張書函 

（北京市水利科學(xué)研究所，北京 100044）

　　摘  要：城市不透水面積的增多破壞了城市的自然水循環(huán)，采取雨洪利用措施能夠增加降雨向土壤水的轉(zhuǎn)化量和補給地下水的量，能增加蒸散發(fā)量、減少是徑流外排量，還能有利于城市河道呈現(xiàn)“清水常流”的狀態(tài)，從而一定程度上能夠修復(fù)城市自然水循環(huán)，利于實現(xiàn)“和諧社會”和“宜居城市”的目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：雨洪利用  水循環(huán)  城市  

The restoration of natural water cycle in city by rainwater harvesting and utilization

　　Abstract: The natural water cycle in city is disturbed due to the increasing of impervious area in city. With all kinds of methods of rainwater harvesting and utilization ,the amount of soil water transformation from rainfall and the groundwater recharge will increased  as well as the improving of evapotranspiration and the declining of runoff. A scene of clean river will also be presented. Thus the water cycle in city will be restored in a certain extent. All of these will be beneficial to the object of harmonious society and livable city.

　　Keywords: rainwater harvesting and utilization, water cycle, city

　　城市的發(fā)展使越來越多的地表被建筑物和各種硬化鋪裝所覆蓋，嚴(yán)重破壞了天然水循環(huán)，一方面使地表易產(chǎn)生積水并形成高峰值的徑流，排入河道后增加防洪壓力，產(chǎn)生隱患；另一方面，阻斷了降雨對地下水的補給通道，造成地下水補給量長期小于開采量，形成大范圍的降落漏斗，威脅城市安全。因此，必須采取措施減少地表徑流量、增加地下水補給量。這正是雨洪利用技術(shù)所追求的目標(biāo)之一。因此，研究通過雨洪利用技術(shù)修復(fù)城市自然水循環(huán)，對于改善城市生態(tài)環(huán)境、保障城市防洪安全具有重要意義。

　　1城市化對自然水循環(huán)的影響

　　城市的水循環(huán)系統(tǒng)包括自然循環(huán)系統(tǒng)和人工循環(huán)系統(tǒng)兩部分，自然循環(huán)系統(tǒng)是指水由蒸發(fā)、降水、地表徑流、下滲、地下水流等構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)，人工水循環(huán)系統(tǒng)是指由城市給水、用水、排水和處理系統(tǒng)組成的循環(huán)系統(tǒng)。

　　在城市化前的自然水循環(huán)系統(tǒng)中，通過地表植被和洼地對雨水的截留和滯蓄，能夠削減大部分降雨徑流，超過截流和填洼(滯留)的雨量，會在地面匯成徑流進入排水渠道，最后進入河流。通常降雨的70～80％下滲入土壤，只有10～30％的雨水形成徑流排入河道，由5～10％的雨水被植被等截留，這部分水與下滲的水再蒸發(fā)回到大氣中，蒸發(fā)量占降雨量的50～70％，入滲到地下水的量占降水量的10～40％。城市化前河道內(nèi)的水與地下水有著密切的聯(lián)系，要么入滲補充地下水，要么地下水以基流的形式補充河水，使河道內(nèi)除了汛期發(fā)洪水以外呈現(xiàn)清水常流的景象。

　　城市化后下墊面硬質(zhì)化，受不透水面積、滯水空間、排水管網(wǎng)和河道特征等方面影響，使地表徑流量、匯流時間、調(diào)節(jié)容量及河道水位等產(chǎn)匯流參數(shù)發(fā)生改變。原有植被和土壤被不透水面替代，作為天然調(diào)蓄系統(tǒng)的池塘、濕地被填平，原有的雨水徑流途徑被排水管網(wǎng)和硬質(zhì)化的城市河道取代，徑流匯流時間縮短，洪峰增大。根據(jù)周玉文在北京市百萬莊小區(qū)所做的實驗，在1小時內(nèi)新、舊瀝青路面的降雨損失分別僅為草地的6%和12%，為裸露土地面的14%和26%；而屋面的降水損失量更小，一般都僅1-2mm。而北京市水利科學(xué)研究所的實測結(jié)果顯示，屋頂?shù)慕涤険p失量僅有0.7mm～0.94mm。由此可估計，當(dāng)流域內(nèi)不透水面達到城市面積20%，遇到3年一遇降雨其產(chǎn)流量就可能相當(dāng)于該地區(qū)原有產(chǎn)流量的1.5~2倍。與此同時將使匯流時間大大縮短。

　　2 雨洪利用基本形式

　　雨洪利用是針對開發(fā)建設(shè)區(qū)域內(nèi)不同下墊面所產(chǎn)生的降雨徑流，采取相應(yīng)的措施，或收集利用，或滲入地下，以達到充分利用雨水資源、提高環(huán)境自凈能力、改善小區(qū)生態(tài)環(huán)境、減少外排流量、減輕區(qū)域防洪壓力的目的，寓資源利用于災(zāi)害防范之中的系統(tǒng)工程。城市的下墊面主要包括屋頂、道路、綠地（含公園及水面）、庭院、廣場等類型，不論那種類型的下墊面，基本的雨洪利用形式主要有3類，即滲入地下、攔蓄利用和調(diào)控排放。

