南水北調工程受水區城市雨水利用潛力分析

劉家宏，王佳，邵薇薇，蘇鑫，杜曉鶴

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038；2.水利部數字孿生流域重點實驗室,北京 100038)

在全球氣候變化和快速城鎮化背景下，極端水文事件[1-2]和旱澇急轉[3]現象頻現，城市洪澇和干旱問題并存,一方面因汛期暴雨造成城市內澇淹水災害[4]，另一方面是城市面臨水資源短缺的持續風險[5]。如何科學、經濟、高效利用雨水，緩解內澇成為城市水資源管理的熱點[6]。2021年5月14日習近平總書記在推進南水北調后續工程高質量發展座談會上強調要堅持節水優先，把節水作為受水區的根本出路[7-8]。科學高效地利用城市雨水資源[9]是踐行新時代治水思路的重要內容，也是南水北調后續工程規模論證需要考慮的關鍵問題之一。

城市雨水利用方式及其相關的技術[10]、政策、效益[11]研究在國內外受到廣泛關注[12-13]，特別是在缺水國家[14-15]和缺水城市[16-17]，相關的科學研究和實踐探索較多。總體來看，城市雨水利用的研究重點主要包括4個方面：面向不同水質要求研發經濟可行的雨水處理技術[18-19]，例如Costa等[20]等提出利用丙烯酰毛毯過濾雨水的處理方法，其出水的濁度指標可以達到巴西的雨水利用標準；雨水利用設施的設計和優化技術[21-22]，例如Kim等[23]提出了家庭雨水收集的容積優化方法;雨水利用潛力評估模型，例如黃顯峰等[24]、李曉貝等[25]、徐志歡等[26]、曹言等[27]、Almeida等[28]、Kanno等[29]針對不同的城市或片區分別提出了雨水利用潛力的計算模型和方法；海綿城市雨水資源利用潛力分析[30-36]。其中，現有城市雨水利用潛力的計算方法多是采用水文或水動力模型評價得到的雨水可能收集量，沒有測算具體可以替代多少自來水量，因此評估結果尚不能直接作為城市供水規模論證的依據。為了貫徹落實節水優先的方針，須在充分考慮受水區城市雨水利用的前提下，科學論證南水北調后續工程的調水規模。本研究調研分析海綿城市建設試點雨水資源的利用水平，將其實際替代的城市自來水比例作為經濟可行的指標，據此測算南水北調工程受水區城市雨水利用潛力。

1 受水區海綿城市雨水利用現狀

海綿城市為城市雨水管理和利用提供了新的指南和思路。2015—2016年全國共確定第一批和第二批共30個國家級海綿城市建設試點。2021年國家又遴選了20個“系統化全域推進海綿城市建設示范城市”，推動海綿城市建設邁上新臺階。海綿城市對于城市雨水資源管理來說就是一種系統化的、綜合化的理念，通過多種海綿設施的實施對城市水文過程進行有效調節，實現對“水資源、水環境、水生態、水安全”的統合協調治理。

城市雨水的資源化利用是海綿城市考核指標中的一項定量的約束性指標，目的是將雨水資源收集并利用，以有效減少城市自來水資源供水，緩解水資源短缺的壓力。海綿城市雨水資源利用方面的示范以及推廣應用已經初見成效。南水北調受水城市中，北京、天津、濟南、青島、鶴壁、西咸新區6個為國家級海綿城市試點城市，已經通過了驗收。通過6個城市海綿試點建設績效評估報告等文獻調研和監測數據分析，獲得了南水北調工程受水區海綿城市雨水資源利用現狀，見表1。

表1 南水北調工程受水區雨水資源利用現狀

表1顯示南水北調工程受水區6個海綿試點城市或區域年均雨水利用總量為795.57萬m3，從總量上看，南水北調工程受水區城市雨水利用率還比較低，未來還有一定的開發利用潛力。除了國家級試點以外，很多省區市也開展了省級、市級海綿城市示范區建設，由于缺乏準確數據，本次統計暫未列入。

