呼伦贝尔学院校园雨洪利用潜力分析

艾凤巍 任宾宾

(呼伦贝尔学院 内蒙古 海拉尔 021008)

一、研究区概况及研究方法

(一)研究区概况

呼伦贝尔学院位于内蒙古自治区东北部呼伦贝尔市海拉尔区，大兴安岭西麓，伊敏河畔，属于温带大陆性半干旱的季风气候。年平均气温-1.9℃，年平均最高气温0.1℃，年平均最低气温为-4.1℃，平均年较差为42.0℃-48.0℃。降水量季节变化大、年际变化大，降水集中于夏季。绝对湿度的年变化与温度变化相一致，冬季1、2月最小，夏季7、8月最大。相对湿度全年平均为68%，冬季最高，75.4%；春季最低，达53%；12月最高，达79%；5月最低，达47%。全年平均蒸发量为1261.3mm，1月蒸发量最小，为4.8mm；5月蒸发量最大，为253.6mm；冬季蒸发量最小，春夏季蒸发量大。

研究区域内土地利用类型可以大体分为三类，绿地、硬地和建筑用地。其中，绿地所占的比重较少，大部分是建筑用地和硬地。研究区域占地面积为1132200 m2，其中建筑面积279823.8m2，占总面积的24.7%；硬地面积为779100.2m2，占校园总面积的68.8%；绿化面积为73276m2，占校园总面积的6.5%，可见研究区生态用地面积较小。

(二)资料来源及研究方法

1.资料来源

(1)降水量资料来源

根据海拉尔区气象局1956-2015年的各月降水量记录，计算得出该区域各月及年降水量的平均值，以便进行降水特性分析。

(2)呼伦贝尔学院土地利用现状

呼伦贝尔学院各类土地面积的资料来源于2015年《呼伦贝尔学院校舍建筑面积分类统计表》[1]，从表中分出了三类土地利用类型，即绿地、建筑、硬地。根据建筑材料特征，确定建筑用地和硬地的径流系数，参考北方干旱地区绿地径流系数[2]，以便计算各类土地所产生的地表径流，进而估算出雨水利用潜力。

(3)排水设施资料

排水资料来源主要以呼伦贝尔学院后勤集团相关部门调查数据所得，学院室外排水井共220口，平均容量1000m3。

2.研究方法

根据呼伦贝尔市海拉尔区降水特性以及土地利用类型的下渗率，不考虑降水时段蒸发量的前提下，分别计算出绿地、硬地、建筑用地产生的地表径流量，即为雨水资源的可利用量。雨水径流量公式如下：

W=α*β*ψ*Η*Α

式中：W——可收集水量；

α——季节折减系数，取0.85；

β——初期其流系数，取0.87；

ψ——径流系数；混凝土和沥青路面等不透水表面一般取0.9，绿地表面一般取0.15；

H——多年平均年降雨量；

A——汇流面积。

二、研究区雨洪利用潜力分析

(一)降水及径流特性分析

1.降水特性分析

海拉尔区的年平均降水量为351.1mm，年内降水量分配极不均匀(图1)。其中，春季平均降水量14.9mm，占年降水量4.2%；夏季平均降水量235mm，占年降水量的66.9%；秋季平均降水量57.5mm，占年降水量的16.4%；冬季平均降水量13.8mm，占年降水量的3.9%。5～10月，降水形式以降雨为主，10月至次年4月降水形式以降雪为主。

年际变化大是海拉尔区降水量的显著特征，即降水相对变率大。最高年降水量达541.8mm(1990年)，最低年降水量为124.5mm(1986年)。最高年与最低年降水量相差417.3mm，最高年降水量是最低年的4.35倍。年降水量的相对变率14%，春季48%，夏季20%，秋季45%，冬季37%。植物生长期降水变率为16%。

图1 年内降水量特征

2.径流特性分析

校园地表可分为透水区域和不透水区域两种。不透水区域包括建筑屋顶、混凝土地面、铺装道路、铺装停车场等。透水区域包括草地、农田和泥土地等[3]。降落在地面的雨水除去各种损失以后，沿地面、屋面以及道路边沟进行流动，一般由雨水口排入排水管道。从地表类型来看，存在大量的不透水域区，如屋顶、混凝土路面、不透水地砖人行道、柏油路等，也有各种类型的透水区，如绿化带。呼伦贝尔学院校园各种用地具体分布见表1。

表1 呼伦贝尔学院校园用地类型分布及下渗率统计表

这一过程中，不同的土地利用类型就形成了不同的产流。产流过程是指流域中各个径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。产流实质上是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水和输水特性的下垫面土层中垂向运行时，“供水与下渗”一组矛盾相互作用的产物[4]。有供水而无下渗，例如，雨水降在全不透水的岩石面上，没有下渗过程，产流过程表现为汇流过程。研究区域内，建筑的下渗率为0，从而不会形成产流，直接参与汇流过程；有供水，有下渗，则不仅存在产流问题，同时也存在不同成分的径流生成问题和不同量的时间分配问题。研究区域内绿地和硬地，由于下渗率的不同，径流产生的快和慢、径流的大小也会不同。产流的速率和地表径流量的大小，均表现为绿地<硬地<建筑。下渗率不同的土地利用类型，所产生的径流量也不同。

