海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价研究

马瑾瑾， 陈 星, 许 钦

(1.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.南京水利科学研究院 水文水资源研究所， 江苏 南京 210098)

1 研究背景

随着城市化发展对水资源的需求日益迫切，人们越来越重视对非传统水资源的利用。近些年来，有关我国城市雨洪资源利用及利用潜力的研究取得了较大进展。许多研究表明，城市建设增加下的地表雨洪径流可以通过海绵城市建设中的雨洪资源综合利用措施得以留存和应用，这些留存下来的雨洪利用量即城市区域雨水资源利用潜力[1-4]。在区域雨水资源利用潜力方面的研究中，余卫东等[5]提出了城市雨水资源化的概念，并把建成区划分为了几种不同的类型进行计算。在对雨水资源利用潜力计算方面，申亚青[6]通过GIS软件，对某地一年的水资源潜力进行了预算；李晓贝等[7]建立了雨水利用潜力分析模型，得出其结果与实际情况极为相似；赵飞等[8]利用多年平均降水量计算法对我国部分城市的雨水利用潜力进行了分析，结果表明在实施雨洪利用措施后，雨水利用效果较好。海绵城市是结合我国城市现状提出的治水新构想，由于其注重源头控制，所以与低影响开发理念有着高度的契合[9]。建立契合自然的低影响开发模式是解决城市水生态、水安全的重要途径[10]。

海绵城市建设中雨水资源利用潜力的大小不仅与雨水利用工程有关，当地气候条件、经济发展等都会成为影响雨水资源利用潜力的因素。本文在总结了相关区域雨水资源利用潜力研究的基础上，提出了海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价模型，从5个方面反映了研究区-临海市海绵城市建设试点区的雨水资源利用潜力，客观评估了区域采取海绵城市建设后的雨水资源利用潜力，为该区域实施海绵城市建设方案提供了理论依据，也为后续将要实施海绵城市建设的地区提供了参考方法。

2 雨水资源利用潜力内涵

所谓雨水资源化利用潜力，是指某个特定的区域在一定时段内，通过规划设计及采取相应的技术工程措施后，能够开发利用的最大雨水资源量。在不考虑经济和技术是否可行的情况下，某一范围内的雨水资源有可能会被全部开发利用，此时的雨水资源量即雨水资源的理论潜力。但无论采取何种技术措施和方法，是不可能实现雨水资源的全部利用的，此时雨水资源的可实现潜力称为雨水资源化潜力[11-12]。在构建评价体系进行雨水资源利用潜力评价之前，为验证指标体系与模型结果的精确度与可信任度，首先采用综合径流系数法[13]对区域内雨水资源的利用潜力进行初步粗略计算。

雨水资源利用理论潜力：

W=HAψ

(1)

雨水资源利用现实潜力：

W′=HAψαβ

(2)

式中：W为区域雨水资源利用理论潜力,m3；W′为区域雨水资源利用现实潜力,m3；H为年降雨量,m；A为下垫面汇水面积,m2；ψ为径流系数；α为弃流系数；β为季节折减系数。

3 区域雨水资源利用潜力的研究方法

3.1 评价指标与标准

区域在实施海绵城市建设后的雨水资源利用潜力大小可通过海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价指标体系进行判断，建立一个能够从各方面衡量雨水资源化利用潜力的评价指标体系是对区域雨水资源化利用潜力进行评价的基础。陈卫宾等[14]从生活、生产、生态3个方面选取了评价因素构成评价指标体系，对区域雨水资源开发潜力进行了评价。

指标体系的构建应遵循以下原则：(1)科学性原则；(2)系统性与层次性原则；(3)全面性与代表性原则；(4)动态性与静态性原则。根据海绵城市建设中区域雨水资源利用潜力的量度要求，遵循层次分析原理[15]，将评价指标体系分为3个层次：目标层、准则层和指标层。通过分析影响区域雨水资源利用潜力(A)的因素，遴选出雨水资源化条件(B1)、雨水资源化可实施程度(B2)、区域生态环境状况(B3)、经济可行性(B4)、综合雨水需求率(B5)5个主导层次制定雨水资源利用潜力评价指标体系，具体评价指标体系见表1。

雨水资源化条件(B1)是区域是否可以开展雨水资源开发利用工作的决定性因素，是衡量雨水资源利用潜力的决定性因素[16]。雨水资源化可实施程度(B2)是区域内雨水资源条件开发利用能力的反映，依据区域不同用地性质，因地制宜地选择其对应的低影响开发措施，将渗透滞留设施可实施率(C4)、雨水运输设施可实施率(C5)和调蓄净化设施可实施率(C6)作为雨水资源化可实施程度的指标[17]。区域生态环境状况(B3)主要反映了雨水利用潜力实现的自然条件，主要包括林草覆盖比率(C7)、坡度(C8)、土壤渗透系数(C9)。经济可行性准则层(B4)的指标(C10、C11、C12)是区域雨水资源能够利用得以实现的基础，开展雨水利用工作需要巨大的经济支撑，拥有突出的经济实力的地区在开展雨水资源利用方面更有优势。综合雨水需求率(B5)在很大程度上决定了区域雨水资源转化量的多少，包括以下几种形式：生活用水率(C13)、生态用水率(C14)、工业用水率(C15)，雨水回用后的不同用水途径及需水量计算方式见表2。

