孫 媛， 張興奇， 李港妹

(南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210023)

1 研究背景

全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)改變了水循環(huán)要素的時(shí)空分布，增加了極端水文事件發(fā)生的頻率，使城市暴雨洪澇問(wèn)題日益增多[1]，城市化進(jìn)程中出現(xiàn)水供需矛盾、洪澇災(zāi)害與水環(huán)境污染等問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，雨水被視為城市洪澇的致災(zāi)因子，城市雨水管理的目標(biāo)是快速排水，以求降低風(fēng)險(xiǎn)，但傳統(tǒng)的雨水排放系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)日益增大的洪澇防控與水環(huán)境保護(hù)的需求。為了應(yīng)對(duì)城市化帶來(lái)的水問(wèn)題，需要對(duì)城市雨水資源進(jìn)行科學(xué)管理[2]，以可持續(xù)發(fā)展的策略為指導(dǎo)，將潛在的致災(zāi)因子轉(zhuǎn)為雨水資源。

隨著科學(xué)認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，國(guó)外雨水管理的發(fā)展先后經(jīng)歷了排澇蓄洪、點(diǎn)源污染治理以及雨水可持續(xù)管理階段[3]，完成了從單一排水到綜合利用的轉(zhuǎn)變。近年來(lái)許多國(guó)家展開(kāi)了雨水利用的探索與實(shí)踐[2，4]，包括美國(guó)的雨水最佳管理實(shí)踐(BMPs)和低影響開(kāi)發(fā)(LID)、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(WSUD)、英國(guó)的可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)(SUDS)等，從尊重自然、生態(tài)保護(hù)、城市可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，有較為完善的法律制度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)支持為保障。除此之外，有研究指出雨水利用要以恢復(fù)自然條件下的水文狀態(tài)為設(shè)計(jì)目標(biāo)[5]，針對(duì)雨水調(diào)蓄利用措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析，包括凈現(xiàn)值、還本期的計(jì)算[6]以及研究經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度對(duì)實(shí)踐開(kāi)展的影響程度[7]，均為完善相關(guān)研究的重要思路與方向。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始對(duì)雨水利用進(jìn)行研究，近幾年來(lái)尤其對(duì)低影響開(kāi)發(fā)理念進(jìn)行探索，LID采用分散的小規(guī)模措施對(duì)雨水徑流進(jìn)行源頭控制，通過(guò)入滲、過(guò)濾和蒸發(fā)等方式模擬雨水的自然循環(huán)過(guò)程[8]。借鑒國(guó)外雨水資源管理的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的水問(wèn)題，我國(guó)的研究向著形成具有中國(guó)特色的雨水利用管理體系而努力[9]，如何因地制宜地開(kāi)展實(shí)踐、科學(xué)地規(guī)劃管理、有效地建立評(píng)估體系等需要進(jìn)一步探討。

雨水利用的核心是雨水管理，即采用雨水截留入滲、雨水收集回用及調(diào)蓄排放等方式來(lái)緩解城市用水緊張、內(nèi)澇災(zāi)害并減少?gòu)搅魑廴尽?guó)內(nèi)有關(guān)研究主要集中在方案設(shè)計(jì)[10]、技術(shù)可行性分析[11]、景觀營(yíng)造[12]、激勵(lì)政策與措施[13]、效益評(píng)價(jià)[14]等方面，具有定量化發(fā)展的趨勢(shì)。吳淑君等[12]以城市小區(qū)為例，在雨水利用措施的方案設(shè)計(jì)中考慮修建雨水花園，但在效益分析上有所欠缺；李美娟等[14]應(yīng)用多層次半結(jié)構(gòu)模糊決策法，對(duì)雨水利用方案的綜合效益進(jìn)行定量識(shí)別和綜合評(píng)價(jià)，但雨水利用目標(biāo)不夠明確。此外，有關(guān)文章缺少對(duì)降雨重現(xiàn)期的綜合考慮，以高校作為研究區(qū)的案例研究相對(duì)較少。高校是人才培養(yǎng)與科學(xué)研究的重鎮(zhèn)，校園內(nèi)人口與建筑物密集、用水方式多樣且用水量大，景觀環(huán)境相對(duì)較好，雨水收集利用的條件較為優(yōu)越，同時(shí)有利于宣傳節(jié)水與環(huán)保意識(shí)。目前國(guó)內(nèi)有文獻(xiàn)[15-16]關(guān)注校園雨水利用，集中在方案設(shè)計(jì)與可行性討論，綜合效益分析相對(duì)較少。綜上所述，本文以南京大學(xué)仙林校區(qū)為研究對(duì)象，在分析南京市降雨特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可集雨量與室外用水需求的水量平衡計(jì)算，設(shè)計(jì)雨水利用方案，分析雨水綜合利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益，為校園雨水利用及其綜合效益評(píng)價(jià)提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

