雄安新区起步区雨水利用及其影响研究

2023-09-12裴梦桐

水利规划与设计 2023年9期

裴梦桐

(河北省唐山水文勘测研究中心，河北唐山 063000)

0 引言

河北雄安新区作为北京非首都功能疏解集中承载地，是我国做出的一项重大历史性的战略选择。根据《河北雄安新区规划纲要》[1]要求，新区建设将综合采用多种低影响开发设施，因地制宜的推行雨水资源利用，开展雨水资源的利用是新区多水源联合调配的重要构成，也是破解新区水资源短缺等城市水问题的必由之路。

长期以来，雨水作为一种具有资源属性的水已经被广泛用于缓解城市水资源短缺，改善城市生态环境的重要储备。现阶段，由于雨水收集系统缺少源头控制和公共设施缺少雨水利用试点及推广，雨水仍处于较低利用率阶段[2]。国内外雨水利用术主要有城市屋顶雨水收集利用技术、屋顶绿化技术、雨水拦截与渗透技术、生态小区雨水综合利用技术、雨污分流设计5种[3-4]，主要分为雨水集蓄回用和滞留渗透技术。城市水文学者并针对不同地区的气候、地理等条件，研发了综合考虑降雨变化特征与利用技术相结合的雨水资源利用范式[5-6]，其中，由区域降水及土地利用特性决定了不同区域采用不同雨水利用技术的特点。

雨水作为一种硬度低、污染少等自然资源，其收集利用技术目前成为缓解城市供水压力的重要手段，也是防治城市内涝的有效方法。在当前开展海绵城市建设与城市雨洪资源利用的地区，确定雨水资源的可利用量是区域制定水资源利用规划以及支撑城市发展总体规划的核心环节。

雄安新区因疏解而生、应创新而起、逐智能而强，在未来的建设中，必将充分利用好新科技革命的成果，建设成一个服务智慧型、资源可循环利用的绿色、安全的城市[7]。在建造绿色智慧新城的背景下，研究新区现状雨水利用量及未来雨水利用潜力是建造资源循环利用的前提。为探究新区雨水利用潜力，本研究以雄安起步区为研究区域，解析现状年(2014)及《河北雄安新区规划纲要》中的规划年(2035)土地利用，分析新区年尺度及场次尺度降雨特性，计算不同设计频率年尺度及场次尺度的城市雨水利用潜力及利用量，明晰新区建设后雨水资源收集利用量及下渗水量的提升效率。研究结果可为新区供水水源保障提供参考，也为其他缺水城市雨水利用提供借鉴。

1 研究区概况

河北雄安新区规划范围涉及原河北省保定市雄县、容城、安新三县及任丘市、高阳县部分区域，地处北京、天津、保定腹地，如图1所示。新区属暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，年均降雨量446mm；区内水系纵横，湖泊广布，隶属海河流域大清河水系。

图1 雄安起步区(新城)研究区域

本研究以雄安起步区(新城)为研究区域，起步区位于容城、安新两县交界区，面积约200km2，现状年(2014年)土地利用以透水较强的旱地及不透水层(建设用地)为主，面积占起步区的91%，其中，旱地达140km2，占起步区面积的70%。根据相关规划，规划年(2035年)新区的土地利用较现状年变化较大，旱地及农村用地随着建设过程逐渐被替代，城市绿化面积大幅度提高，其面积占起步区的50%；规划年水体面积占城区的15%，较现状年增加了28km2。

2 研究方法

2.1 降雨特性分析及预测方法

为准确定位研究区未来规划年雨水利用量，需分析其现状降雨特性并预测其未来降雨。本研究采用安新、雄县、容城3个国家基本气象站的1977—2012年长系列逐小时降雨数据的平均值，根据Dunkerley[8]、王文婷[9]关于场次降雨事件的划分方法，将连续两场降雨时间间隔超过6h则识别为两场降雨事件，依据此方法识别出历年每场降雨的降雨特征。

根据识别出的场次降雨，分别从年尺度、场次尺度分析雄安起步区降雨的离散性、趋势性及未来降雨量变化等特征：①采用数理统计法，计算变差系数Cv[10]和偏态系数Cs[11]分析年降雨及场次降雨的离散程度和对称性；②利用滑动平均法[12]分析降雨的趋势性；③通过R/S分析法检验未来降雨的变化趋势与历史趋势的一致性。R/S分析法是由Hurst[13-14]1951年提出的通过处理时间序列数据以评估资料未来趋势性强弱程度的统计方法，其中，赫斯特指数H是R/S分析法的有效统计量，其区间为0～1，当H>0.5时说明数据的时间序列具有长持续性，且H越大，持续性越强；当H<0.5时，持续性相反，且H越接近0，数据的反持续性越强；当H=0.5时，代表未来数据的变化与过去一致。

