雨水资源在城市建设中的应用研究

郑婷婷，罗国杰

(华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046)

0 引言

中国是水资源严重短缺的国家之一。河南郑州市的人均水资源量仅为178m3，是典型的水资源短缺城市。为维护居民的日常用水，亟待提出解决水资源短缺的对策。然而现实是，在水资源紧缺的同时，丰富的雨水资源却被忽视或未能得到有效利用，“留住雨水”和利用雨水对于缓解城市水资源紧缺，保护和恢复水环境，修补生态环境意义重大，合理利用雨水资源成为当今的重要课题[1-2]。海绵城市从理念到实践，尝试不断。海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，也可称之为“水弹性城市”[3]。郑州市苑陵故城，以合理开发、节约用水和保护水资源为原则进行水资源论证，通过海绵城市建设理论，应用城市海绵体系收集利用雨水，并通过分析水资源现状，论证苑陵故城取用水的合理性、可供水量及取水水源可靠性，以满足苑陵故城合理用水的要求[4]。

1 项目概况

苑陵故城位于新郑市北，分为外城和内城，东西长约1700m，南北宽约2000m。内城即苑陵城，平面呈长方形，城垣周长约2520m。2013年3月，国务院公布苑陵故城为第七批全国重点文物保护单位。苑陵故城工程主要包括人工湖工程和驳岸工程。其中，苑陵故城人工湖为人工开挖湖，在满足改善城市生态环境的同时，需通过构建自然的水生生态系统，保持水体水质良好[5]。根据水体的功能需求，人工湖水面面积为9.50万m2，平均水深1.0m，蓄水量9.50万m3。

苑陵故城人工湖项目的工程任务是积蓄雨水以解决人工湖生态用水需求，通过海绵系统建设达到自身雨洪调蓄的目的，实现人工湖海绵功能[6-7]。取水方案，主要由雨水径流和海绵工程汇流构成，经预处理后引入人工湖；用水方案，是利用雨水径流和海绵系统收集的雨水，补偿人工湖日常的蒸发、渗漏损失和水生植物用水，项目的建设顺应区域规划发展趋势[8]。

2 项目水源选择

综合考虑水资源管理政策，结合航空港区所处的地理位置和当地的水资源开发利用条件，可供项目选择的取水水源分别为：地表水、市政中水、市政自来水、园区雨水，现对各种水源的供水可行性进行分析[9]。

项目区周边地表人工湖不具备供水条件；航空港综合实验区空港第一污水厂中水管网未铺设到园区内，无法作为水源；二水厂的水源按照政策不能用于人工湖的水源[10]。

经分析，园区内雨水可满足人工湖用水，缓解供水紧张。工程设计人工湖9.50万m2，调蓄水位0.5m，人工湖因缺少雨水泵站，无法收取附近外围雨水，日常以收集园区内雨水为主。

3 用水合理性分析

苑陵故城人工湖初次充水为园区施工期施工降低水位而抽出的水及天然雨水，正常水位135.5m，最高蓄水位可达136.0m，最低水位控制在134.5m。人工湖水位与湖面面积、水位与蓄水量数据见表1。

表1 苑陵故城人工湖不同水位蓄水量表

根据人工湖近几年水体情况，在自身循环工程和水生态净化作用下，水质状况良好，满足水质目标要求，无需考虑外部换水等因素[11-12]。因此，论证研究人工湖用水量主要考虑运行期间水量的损失，包括人工湖蒸发、渗漏和水生植物用水[13]。

3.1 湖面蒸发量

项目所在区属于温带大陆性气候，其中湖面蒸发是人工湖用水的一个主要因素[14]。研究根据当地气象资料计算水面蒸发量，计算公式：

Wre=ArEw/10=8.4万m3/a

(1)

式中，Wre—人工湖水面年蒸发量；Ar—人工湖水面面积，0.095km2；Ew—水面多年平均蒸发量，884.3mm。在人工湖正常水位135.5m时Ar取值9.5hm2。经计算，人工湖蒸发损失量约为8.4万m3/a，水面蒸发量计算结果见表2。

表2 水面蒸发量计算表

3.2 水生植物耗水量

苑陵故城人工湖及周边区域种植有地被植物和水生植物，主要品种有睡莲、香蒲、小香蒲、再力花、水葱、水生美人蕉等，生长状况良好，合计数量为4700m2，这些植物共同营造出了湿地花园的景象[15]。种植面积及数量见表3。

表3 水生植物统计表

水生植物需水量计算公式为：

Wp=A(t)·ETm

(2)

