基于GIS的城市区域雨水资源可利用量估算

徐志欢，纪静怡

（扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

随着城市化进程的加快，城市建成区面积不断扩大，从而导致不透水面积大幅度增加，致使相同降雨条件下，径流系数增大，洪峰提前，洪量增大，对城市排水和河道行洪构成巨大压力，同样威胁着城市安全[1]。另一方面，城市化进程中用水量不断增长，导致水资源短缺问题日益突出，成为制约我国经济社会可持续发展的关键因素之一[2]。而城市雨水利用是缓解城市缺水局面、减轻城市沥涝威胁和防洪压力、改善水生态环境的一项重要措施[3]。在此情况下，雨水收集利用越来越受到世界各国的重视和关注，许多国家在农村和城市修建了形式各样的雨水收集利用工程[4]。利用工程措施拦蓄雨水不仅能缓解城市和地区水资源短缺问题，也成为区域水资源利用规划中不可忽略的一个重要水源[5]。充分利用降水资源，实施雨水资源化是一条既经济快捷又广泛有效的途径，并可带来一系列生态环境效应[6]。定量研究区域性城市降雨量及其可利用量是开展城市雨水资源化利用的基础[7]。为了合理有效地开发城市区域雨水资源，有必要对城市区域雨水可利用量进行分析计算。以城市区域为例，结合GIS 技术对城市区域雨水可利用量进行定量研究，以期为城市区域的水资源利用和配置提供更加合理的依据。

1 城市雨水资源利用方式

雨水是自然界水循环系统中的重要环节，对调节、补充地区水资源以及保护生态环境有着不可或缺的作用[8]。

雨水利用包括天然降水的自然利用和人工措施的集蓄利用，故雨水资源是指通过集流、汇流、存储设施等雨水集流系统收集到的雨水量和可被作物直接吸收利用形成产量或用来维持生态环境的雨水量的总和[9]。雨水资源化潜力是指在一定的技术经济条件下，在特定区域，在一定的时段内，能够开发利用雨水资源的最大能力[10]。

城市雨水利用是指在城市范围内，采取多种措施对雨水资源加以保护和利用，包括收集、调蓄、回用等方面的直接利用；也包括雨水借助人工和自然水体渗透来补充地下水资源的间接利用；同时还包括回用与渗透相结合的综合利用[11]。随着对城市功能性要求的不断提高，城市水环境越来越受到重视，雨水的收集和利用也在不断的发展和完善，相关的雨水资源利用方式和技术日趋成熟。城市雨水资源利用方式一般可分为雨水集蓄、入渗、集蓄入渗结合和净化4种方式[12]。

1.1 雨水集蓄措施

（1）雨水罐。雨水罐为一种简易的地上或地下封闭式雨水集蓄利用设施，优点是施工安装方便和便于维护，因其容积小的特点，雨水罐净化能力有限。

（2）调节塘。调节塘的主要功能为削减峰值流量，由进水口、调节区、出口设施、护坡及堤岸组成，可起到净化雨水以及补充地下水的作用。

（3）集雨池。集雨池一般为地埋式钢筋混凝土构造物或玻璃钢构造物，两侧各设置有1 个进水管与溢水管，且在进水管前端配备沉沙池1座，具有汇集屋顶及地面径流的功能。

1.2 雨水入渗措施

（1）透水铺装。透水铺装作为城市建设中常用的一种铺装构件，具有雨水下渗和美化景观的作用，多适用于城市建设类项目、平原地区公路项目等。

（2）绿色屋顶。绿色屋顶由排水层、过滤层、土壤基质层和植被层组成，具有延缓达到径流峰值所需时间、削减径流峰值、延迟产流时间和削减雨水径流污染物浓度等作用。

（3）生态树池。生态树池包括通过隔板隔开的种植区和集水区，可起到净化雨水的作用，且收集净化后的雨水，通过树木自吸后可达到浇灌的效果。

（4）渗透塘。渗透塘作为雨水下渗补充地下水的一种洼地，具有净化雨水和削减峰值流量等作用。

1.3 集蓄入渗结合措施

（1）下沉式绿地。下沉式绿地是低于周边道牙地表5～10 cm 的低洼绿地。下沉式绿地不仅能将雨水下渗补给土壤和地下水，同时可将部分雨水聚集到集雨式绿地内短暂蓄存。