2.2 城市雨水利用计算方法

城市降雨总量由雨水收集利用量、下渗水量、入河水量、初雨弃流量及蒸发量(弃水及蒸发量)4部分构成。雨水利用量为径流收集量与下渗量之和，研究区现状年缺乏雨水径流收集措施，雨水利用量即为雨水下渗量；弃水及蒸发量为降雨总量与雨水利用量、入河水量之差。

雨水资源利用潜力是指特定的经济技术条件下，雨水资源利用量的最大值[15-16]，其内涵为考虑城市的地形条件、管网等工程措施、现有技术条件及降雨特性等因素后，应用工程及非工程措施可收集利用的水量[17]，主要是城市地表雨水径流收集量和地表下渗量之和[18-19]。

依据冯峰等[20]提出的根据不同性质的下垫面分类计算雨水利用的方法，计算城市雨水利用潜力Q：

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

式中，Q1—地表雨水径流收集量，m3，规划年为降落在路面的雨水可收集量；Q2—地表下渗量，m3；Q3—降落在水面的雨水资源量，m3。

Q1、Q2、Q3的计算公式分别为：

(2)

(3)

(4)

式中，ψ—径流系数，参照余卫东等[5]提出将城市雨水划分为不透水路面、透水路面和水域3种类型计算雨水利用潜力的分类理念，ψ可根据不同的下垫面分别取值；α—季节折减系数[21]；β—初雨弃流系数；A—不同下垫面的面积，m2；P′—场次降雨量大于2mm[22]的降雨的年均值，mm；P—年均降雨量，m；λ—透水地面下渗系数；hf—历年汛期平均降雨量，mm；q—初雨弃流深度，依据GB 50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》，综合采用雨水弃流深度q为2mm；np—年均降雨次数，由于降雨量小于2mm的降雨无法产生径流，因而该降雨次数为场次降雨量大于2mm的降雨次数[22-23]。

3 结果

3.1 起步区降雨变化特征及预测

3.1.1历史降雨变化特征

在年尺度上，研究区降雨特征值见表1，多年平均降雨量446.2mm，年均降雨历时238.5h，年均降雨48次；降雨量年际差异大，且离散程度较大，年际差异性在20世纪80年代尤为明显，最大年降雨量可达852mm，而年最小值仅为243.6mm。进入21世纪后，年降雨量在200～600mm之间，年际差异较20世纪有所减小，如图2所示；研究区降雨量年内分布不均匀，如图3所示，主要集中在6—9月中，约占全年降雨量的80%；由滑动平均法分析历年降雨趋势可知，研究区年降雨量趋势性不显著。

表1 研究区降雨特征值

图2 研究区逐年降雨变化及5年滑动平均图

图3 研究区多年平均降雨量年内分布图

在场次尺度上，研究区1976年以来极端降雨比较显著，历年场次最大降雨量在37～182mm之间，如图4所示，场次最大降雨量均大于降雨频率5%对应的2h降雨量33.2mm，表明研究区小概率降雨事件出现频繁，不容忽视。根据国家气象站记录的研究区所在的大清河流域的日降雨量资料，大清河流域1963年8月大暴雨历时10天，总降雨量达500mm以上，为建国以来记录到的最大的一次降雨，也是迄今为止中国大陆长历时暴雨的最高记录[24]。由图5研究区历年逐小时降雨总量及降雨次数控制比重统计图可以明显看出，虽然2h降雨事件的总雨量及次数在逐小时中均未处于最高水平，但其控制均值在控制比中位居首位，比1h降雨的控制均值大2.44%。

图4 研究区历年降雨量图

3.1.2规划年降雨预测

R/S分析法的基本思想是改变样本序列的时间尺度，研究其在不同尺度范围内的统计规律，从而进行大小时间尺度间的相互转换。通过Hurst指数，可判定径流时序的状态持续性及其记忆长度。若比值R(τ)/S(τ)=R/S存在R/S∝τH(8)关系，则说明时间序列{ξ(t)}，t=1，2，…，n存在Hurst现象，H称为Hurst指数。H值可根据计算出的(τ，R/S)的值，在双对数坐标系(lnτ，lnR/S)中用最小二乘法拟合得到。

如图6—7所示，研究区历年降雨量与历年场次降雨量的H值均接近于0.5，根据R/S分析法原理，表明研究区降雨量在未来很长一段时间内具有一致性，因此在计算未来起步区雨水资源利用时假设未来降雨序列变化特征与过去一致，即研究区未来降雨量没有显著的增加或减小趋势。

图6 研究区历年降雨Hurst指数拟合曲线

图7 历年场次降雨Hurst指数拟合曲线

3.2 起步区雨水资源利用量

为进一步揭示规划情景下新区起步区雨水利用情势及其提升空间，分别从年尺度、场次尺度对雨水资源量构成、雨水利用量及雨水利用潜力进行分析计算，并考虑了不同设计降雨频率对应的丰枯年份变化情景，在此基础上，对比了现状年(2014年)与规划年(2035年)之间的差异。