　　2.1滲入地下

　　滲入地下法就是采用充分利用現(xiàn)有的能夠下滲雨水的綠地、增加可下滲面積、建設(shè)增加下滲能力的專用設(shè)施等措施，使更多的雨水盡快滲入地下的方法。將雨洪滲入地下的具體措施很多，一般有下凹式綠地、滲透性鋪裝地面和諸如滲溝、滲井等的增滲設(shè)施。

　　下凹式綠地就是將綠地低于周圍地面適當(dāng)深度，以便自滲的雨水少外流或不外流，同時周圍地面的地表徑流能流入綠地下滲。研究結(jié)果表明，當(dāng)綠地下凹5～10cm時，能夠消納自身和相同面積不透水地面流入的雨水，使5年一遇日降雨無徑流外排。對于一些難以低于周圍地面的綠地，如果其四周的圍擋高于綠地5～10cm，則可使20年一遇日降雨無徑流外排。

滲透性鋪裝地面是指在較大降雨情況下，能夠較快地下滲雨水、使地表不積水或少積水的鋪裝地面。通常由鋪裝面層、墊層和基層三部分組成（見圖1），面層和墊層又統(tǒng)稱為鋪裝層。降雨先下到面層，因此要求面層有很強的透水性，能夠使可能發(fā)生的所有強度的降雨很快入滲到下層，下部墊層除了應(yīng)當(dāng)有較大的滲透能力外，還應(yīng)當(dāng)有較大的孔隙率，以便滯蓄滲入的雨水?；鶎油ǔ槊軐嵉耐寥?，有較強的承載能力，但也有一定的下滲能力，可使暫時停留在鋪裝層的雨水逐漸的滲入地下。所采用的面層材料有透水磚、草坪磚、透水瀝青、透水混凝土等。透水磚是一種壓制的無砂混凝土砌塊，有很多連通的空隙，能很快的滲透雨水，是效果最好的一種透水面層材料。滲透性鋪裝地面通常用在人行道、庭院、廣場、停車場、自行車道和小區(qū)內(nèi)小流量的機動車道。

　　增滲設(shè)施是將雨水引入較深層地下入滲的專用設(shè)施，包括滲水管溝、滲水井、回灌井等。地下有時會有一些透水性較強的砂層或砂礫層，如果將雨水經(jīng)過適當(dāng)處理，在保證安全的前提下，引入這些砂層或砂礫層進行滲透，則會大大加快下滲的速度。因此可以根據(jù)具體情況建設(shè)滲水管溝、滲水井或回灌井等增滲設(shè)施。

　　滲水管溝是在地下淺層建設(shè)的能夠暫時留住雨水和下滲雨水的溝槽，一般采用透水性管道將雨水引入溝槽內(nèi)，屬于條狀或帶狀滲水設(shè)施；滲水井相對是一種點狀增滲設(shè)施，深度可比管溝深一些，雨水主要通過滲井底部滲入地下；回灌井的深度更深，底部通常與較大的粗砂或砂礫層接觸，滲水能力更強。

　　2.2攔蓄利用

　　攔蓄利用是將屋頂、道路、庭院、廣場等的雨水進行收集，經(jīng)適當(dāng)處理后進入蓄水池，可以用來灌溉綠地、沖廁所、洗車、噴灑路面、為景觀補水等。這種方法能夠使雨水得到有價值的利用，減少自來水的用量，從而既減少了雨水排放量，又節(jié)約了水資源。但是由于北京降雨的時空分布極不均勻，不能只靠雨水來作為上述用途的水源，應(yīng)當(dāng)在不降雨的時間里考慮采用再生水或自來水補充。

　　2.3調(diào)控排放

雨洪的調(diào)控排放是在雨水排放系統(tǒng)的下游，排出區(qū)域之前的適當(dāng)位置建設(shè)調(diào)蓄池、流量控制井和溢流堰等設(shè)施，使區(qū)域內(nèi)的雨洪暫時滯留在地下管道和調(diào)蓄池內(nèi)，按照設(shè)定的下泄流量控制排放到下游管道，其原理如圖2所示。當(dāng)匯集的降雨徑流小于控制井限定的過流量時，按照匯集的流量排入市政管道，當(dāng)大于限定的過流量時，將按限定的最大過流量外排，同時將在管道和滯蓄池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生積水。如果降雨小于溢流堰的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)積水的最大水位不會超過溢流堰，所滯蓄的雨水會逐漸地以不大于限定值的流量排走。如果降雨大于溢流堰的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將會通過溢流堰溢流到外部市政管道。這樣調(diào)控排放系統(tǒng)的下泄流量通常會被控制在限定的較小范圍之內(nèi)，從而減少了下游管道的排水壓力。

