馬瑾瑾， 陳 星, 許 欽

(1.河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學研究院 水文水資源研究所， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

隨著城市化發(fā)展對水資源的需求日益迫切，人們越來越重視對非傳統(tǒng)水資源的利用。近些年來，有關我國城市雨洪資源利用及利用潛力的研究取得了較大進展。許多研究表明，城市建設增加下的地表雨洪徑流可以通過海綿城市建設中的雨洪資源綜合利用措施得以留存和應用，這些留存下來的雨洪利用量即城市區(qū)域雨水資源利用潛力[1-4]。在區(qū)域雨水資源利用潛力方面的研究中，余衛(wèi)東等[5]提出了城市雨水資源化的概念，并把建成區(qū)劃分為了幾種不同的類型進行計算。在對雨水資源利用潛力計算方面，申亞青[6]通過GIS軟件，對某地一年的水資源潛力進行了預算；李曉貝等[7]建立了雨水利用潛力分析模型，得出其結果與實際情況極為相似；趙飛等[8]利用多年平均降水量計算法對我國部分城市的雨水利用潛力進行了分析，結果表明在實施雨洪利用措施后，雨水利用效果較好。海綿城市是結合我國城市現(xiàn)狀提出的治水新構想，由于其注重源頭控制，所以與低影響開發(fā)理念有著高度的契合[9]。建立契合自然的低影響開發(fā)模式是解決城市水生態(tài)、水安全的重要途徑[10]。

海綿城市建設中雨水資源利用潛力的大小不僅與雨水利用工程有關，當?shù)貧夂驐l件、經濟發(fā)展等都會成為影響雨水資源利用潛力的因素。本文在總結了相關區(qū)域雨水資源利用潛力研究的基礎上，提出了海綿城市建設中雨水資源利用潛力評價模型，從5個方面反映了研究區(qū)-臨海市海綿城市建設試點區(qū)的雨水資源利用潛力，客觀評估了區(qū)域采取海綿城市建設后的雨水資源利用潛力，為該區(qū)域實施海綿城市建設方案提供了理論依據(jù)，也為后續(xù)將要實施海綿城市建設的地區(qū)提供了參考方法。

2 雨水資源利用潛力內涵

所謂雨水資源化利用潛力，是指某個特定的區(qū)域在一定時段內，通過規(guī)劃設計及采取相應的技術工程措施后，能夠開發(fā)利用的最大雨水資源量。在不考慮經濟和技術是否可行的情況下，某一范圍內的雨水資源有可能會被全部開發(fā)利用，此時的雨水資源量即雨水資源的理論潛力。但無論采取何種技術措施和方法，是不可能實現(xiàn)雨水資源的全部利用的，此時雨水資源的可實現(xiàn)潛力稱為雨水資源化潛力[11-12]。在構建評價體系進行雨水資源利用潛力評價之前，為驗證指標體系與模型結果的精確度與可信任度，首先采用綜合徑流系數(shù)法[13]對區(qū)域內雨水資源的利用潛力進行初步粗略計算。

雨水資源利用理論潛力：

W=HAψ

(1)

雨水資源利用現(xiàn)實潛力：

W′=HAψαβ

(2)

式中：W為區(qū)域雨水資源利用理論潛力,m3；W′為區(qū)域雨水資源利用現(xiàn)實潛力,m3；H為年降雨量,m；A為下墊面匯水面積,m2；ψ為徑流系數(shù)；α為棄流系數(shù)；β為季節(jié)折減系數(shù)。

3 區(qū)域雨水資源利用潛力的研究方法

3.1 評價指標與標準

區(qū)域在實施海綿城市建設后的雨水資源利用潛力大小可通過海綿城市建設中雨水資源利用潛力評價指標體系進行判斷，建立一個能夠從各方面衡量雨水資源化利用潛力的評價指標體系是對區(qū)域雨水資源化利用潛力進行評價的基礎。陳衛(wèi)賓等[14]從生活、生產、生態(tài)3個方面選取了評價因素構成評價指標體系，對區(qū)域雨水資源開發(fā)潛力進行了評價。