(二)可利用量分析

可收集的雨水资源量根据计算出的道路、屋面、绿地等的面积，查其径流系数，根据呼伦贝尔市的多年平均年降雨量，进行计算。

表2 研究区降雨径流潜力计算结果

从表2中我们可以看出，不同的土地利用类型所产生的降雨径流潜力也不同，从而可利用量也会不同。在不考虑蒸发量的前提下，建筑用地由于下渗率为0，所产生的径流量最高，为65387.71m3；其次是硬地，由于硬地有一定的下渗性质，所以在形成径流量的过程中，产流与汇流都有发生，以汇流为主，所产生的径流量最高，为182055.93m3；绿地由于下渗性质最强，在形成径流时，以产流为主导，从而所得降雨径流潜力值最小，为2853.79m3。

因该区域具有寒温带半干旱区季风气候的特征，5月-9月以降雨为主的季节，所形成的地表径流量较大，总地表径流为212727.87m3。绿地所产生的径流量为2425.44m3；硬地所产生的径流量为154729.39m3；建筑用地所产生的径流量为55573.04m3。10月至次年4月以降雪为主的季节，所形成的径流量以固态为主，总地表径流为37569.57m3。绿地所产生的径流量为428.35m3；硬地所产生的径流量为27326.54m3；建筑用地所产生的径流量为9814.68m3。

(三)雨洪利用现状分析

呼伦贝尔学院在每年11月至次年4月，形成固态降雪，并以人工铲雪收集为主，除了绿地以及建筑屋顶的雪以外，硬地部分的收集的降雪导热系数大，可以堆积在树木周围，使温度不致因冬季的严寒而降得太低。次年的5月-9月份的降雨季节利用的过程中，由于绿地高于路基面，不利于降雨过程中雨水的收集，并且校园建筑屋顶以及硬地的雨水沿着水落管流入地面或进入排水管道，校园地面基本为沥青和混凝土路面等非透水面，所以雨水很快形成地表径流，进入校园的污水排放管网，造成了雨水浪费，从而雨水不能合理的被利用。

三、存在的问题及解决措施

(一)存在问题

1.雨水资源浪费

在水循环过程中，大气降水在一定的前提下会在下垫面形成径流，而研究区的土地利用过程中，硬地面积以及建筑面积却占了比较大比例，从而一定程度简化了水循环的过程(见图2)。不透水地面会直接产生地表径流，而透水地面由于大气降雨产生下渗，形成地下径流以及地表径流。由于研究区雨水利用设施不健全，导致雨污同排，造成了很大程度的浪费。

受植物生长的周期特征影响，夏季蒸发量大，同时也是各类生态用地(绿地)需水量最大的时段，但由于“高位花坛”式绿地的设置，不能够容纳下垫面所产生的地表径流，导致雨水资源的浪费。由于各类生态用水来源只能依靠地下水，因此雨水资源浪费的同时，也增加了生态用水的成本。

图2 研究区水循环部分示意图

2.增加污水处理成本

雨水形成径流时，缺乏雨水收集装置，以污水形式直接排放至污水井，不能合理的利用，因此加大了排污设施的压力。在污水处理的过程中，加上了雨水排放的部分，使污水处理成本加大，增大了污水处理单位财政压力，市政基础设施和地下管网设施也面临着严峻的考验。

(二)解决措施

1.设立下沉绿地

在雨水收集处理的过程中，应该将“高位花坛”式的生态用地改为“下沉绿地”，即绿地基准面设置低于路基面，以便于地表径流的收集。加大下沉绿地的建设，增大透水地面的铺设，变不透水地面为透水地面。一方面可以增加雨水的下渗，涵养土壤中的水份；另一方面，可以抑制和减少降雨产生的地表径流，特别是暴雨形成的地表径流。从而不仅有效的利用了雨水资源，又增加了校园生态用地面积，增加了校园美感。

2.增加湖泊蓄水量

研究区内东山脚下有人工湖泊，对雨水利用设计过程中，可以围绕湖泊进行设计，增加湖岸带植被，这样不仅可以对地表径流进行有效截流，达到净化水质的目的。抑制湖泊富营养化，还增加了湖区的容量，有效改善湖泊水循环。同时，可以增加地面蒸发，调节气温改善气候，逐渐形成生态良性循环，美化校园景观带。

四、结论

研究表明，呼伦贝尔学院生态用地所占比例较小，仅为6.5%，且以“高位花坛”式绿地为主，对雨水资源的利用存在极大的浪费现象，夏季尤为明显。雨洪利用具有很大的潜力。硬地和建筑用地所产生的径流量为247443.64m3，若将各类土地类型所产生的地表径流进行收集，将可以抵消一部分生态用水的成本，同时也可以减轻排污的压力，有效减低污水处理成本。因此，本研究从景观建设的角度，提出设置下沉绿地和增加湖岸带及增加湖区蓄水量的设计建议。

在研究中，没有考虑研究区蒸发量和地形因素，而这两个因素可能在以后的研究中对研究结果有一定影响。但本次研究，是对研究区的潜力分析的初步调研，上述因素对于本次研究的影响不大。需注意的是：多次降水中，降雨量小的雨不会形成地面径流，特别是非雨季的雨，因此要考虑一个季节折减系数[5]。

综上所述，雨洪利用在呼伦贝尔学院今后的校园规划建设中越来越重要。可以将学院内的人工湖作为雨洪后收集水量的蓄水池，实现人工湖的功能多元化。若用地有限，可修建地下蓄水池，提高雨水利用系统的雨水利用率[6]。由于地区的水资源又相对比较紧缺，因此合理利用雨水资源对呼伦贝尔学院以及北方干旱区今后的生态建设具有很大的帮助。一方面，节约了大部分的淡水资源；另一方面，也减轻了市政供水的压力。因此，学校雨水利用具有较好的节水意义和发展前景。

注释：

径流系数：任意时段内径流深度与同时段内降水深度之比。