西北旱区海绵城市建设中雨洪资源量分析

赵逸超，王正中，刘铨鸿，王 羿

(1.西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

西北地区是我国干旱问题最严重的地区之一，平均年降水量230 mm[1]。干旱缺水严重制约着经济社会的健康发展及生态环境建设。有限的降雨集中在汛期(5月至10月)，并多以雨洪形式流失，特别是造成城市内涝“看海”与干旱缺水并存的旱涝灾害并举现象[2]。随着西北地区经济社会高速发展以及城镇化进程加快，土地利用变化、不透水面增加均对城市暴雨洪水、径流等产生了很大的影响[3]。城市降雨时以及降雨后一段时间内扣除入渗、蒸发等雨量，剩余在下垫面形成径流的有可能被人类利用的这部分雨水可称为雨洪资源。这部分雨洪资源量经过工程措施蓄积、净化后变为雨水可利用量。雨水可利用量能在一定程度上补充城市供水[4,5]等。

关于城市雨洪资源的计算，可以通过传统的径流系数法计算，目前更多的是运用数值模拟方法。SWMM(Storm Water Management Model)是美国EPA (Environmental Protection Agency)开发的动态降雨—径流模拟软件，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟[6]。SWMM已在国际上被广泛用于城市暴雨径流分析、流域规划设计等。刘金星[7]、胡伟贤[8]对几种城市雨洪模型做出分析对比。谭琼[9]、赵东泉[10]、Lei Yao[11]对数值模拟中不同产汇流模型参数特点进行了研究。周毅[12]对模型参数中宽度参数估算做了详细介绍。王虹[13]结合GIS与数值模拟从流域尺度研究城市雨洪特征。但大多数研究集中在单个城市内涝模拟或模型参数敏感性分析，对于大范围雨洪资源的计算很少。

对于干旱缺水的西北地区，海绵城市建设任务与东南地区不同，应突出发展“渗、滞、蓄、净、用、排”六类低影响开发设施中的“蓄”和“用”，并构建多级雨水收集利用系统，工作重心放在雨洪资源化利用上。如何实现干旱区人水和谐，科学管理和利用城市雨洪资源是旱区城市化建设及海绵城市建设的主要任务。而城市雨洪资源计算是海绵城市建设的基础任务。为此，本文结合旱区海绵城市建设，运用雨水管理模型SWMM开展对西北地区即陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆五省的汛期雨洪资源量计算以及开发潜力进行初步分析。为西北旱区海绵城市建设任务规模确定以及各城市雨洪资源化利用的规划提供参考。

1 西北旱区主要城市产流模拟

1.1 SWMM产汇流模型

SWMM模型包含径流模块、输送模块、扩展输送模块和处理/蓄存模块组成，用户主要输入降雨资料、下垫面资料等来模拟产汇流过程。本文主要利用SWMM中降雨径流模块，通过连续模拟得到径流深度，再经计算得出西北旱区主要城市雨洪资源量。

SWMM中模拟过程包括地表产流模拟、地表汇流模拟、管网汇流模拟。其中产流模型是将每个子汇水区分为有洼地不透水区、无洼地不透水区以及透水区。透水区入渗计算由三种入渗模型构成，分别是Horton模型、Green-Ampt模型以及SCS(Soil Conservation Service)模型[14]。其中SCS模型将土地利用类型、土壤条件、植被覆盖等用一个综合的CN系数反应，对于降雨过程资料不足，研究面积较大时适用，因此本文选用SCS入渗模型。

地表汇流模拟采用非线性水库模型，由曼宁方程(1)和连续性方程(2)联立求解：

(2)

式中：W为子汇水区特征宽度，m；n为曼宁系数；dp为滞蓄水深，m；S为子汇水区坡度；V为子汇水区水量，m3；d为子汇水区地表水深，m；A为子汇水面积，m2；t为降雨时间，s；i为降雨强度，m/s；Q为径流量，m3/s。