南京大學(xué)仙林校區(qū)位于江蘇省南京市棲霞區(qū)，經(jīng)緯度分別為32°06′ N和118°57′ E，具體范圍是仙林大道以北，緯地路以南，九鄉(xiāng)河?xùn)|路以東，元化路以西，于2009年投入使用，目前校區(qū)總?cè)藬?shù)接近30 000人。研究區(qū)總面積254.7 hm2，其中不透水下墊面面積110.1 hm2，占總面積的43.23 %，包括道路、屋頂和其他建設(shè)用地；除丘陵以外，透水下墊面包括透水路面和透水停車(chē)位，所占比例極小，其中人行道的透水材質(zhì)主要是透水性混凝土和透水磚，停車(chē)位的透水材質(zhì)主要是草坪磚，校區(qū)內(nèi)沒(méi)有配套建設(shè)屋面雨水收集系統(tǒng)與下凹式綠地。南京大學(xué)仙林校區(qū)自投入使用以來(lái)，雨水徑流被排入市政排水系統(tǒng)，并未得到有效利用，校園內(nèi)已經(jīng)多次出現(xiàn)較為嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害，研究區(qū)下墊面類(lèi)型統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。

表1 研究區(qū)下墊面類(lèi)型及面積構(gòu)成情況

2.2 雨水調(diào)蓄利用研究方法

2.2.1 水量平衡分析 為充分發(fā)揮雨水利用的最大效益，在開(kāi)展方案設(shè)計(jì)前進(jìn)行雨水利用潛力分析，即進(jìn)行水量平衡計(jì)算，統(tǒng)計(jì)不同重現(xiàn)期與下墊面條件下的可集雨量以及室外用水需求量。

可收集雨量根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，按下式進(jìn)行計(jì)算：

Q=P·A·ψ·α·β·10-3

(1)

式中：Q為年可收集雨量，m3；P為不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的降雨量，mm；A為集雨面積，m2；ψ為平均徑流系數(shù)；α為季節(jié)折減系數(shù)；β為初期棄流系數(shù)。

室外用水需求根據(jù)研究區(qū)而定，校園主要包括綠化用水W1(m3)、道路澆灑用水W2(m3)、景觀水體補(bǔ)給W3(m3)與車(chē)輛沖洗用水W4(m3)，根據(jù)江蘇省《雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》[18]和《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[19]，計(jì)算公式如下：

W1=q1·A1·D·10-3

(2)

W2=q2·A2·T1·10-3

(3)

W3=e·A3·10-3

(4)

W4=q3·T2·Y

(5)

式中：q1為綠化用水定額，L/(m2·d)，取值為2；A1為綠地面積，m2；D為年平均澆灑天數(shù)(不超過(guò)122d)，取122 d；q2為道路澆灑用水定額，《規(guī)范》中規(guī)定用水定額為0.4～1.5 L/(m2· d)，取1.5；A2為道路面積，m2；T1為年灑水次數(shù)，取值為40；e為水面年均蒸發(fā)量，mm；A3為景觀水體面積，m2；q3為車(chē)輛沖洗用水定額，m3，取0.3；T2為年平均洗車(chē)次數(shù)，取值為48；Y為研究區(qū)車(chē)輛數(shù)，根據(jù)校園停車(chē)位與登記車(chē)輛數(shù)，取值為3000。

圖1 研究區(qū)下墊面類(lèi)型圖

2.2.2 雨水調(diào)蓄利用方案設(shè)計(jì) 雨水調(diào)蓄利用的措施包括雨水收集系統(tǒng)與蓄水設(shè)施建設(shè)，以及將原有部分綠地和道路改建為下凹式綠地、透水路面，方案設(shè)計(jì)根據(jù)上述3個(gè)方面展開(kāi)。

蓄水池容積根據(jù)雨水設(shè)計(jì)流量法確定，根據(jù)一次暴雨可集雨量進(jìn)行計(jì)算，《南京市暴雨強(qiáng)度公式(修訂)查算表》中的暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(6)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時(shí)，min；P為重現(xiàn)期，a。

蓄水池容積V(m3)可根據(jù)公式(9)～(11)計(jì)算[20]：

Q=ψ·q·F

(7)