根据研究区降雨数据，将设计降雨频率定为95%、80%、50%、20%、5%，通过皮尔逊III型分布曲线计算方法，计算得到不同设计频率年尺度及场次尺度降雨量见表2。其中场次尺度上，根据研究区2h降雨量及降雨历时平均控制率最大的特性，采用年最大2h降雨抽样方法，设计降雨历时为2h的不同频率降雨量。

表2 不同重现期设计年降雨量

3.2.1不同尺度下起步区雨水资源利用量

新区起步区在现状年及规划年平均年雨水利用量分别达2789、5195万m3，规划年较现状年提升了25.8%，如图8所示，其中，主要是规划年城市绿化面积提升至研究区面积的50%及绿色屋顶、透水铺装等雨水收集利用设施的建设，使得雨水年径流收集量增加了25%，减少了1800万m3的未经利用的雨水入河量。同时，在规划年，弃水量及蒸发量相比现状年也有6%的减少，对雨水利用量的增加也有一定的贡献。

图8 起步区年尺度平均雨水资源结构

在场次尺度上，规划情景下新区起步区雨水资源量的构成变化与年尺度上具有一致的趋势。其中，规划年雨水利用量相比现状年增加了36%，如图9所示。结果还表明海绵城市设施建设对场次尺度雨水资源量的构成变化影响相比年尺度更大，径流收集量占比达37.5%，特别是硬化路面面积的减少，显著减少了场次降雨初期弃水的占比，弃水及蒸发量的比例由现状年的27.3%减少到规划年的13.7%。

图9 起步区场次尺度平均雨水资源结构

此外，图8—9还表明，现状年与规划年雨水利用潜力(雨水利用量与径流入河量之和)差异性较小，其中，年尺度上不同水平年雨水利用潜力分别为占雨水资源量的63.1%和57.2%，而场次尺度上雨水利用潜力占比均在71%左右，可知，新区的规划建设对雨水利用潜力的影响较小，但对雨水资源量的构成及雨水利用量具有显著影响。

3.2.2考虑丰枯差异的起步区雨水利用量分析

年尺度上，现状年及规划年相同频率降雨具有相等雨水资源总量，丰、平、枯年份分别为13900万、8000万、5300万m3。在丰水年(频率5%)情景下，规划年雨水利用量为8160万m3，较现状年提高了4200万m3，其中，规划年雨水收集利用量达3900万m3，下渗水量提高了300万m3。平水年(频率50%)雨水利用量在规划年提高了2000万m3，占雨水资源量的57%，主要是径流入河水量减少了1600万m3及弃水及蒸发水量也有5%的减少。规划年枯水年(频率95%)情境下下渗水量提高了300万m3、入河水量及弃水分别减少了雨水资源量的17%、6%，雨水收集利用量为900万m3，较现状年提高了22%。

场次尺度上，不同情景下雨水资源量及雨水利用量的构成与年尺度变化趋势具有一致性。在2h降雨量为33mm(频率5%)的情境下，雨水收集利用量为177万m3，下渗水量310万m3，比现状年增加了80万m3，雨水利用量达到了雨水资源量的74%，提高了490万m3。设计频率为50%降雨的雨水利用量180万m3，较现状年提高了36%，其中雨水收集量及下渗水量分别为50万、130万m3；设计频率为95%的2h降雨5.2mm，其雨水资源量为104万m3，其中雨水利用量达70万m3，包括16万m3的收集水量和54万m3的下渗水量，入河水量15万m3，较现状年下降了12万m3，弃水也下降了19万m3。

3.3 规划雨水利用及其影响

(1)提高雨水利用效率，减缓城区供水压力

与现状年相比，规划年雨水利用量有较大幅度提升，现状年雨水资源利用效率低，下渗补给地下水为雨水利用的唯一途径，雨水利用效率仅占雨水利用潜力的一半，雨水资源没有经过利用直接汇入城市河道，雨水资源浪费严重。规划年通过提高城市绿地面积，增加雨水收集利用措施，控制径流外排，起步区雨水资源的利用量较现状年有大幅度提升，其中最主要的是增加了雨水资源收集利用量，不同丰枯年份年收集雨水为900万～3900万m3，达雨水资源量的16%～28%。起步区规划城市绿地面积将达100km2，依据河北省地方标准DB13/T 1161—2016《用水定额》，估算得到2035年起步区绿地生态需水量为0.23亿m3，雨水资源作为起步区的生态用水的供水水源，可满足城市绿化的40%以上的需水量，适当缓解城区紧张的供水压力。

(2)支撑地下水资源保护

由图10—11结果可知，年尺度及场次尺度的雨水下渗量均有不同程度的提高。年尺度下，不同频率降雨对应的下渗量提高到了2200万～4200万m3，较现状年的提升范围是230万～300万m3；在场次尺度上，随着设计频率的下降，下渗量提高尺度随之增大，场次降雨下渗补充地下水50万～320万m3，降雨下渗补充地下水提升了15万～85万m3。规划年通过建设，大量增设绿化面积，提高降雨渗透率，对压减地下水开采量，恢复地下水位有一定的意义。