　　實際應(yīng)用中可以將上述方法進行有機的組合，形成適合區(qū)域自身特點的、科學(xué)的最佳雨洪利用體系。

　　3 雨洪利用對城市水循環(huán)的修復(fù)作用

　　城市雨洪利用的核心是減少因不透水面積增加所產(chǎn)生的外排水量或徑流峰量的增加。而以北京的降雨特點是80％的降雨集中在汛期、短歷時降雨強度大，完全收集利用雨水的費用高，應(yīng)當(dāng)以滲入地下為主，因而對城市水循環(huán)有很好的修復(fù)作用。

　　3.1增加降雨向土壤水的轉(zhuǎn)化量

　　采用下凹式綠地和透水鋪裝能夠大量增加降雨滲入土壤的水量。通常綠地的徑流系數(shù)為0.15，小區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的砼硬化鋪裝地面的徑流系數(shù)為0.9，實施雨洪利用措施后，對于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)降雨，綠地和透水地面的徑流外排徑流系數(shù)可降為零。一般情況下小區(qū)內(nèi)綠地占30％、硬化鋪裝地面占35％，若綠地的截留量按10%計，僅此兩部分采取雨洪利用措施后，就比不采取雨洪利用措施增加降雨向土壤水的轉(zhuǎn)化量160％。如果將屋頂雨水也全部下滲，則增加量達到300％，相當(dāng)于小區(qū)內(nèi)全部降雨的90％轉(zhuǎn)化為土壤水。

　　3.2增加地下水補給量

　　部分土壤水在重力作用下逐漸向下運動最終補給地下水。根據(jù)北京市城區(qū)的水文地質(zhì)條件，滲入土壤的雨水轉(zhuǎn)化為地下水的比例一般在5～20％，平均10％，因此，若僅綠地和普裝地面采取雨洪利用措施，所增加的地下水補給量為小區(qū)降雨量的3.6％。若將屋頂雨水也全部下滲，則所增加的地下水補給量將達到小區(qū)降雨量的6.75％，如果以10ha的小區(qū)面積計算，每年所增加的地下水補給量為2685m³。

　　3.3 增加蒸散發(fā)量

　　下凹式綠地能夠使土壤含水量增加2～5％，使植物生長旺盛，從而增加綠地的蒸散發(fā)量0.02～0.32mm。通過透水地面滲入土壤的雨水、鋪裝層吸收和滯蓄的雨水，在降雨規(guī)過后會逐漸通過鋪裝層的孔隙蒸發(fā)到空中。如果一個10ha小區(qū)采取下凹式綠地、透水鋪裝、屋頂雨水收集下滲等雨洪措施使90％的降雨轉(zhuǎn)化成土壤水，這部分中又有10％補充地下水，則其余的81％的降雨量將通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰回到大氣中去。若只作綠地和鋪裝地面雨洪利用，屋頂雨水全部收集利用或外排，則蒸散發(fā)量將占小區(qū)降雨的58.5％，比不做雨洪利用蒸散發(fā)量增加160％。

　　3.4 有效減少徑流外排量

　　    實施雨洪利用措施能夠使小區(qū)的外排徑流量大大削減，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)對于一定標(biāo)準(zhǔn)的降雨無徑流外排。如果上述10ha小區(qū)內(nèi)綠地和硬化地面的雨水全部下滲，屋頂雨水全部外排，則其綜合徑流系數(shù)會從不采取雨洪利用措施的0.67減少為0.32。如果對屋頂雨水也適當(dāng)采取攔蓄利用、入滲地下或調(diào)控排放的措施，則可使外排的徑流系數(shù)控制在開發(fā)建設(shè)前農(nóng)田或綠地的水平。

　　3.5 有利于城市河道“清水常流”

　　    調(diào)控排放形式的雨洪利用措施可使滯蓄在小區(qū)管道和調(diào)蓄池內(nèi)的雨水在降雨結(jié)束后5～10h內(nèi)緩慢排走，再考慮5～10h的匯流時間，則可使城市河道的徑流時間延長10～20h。另外，如果采用滲入地下的雨洪利用形式，并且在地下適當(dāng)布設(shè)滲濾性排水溝槽，使下滲的雨水通過溝槽緩慢排出，然后再匯集排入河道，則不僅能使排入河道的徑流延長5～10天，還能使排入河道的雨水水質(zhì)基本達到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，使城市河道呈現(xiàn)出類似天然河道基流的狀態(tài)，趨向與“清水常流”。

　　4 結(jié)語

　　隨著社會的進步、人民生活水平的提高，對生存環(huán)境、生活質(zhì)量的要求也越來越高。我國提出了構(gòu)建社會主義和諧社會的目標(biāo)，同時北京也提出了要建設(shè)“宜居城市”的目標(biāo)。和諧時會和宜居城市的重要標(biāo)志是人與自然和諧相處，而采取適當(dāng)?shù)挠旰槔么胧?，能夠在一定程度上修?fù)城市自然水循環(huán)，因而也有利于“和諧社會”和“宜居城市”目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　參考文獻：

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　　[3] 劉培軍，張琳，艾里西爾等，土壤含水量對蒸散的影響及其日蒸發(fā)模型，新疆氣象，1996，第一期