V=Q·t·60·10-3-F·h·10

(8)

式中：Q為一次暴雨可集雨量，L/s；ψ為集雨面的平均徑流系數(shù)；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；F為集雨區(qū)域面積，hm2；t為降雨時(shí)間，min；h為初期棄流量，mm。

下凹式綠地指地面高程低于周?chē)孛娴木G地，能接收周邊地面徑流，在一定程度緩解內(nèi)澇災(zāi)害。下凹式綠地參數(shù)根據(jù)滲蓄率確定，滲蓄率是指降雨過(guò)程中綠地滲透、蓄積雨水量占進(jìn)入綠地總雨水徑流量的百分比，用N表示，由公式(9)～(11)計(jì)算[21]：

(9)

S=60K·J·F2·T

(10)

U1=F2·Δh

(11)

式中：PZ為降雨量，mm;F1為下凹式綠色周邊匯水區(qū)面積(集水區(qū)面積)，m2；F2為下凹式綠地面積，m2；Cn為周邊匯水區(qū)的徑流系數(shù)；S為下滲量，m3；U1為蓄水量，m3；K為土壤穩(wěn)定入滲速率，m/s；J為水力坡度，垂直下滲時(shí)，J=1；T為滲蓄計(jì)算時(shí)段，min；Δh為下凹深度，即下凹式綠地與溢流口或路面之間的高差，m。

2.2.3 雨水利用的效益分析 雨水調(diào)蓄利用后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

生態(tài)效益主要體現(xiàn)在節(jié)省水資源、緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害、增加土壤下滲、回補(bǔ)地下水、調(diào)節(jié)氣候、緩解熱島效應(yīng)等，生態(tài)效益具有整體性與系統(tǒng)性，包含定量指標(biāo)與定性指標(biāo)。

本文考慮的定量指標(biāo)包括綜合徑流系數(shù)、蓄水池年調(diào)蓄量、增加的雨水下滲量以及回補(bǔ)地下水量。綜合徑流系數(shù)φc計(jì)算公式如下：

(12)

式中：Ai為不同下墊面面積；φi為不同下墊面的徑流系數(shù)。

各透水面雨水下滲量B1(m3)計(jì)算公式如下：

B1=α1·P·A·10-3

=(1-r)·P·A·10-3

(13)

式中：α1為透水面對(duì)地表徑流的截流系數(shù)；P為不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的降雨量，mm；A為承接雨水的投影面積，m2；r為徑流系數(shù)。

下滲雨水回補(bǔ)地下水量B2(m3)的計(jì)算公式如下：

B2=α2·P·A·10-3

(14)

式中：α2為雨水對(duì)地下水的下滲補(bǔ)給系數(shù)，取0.2；P為不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的降雨量，mm；A為承接雨水的投影面積，m2。

經(jīng)濟(jì)效益包括直接效益與間接效益兩部分，直接效益為節(jié)約水費(fèi)E1(元)；間接效益包括消除污染而減少的社會(huì)損失E2(元)、節(jié)省城市排水設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)用E3(元)以及回補(bǔ)地下水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益E4(元)。計(jì)算公式如下：

E1=3.19V1

(15)

式中：V1為屋面雨水收集量，m3，南京市的到戶(hù)水價(jià)為3.19元/m3。

E2=0.7×3V2

(16)

式中：V2為不同降雨重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的減少外排量，m3，包括雨水調(diào)蓄池年調(diào)節(jié)雨量、增設(shè)下凹式綠地的調(diào)蓄量及增設(shè)透水面而增加的下滲雨量；國(guó)家環(huán)境保護(hù)部《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》規(guī)定每一污染當(dāng)量征收標(biāo)準(zhǔn)為0.7元，為消除污染每投入1元可減少的環(huán)境資源損失為3元。

E3=0.08V3

(17)

式中：V3為減少外排量，m3，與V2相同，排水設(shè)施中管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用為0.08 元/m3。

E4=1.57β·V4

(18)

式中：β為降雨入滲回補(bǔ)地下水系數(shù)，取0.2；V4為不同降雨重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的雨水下滲量；地下水資源費(fèi)取1.57元/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征分析

