨水資源的合理收集與利用對優化供水結構、增加水資源供給、緩解供需矛盾和減少水污染、保障水生態安全具有重要意義。近幾年，海綿城市因具有適應環境變化和應對自然災害等方面的良好“彈性”而成為雨洪管理的熱點[1]。在我國城市建設用地中，建筑與小區用地一般占總用地的40%，其產生的雨水徑流約占城市徑流總量的50%[2]。隨著綠色建筑及海綿城市理念的不斷深入，建筑與小區雨水資源化利用逐步推廣，展現出了良好的生態效益和經濟效益。因此，建筑與小區雨水資源化利用具有廣闊的前景。

合理的“海綿”效果考核將是海綿城市建設成功與否的必要程序，也是國家財政資金績效考核的重要內容[3]。2015年7月，住房城鄉建設部辦公廳印發《海綿城市建設績效評價與考核辦法(試行)》(以下簡稱《辦法》)，《辦法》要求定量計算雨水資源利用率，并給出了計算方法，即雨水收集并用于道路澆灑、園林綠地灌溉、市政雜用、工農業生產、冷卻等的雨水總量(按年計算，不包括匯入景觀、水體的雨水量和自然滲透的雨水量)與年均降雨量(折算成mm)的比值。2020年4月，住房和城鄉建設部辦公廳下發了關于開展2020年度海綿城市建設評估工作的通知。其中，雨水資源化利用率是評價水資源利用的重要指標，要求對缺水城市海綿城市建設達標區進行雨水資源化利用率評價。

然而，受制于降雨的不確定性、雨水回用對象對雨水利用頻次的不同、蓄水設施規模大小不同等原因，在實際應用過程中，雨水資源化利用率并未得到有效定量計算，雨水資源化利用情況也未得到有效評估。Feng等[4]提出合理的下墊面分類系統，搭建了海綿城市建設雨水資源利用潛力模型，并以開封為例驗證其可行性。張期鑾[5]通過對雨水徑流資源化系統的最大可收集徑流量、回用需水量及調蓄池容積與系統的雨水收集利用率、雨水資源替代率之間關系的分析，建立了以年為周期、日為步長的Monte Carlo水量動態平衡方法。朱文彬等[6]綜合考慮雨水資源化利用的供給側約束和需求側約束，采用指標體系法對我國661個城市雨水資源化利用效益進行了評估，從雨水資源化利用量角度研究了雨水資源化利用效率問題。劉琳琳[7]以沈陽市渾南新區慧緣馨村小區為例，分析了蓄水池容積與暴雨重現期的關系，進行了雨水資源化改造、雨水量計算等研究。曾超等[8]研究探索了基于層次分析法的變權PROMETHEE模型在雨水利用評價中應用，認為模型在雨水資源利用評價方面具有優勢。曹萬春等[9]利用SWMM模型對某校園蓄水池進行連續水量平衡分析，通過梳理蓄水池調蓄容積變化與雨水回用量的關系，得到雨水回用可靠性達61.8%。車晗等[10]通過選取典型年分鐘級降雨數據，并根據每個地塊實際的用地結構比例，提出了一種針對地塊的精細化計算雨水資源化利用量的方法。雖然上述現有的研究從不同的方面考慮，并基于多種方法，對雨水資源化利用進行了直接或間接的效益評估和計算，但是對建筑與小區雨水資源化利用率的定量計算仍有所欠缺。本文以昆山為例，通過構建降雨產流與蓄水設施蓄水耦合模型，系統研究蓄水設施規模大小與雨水資源化利用率之間的關系，提出了一種精確評估建筑與小區雨水資源化利用率的方法，從而盡可能準確地評估雨水資源化利用情況，對雨水資源化利用設施規模的選擇也具有積極的參考意義。

1 研究區域概況

昆山地處江蘇省東南部，長江三角洲南翼，位于120°48′21″E～121°09′04″E，31°06′34″N～31°32′36″N，是典型的平原水網地區。全市劃分為98個圩區，每個圩區獨立排水，圩內河網通過水閘與圩外骨干河道聯通。昆山屬北亞熱帶南部季風氣候區，年平均降水量為1 133.3 mm?！独ド绞泻＞d城市專項規劃》依托圩區將昆山劃分為98個海綿管控分區，其中位于城市建成區內的廟涇圩為海綿城市建設達標區。

