雨水資源在城市建設中的應用研究

鄭婷婷，羅國杰

(華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

中國是水資源嚴重短缺的國家之一。河南鄭州市的人均水資源量僅為178m3，是典型的水資源短缺城市。為維護居民的日常用水，亟待提出解決水資源短缺的對策。然而現實是，在水資源緊缺的同時，豐富的雨水資源卻被忽視或未能得到有效利用，“留住雨水”和利用雨水對于緩解城市水資源緊缺，保護和恢復水環境，修補生態環境意義重大，合理利用雨水資源成為當今的重要課題[1-2]。海綿城市從理念到實踐，嘗試不斷。海綿城市，是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性，也可稱之為“水彈性城市”[3]。鄭州市苑陵故城，以合理開發、節約用水和保護水資源為原則進行水資源論證，通過海綿城市建設理論，應用城市海綿體系收集利用雨水，并通過分析水資源現狀，論證苑陵故城取用水的合理性、可供水量及取水水源可靠性，以滿足苑陵故城合理用水的要求[4]。

1 項目概況

苑陵故城位于新鄭市北，分為外城和內城，東西長約1700m，南北寬約2000m。內城即苑陵城，平面呈長方形，城垣周長約2520m。2013年3月，國務院公布苑陵故城為第七批全國重點文物保護單位。苑陵故城工程主要包括人工湖工程和駁岸工程。其中，苑陵故城人工湖為人工開挖湖，在滿足改善城市生態環境的同時，需通過構建自然的水生生態系統，保持水體水質良好[5]。根據水體的功能需求，人工湖水面面積為9.50萬m2，平均水深1.0m，蓄水量9.50萬m3。

苑陵故城人工湖項目的工程任務是積蓄雨水以解決人工湖生態用水需求，通過海綿系統建設達到自身雨洪調蓄的目的，實現人工湖海綿功能[6-7]。取水方案，主要由雨水徑流和海綿工程匯流構成，經預處理后引入人工湖；用水方案，是利用雨水徑流和海綿系統收集的雨水，補償人工湖日常的蒸發、滲漏損失和水生植物用水，項目的建設順應區域規劃發展趨勢[8]。

2 項目水源選擇

綜合考慮水資源管理政策，結合航空港區所處的地理位置和當地的水資源開發利用條件，可供項目選擇的取水水源分別為：地表水、市政中水、市政自來水、園區雨水，現對各種水源的供水可行性進行分析[9]。

項目區周邊地表人工湖不具備供水條件；航空港綜合實驗區空港第一污水廠中水管網未鋪設到園區內，無法作為水源；二水廠的水源按照政策不能用于人工湖的水源[10]。

經分析，園區內雨水可滿足人工湖用水，緩解供水緊張。工程設計人工湖9.50萬m2，調蓄水位0.5m，人工湖因缺少雨水泵站，無法收取附近外圍雨水，日常以收集園區內雨水為主。

3 用水合理性分析

苑陵故城人工湖初次充水為園區施工期施工降低水位而抽出的水及天然雨水，正常水位135.5m，最高蓄水位可達136.0m，最低水位控制在134.5m。人工湖水位與湖面面積、水位與蓄水量數據見表1。

表1 苑陵故城人工湖不同水位蓄水量表

根據人工湖近幾年水體情況，在自身循環工程和水生態凈化作用下，水質狀況良好，滿足水質目標要求，無需考慮外部換水等因素[11-12]。因此，論證研究人工湖用水量主要考慮運行期間水量的損失，包括人工湖蒸發、滲漏和水生植物用水[13]。

3.1 湖面蒸發量

項目所在區屬于溫帶大陸性氣候，其中湖面蒸發是人工湖用水的一個主要因素[14]。研究根據當地氣象資料計算水面蒸發量，計算公式：

Wre=ArEw/10=8.4萬m3/a

(1)

式中，Wre—人工湖水面年蒸發量；Ar—人工湖水面面積，0.095km2；Ew—水面多年平均蒸發量，884.3mm。在人工湖正常水位135.5m時Ar取值9.5hm2。經計算，人工湖蒸發損失量約為8.4萬m3/a，水面蒸發量計算結果見表2。

表2 水面蒸發量計算表

3.2 水生植物耗水量

苑陵故城人工湖及周邊區域種植有地被植物和水生植物，主要品種有睡蓮、香蒲、小香蒲、再力花、水蔥、水生美人蕉等，生長狀況良好，合計數量為4700m2，這些植物共同營造出了濕地花園的景象[15]。種植面積及數量見表3。

表3 水生植物統計表

水生植物需水量計算公式為：

Wp=A(t)·ETm

(2)