管网汇流模拟有3种方法，恒定流、运动波和动力波。对于长期雨洪资源计算模拟，可采用较为简单的恒定流法，即假设每一时间步长内流量恒定均匀。

城市径流特点之一是地面流程短，意味着雨水降落到地面很快流入排水管网中。为了方便起见，本次研究城市降雨可忽略蒸发损失。

1.2 计算参数选取

本文采取直接对遥感影像目视解译的方式[15]，将研究区域分为耕地、林地、草地、水域、城镇用地、未利用裸地、道路。其中将城镇用地及道路、水域定为不透水面积；耕地、林地、草地、裸地定位透水面积。再经逐类统计分析计算得到不透水区比例，不同的子汇水区不透水区比例在20%～85%之间。

子汇水区域面积对应的宽度参数也具有较高的敏感性。根据SWMM手册给出的定义， 特征宽度=面积/地表漫流长度。本文采用Width=K×SQRT(area) (0.2

子汇水区表面参数根据《SWMM用户手册》中给的建议范围确定。SWMM中定义的土壤类型有四种，西北地区多为B类，例如浅层黄土、砂质壤土，饱和导水率在3.81～7.62 mm/h之间。在确定SCS曲线数时主要根据B类土壤对应曲线数根据遥感图像中下垫整体情况确定。另外利用SCS曲线数法时还需设置排干时间，合理的范围在2至14 d，本文假定排干时间为6～7 d。其余参数如曼宁粗糙系数等均参考赵东泉等的研究以及《SWMM用户手册》中附件表格参考值确定。

降雨气象资料来源于中国气象局气象数据中心，全西北地区共选取50个气象站数据。西北旱区在非汛期降水量相对较小，很难形成径流也很难利用，因此本文仅考虑5到10月的汛期降雨，选取1981-2010年汛期每日平均降雨量，模拟时长确定为5月1日至10月31日共180 d。选取临近的泾阳站与秦都站降雨资料对比分析。得到泾阳站降雨系列均值比秦都站小3.1%，Cv值相对偏小0.8%，代表性较好。

1.3 模型建立

利用CAD-SWMM软件间数据交换进行子汇水区建模。在Google Earth中提取遥感影像并获取地面高程等数据，在CAD中提取出主要汇水区后载入到SWMM中。再根据遥感影像解译结果输入各个子汇水区属性参数。最终共划分子汇水区368个。图1、图2以西安市为例显示西北旱区主要城市产汇流模型建模过程。

图1 在Google Earth中提取模型参数Fig.1 Extraction of model parameters in Google Earth

图2 参数信息导入SWMM模型Fig.2 Import parameters into the SWMM

在划分子汇水区时，首先根据西安市特点，主要在城市及周围主要干道、古城墙以及建筑分布特点三方面综合考虑。在每个子汇水区边界附近及内部取若干点高程，计算其平均坡度。根据目视解译的基本方法得到每个子汇水区不透水面积比例，其中贯穿城市的河道、渠道、城市中的人工湖计入透水区面积。城市地表主要考虑沥青或混凝土，排水管道主要考虑封闭管道分别设置相应曼宁N值。最后根据不同土地利用及土壤分类确定SCS曲线数。

1.4 模拟结果

各城市集雨面积为各子汇水区面积之和，地表径流深度与降雨量的比值得到径流系数 ，即：

(3)

式中：S为各城市集雨面积，km2；n为子汇水区数量；Ai为子汇水面积，hm2。

集雨面积与通过模拟得到的地表径流深度的乘积为城市汛期雨洪资源量，即：

Qi=Yi×Si(i=1,2,…,n)

(4)

式中：Qi为城市汛期雨洪资源量，106m2；通过模型模拟可以得到不同城市降雨地表径流深度Yi，mm；Si为集雨面积，km2；n为子汇水区数量。

通过模拟得到地表径流深度Yi(mm)后，与降雨量Xi(mm)的比值可以反推出城市径流系数α，即：

(5)

