韓玉龍，羅國杰

(華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

我國是全世界水資源嚴重短缺的國家之一,在為水資源緊缺難題絞盡腦汁時,豐富的雨水資源卻沒有得到有效利用而白白流走，“留住雨水”和利用雨水對于緩解城市淡水緊缺的壓力,保護和恢復水環(huán)境,修補生態(tài)環(huán)境意義重大而不可忽視。合理利用雨水，可以緩解城市用水壓力也節(jié)約了水資源,將減少地下水的抽取量。針對雨水收集利用，海綿城市建設理論框架相應隨之而來[1]。

海綿城市本旨通過加強城市管理,充分發(fā)揮道路和綠地、水系等生態(tài)系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用,調控雨水徑流,實現自然積存、自然滲透、自然凈化的新型城市建設方式[2]。

園博園同心湖生態(tài)水系是適應于鄭州海綿城市建設的試點，通過水資源論證，以合理開發(fā)、節(jié)約用水和有效保護水資源為原則，結合鄭州市海綿城市建設規(guī)劃，按照相關的法律、法規(guī)及行業(yè)標準，在分析同心湖所在區(qū)域水資源及開發(fā)利用狀況的基礎上，分析論證同心湖取用水的合理性、可供水量及取水水源可靠性，以促進區(qū)域水資源優(yōu)化配置和用水結構的調整，在實現水資源高效利用和科學管理的同時，滿足同心湖的合理用水要求，實現區(qū)域水資源統一管理和水量的統一調度[3]。

1 項目概況

鄭州市航空港實驗區(qū)位于鄭州市東南部，是鄭州都市區(qū)南部新城的主要組成部分，實驗區(qū)面積415 km2，園博園水系位于整個實驗區(qū)的中心位置，處于整個南區(qū)生態(tài)水系的上游位置，連接梅河支流和如意河，定位為景觀型河道區(qū)域。園博園水系規(guī)劃設計在水動力、水生態(tài)、斷面處理、景觀設計、交通游憩等多個角度，結合整個片區(qū)的總體規(guī)劃及特色進行。

同心湖作為園博園生態(tài)水系的一部分，不僅是區(qū)域海綿設施的重要組成部分，還是雨洪調蓄的核心。在保證湖體調蓄能力的同時，考慮游人的安全性、親水性及整體的觀賞性和穩(wěn)定性，沿水體周邊分布濕塘和雨水濕地等低影響設施，可有效削減污染物，并具有一定的徑流總量和峰值流量控制效果。同心湖水面面積為6.75萬m2，平均水深2.37 m，蓄水量16萬m3，投資4 634.29萬元。

2 項目水源選擇

同心湖取水主要用于湖區(qū)運行情況下湖水的蒸發(fā)、滲漏損失和水生植物用水，綜合考慮國家目前水資源管理政策，應優(yōu)先考慮雨水，其次使用污水處理廠再生水源、地表水源[4]。

園博園同心湖沒有南水北調工程用水指標，地表水不能作為園博園同心湖用水水源，且項目區(qū)管網鋪設不到位，故市政中水不能作為園博園同心湖水源。

園區(qū)內雨水通過有效途徑回收并加以利用，可緩解供水緊張，增加淺層土壤的含水率，調節(jié)氣候，遏制城市熱島效應，減輕雨洪負荷，減輕因雨水徑流導致的面源污染，減少水系的水體污染，還可以減少揚塵污染。

園博園同心湖平常以收集園區(qū)雨水作為水源，因園區(qū)外無雨水泵站，園區(qū)無法接納附近外圍的雨水。

3 用水合理性分析

園博園同心湖初次充水為園區(qū)施工期工程降水及天然雨水，同心湖湖底標高111 m，常水位114 m，場地水位滿蓄最高可達115 m，最低水位控制在113 m，相應水位對應的湖面面積和相應蓄水量見表1。同心湖水位與水面面積關系曲線見圖1，水位與蓄水量關系曲線見圖2。

表1 同心湖不同水位蓄水量表

圖1 同心湖水位與湖面面積關系

圖2 同心湖水位與蓄水量關系曲線

同心湖工程用水量主要包括正常運行情況下湖區(qū)蒸發(fā)、滲漏損失、同心湖周邊綠化和水生植物用水量。根據同心湖近幾年水體運行調度方式及湖區(qū)水質實際情況，不考慮換水的情況下，依靠自身水體循環(huán)、濕地和水生態(tài)凈化作用下，湖區(qū)水質狀況保持良好[5]。因此，園博園同心湖用水量主要為湖內水體的蒸發(fā)和滲漏損失量。