2 受水區雨水資源利用潛力

2.1 雨水資源利用潛力計算方法

廣義的雨水資源利用潛力是指在經濟技術可行的前提下通過降雨或降雨產生的徑流收集、存儲、凈化以及回用的雨水資源量，既包括社會經濟系統的利用量，也包括生態環境的利用量。本研究服務于南水北調后續工程論證，將其限定于社會經濟系統中雨水利用替代自來水的量(因為南水北調工程的水源主要供城市利用)。基于此，本研究的雨水資源利用潛力是指：以雨水資源為核算對象，計算在可預見期內，南水北調工程受水區城市可通過海綿城市的建設實現的雨水資源對自來水的替代量。計算方法是統計分析已建海綿城市試點和系統化全域推進海綿城市建設示范城市的雨水資源利用現狀和規劃雨水利用目標，考慮經濟技術可行性，分不同氣候區設定海綿城市雨水利用替代自來水的比例，包括平均值、上限閾值和下限閾值，進而根據城市建設統計年鑒中的城市自來水供水量計算雨水利用潛力。本方法基于海綿城市試點建設經驗，同時考慮了不同區域的氣候特點，滿足雨水利用潛力計算中的經濟技術可行性要求。

現有的海綿城市雨水利用指標主要有兩類：一類是雨水資源替代自來水比例；另一類是雨水資源回用率。前者以城市自來水供水量為基數，后者以城市建成區面積上的年降水量為基數。兩類指標通過式(1)，將雨水資源回用率轉化為雨水資源替代自來水比例，實現指標統一。

Ki=0.1Pi×Si×Ri/Ws,i

(1)

式中:Ki為城市i的雨水資源替代自來水比例指標；Ws,i為城市i的年均自來水供水量，萬m3；Pi為城市i的多年平均降雨量，mm；Si為城市i的建成區面積，km2，Ri為城市i的海綿城市雨水資源回用率指標。

由式(1)可知，只要取得各個城市多年平均降雨量、建成區面積和城市自來水的供水量，就可實現“雨水資源回用率”和“雨水資源替代自來水比例”兩個指標的相互轉換。表2列出了南水北調工程受水區60個城市(東線26個，中線22個，西線15個，東線與中線受水城市重合3個)2018年的建成區面積以及多年平均降水量，可作為各受水城市海綿試點實施后雨水資源利用率指標轉換的計算依據。其中，年平均降雨量數據主要來源于中國天氣網關于城市的氣象數據以及地方城市的氣象類網站，建成區面積數據來源于2018年度《城市建設統計年鑒》。

表2 南水北調工程各受水城市建成區面積及年平均降雨量

2.2 雨水資源替代自來水比例

以我國第一、二批國家級海綿城市試點城市以及2021年確定的全國首批國家級海綿城市示范城市的系統化方案作為數據源，篩選出在南水北調工程受水區內及周邊降雨量相當的試點和示范城市26個，其中，中、東部地區19個(表3)，西部地區7個(表4)。南水北調工程東、中、西線的受水區東西跨度大，氣候條件差別較大：中、東部地區為季風氣候區，降水量較大；西部為大陸性氣候，降水偏少，因此，在“雨水資源替代自來水比例”指標分析時分為兩大類。統計分析得到我國中、東部地區海綿城市建設目標中，雨水資源替代自來水比例均值為6.6%，考慮經濟技術可行性，上閾值為8.5%，下閾值為4.8%。西部地區通過雨水資源回收利用，規劃實現雨水資源替代自來水比例均值為4.7%，上閾值為7.7%，下閾值為1.6%。各分區的均值、上下限閾值見圖1。南水北調工程受水區內城市的雨水資源利用率K根據其所處地理位置，選擇相應的值。上述指標確定時主要考慮了城市雨水用途、適宜海綿城市建設的城區面積比例等。一般而言，城市雨水替代自來水主要為綠化澆灌和一部分市政雜用。海綿城市雨水資源利用替代自來水的比例上限不宜超過城市綠化澆灌和市政雜用的用水比例。下限主要是考慮到一部分老城區難以建設海綿城市，因此雨水收集利用量較少，根據試點建設經驗做了相應的折扣。