表1为具体城市模拟结果。其中各城市的径流系数有所差别，可以反映出城市化程度不同，径流系数越大，说明城市化程度更高，屋面路面等硬化程度更高，等降雨量情况下积水可能性也更高。

2 城市汛期雨洪资源量分析与汛期雨洪资源潜力分析

2.1 城市汛期雨洪资源量分析

我们将5月至10月降雨在城市下垫面形成径流的这部分水量称为汛期雨洪资源量，这部分潜在水量可以经过工程、非工程措施转化为水资源供人们使用。

经SWMM模拟计算，从表1可以得出，整体上集雨面积越大，相应的汛期雨洪资源量越多，西北旱区主要城市总集雨面积为3 288.97 km2，汛期雨洪资源量达8.92 亿m3。

表1西北旱区主要城市汛期雨洪资源量
Tab.1Rain-floodresourcesinfloodseasoninNorthwesternaridregionsofChina

城市集雨面积/km2雨洪资源量/万m3径流系数城市集雨面积/km2雨洪资源量/万m3径流系数西安市439．07168150．938固原市38．3612580．869咸阳市104．0340600．927中卫市35．114120．746宝鸡市100．5350670．934西宁市112．7637420．922渭南市81．4930940．828海北州69．1927560．840榆林市71．9320040．824海西州57．361850．803铜川市44．9718790．833海南州52．749220．745延安市38．9414600．842海东市48．379860．792安康市38．3323470．888黄南州35．579860．761汉中市35．0523570．965果洛州28．326780．808商洛市25．7712650．856玉树州7．592850．849兰州市227．1045900．906乌鲁木齐市428．08150600．916白银市54．467210．754巴音郭楞蒙古自治州101．8922020．875酒泉市50．772970．805克拉玛依市57．033880．783天水市45．5516990．889喀什地区55．112190．826金昌市40．585900．766阿克苏地区52．722750．822平凉市38．2714650．913石河子市37．843740．770武威市31．433990．865吐鲁番地区32．89250．736庆阳市27．249750．885哈密地区30．91620．645定西市22．698620．887昌吉回族自治州29．743110．846陇南市15．036020．857博尔塔拉蒙古自治州27．752880．731临夏州8．603470．926和田地区24．10690．874甘南州5．591690．836塔城地区14．401760．853银川市166．5722740．842克孜勒苏柯尔克孜自治州9．69510．767石嘴山市99．9511940．790阿勒泰地区7．23670．832吴忠市50．256900．856伊犁30．011540．858

为了便于比较，将汛期雨洪资源量划分为5个水量分区：大于1 亿m3为1区，2 000 万m3到1 亿m3为2区,1 000 万m3到2 000 万m3为3区， 200 万m3到1 000 万m3为4区，小于200 万m3为5区。划分后经过统计可得到表2结果。

1区、2区城市有13个， 1区2区城市雨洪资源十分丰富，开发潜力大；3区和4区城市占总数的大部分，雨洪资源量大小中等，开发潜力适中；而5区城市雨洪资源量相对较小，开发潜力不大。所有城市中2区城市主要集中在陕西省关中地区和陕南地区，其中关中地区的西咸新区已经作为海绵城市试点城市，在之后的海绵城市建设过程中可从其余2区以上城市中优先选择。其余四省中由分布区域看，宁夏、青海优先建设海绵城市潜力较大，另外省会城市雨洪资源量均较大，可优先作为试点城市。

表2 汛期雨洪资源量水量分区城市分布情况Tab.2 Distribution of water volume partition about rain-flood resources in flood season

2.2 城市汛期雨洪资源供水潜力分析

雨水经过地面汇流后若直接由排水管网出境，是无法被利用的，对于干旱地区，降雨过程相对平缓，雨洪资源可以通过人工措施蓄积利用。汛期雨洪资源供水潜力是指汛期形成的雨洪资源中经过工程措施蓄积处理后供给人们使用的这部分水资源。雨洪资源不可能被完全利用，能达到供水要求的雨洪资源量有限。因此本文假设西北旱区主要城市进行海绵城市建设后雨洪资源量中50%经蓄积处理后可用于生活用水。