表1 海绵城市建设中区域雨水资源利用潜力评价指标体系

表2 雨水回用不同用水途径及需水量计算公式

参考其他水资源相关的评价标准及研究结果，确定了本文海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价指标体系的等级划分标准，具体评价指标等级见表3。Ⅰ级表示雨水资源丰富且可实施条件充裕，雨水资源利用潜力大，可大力发展海绵城市建设；Ⅱ级表示雨水资源丰富度或可实施条件相对没有那么理想，雨水资源利用潜力处于中度利用状态；Ⅲ级表示雨水资源相对缺乏，可实施条件相对较差，雨水资源利用潜力弱。

3.2 构建评价模型

海绵城市建设中雨水资源利用潜力的众多评价指标中定性指标较多，具有模糊性和不确定性等特点，所以引入模糊综合评价法对其进行雨水资源利用潜力的评价[18]。本文将层次分析法与模糊综合评价法相结合，对海绵城市建设中雨水资源的利用潜力进行分析评价。通过层次分析法确定评价体系中各评价指标的权重，再使用模糊综合评价法对海绵城市建设中雨水资源的利用潜力进行评价。

3.2.1 确定评价指标权重 根据标度法的计算步骤，首先邀请部分专家根据相关经验和在分析地区特性的基础上对准则层的指标进行重要性评判，构建判断矩阵，通过归一化计算指标的相对权重，之后对其进行一致性检验，一致性检验的相关公式如下。

一致性指标：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

一致性比例：

CR=CI/RI

(4)

式中：λmax为判断矩阵对应的最大特征值；RI为平均随机一致性指标，可通过查表获得相关值。只有当CR<0.1时，才符合一致性检验，根据上述公式计算得出所有指标的权重。

3.2.2 模糊综合评价模型 首先设定两个集合，集合U={U1，U2，…，Un}，为评价要素集合；集合V={V1，V2，…，Vm}，为评语集，每一评语集对应着一个评价等级。

ui的单因素评价集为：

ri={ri1，ri2，…，rim}

(5)

把n个单因素评价集作为矩阵的行，得到模糊综合评价矩阵：

(6)

式中:R反映的是因素ui和评语vj的模糊关系，称R为模糊综合评价矩阵。R的第i行Ri=(ri1，ri2，…，

rim)为第i个因素Ui的单因素评价结果;rij表示Ui对Vj的隶属度。

模糊综合评价的模糊变换为:

B=A·R

(7)

表3 海绵城市建设中区域雨水资源利用潜力评价指标等级划分

4 实例应用

应用上述评价模型，对浙江省临海市城区东北部新城区的雨水资源利用潜力进行评价。研究区多年平均降水量1 602.7 mm，年内降雨主要集中在5-9月的雨季，汛期降水量占全年75%左右，汛期天然径流量占全年的80%；现状建成区面积约15.3 km2，现状水面率为13.3%，现状用地以居住用地和工业用地为主，其次是建设用地与生态用地；主要河道有洛河、大寨河、大田河，主要湖泊有灵湖。研究区独特的气候条件与地理环境决定了雨水资源的可利用性，有效利用本地雨洪资源，对促进该区域经济、社会和资源环境的可持续发展有着举足轻重的作用。该区域未来3～5年要进行城市建设，所以在建设初期考虑将海绵城市建设下基于低影响开发措施的雨水利用工程与城市建设相结合[19]，这样可以极大地减少雨水利用工程的建设成本，获得更好的运行效果。

4.1 研究区雨水资源的利用潜力及增加值

临海市城区东北部新城区的现状建成区面积约15.3 km2，各部分的功能特点明显，可以划分为六个土地利用类型，分别是生态用地、水域、公共设施用地、工业用地、市政道路、居住用地。由公式(1)、(2)计算得到该研究区的雨水资源利用的理论与现实潜力。α为弃流系数，取0.85；β为季节折减系数，研究区的年内降雨主要集中在5-9月份，汛期降水量占全年75%左右，由此可确定季节折减系数为0.75；根据《城市小区雨水利用技术规范》(GB50400-2006)和车伍等[20]的资料分析研究，可以得出研究区不同下垫面对应下的综合径流系数值的大小。

计算结果见表4。

根据《海绵城市建设技术指南》中各措施的适用性，针对不同的土地利用形式或基础设施选择适宜的低影响开发措施。研究区内与未来城市建设相结合的“海绵城市”建设下相关低影响开发措施的可实施情况见表5。