指標體系的構建應遵循以下原則：(1)科學性原則；(2)系統(tǒng)性與層次性原則；(3)全面性與代表性原則；(4)動態(tài)性與靜態(tài)性原則。根據(jù)海綿城市建設中區(qū)域雨水資源利用潛力的量度要求，遵循層次分析原理[15]，將評價指標體系分為3個層次：目標層、準則層和指標層。通過分析影響區(qū)域雨水資源利用潛力(A)的因素，遴選出雨水資源化條件(B1)、雨水資源化可實施程度(B2)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況(B3)、經濟可行性(B4)、綜合雨水需求率(B5)5個主導層次制定雨水資源利用潛力評價指標體系，具體評價指標體系見表1。

雨水資源化條件(B1)是區(qū)域是否可以開展雨水資源開發(fā)利用工作的決定性因素，是衡量雨水資源利用潛力的決定性因素[16]。雨水資源化可實施程度(B2)是區(qū)域內雨水資源條件開發(fā)利用能力的反映，依據(jù)區(qū)域不同用地性質，因地制宜地選擇其對應的低影響開發(fā)措施，將滲透滯留設施可實施率(C4)、雨水運輸設施可實施率(C5)和調蓄凈化設施可實施率(C6)作為雨水資源化可實施程度的指標[17]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況(B3)主要反映了雨水利用潛力實現(xiàn)的自然條件，主要包括林草覆蓋比率(C7)、坡度(C8)、土壤滲透系數(shù)(C9)。經濟可行性準則層(B4)的指標(C10、C11、C12)是區(qū)域雨水資源能夠利用得以實現(xiàn)的基礎，開展雨水利用工作需要巨大的經濟支撐，擁有突出的經濟實力的地區(qū)在開展雨水資源利用方面更有優(yōu)勢。綜合雨水需求率(B5)在很大程度上決定了區(qū)域雨水資源轉化量的多少，包括以下幾種形式：生活用水率(C13)、生態(tài)用水率(C14)、工業(yè)用水率(C15)，雨水回用后的不同用水途徑及需水量計算方式見表2。

表1 海綿城市建設中區(qū)域雨水資源利用潛力評價指標體系

表2 雨水回用不同用水途徑及需水量計算公式

參考其他水資源相關的評價標準及研究結果，確定了本文海綿城市建設中雨水資源利用潛力評價指標體系的等級劃分標準，具體評價指標等級見表3。Ⅰ級表示雨水資源豐富且可實施條件充裕，雨水資源利用潛力大，可大力發(fā)展海綿城市建設；Ⅱ級表示雨水資源豐富度或可實施條件相對沒有那么理想，雨水資源利用潛力處于中度利用狀態(tài)；Ⅲ級表示雨水資源相對缺乏，可實施條件相對較差，雨水資源利用潛力弱。

3.2 構建評價模型

海綿城市建設中雨水資源利用潛力的眾多評價指標中定性指標較多，具有模糊性和不確定性等特點，所以引入模糊綜合評價法對其進行雨水資源利用潛力的評價[18]。本文將層次分析法與模糊綜合評價法相結合，對海綿城市建設中雨水資源的利用潛力進行分析評價。通過層次分析法確定評價體系中各評價指標的權重，再使用模糊綜合評價法對海綿城市建設中雨水資源的利用潛力進行評價。

3.2.1 確定評價指標權重 根據(jù)標度法的計算步驟，首先邀請部分專家根據(jù)相關經驗和在分析地區(qū)特性的基礎上對準則層的指標進行重要性評判，構建判斷矩陣，通過歸一化計算指標的相對權重，之后對其進行一致性檢驗，一致性檢驗的相關公式如下。

一致性指標：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

一致性比例：

CR=CI/RI

(4)

式中：λmax為判斷矩陣對應的最大特征值；RI為平均隨機一致性指標，可通過查表獲得相關值。只有當CR<0.1時，才符合一致性檢驗，根據(jù)上述公式計算得出所有指標的權重。

3.2.2 模糊綜合評價模型 首先設定兩個集合，集合U={U1，U2，…，Un}，為評價要素集合；集合V={V1，V2，…，Vm}，為評語集，每一評語集對應著一個評價等級。

ui的單因素評價集為：

ri={ri1，ri2，…，rim}

(5)