表3 中部和東部地區海綿城市試點、示范城市名單

表4 西部地區海綿城市試點、示范城市名單

圖1 試點及示范海綿城市雨水資源利用替代自來水的比例統計分析

2.3 雨水資源利用潛力計算結果

基于雨水資源利用潛力計算方法和雨水資源替代自來水比例等指標，可進行南水北調東線、中線和西線工程海綿城市雨水資源利用潛力分析。計算得到各受水城市通過海綿城市建設。在高、中、低利用水平下各城市的雨水資源利用潛力見表5。南水北調工程受水區各城市高、中、低水平下的雨水利用潛力及分布見圖2。

表5 南水北調工程各受水城市雨水資源利用潛力(中水平)

表5 (續)

圖2 海綿城市建設下南水北調工程各受水城市雨水資源利用潛力及分布

京津冀地區是南水北調東線工程和中線工程受水區的重合區域，且是南水北調工程受水區中最重要的城市群區域，其城市雨水利用潛力受到格外關注，因此本研究做了專門的統計，得到京津冀地區受水城市通過海綿城市建設可利用的雨水資源潛力約為0.94億～1.66億m3/a，見表6。南水北調工程東、中、西線60個城市的雨水資源利用總體潛力約為3.27億～6.19億m3/a。

表6 京津冀地區受水區海綿城市建設雨水資源利用潛力

統計得到通過海綿城市建設東線、中線、西線受水城市雨水資源利用潛力見表7。按照2015年國務院75號文件的要求，到2030年全國80%的建成區建成海綿城市，并不能使建成區完全實現海綿城市雨水資源利用，因此以上計算的城市雨水資源利用潛力還需要根據海綿城市的建設時序做相應的折扣。

表7 東線、中線、西線受水城市雨水資源利用潛力

3 雨水資源利用保證率分析

城市雨水資源受氣象降雨條件影響，具有很大的不確定性。以北京、天津、石家莊、濟南、太原等城市為相應受水區代表，開展不同水文年條件下東、中、西線受水城市以及京津冀受水城市雨水資源的不確定性分析。對各城市多年的降雨數據(1970—2020)進行統計和排頻分析，計算得到各城市在不同水文年條件下東線、中線、西線受水城市以及京津冀受水城市通過海綿城市建設可實現雨水資源利用潛力(中水平)，見表8。

表8 不同水文年南水北調工程受水區及京津冀雨水資源利用潛力(中水平)

城市供水保證率是指預期供水量在多年供水中能夠得到充分滿足的年數出現的概率。城市供水保證率一般要求較高，居民用水的供水保證率一般在95%以上，公共設施與居民生活密切相關，其供水保證率也在95%以上，工業用水的供水保證率在90%以上。以北京、天津、石家莊、濟南、太原等城市作為各受水區典型城市，以各城市1970—2020年的降雨序列作為數據源，計算得到各城市滿足雨水利用均值要求的年份的分布圖見圖3，其中,柱狀圖的長短表示超出均值部分的比例，柱狀圖頂格表示超過均值100%，達到中間線表示超過均值50%。由圖3可見，各城市雨水資源利用的保證率分別為45.1%、51.0%、41.2%、45.1%、47.1%，平均為45.9%，遠低于城市供水保證率的要求。

圖3 典型城市1970—2020年序列雨水資源利用保證率分析

4 結 論

城市雨水利用是海綿城市建設的一個重要考核指標，在全球氣候變化和快速城市化的共同作用下，城市洪澇和缺水問題并存，開展海綿城市雨水利用研究十分必要。本文基于國家海綿試點城市和系統化全域推進海綿城市建設示范城市的科學調研和數據統計，考慮經濟技術可行性，提出了南水北調工程受水區不同氣候區城市雨水資源替代自來水的比例等指標。提出的指標被用于南水北調工程受水區城市雨水資源利用潛力計算，結果表明：高、中、低利用水平下南水北調工程受水區城市雨水利用的潛力分別為6.19億、4.71億和3.27億m3，典型城市多年平均的供水保證率為45.9%，低于城市供水保證率要求(95%)。綜上所述，南水北調工程受水區城市經濟技術上可利用的雨水資源數量有限，且不確定性高，保證率低，年際變化大，因此適用于作為城市的補充性水源，而難以作為穩定的水源供給。