3.1 湖面蒸發(fā)量計算

湖泊的水面蒸發(fā)是水量消耗的重要方式之一，在能保證入水和出水平衡的情況下，水位基本保持不變，水量不至于減少或干涸[6]。通過圖1和圖2，湖面第一個月充滿水時到達常水位114 m，根據表1知湖面面積為67 500 m2，可計算出第一個月的湖面蒸發(fā)量，再減去第一個蒸發(fā)量，依次可確定出同心湖逐月湖面面積。根據《鄭州市水資源綜合規(guī)劃》中鄭州市多年平均(1980年—2000年)年蒸發(fā)量計算表，可知距離項目所在地航空港實驗區(qū)最近的新鄭的多年平均月蒸發(fā)量[7]。蒸發(fā)量計算見表2。

Wre=ArEw/10

(1)

式中:Ar為水系水面面積；Ew為水面多年平均蒸發(fā)量。

表2 水面蒸發(fā)量計算表

3.2 水生植物耗水量計算

園博園同心湖及周邊區(qū)域澤水花園種植地被類和水生類植物，結合不同區(qū)域水位高低和地形變化，耐水濕花灌木與水生植物結合，營造濕地花園[8]。主要種植品種有睡蓮、荇菜、金銀蓮花、菖蒲、香蒲、花葉蘆竹、水蔥、鳶尾等，種植面積及數量見表3。

表3 同心湖水生植物統計表

水生植物需水量公式為：

Wp=A(t)×ETm

(2)

式中：Wp水生植物需水量；A(t)為水生植物面積(0.59萬m2)；ETm多年平均蒸散量。

多年平均蒸散量ETm與水面多年平均蒸發(fā)量Ew之比作為衡量水生植物的蒸散系數，研究參考國內外水生植物蒸散量的實測值，確定黃淮海地區(qū)水生植物的蒸散系數(ETm/Ew)在1.5～3.5之間，平均值為2.5，取平均值為2.5時多年平均蒸散量ET為2 210.75 mm/m2，根據上表3可知水生植物面積A(t)為0.59萬m2。經計算，園博園同心湖水生植物用水量Wp為1.30萬m3/a[9]。

3.3 滲漏量計算

根據航空港實驗區(qū)實地水文地質調查資料，區(qū)內地下水位基本在同一標高上，淺層水水位埋深為5 m～7 m。所以，可采用達西定理計算同心湖的滲漏量，它適用于雷諾數小于1～10的地下水層流運動，自然界地下水的雷諾數一般都不超過1，所以達西公式對于一般地下水運動都是適用的[10]，其表達式為：

W滲=K1×W蓄

(3)

式中：W滲為湖泊年滲漏損失，m3；W蓄為湖泊年均蓄水量，m3；K1為經驗系數，此處取0.05。

經驗系數取值受到水文地質條件影響較大，水文地質條件優(yōu)良時，經驗系數一般取值0%～10%；中等條件下，經驗系數取值10%～15%；水文地質條件較差時，經驗系數取值15%～30%。根據項目可研報告，同心湖湖區(qū)全部采用生態(tài)防滲膜進行防滲，本次計算經驗系數取值5%，經計算湖泊滲漏量W滲為0.80萬m3/a[11]。

3.4 同心湖周邊綠化澆灑用水量計算

根據《河南省地方標準-工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》[12](DB41T385—2020)，可計算出園區(qū)綠化澆灑用水量，見表4。

表4 園區(qū)綠化澆灑用水量計算表

園區(qū)全年綠化澆撒所需水量為7.84萬m3/a。

綜上可知，園博園同心湖日常運行期間，每年同心湖蒸發(fā)和滲漏損失量、水生植物蒸散量，同心湖周邊綠化用水量，合計為15.38萬m3/a。

3.5 取水量合理性分析

同心湖水體運行方式為自循環(huán)，采用生物棲息地營造與生物凈化技術；引入生物凈化船，減少湖區(qū)與水體中的有機污染物，通過抗污染水生植物與岸邊植被營造，引入昆蟲、鳥類、魚類等動物生態(tài)系統，形成具有自我更新能力的生態(tài)群落，能夠實現水體凈化，能夠維持同心湖水質目標。因此，同心湖用水主要包括正常運行下的湖區(qū)蒸發(fā)、滲漏損失量[13]。

同心湖水體面積6.75萬m2，湖底標高111 m，正常水位114 m，最高水位可達115 m，最低水位控制在113 m，保證2 m的調蓄水位，經計算可知運行期的同心湖可收集到的雨水量為15.38萬m3/a；(計算見第四章)同心湖的需水總量為15.38萬m3/a(其中同心湖水體蒸發(fā)5.44萬m3/a，同心湖水體滲漏0.80萬m3/a、水生植物蒸散量1.30萬m3/a，同心湖周邊綠化用水7.84萬m3/a)?？晒┧繚M足取水要求。