该区域在采用了以上“海绵城市”建设工程措施后，雨水总调蓄容积达到284 590 m3，即在实施海绵城市低影响开发措施后雨水利用潜力增加了28.46×104m3。可见，该区域海绵城市建设中雨水资源较丰富，且有条件开展实施海绵城市建设工程。各雨水利用设施工程的渗透量、运输量或调蓄量的详细计算方法见《海绵城市建设技术指南》。

表4 临海市城区东北部新城区雨水资源潜力计算表

表5 临海市城区东北部新城区雨水利用设施可实施工程量汇总表

4.2 模型计算结果与分析

评价体系中相关指标的具体资料及数据主要来源于《临海市2017年国民经济及社会发展统计公报》、《临海市2017年水资源公报》、《临海市2017年环境公报》、《临海市2017年统计年鉴》、《临海市海绵城市建设试点实施方案》、《建筑给排水设计规范》和《室外给水设计规范》(GB50013-2006)等资料，部分数据可以通过计算整理得到。

首先根据各项评价指标与雨水资源利用潜力之间的相关关系以及实际的评价经验，听取了区域相关部门人员以及专家的建议，构造出判断矩阵，通过归一化计算出指标的相对权重，之后根据公式(3)、(4)对其进行了一致性检验，得到准则层及目标层各评价指标的合成权重见表6。

表6 评价指标权重值

将评价要素集U分为2个层次，根据层次分析法确定的各评价指标的权重建立各级评价指标的权重向量，根据构造出的判断矩阵R，由公式(7)可以求得准则层各指标的模糊综合评价向量，进而获得目标层对应的评价矩阵，最终求得目标层的模糊综合评价向量；按照最大隶属度原则，确定出评价等级，最大隶属度及评价等级见表7。

雨水资源化条件准则层的评价结果为“Ⅰ级”，对应指标层的多年平均降雨量、蒸发量评价结果为“Ⅰ级”，综合径流系数为“Ⅱ级”，表明该区域雨水资源条件较好，雨水资源可利用度较高。雨水资源化可实施程度准则层的评价结果为“Ⅰ级”，对应指标层下的各指标的评价结果均为“Ⅰ级”，表明该地区海绵城市相关工程的的可实施率较高，根据《临海市海绵城市建设试点实施方案》及表5可知，该区域相关工程设施覆盖率较广，有利于雨水资源回收利用。区域生态环境状况准则层的评价结果为“Ⅱ级”，对应指标层下的区域林草覆盖比率评价结果为“Ⅰ级”，坡度及土壤渗透系数评价结果为“Ⅱ级”，表明该区域林草覆盖比率较大，但由于土壤性质属于红壤土亚黏土，故土壤渗透系数相对偏大，且地势较为平坦，坡度较小，表明该区域生态环境状况对雨水回收利用稍有不利。经济可行性准则层的评价结果为“Ⅱ级”，对应指标层下的人均GDP评价结果为“Ⅰ级”，雨水利用工程单方投资及节水成本的评价结果均为“Ⅱ级”，表明该地区经济发展水平较好，但对雨水利用工程建设方面的投资力度尚未达到住建部估算的高标准，将会导致工程设施工作效率稍有落后，节水成本达不到理想状态。综合雨水需求率准则层的评价结果为“Ⅰ级”，对应指标层下的生活、生态、工业用水率的评价结果均为“Ⅰ级”，表明该区域对回收的雨水资源的需求量较大，符合海绵城市建设的初衷，同时对节约城市水资源、适应社会经济发展需求有重要意义。以上结果与研究区“海绵城市”建设中雨水资源利用潜力较大的增加值有较好的一致性，说明构建的评价指标体系合理且准确，可为临海东北部新区接下来的发展提供一些新的思路。

表7 海绵城市建设中雨水资源利用潜力各级评价指标的模糊评价结果

5 结 论

海绵城市可大大提升城市在水资源、水环境等方面的保障能力，雨水资源利用潜力是区域发展海绵城市建设的一个评价标准。本文从5个方面构建了海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价体系，主要研究结论如下：

(1)本文基于雨水资源化条件、雨水资源化可实施程度、区域生态环境状况、经济可行性与综合雨水需求率，从5个方面共15个指标构建了海绵城市建设中雨水资源利用潜力评价体系，将评价指标划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级表示雨水资源利用潜力大小，并采用层次分析法与模糊综合评价法相结合的方法对海绵城市建设中雨水资源利用潜力的大小进行综合评价。

(2)对研究区——临海市海绵城市建设试点区运用评价体系进行评价，结果显示：该区域海绵城市建设中的雨水资源利用潜力为Ⅰ级，即雨水资源丰富且可实施条件充裕；通过综合径流系数法计算出，该地区在实施海绵城市建设后可增加的雨水资源利用量为28.46×104m3。两种方法计算出来的结果有较好的一致性，说明了该评价体系的合理性，可为之后的城市发展建设提供一些新的思路，也为区域雨水资源的开发利用及保证区域生态环境健康发展提供了一定的基础设施依据。