（2）植草浅沟。植草浅沟是在绿地内设置的排水沟，主要由反滤织物和透水性材料组成。植草浅沟既可增加绿地的雨水入渗效率，也可短暂蓄存雨水。

（3）生物滞留措施。生物滞留设施是通过在地势低的区域内种植植物，借助植物截流、土壤过滤滞留雨水，并对雨水处理后加以利用的措施。其主要由表面雨水滞留层、种植土壤覆盖层、植被及其土层、砂滤层和雨水收集等组成。

（4）雨水湿地。雨水湿地是一种人工浅沼泽系统，可处理城市雨水和控制径流水量。其功能为沉淀雨水中大颗粒污染物。

1.4 雨水净化措施

（1）植被缓冲带。植被缓冲带位于坡度相对平缓的植被区，其功能是借助植被拦截及土壤下渗作用来减缓地表径流流速，可去除径流中的部分污染物。

（2）初期雨水弃流设施。初期雨水弃流设施可将存在初期冲刷效应、污染物浓度较高的雨水初期径流借助一定方法或装置予以弃除，以期达到降低雨水后续处理难度的目的。

2 雨水利用潜力评估方法

2.1 评估方法

在GIS 技术支持下，对获取的城市区域影像图进行修正，根据城市区域的土地利用覆盖类型进行分类：通过ArcGIS 软件对影像图进行重分类，分成若干个面，对每个面添加字段信息，根据字段信息区分成几种不同的汇水面，并对其添加投影信息来算出每种汇水面的面积。同时，根据所分成的汇水面确定径流系数。最后，结合区域降雨数据和区域雨量计算公式，估算降雨频率为25%、50%、75%和90%下的城市区域年雨水资源总量、理论雨水资源潜力以及实际雨水资源潜力。

2.2 雨水资源估算

对城市区域进行汇水面划分后，选取相应的降雨径流公式计算城市区域雨水资源总量、雨水资源潜力和雨水实际潜力。

2.2.1 雨水资源总量

由于大气降水是陆地上各种形态水资源总的补给来源，是一个区域水资源量的最大值[13]，因此雨水资源总量的计算公式为：

式中：R0为雨水资源总量（m3）；H 为年降水量（mm）；A为汇水面面积（km2）。

2.2.2 雨水资源潜力

受限于区域自然条件和技术经济水平，封闭区域内的降雨资源不可能被全部收集利用，弃除初期雨水弃流和季节折减的影响，研究区平均每年雨水资源潜力按下式估算：

式中：R1为雨水资源理论潜力（m3）；ψ 为径流系数；其余变量含义同上。

实际上，降雨季节分布具有不均匀性，非雨季降雨量很小，基本不形成地表径流，计算可收集雨水量时需要考虑季节折减系数。此外，由于城市大气污染、地表污染等环境问题的存在，初期径流雨水污染较为严重，这部分雨水不能被利用，所以计算中还需考虑雨水的初期弃流量，但对于河流、渠等开敞水体来说可不考虑这两方面的影响。实际可收集雨水量按下式估算[14]：