结合《中国统计年鉴-2015》中全国水资源情况及供水用水情况进行雨洪资源供水潜力分析。分别从各省2015综合统计年鉴中统计城镇人口数，结合《城市给水工程规划规范(GB50282-98)》中表2.2.4所给定额范围取平均值得到各城市综合生活用水总量。按照汛期雨洪资源量的50%计算出汛期雨水供水量。雨水供水量/综合生活用水量=雨水供水比例。

不同的雨水供水比例能够反映出汛期雨洪资源供水潜力大小。将供水比例也划分为不同供水分区：供水比例占40%以上的为A区，占10%～40%的为B区，占5%～10%的为C区，小于5%的为D区。经统计可得表3结果。

其中A区、B区供水潜力较大，很适合建设雨水蓄积利用系统；C区供水比例相对较小，可以建设中等规模的雨水蓄积利用系统；D区则雨水蓄积利用收益不显著,但也可在一定程度上缓解城市缺水问题。

值得注意的是，城市汛期雨洪资源生活供水比例超过40%的城市只有青海省的海北、黄南、果洛、海南四州，其主要原因是这4个城市的生活用水需求不高。这意味着对于西北旱区海绵城市建设在规划阶段不仅要注重雨洪资源量本身的大小，还要重视供需之间的比例关系。具体来说，就是要同时考虑某个城市水量分区供水分区叠加的结果。图3为叠加结果示意图。

表3汛期雨洪资源供水潜力
Tab.3Distributionofwatervolumepartitionaboutrain-floodresourcesinfloodseason

省份城市数量A区B区C区D区陕西0631新疆02112宁夏0230甘肃0255青海4211

图3 两种分区叠加结果示意图Fig.3 The result of superposition of two kinds of partition

其中深色部分很适宜雨洪资源开发潜力高，中间部分开发利用潜力中等，浅色部分开发利用价值不高。同时在水量分区1、2区，供水分区A、B区的城市雨洪资源潜力最大，应首先在建设海绵城市过程中开发。它们包括：西安市、宝鸡市、榆林市、安康市、汉中市、西宁市、海北州、乌鲁木齐市、巴音郭楞蒙古自治州。在海绵城市建设时应优先建设雨洪资源易被利用的高潜力区，得到充分的旱区海绵城市建设经验后再向开发利用难度较高的中、低潜力区发展，形成有顺序有层次的发展。

本文主要成果为数值计算成果，与实际情况的雨洪资源量必然存在误差，用作不同城市间雨洪资源开发潜力相互对比，其结果可供参考。

3 结论与展望

(1)海绵城市建设过程中城市雨洪资源化利用是解决当今水资源供需矛盾的有效手段，尤其对于西北干旱、半干旱地区。它转变了传统的治水思路，将雨洪资源化利用，是解决西北旱区城市旱涝并存局面的有效途径。

(2)西北旱区汛期雨洪资源量约为8.92 亿m3，其中新疆1.97 亿m3、陕西4.03 亿m3(相当于陕西引汉济渭工程的规划调水量约1/4)、甘肃1.27 亿m3(接近甘肃引洮工程的规划调水量约1/4)、青海1.05亿m3、宁夏0.58 亿m3。

(3)在西北旱区海绵城市建设规划阶段应同时考虑当地雨洪资源量和雨洪资源供水潜力，优先选择高潜力区的城市作为试点，形成有层次和不同侧重点的雨洪资源开发。对于西北城市，可从西安市、宝鸡市、榆林市、安康市、汉中市、西宁市、海北州、乌鲁木齐市、巴音郭楞蒙古自治州这几个高潜力城市开始。

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