2016年2月，昆山出臺《市政府關于印發昆山市建設項目節約用水管理辦法的通知》(以下簡稱《通知》)，《通知》明確要求，規劃用地面積為20 000 m2以上的新建建筑配套建設雨水利用設施，建筑面積為30 000 m2以上的賓館、飯店以及建筑面積為100 000 m2以上的校園、居住區及其他民用建筑配套建設中水或者雨水利用設施。每10 000 m2建設用地宜建設不小于100 m3的雨水調蓄池，路幅超過70 m的道路兩側逐步配套建設雨水蓄水設施。同時，景觀用水水源不得采用自來水、逐步禁止綠化、環衛等使用自來水。

在《通知》的指導下，從2016年至今，昆山市市域上報昆山市節水辦的雨水利用設施總規模超過140 000 m3，涵蓋了住宅區、學校、行政中心、商業辦公、工業等用地。其中，城市建成區范圍內已建雨水利用設施體積約為13 366 m3。

2 研究模型構建

2.1 地塊條件假定

據調研，廟涇圩內建筑與小區占地規模為3 000～54 000 m2。因此，本研究選定的小區規模分別為10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2。根據《城市居住區規劃設計標準》(GB 50180—2018)中關于居住街坊用地與綠地率最小值的控制指標和《海綿城市建設評價標準》(GB/T 51345—2018)，一般情況下，二類居住用地的綠地率為30%～35%，硬化地面面積占比25%～35%。為便于計算，不同規模小區的綠地率均設為30%，硬化面積占比均設為35%。

2.2 建筑與小區雨水利用需求量估算

地塊內雨水資源化利用途徑主要為綠地、道路和廣場澆灑。根據《建筑給水排水設計標準》(GB 50015—2019)和《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》(GB 50400—2016)，小區內綠地澆灑用水量按澆灑面積為2 L/(m2·d)計算，硬質地面(主要為道路和廣場)澆灑用水量按澆灑面積為2 L/(m2·d)計算，據此估算不同規模小區每日雨水利用需求量，如表1所示。

表1 不同規模小區雨水利用需求量估算

2.3 降雨產流模擬

以昆山市2013年—2015年實測逐日降雨資料為降雨輸入條件，逐日降雨量扣除2 mm后進行產流模擬。昆山市2013年—2015年降雨產流情況如圖1所示，綜合考慮昆山建筑小區下墊面情況和排水設計參數，雨量徑流系數取0.65，構建降雨產流連續性模擬計算模型，由此依據降雨產流情況進行蓄水池雨水收集計算。

圖1 昆山市2013年—2015年連續降雨產流

2.4 雨水收集利用邊界條件假定

根據實際情況，設定雨水收集利用的一般邊界條件。

(1)雨水收集

當日降雨產流進入雨水調蓄池直至蓄滿后，產生溢流外排；若調蓄池未蓄滿則無外排雨量，剩余調蓄空間待下次降雨產流繼續收集雨水，直至蓄滿。

(2)雨水利用

根據實際情況，假定雨天無澆灑需求，僅晴天進行小區澆灑產生雨水利用量。雨水調蓄池收集雨量根據小區每日雨水需求量進行分配，直至用完。

(3)雨水收集-利用平衡

基于昆山市連續3年逐日降雨資料系列，概化逐日“降雨-產流-調蓄池收集-小區澆灑利用”計算程序，動態分析每日雨水收集-利用平衡關系，如圖2所示。

圖2 雨水收集利用計算

2.5 蓄水設施雨水收集利用分析

按照昆山市海綿城市建設關于蓄水設施建設的相關要求，研究分析100 m3的雨水調蓄池在不同規模小區(10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2)的雨水收集利用情況。

以面積為10 000 m2的小區設置蓄水池為100 m3的雨水調蓄池為例，進行雨水收集利用模擬計算，分析雨水調蓄池在昆山市2013年—2015年逐日降雨條件下雨水收集利用情況，如表2和圖3所示。根據模擬計算結果分析，100 m3雨水調蓄池在10 000 m2小區逐月雨水收集率在0～44.84%，3年平均值為16.06%，呈現出汛期雨水收集率小于非汛期的趨勢；雨水利用率在0～65.88%，3年平均值為15.90%；梅雨季節(每年6月—7月)雨水收集率和利用率明顯偏低于相鄰月份。