式中：R2为雨水资源实际潜力（m3）；α 为季节折减率；β为初期弃流系数，β=1—初期弃雨量×年利用降雨次数/年平均降雨量[7]；其余变量含义同上。

3 实例分析

3.1 研究区域

盐城市盐都区地处江苏省中部里下河地区，位于北纬33°07' ～33°26'和东经119°41' ～120°13'之间，东、北部与亭湖区、建湖县相邻，南部与大丰市、兴化市相望，西部与宝应县接壤，面积1 044.6 km2，如图1 所示。盐都区地处南北气候过渡带，季风环流影响明显，全年四季分明，雨热同季，降雨较为充沛，近39 a 年平均降雨量为1 073.7 mm，但时空分布不均，丰水期承受上游来水的压力，废弃水不能利用，因此易涝易旱，灾害频繁。随着经济社会发展、城镇化进程加快，供水量逐年增大，水资源及其开发利用问题较为突出[15]。而城市雨水资源的有效利用，对调节、补充地区水资源和改善、缓解城市用水压力，改善区域水文循环，保护生态环境有极为关键的作用，具有生态和经济方面的优势[8，16，17]。同时，蓄积利用雨水资源可以调蓄河川径流，具有良好的防洪作用[7]。因此，为了合理地开发雨水资源，推进节水型社会建设，为区域雨水利用提供依据以及减轻盐都区内的防洪、防涝压力，有必要对盐都区内的雨水资源进行估算。

图1 盐都区地理位置

采用的研究区域降雨数据来源于中国气象数据网，研究区域地形数据来源于地理空间数据云DEM数字高程数据SRTMDEM90M 分辨率数字原始高程数据，影像数据来源于91卫图助手盐都区第16级影像级别。以上数据通过ArcGIS 软件对盐都区区域进行了汇水面的划分，并计算出每种汇水面对应的面积以及对应的径流系数。

3.2 不同汇水面类型划分

由于地表特征的不同，不同汇水面雨水下渗量不同，产生的径流量以及对应的降雨径流系数也不一样。所以本研究根据这些依据将盐都区雨水汇水面分为以下9类：Ⅰ类，村庄；Ⅱ类，水面（包括河流、湖泊、渠道、水产养殖厂等）；Ⅲ类：旱地，主要指盐都区内的农田、裸地、撂荒地等；Ⅳ类：路面（包括铁路和公路）；Ⅴ类：企业单位、科技园、工厂以及商业区等；Ⅵ类：度假村；Ⅶ类：城市居民区、街坊小区等；Ⅷ类：林地、植物园、花园、苗圃等；Ⅸ：文教区。在GIS支持下求得各汇水面面积，详见表1。各汇水面分布，如图2所示。

表1 盐都区各汇水面面积

图2 盐都区分类汇水面分布

3.3 降雨径流系数的确定

所估算的雨水资源潜力是指降雨所产生的径流量。前面已对盐都区内各种汇水面进行了划分，但各种汇水面又有不同的下垫面，不同的下垫面所对应的降雨径流系数亦不相同，同时影响径流系数取值的因素有很多，如降雨强度、下垫面坡度、土壤结构、洼蓄能力等[18]。本文从宏观角度对整个区域进行雨水资源估算，仅对下垫面坡度进行了分析，其他因素暂未考虑，如图3所示。

图3 盐都区地面坡度

由图3 分析可知，整个盐都区下垫面坡度较为平缓，且坡度变化不大，故对降雨径流系数的影响也不大。

确定每种汇水面的平均径流系数依据下垫面的种类加权算平均：

式中：ψz为每种汇水面平均径流系数；Ai为汇水面上各下垫面面积（km2）；ψi为各下垫面的径流系数；A为汇水面面积（km2）。

通过吴俊等[19]、陈彦熹等[20]和孙烨等[18]分别在降雨条件下对城市区域道路、建筑小区以及绿地等下垫面径流系数的研究和分析，同时根据《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》[21]、《室外排水设计规范》[22]及9 大汇水面的地表特征，经过计算和查阅相关文献，确定各汇水面的降雨径流系数，详见表2。