把n個單因素評價集作為矩陣的行，得到模糊綜合評價矩陣：

(6)

式中:R反映的是因素ui和評語vj的模糊關系，稱R為模糊綜合評價矩陣。R的第i行Ri=(ri1，ri2，…，

rim)為第i個因素Ui的單因素評價結果;rij表示Ui對Vj的隸屬度。

模糊綜合評價的模糊變換為:

B=A·R

(7)

表3 海綿城市建設中區(qū)域雨水資源利用潛力評價指標等級劃分

4 實例應用

應用上述評價模型，對浙江省臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)的雨水資源利用潛力進行評價。研究區(qū)多年平均降水量1 602.7 mm，年內降雨主要集中在5-9月的雨季，汛期降水量占全年75%左右，汛期天然徑流量占全年的80%；現(xiàn)狀建成區(qū)面積約15.3 km2，現(xiàn)狀水面率為13.3%，現(xiàn)狀用地以居住用地和工業(yè)用地為主，其次是建設用地與生態(tài)用地；主要河道有洛河、大寨河、大田河，主要湖泊有靈湖。研究區(qū)獨特的氣候條件與地理環(huán)境決定了雨水資源的可利用性，有效利用本地雨洪資源，對促進該區(qū)域經濟、社會和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用。該區(qū)域未來3～5年要進行城市建設，所以在建設初期考慮將海綿城市建設下基于低影響開發(fā)措施的雨水利用工程與城市建設相結合[19]，這樣可以極大地減少雨水利用工程的建設成本，獲得更好的運行效果。

4.1 研究區(qū)雨水資源的利用潛力及增加值

臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)的現(xiàn)狀建成區(qū)面積約15.3 km2，各部分的功能特點明顯，可以劃分為六個土地利用類型，分別是生態(tài)用地、水域、公共設施用地、工業(yè)用地、市政道路、居住用地。由公式(1)、(2)計算得到該研究區(qū)的雨水資源利用的理論與現(xiàn)實潛力。α為棄流系數(shù)，取0.85；β為季節(jié)折減系數(shù)，研究區(qū)的年內降雨主要集中在5-9月份，汛期降水量占全年75%左右，由此可確定季節(jié)折減系數(shù)為0.75；根據(jù)《城市小區(qū)雨水利用技術規(guī)范》(GB50400-2006)和車伍等[20]的資料分析研究，可以得出研究區(qū)不同下墊面對應下的綜合徑流系數(shù)值的大小。

計算結果見表4。

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中各措施的適用性，針對不同的土地利用形式或基礎設施選擇適宜的低影響開發(fā)措施。研究區(qū)內與未來城市建設相結合的“海綿城市”建設下相關低影響開發(fā)措施的可實施情況見表5。

該區(qū)域在采用了以上“海綿城市”建設工程措施后，雨水總調蓄容積達到284 590 m3，即在實施海綿城市低影響開發(fā)措施后雨水利用潛力增加了28.46×104m3?？梢?，該區(qū)域海綿城市建設中雨水資源較豐富，且有條件開展實施海綿城市建設工程。各雨水利用設施工程的滲透量、運輸量或調蓄量的詳細計算方法見《海綿城市建設技術指南》。

表4 臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)雨水資源潛力計算表

表5 臨海市城區(qū)東北部新城區(qū)雨水利用設施可實施工程量匯總表

4.2 模型計算結果與分析

評價體系中相關指標的具體資料及數(shù)據(jù)主要來源于《臨海市2017年國民經濟及社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、《臨海市2017年水資源公報》、《臨海市2017年環(huán)境公報》、《臨海市2017年統(tǒng)計年鑒》、《臨海市海綿城市建設試點實施方案》、《建筑給排水設計規(guī)范》和《室外給水設計規(guī)范》(GB50013-2006)等資料，部分數(shù)據(jù)可以通過計算整理得到。

首先根據(jù)各項評價指標與雨水資源利用潛力之間的相關關系以及實際的評價經驗，聽取了區(qū)域相關部門人員以及專家的建議，構造出判斷矩陣，通過歸一化計算出指標的相對權重，之后根據(jù)公式(3)、(4)對其進行了一致性檢驗，得到準則層及目標層各評價指標的合成權重見表6。