表2 2013年—2015年逐月雨水收集利用

2013年—2015年逐月雨水收集利用率變化如圖3所示。

圖3 2013年—2015年逐月雨水收集、利用率變化

模擬計算100 m3雨水調蓄池在面積分別為10 000、20 000、30 000、40 000、50 000 m2小區的雨水收集利用情況，說明單位面積雨水調蓄池規模與雨水收集利用率的關系。不同規模小區設置100 m3雨水蓄水設施時，雨水收集利用情況如表3、圖4所示。根據模擬計算結果分析標明，單位面積雨水調蓄池規模越大，雨水收集情況越好。

圖4 雨水調蓄池收集利用率與小區面積關系

表3 不同規模小區雨水收集利用

進一步分析可知，雨水收集利用率與單位面積調蓄池規模呈良好的指數關系，具體如下。

①雨水收集率與小區單位面積蓄水池規模指數如式(1)。

Y1=-0.064lnX1+0.158 8

(1)

其中：Y1——雨水收集率；

X1——小區單位面積蓄水池規模，m3/(10 000 m2)。

②雨水資源化利用率與小區單位面積蓄水池規模指數如式(2)。

Y2=-0.063lnX2+0.157 2

(2)

其中：Y2——雨水資源化利用率；

X2——小區單位面積蓄水池規模，m3/(10 000 m2)。

3 昆山廟涇圩片建筑與小區雨水利用評估

3.1 建筑與小區雨水利用量計算

廟涇圩片是昆山市建成區海綿城市建設達標區，片區內建設有2 830.8 m3的蓄水池，對應的建筑與小區面積為1 221 400 m2。廟涇圩片區雨水設施建設如表4所示。

表4 廟涇圩片雨水調蓄設施建設

根據《辦法》，雨水資源化利用率的計算如式(3)。

(3)

其中：a——年雨水收集利用的總量，mm；

b——年均降雨量，mm。

由圖4可知，不同規模小區配建同樣規模的雨水利用設施(蓄水池為100 m3)時，雨水收集率與雨水資源化利用率數值基本相同，而圖4表明雨水資源化利用率數值與小區規模存在明顯的負相關：雨水利用設施規模與小區規模比值越小時，雨水資源化利用率就越高。本次評估基于以上模擬結論，盡可能準確地評估雨水資源化利用情況。

為了更精確地反映不同規模小區、不同蓄水設施體積與雨水資源化利用率之間的關系，采用不同配建比例指標(雨水利用設施體積與小區占地面積的比例)來研究與雨水資源化利用率之間的關系。根據圖4和表4得到不同配建比例與雨水利用率關系，如表5和圖5所示。

圖5 雨水資源化利用率與配建比例的關系

表5 雨水資源化利用率與配建比例的關系

通過數據分析得到雨水利用率與配建比例的關系滿足一下對數擬合關系式[式(4)]。

Y2=0.062 9lnB+0.446 9

(4)

其中：B——不同配建比例。

據此得到建筑與小區雨水利用量計算如式(5)。

V=F×b×(0.062 9lnB+0.446 9)

(5)

其中：V——小區年雨水利用量，m3；

F——小區面積，m2。

昆山年均降雨量為1 133.3 mm，則廟涇圩片建筑與小區的雨水利用量如表6所示,雨水利用總量為74 755.6 m3。

表6 廟涇圩片區建筑與小區雨水利用量計算

3.2 廟涇圩片建筑與小區雨水資源化利用率計算

4 結語

雨水資源化利用對于缺水型城市開源節流、改善用水結構至關重要。雨水資源化利用率的精確計算不僅是對海綿城市建設水資源評價的內容，也是評估雨水生態、經濟價值的重要環節。本研究以昆山為例，構建了降雨產流與蓄水設施蓄水耦合模型，系統研究蓄水設施規模、小區規模與雨水資源化利用率之間的關系，形成如下結論：(1)本研究的模型可有效評估雨水資源化利用率；(2)建筑與小區的雨水收集率與雨水資源化利用率數值基本相同，但雨水資源化利用率數值與小區規模存在明顯的負相關，雨水利用設施規模與小區規模比值越小，雨水資源化利用率就越高；(3)通過不同雨水利用設施體積與小區占地面積的比例(配建比例)與雨水資源化利用率之間關系擬合，能夠簡單而又精準地評估建筑與小區的雨水資源化利用率。本研究對于昆山積極推進建筑與小區雨水資源化利用具有指導作用，建議昆山在開展全域系統化海綿城市建設過程中，進一步加強非常規水資源利用，尤其是建筑與小區雨水資源化利用，并通過本研究結論進行定量計算，以便快速評估雨水資源化利用效率。