表2 各汇水面降雨径流系数

3.4 盐都区降雨量分析

本文根据盐都区1981—2019年近39 a的降雨资料对盐都区降雨量进行分析，结果如图4—5所示。

图4 盐都区1981—2019年系列年降水量过程

图5 盐都区近39 a月平均降水量

从盐都区近39 a 降水时间序列图来看，盐都区降雨年际波动较大，但大部分都保持在1 000 mm 以上，可以看出盐都区雨量资源丰富，若将这些雨量资源利用起来，可缓解城市内部分用水压力。从盐都区近39 a 月平均降水量来看，盐都区降雨主要集中在5—9月，占全年降雨量的78%，并且6、7、8、9月最多，占全年降雨量的22%，冬季雨量稀少，仅占全年雨量的10%。

3.5 计算结果

根据盐都区近39 a 的降雨数据，当降雨频率为25%时降雨量为1 220.3 mm，H 取1 220.3 mm；当降雨频率为50%时降雨量为1 019.4 mm，H取1 019.4 mm；当降雨频率为75% 时降雨量为868.6 mm，H 取868.6 mm；当降雨频率为90%时降雨量为770.6 mm，H 取770.6 mm。因盐都区降雨主要集中在夏秋季节，其中5—9 月占比最大，为0.78，故α 取0.78；根据计算和查阅资料，β 取0.87。

依照上述计算公式和各系数的取值，结合各汇水面的径流系数和面积，按照式（1）、（2）、（3）分别计算出降水频率为25%、50%、75%和90%下盐都区雨水资源总量、雨水资源理论潜力和雨水资源实际潜力，详见表3。

从表3可以看出，在降雨频率为25%时，盐都区1 a 内的雨水资源总量多达12.7亿m3，雨水资源理论潜力为8.8亿m3，雨水资源实际潜力7.7亿m3；在降雨频率为50%时，盐都区1 a 内的雨水资源总量多达10.6亿m3，雨水资源理论潜力为7.4亿m3，雨水资源实际潜力6.5亿m3；降雨频率为75%时，盐都区1 a内雨水资源总量为9.1亿m3，雨水资源理论潜力为6.3亿m3，雨水资源实际潜力5.5亿m3；在降雨频率为90%时，盐都区1 a内的雨水资源总量多达8.0亿m3，雨水资源理论潜力为5.6亿m3，雨水资源实际潜力4.9亿m3。从这些数据看出盐都区的雨量资源是非常丰富的，但同时也反映出盐都区的雨量资源虽然丰富，但因为初期弃流和季节折减的因素，导致实际的雨水资源潜力与雨水资源总量相差甚大，若能将损失的这一部分雨量收集起来，比如修建初期弃流池的方式将这部分雨水收集起来并进行处理，也可以投入使用，包括绿化用水、厂区用水、景观用水等，将进一步合理地配置盐都区的用水需求。

表3 盐都区雨水资源潜力计算值104m3

4 结论

城市雨水利用可以有效解决城市部分区域用水缺乏的现象，同时也能减轻城市防洪防涝压力。对雨水径流污染进行防治能有效地改善城市水资源环境，对城市社会、经济和生态有着重大的意义。我国在借鉴国外发达国家关于雨水收集处理的先进技术与经验的同时，还应该认清自身水资源的特征与生态环境的现状，颁布相关的规范准则作为依据，强化雨水收集与利用的技术研发，将雨水收集与利用的进程向前推进，以解决水资源的供给与需求。

基于GIS 方法，计算了盐都区在降雨频率为25%、50%、75%和90%的条件下1 a内的雨水总量、雨水理论潜力和雨水实际潜力。结果表明，盐都区的雨量资源相当可观；若收集利用这一部分雨水资源，一方面可缓解盐都区的城市用水压力；另一方面，可减轻盐都区城市洪涝灾害，改善盐都区城市生态环境。另外，本文仅从宏观上对盐都区的城市雨水资源进行了估算，并没有考虑到蒸发、初期弃雨量以及因降雨强度、下垫面坡度、土壤结构、洼蓄能力等所导致汇水面径流系数的改变，若将这些因素再进一步考虑，可更为准确地评估盐都区的雨水资源潜力。