式中，Wp—水生植物需水量，1.04万m3/a；A(t)—水生植物面积，0.47万m2；ETm—多年平均蒸散量，2210.75mm/m2。

研究参考国内外水生植物蒸散量的实测值，取蒸散系数平均值为2.5时多年平均蒸散量ETm为2210.75mm/m2，根据表3可知水生植物面积A(t)为0.47万m2。经计算，园区水生植物需水量Wp为1.04万m3/a。

3.3 渗漏量

根据航空港实验区水文地质调查资料，区内浅层水水位埋深为5～7m，采用达西定理计算人工湖的渗漏量，表达式为：

W渗=K1·W蓄

(3)

式中，W渗—人工湖渗漏损失，0.48万m3/a；K1—渗漏系数，取5%；W蓄—人工湖年均蓄水量，9.50万m3。

目前，随着周边城市建设，地下水位呈现不断下降趋势，随着地下水压采，远期附近地下水位将会有所回升。考虑到人工湖已有聚氨酯防水层防渗，渗漏量将大大减少。项目属于水文地质条件优良情况，渗漏系数取5%，经计算，人工湖渗漏量W渗为0.48万m3/a[16]。

综上可知，正常运行期间，每年需要弥补水系的蒸发、渗漏损失量和水生植物的需水量合计为9.92万m3/a。

3.4 苑陵故城人工湖周边绿化用水量

苑陵故城绿化占地面积较大，为18.16万m2，周边绿化用水量可根据地方生活用水定额计算，用水定额为0.51m3/(m2·a)。经计算，人工湖周边绿化年用水量为9.26万m3/a，当汛期快来临时，可用水泵抽出人工湖的水用于周边绿化灌溉，保证库容可平稳度过汛期[17]。

3.5 取水量合理性分析

苑陵故城人工湖水体面积9.50万m2。经计算，园区通过海绵系统和雨水径流可收集雨水量约为19.18万m3/a，用水保证率为50%[18]。为满足人工湖项目用水量需求，正常运行情况下，年需水量为9.92万m3/a，包括蒸发量为8.40万m3/a，渗漏量为0.48万m3/a，水生植物需水量为1.04万m3/a，可供水量满足取水要求。人工湖通过海绵系统、雨水径流收集雨水19.18万m3/a，蒸发、渗漏和水生植物用水9.92万m3/a后，通过水泵抽水9.26万m3/a用于周边绿化，水量平衡。

4 取水水源论证

4.1 可供水量

应用人工湖面积计算雨水径流量，计算公式如下[19]：

W=(ψchyF)/1000

(4)

式中，W—降雨径流总量，m3；ψc—雨量径流系数，取1.0；hy—设计降雨量，mm；F—汇水面积，km2。

项目计算区域包括景观人工湖，综合考虑现状景观水体集雨面积和道路硬化、绿化、水土保持现状及海绵工程现状，其中，直接集雨的景观人工湖雨量径流系数取1.0。项目人工湖内降雨量采用航空城(1956—2015年)平水年P=50%，降雨量596.9mm。

4.2 降雨汇水量

苑陵故城在微地形设计的基础上，以主园路为基本骨架，利用生态排水技术形成汇流，积蓄雨水。人工湖水面、绿化、道路、广场、建筑及停车场，都能进行雨水的汇流蓄积，共同构成了园区海绵体。经计算，人工湖年汇集雨水量为19.18万m3/a，不同类型地面对应的径流系数及面积见表4，汇水量计算见表5。

表4 不同类型地面对应的径流系数及面积

表5 苑陵故城人工湖汇水量计算表

4.3 月供水与需水平衡调节分析

本次供需水计算采用苑陵故城人工湖正常水位135.5m，蓄水量9.50万m3为基准，月供需水情况见计算表6—7，由表中数据可知，1—5月和11—12月降水匮乏，远小于用水需求；6—10月的降水较充裕，远大于用水需求。人工湖工程可通过海绵系统调蓄水措施，将6—10月的多余水量储蓄起来，按需分配至缺水月份，使各月供需水量维持相对平衡。

表6 月供水量计算表 单位：m3

表7 月供需平衡调节计算表 单位：m3

5 结论

通过苑陵故城人工湖实例分析，论证研究了以雨水作为主水源的合理性，由于每月的降水不均衡导致供需水失衡，苑陵故城人工湖蓄水量在容积范围内呈现一定的起伏，每月蓄水量随着降雨量变化，最低蓄水量为8.38万m3，最高蓄水量为11.89万m3，在海绵工程的调蓄作用下，人工湖水位维持在135.5m，蓄水量维持在9.50万m3。通过海绵工程等调蓄水措施，可以调整改善各月降水不均现象，能够充分有效利用天然降水[20]。结合运行期湖面蒸发总量及海绵城市规划，分析苑陵故城年降雨汇水量，本项目用水保证率为50%，保证率偏低，但随着城市建设，雨水可成为第二水源。