圖3 水平衡圖

4 取水水源論證

4.1 可供水量計算

由于沒有雨水泵站，雨水匯流面積僅選取同心湖水域面積計算雨水徑流量，園博園同心湖水面匯雨面積67 500 m2，雨水徑流總量按下面的公式進行計算[14]。

W=(ψchyF)/1000

(4)

式中:W為降雨徑流總量,m3;ψc為徑流系數,取1.0;F為匯水面積,km2;hy為50%保證率下的降雨量,mm。

計算區(qū)域為同心湖水面，湖面徑流系數取1，鄭州市屬北溫帶半干旱大陸季風氣候，多年平均氣溫14.2℃，為避免偏枯或偏豐期降雨，以求計算偏差最小，根據鄭州市各空間分區(qū)長序列(1956年—2015年)降水資料(見表5)分析，項目區(qū)50%保證率年降水量接近多年平均值，屬平水年，故降雨量P取596.9 mm[15]。

表5 鄭州市各空間分區(qū)1956年—2015年系列特征值表

4.2 降雨匯水量計算

園博園整體呈西北高，東南低的地勢，結合場地特征，經過場地基礎整理，場地最高點標高為144.5 m，考慮視軸線關系，在標高134 m處(土山高20 m處)設置全園的標志物軒轅閣，建筑物高33 m，形成中軸線核心焦點。核心湖區(qū)水體標高為114 m，平均水深2.37 m。同心湖高程低于周邊，雨水可依地勢形成匯水面，經截污和凈化處理后可匯入同心湖，規(guī)劃豎向地形見圖4。

圖4 規(guī)劃豎向地形圖

根據園區(qū)規(guī)劃設計豎向地形，分析可知園博園核心區(qū)最北端高程120 m，最南端高程116 m，最東段高程123 m，最西端高程130 m。

園博園核心區(qū)南北向坡度約0.5%，東西向坡度約1%。園博園現狀水系自北向南流向，依照地勢規(guī)劃設計匯水水面，將雨水通過雨水管網，經過截污凈化后匯入同心湖。匯水分析見圖5[16]。

圖5 匯水分析圖

參照《海綿城市建設技術指南》要求，通過科學的水量計算劃分24個匯水分區(qū)，結合公共園區(qū)、場地鋪裝、道路對全園海綿設施潛力進行分析，結合景觀營造覆蓋全園的LID設施，構建雨水自然積存、自然滲透、自然凈化、自然排放的“園博海綿體”。匯水分區(qū)見圖6[17]。

園博園作為大型公共綠地，海綿設施潛力巨大。對于園博全海綿體系，主要包括園路和場地、公共園區(qū)綠地及展園。

低影響開發(fā)雨水系統的徑流總量控制一般采用年徑流總量控制率作為控制目標。年徑流總量控制率與設計降雨量為一一對應關系。參見《海綿城市建設技術指南》，鄭州園博園的徑流總量控制目標確定在85%，對應的設計降雨量為34.3 mm[18]。低影響開發(fā)設施分布見圖7。

圖7 園博園低影響開發(fā)設施分布示意圖

根據《第十一屆中國(鄭州)國際園林博覽會園博園可行性研究報告》[19]，園博園各計算區(qū)域面積統計見表6。

表6 園博園匯水區(qū)域面積統計表

綜上，經計算可知園博園同心湖降水匯水量為15.38萬m3/a，詳細計算見表7。

4.3 月供水與需水平衡調節(jié)分析

本次供需水計算采用同心湖常水位114 m，蓄水量16萬m3為基準，月供需水情況見計算表8。由表中數據可知，1月—5月和11月—12月降水量遠小于用水需求；6月—10月的降水比較充盈，遠大于用水需求。為緩解各月降水不均導致的供需失衡，園區(qū)可利用海綿工程等調蓄水措施，將6月—10月的多余水量儲蓄起來分配至缺水月份，同心湖各月供需水量維持平衡[20]。

表7 降雨匯水量計算匯總

表8 月需水情況匯總

5 結 論

本文通過園博園同心湖水系實例分析，論證研究了以雨水作為取水水源的合理性，并計算得出運行期湖區(qū)蒸發(fā)總量，并結合海綿城市規(guī)劃，分析同心湖年降雨匯水量。結果表明，由于每月的降水不均衡導致的供需水失衡，同心湖蓄水量在容積范圍內呈現一定的起伏(12.61萬m3～16.52萬m3)，在調蓄水措施的調節(jié)作用下，降水經過合理的再分配，同心湖供需水量平衡的情況下，維持在常水位114 m處，蓄水量維持在16萬m3。通過海綿工程等調蓄水措施，可以改善各月降水不均導致的供需失衡，充分有效利用天然降水。