在氣候與海陸位置等因素的影響下，南京地區(qū)雨水資源充足，同時(shí)也增加了內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)南京水文站1951-2014年的降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，降雨量大于2 mm的多年平均年降雨次數(shù)為69次，南京多年平均降雨量為1 056.52 mm，其中，最大年降雨量為1991年的1 825.8 mm，最大日降雨量為207.2 mm，多年平均最大日降雨量為96.61 mm，6-8月平均總降雨量為499.16 mm，占多年平均降雨量的47.2 %，可見(jiàn)研究區(qū)降水集中于夏季且降雨量大。南京降雨頻率分析結(jié)果見(jiàn)表2，月平均降雨量見(jiàn)圖2。

表2 南京站1951-2014年降雨量頻率分析

圖2 南京水文站1951-2014年月平均降雨量

3.2 水量平衡分析

綜合考慮降雨季節(jié)分配、下墊面性質(zhì)等因素，計(jì)算重現(xiàn)期為2、5、10 a對(duì)應(yīng)的可集雨量，選取的下墊面包括屋面、道路、綠地、透水路面及景觀水體，根據(jù)公式(1)及表1、2的數(shù)據(jù)，可集雨量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。在室外用水需求統(tǒng)計(jì)中，校園綠化用水、道路澆灑用水、景觀水體補(bǔ)給與車(chē)輛沖洗用水量的結(jié)果見(jiàn)表4。由此可見(jiàn)，重現(xiàn)期為2、5、10 a對(duì)應(yīng)的可集雨量均能滿(mǎn)足校園室外用水需求，僅硬化屋面的可集雨量就能夠滿(mǎn)足室外需水量，鑒于屋面雨水的水質(zhì)良好與可收集性，在雨水利用方案中優(yōu)先考慮收集屋面雨水。

表3不同下墊面在相應(yīng)重現(xiàn)期下的年可收集雨量

m3

表4 研究區(qū)室外年用水需求量 m3

3.3 雨水調(diào)蓄利用方案的確定

3.3.1 屋面雨水利用與蓄水池容積 研究區(qū)屋頂面積為32.1 hm2，徑流系數(shù)為0.90，代入公式(6)～(8)得到不同重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)下蓄水池的容積曲線，如圖3所示。當(dāng)重現(xiàn)期一定時(shí)，蓄水池容積隨降雨歷時(shí)的增加而增加，增速呈先快后慢；當(dāng)降雨歷時(shí)一定時(shí)，蓄水池容積與重現(xiàn)期成對(duì)數(shù)關(guān)系，容積隨重現(xiàn)期的增大而增大。重現(xiàn)期的確定需綜合考慮匯水區(qū)類(lèi)型、降雨特征和地形特點(diǎn)等因素，積水能在短期內(nèi)引起嚴(yán)重后果的地區(qū)通常取3～5 a，一般地區(qū)取1～3 a。根據(jù)南京地區(qū)多年降水情況以及研究區(qū)存在的內(nèi)澇問(wèn)題，重現(xiàn)期取5 a，降雨歷時(shí)取30 min，計(jì)算得設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為258.03 L/(s·hm2)，需要修建的蓄水池總?cè)莘e為12 776 m3。

3.3.2 下凹式綠地的滲蓄作用 下凹式綠地周邊

匯水區(qū)的面積(748 000 m3)為不透水道路和其他建設(shè)用地面積之和，其徑流系數(shù)Cn為0.9，K值分別以中等入滲能力1.25×10-5m/s和極慢入滲能力2.50×10-7m/s為代表，選擇2、5、10 a為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，代入公式(9)～(11)，計(jì)算30 min內(nèi)不同綠地面積比f(wàn)(f=F1/F2)、不同下凹深度Δh條件下的雨水滲蓄率N，結(jié)果見(jiàn)表5。分析可知，雨水滲蓄率與下凹深度、下凹式綠地的面積成正比，與設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期呈反比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及工程可操作性，選取f=50%、Δh=0.15，即在研究區(qū)增設(shè)374 000 m2的下凹式綠地，并使其低于路面0.15 m，雨水口頂面高于綠地地面0.05 m，有效儲(chǔ)水深度為0.1 m。

圖3 不同重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)下的屋面集雨蓄水池容積

%

3.3.3 透水路面的下滲作用 透水路面是具有下滲功能的人工鋪設(shè)的滲透性地面。研究區(qū)現(xiàn)有透水路面與透水停車(chē)位合計(jì)52 000 m2，占道路面積的18.6 %?？紤]到主干道的通行需求，將硬地廣場(chǎng)、非主干道和停車(chē)位面積32 000 m2改為透水路面，使其占道路的比例達(dá)到30 %，新建的透水路面采用組件式混凝土砌塊，堵塞時(shí)只需要及時(shí)清理，便可恢復(fù)其透水功能。