式中，Wp—水生植物需水量，1.04萬m3/a；A(t)—水生植物面積，0.47萬m2；ETm—多年平均蒸散量，2210.75mm/m2。

研究參考國內外水生植物蒸散量的實測值，取蒸散系數平均值為2.5時多年平均蒸散量ETm為2210.75mm/m2，根據表3可知水生植物面積A(t)為0.47萬m2。經計算，園區水生植物需水量Wp為1.04萬m3/a。

3.3 滲漏量

根據航空港實驗區水文地質調查資料，區內淺層水水位埋深為5～7m，采用達西定理計算人工湖的滲漏量，表達式為：

W滲=K1·W蓄

(3)

式中，W滲—人工湖滲漏損失，0.48萬m3/a；K1—滲漏系數，取5%；W蓄—人工湖年均蓄水量，9.50萬m3。

目前，隨著周邊城市建設，地下水位呈現不斷下降趨勢，隨著地下水壓采，遠期附近地下水位將會有所回升。考慮到人工湖已有聚氨酯防水層防滲，滲漏量將大大減少。項目屬于水文地質條件優良情況，滲漏系數取5%，經計算，人工湖滲漏量W滲為0.48萬m3/a[16]。

綜上可知，正常運行期間，每年需要彌補水系的蒸發、滲漏損失量和水生植物的需水量合計為9.92萬m3/a。

3.4 苑陵故城人工湖周邊綠化用水量

苑陵故城綠化占地面積較大，為18.16萬m2，周邊綠化用水量可根據地方生活用水定額計算，用水定額為0.51m3/(m2·a)。經計算，人工湖周邊綠化年用水量為9.26萬m3/a，當汛期快來臨時，可用水泵抽出人工湖的水用于周邊綠化灌溉，保證庫容可平穩度過汛期[17]。

3.5 取水量合理性分析

苑陵故城人工湖水體面積9.50萬m2。經計算，園區通過海綿系統和雨水徑流可收集雨水量約為19.18萬m3/a，用水保證率為50%[18]。為滿足人工湖項目用水量需求，正常運行情況下，年需水量為9.92萬m3/a，包括蒸發量為8.40萬m3/a，滲漏量為0.48萬m3/a，水生植物需水量為1.04萬m3/a，可供水量滿足取水要求。人工湖通過海綿系統、雨水徑流收集雨水19.18萬m3/a，蒸發、滲漏和水生植物用水9.92萬m3/a后，通過水泵抽水9.26萬m3/a用于周邊綠化，水量平衡。

4 取水水源論證

4.1 可供水量

應用人工湖面積計算雨水徑流量，計算公式如下[19]：

W=(ψchyF)/1000

(4)

式中，W—降雨徑流總量，m3；ψc—雨量徑流系數，取1.0；hy—設計降雨量，mm；F—匯水面積，km2。

項目計算區域包括景觀人工湖，綜合考慮現狀景觀水體集雨面積和道路硬化、綠化、水土保持現狀及海綿工程現狀，其中，直接集雨的景觀人工湖雨量徑流系數取1.0。項目人工湖內降雨量采用航空城(1956—2015年)平水年P=50%，降雨量596.9mm。

4.2 降雨匯水量

苑陵故城在微地形設計的基礎上，以主園路為基本骨架，利用生態排水技術形成匯流，積蓄雨水。人工湖水面、綠化、道路、廣場、建筑及停車場，都能進行雨水的匯流蓄積，共同構成了園區海綿體。經計算，人工湖年匯集雨水量為19.18萬m3/a，不同類型地面對應的徑流系數及面積見表4，匯水量計算見表5。

表4 不同類型地面對應的徑流系數及面積

表5 苑陵故城人工湖匯水量計算表

4.3 月供水與需水平衡調節分析

本次供需水計算采用苑陵故城人工湖正常水位135.5m，蓄水量9.50萬m3為基準，月供需水情況見計算表6—7，由表中數據可知，1—5月和11—12月降水匱乏，遠小于用水需求；6—10月的降水較充裕，遠大于用水需求。人工湖工程可通過海綿系統調蓄水措施，將6—10月的多余水量儲蓄起來，按需分配至缺水月份，使各月供需水量維持相對平衡。

表6 月供水量計算表 單位：m3

表7 月供需平衡調節計算表 單位：m3

5 結論

通過苑陵故城人工湖實例分析，論證研究了以雨水作為主水源的合理性，由于每月的降水不均衡導致供需水失衡，苑陵故城人工湖蓄水量在容積范圍內呈現一定的起伏，每月蓄水量隨著降雨量變化，最低蓄水量為8.38萬m3，最高蓄水量為11.89萬m3，在海綿工程的調蓄作用下，人工湖水位維持在135.5m，蓄水量維持在9.50萬m3。通過海綿工程等調蓄水措施，可以調整改善各月降水不均現象，能夠充分有效利用天然降水[20]。結合運行期湖面蒸發總量及海綿城市規劃，分析苑陵故城年降雨匯水量，本項目用水保證率為50%，保證率偏低，但隨著城市建設，雨水可成為第二水源。