表6 評價指標權重值

將評價要素集U分為2個層次，根據(jù)層次分析法確定的各評價指標的權重建立各級評價指標的權重向量，根據(jù)構造出的判斷矩陣R，由公式(7)可以求得準則層各指標的模糊綜合評價向量，進而獲得目標層對應的評價矩陣，最終求得目標層的模糊綜合評價向量；按照最大隸屬度原則，確定出評價等級，最大隸屬度及評價等級見表7。

雨水資源化條件準則層的評價結果為“Ⅰ級”，對應指標層的多年平均降雨量、蒸發(fā)量評價結果為“Ⅰ級”，綜合徑流系數(shù)為“Ⅱ級”，表明該區(qū)域雨水資源條件較好，雨水資源可利用度較高。雨水資源化可實施程度準則層的評價結果為“Ⅰ級”，對應指標層下的各指標的評價結果均為“Ⅰ級”，表明該地區(qū)海綿城市相關工程的的可實施率較高，根據(jù)《臨海市海綿城市建設試點實施方案》及表5可知，該區(qū)域相關工程設施覆蓋率較廣，有利于雨水資源回收利用。區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況準則層的評價結果為“Ⅱ級”，對應指標層下的區(qū)域林草覆蓋比率評價結果為“Ⅰ級”，坡度及土壤滲透系數(shù)評價結果為“Ⅱ級”，表明該區(qū)域林草覆蓋比率較大，但由于土壤性質屬于紅壤土亞黏土，故土壤滲透系數(shù)相對偏大，且地勢較為平坦，坡度較小，表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況對雨水回收利用稍有不利。經濟可行性準則層的評價結果為“Ⅱ級”，對應指標層下的人均GDP評價結果為“Ⅰ級”，雨水利用工程單方投資及節(jié)水成本的評價結果均為“Ⅱ級”，表明該地區(qū)經濟發(fā)展水平較好，但對雨水利用工程建設方面的投資力度尚未達到住建部估算的高標準，將會導致工程設施工作效率稍有落后，節(jié)水成本達不到理想狀態(tài)。綜合雨水需求率準則層的評價結果為“Ⅰ級”，對應指標層下的生活、生態(tài)、工業(yè)用水率的評價結果均為“Ⅰ級”，表明該區(qū)域對回收的雨水資源的需求量較大，符合海綿城市建設的初衷，同時對節(jié)約城市水資源、適應社會經濟發(fā)展需求有重要意義。以上結果與研究區(qū)“海綿城市”建設中雨水資源利用潛力較大的增加值有較好的一致性，說明構建的評價指標體系合理且準確，可為臨海東北部新區(qū)接下來的發(fā)展提供一些新的思路。

表7 海綿城市建設中雨水資源利用潛力各級評價指標的模糊評價結果

5 結 論

海綿城市可大大提升城市在水資源、水環(huán)境等方面的保障能力，雨水資源利用潛力是區(qū)域發(fā)展海綿城市建設的一個評價標準。本文從5個方面構建了海綿城市建設中雨水資源利用潛力評價體系，主要研究結論如下：

(1)本文基于雨水資源化條件、雨水資源化可實施程度、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況、經濟可行性與綜合雨水需求率，從5個方面共15個指標構建了海綿城市建設中雨水資源利用潛力評價體系，將評價指標劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個等級表示雨水資源利用潛力大小，并采用層次分析法與模糊綜合評價法相結合的方法對海綿城市建設中雨水資源利用潛力的大小進行綜合評價。

(2)對研究區(qū)——臨海市海綿城市建設試點區(qū)運用評價體系進行評價，結果顯示：該區(qū)域海綿城市建設中的雨水資源利用潛力為Ⅰ級，即雨水資源豐富且可實施條件充裕；通過綜合徑流系數(shù)法計算出，該地區(qū)在實施海綿城市建設后可增加的雨水資源利用量為28.46×104m3。兩種方法計算出來的結果有較好的一致性，說明了該評價體系的合理性，可為之后的城市發(fā)展建設提供一些新的思路，也為區(qū)域雨水資源的開發(fā)利用及保證區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展提供了一定的基礎設施依據(jù)。