3.4 雨水調(diào)蓄利用的效益分析

3.4.1 生態(tài)效益 針對(duì)研究區(qū)制定的方案包括修建容積為12 776 m3的蓄水池、面積為374 000 m2的下凹式綠地以及32 000 m2的透水路面。根據(jù)公式(12)，研究區(qū)雨水調(diào)蓄措施增設(shè)后綜合徑流系數(shù)降為0.532，滿(mǎn)足《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中控制綜合徑流系數(shù)不高于0.7的要求。

方案實(shí)施后，重現(xiàn)期為2、5、10 a對(duì)應(yīng)的不同措施的調(diào)蓄量、增加入滲量以及回補(bǔ)地下水量見(jiàn)表6，可見(jiàn)研究區(qū)通過(guò)增設(shè)雨水調(diào)蓄利用措施，在不同的降雨重現(xiàn)期下，均能產(chǎn)生可觀的生態(tài)效益。

3.4.2 經(jīng)濟(jì)效益 根據(jù)公式(15)～(18)的計(jì)算，研究區(qū)在實(shí)施調(diào)蓄利用措施后，不僅能產(chǎn)生一系列的生態(tài)效益，還具有廣泛的經(jīng)濟(jì)收益。如表7所示，單位面積年經(jīng)濟(jì)效益在重現(xiàn)期為2、5、10 a時(shí)分別為8 475.6、10 506.3、11 786.4元/hm2，產(chǎn)生的可觀收入可用于調(diào)蓄利用措施的運(yùn)行與維護(hù)或?qū)W校建設(shè)發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)意義。

表6不同重現(xiàn)期下增設(shè)措施對(duì)應(yīng)的雨水調(diào)節(jié)量

m3

表7不同重現(xiàn)期下雨水利用措施對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益

元/hm2

3.4.3 社會(huì)效益 通過(guò)校園雨水利用設(shè)施的建設(shè)，不僅能充分利用雨水資源，滿(mǎn)足一定的用水需求，而且能減少地表徑流、降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，保障校園正常的工作和生活秩序。另外，在校園內(nèi)開(kāi)展雨水利用研究與應(yīng)用示范，能增強(qiáng)學(xué)生有關(guān)雨水資源利用與節(jié)約水資源的意識(shí)，亦能發(fā)揮宣傳示范作用，為政府制定城市雨水利用的相關(guān)政策、促進(jìn)低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)等提供參考。

4 結(jié)論與展望

(1)在分析南京市降雨特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)水量平衡計(jì)算，重現(xiàn)期為2、5、10 a對(duì)應(yīng)的屋面雨水收集量，均能滿(mǎn)足研究區(qū)綠化用水、道路澆灑、景觀水體補(bǔ)水、車(chē)輛沖洗共計(jì)231 468 m3的年室外用水需求，表明研究區(qū)雨水調(diào)蓄利用的潛力很大。

(2)根據(jù)雨水利用措施相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)了容積為12 776 m3的蓄水池、面積為374 000 m2的下凹式綠地和3 200 m2的透水路面組成的雨水調(diào)蓄利用方案。研究區(qū)實(shí)施雨水調(diào)蓄利用方案后，綜合徑流系數(shù)降為0.532，既能滿(mǎn)足室外用水需求，又增加雨水的滲蓄能力并削減地表徑流量，對(duì)雨水資源的有效利用和地表徑流的調(diào)節(jié)具有明顯的促進(jìn)作用。

(3)重現(xiàn)期為2、5、10 a對(duì)應(yīng)的單位面積年經(jīng)濟(jì)效益分別為8 475.6、10 506.3、11 786.4元/hm2，可為雨水資源豐沛地區(qū)的調(diào)蓄利用系統(tǒng)構(gòu)建提供參考。本文采用水量平衡分析、雨水調(diào)蓄利用措施分析與效益分析的方案設(shè)計(jì)思路，雨水調(diào)蓄利用潛力分析表明，所設(shè)計(jì)的雨水方案還能滿(mǎn)足一定的室內(nèi)用水需求，有待今后進(jìn)一步研究。同時(shí)，在實(shí)際建設(shè)中還有諸多因素需要考慮，例如雨水調(diào)蓄利用設(shè)施布局的合理性、可操作性、工程建設(shè)成本等?？深A(yù)見(jiàn)的是，雨水調(diào)蓄利用將會(huì)成為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)中不容忽視的環(huán)節(jié)，無(wú)論是城市新區(qū)建設(shè)還是舊城改造中都要予以充分的重視。