趙逸超，王正中，劉銓鴻，王 羿

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)寒區(qū)水工程安全研究中心，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

西北地區(qū)是我國(guó)干旱問(wèn)題最嚴(yán)重的地區(qū)之一，平均年降水量230 mm[1]。干旱缺水嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)。有限的降雨集中在汛期(5月至10月)，并多以雨洪形式流失，特別是造成城市內(nèi)澇“看?！迸c干旱缺水并存的旱澇災(zāi)害并舉現(xiàn)象[2]。隨著西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，土地利用變化、不透水面增加均對(duì)城市暴雨洪水、徑流等產(chǎn)生了很大的影響[3]。城市降雨時(shí)以及降雨后一段時(shí)間內(nèi)扣除入滲、蒸發(fā)等雨量，剩余在下墊面形成徑流的有可能被人類利用的這部分雨水可稱為雨洪資源。這部分雨洪資源量經(jīng)過(guò)工程措施蓄積、凈化后變?yōu)橛晁衫昧俊Ｓ晁衫昧磕茉谝欢ǔ潭壬涎a(bǔ)充城市供水[4,5]等。

關(guān)于城市雨洪資源的計(jì)算，可以通過(guò)傳統(tǒng)的徑流系數(shù)法計(jì)算，目前更多的是運(yùn)用數(shù)值模擬方法。SWMM(Storm Water Management Model)是美國(guó)EPA (Environmental Protection Agency)開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)降雨—徑流模擬軟件，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長(zhǎng)期(連續(xù))模擬[6]。SWMM已在國(guó)際上被廣泛用于城市暴雨徑流分析、流域規(guī)劃設(shè)計(jì)等。劉金星[7]、胡偉賢[8]對(duì)幾種城市雨洪模型做出分析對(duì)比。譚瓊[9]、趙東泉[10]、Lei Yao[11]對(duì)數(shù)值模擬中不同產(chǎn)匯流模型參數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究。周毅[12]對(duì)模型參數(shù)中寬度參數(shù)估算做了詳細(xì)介紹。王虹[13]結(jié)合GIS與數(shù)值模擬從流域尺度研究城市雨洪特征。但大多數(shù)研究集中在單個(gè)城市內(nèi)澇模擬或模型參數(shù)敏感性分析，對(duì)于大范圍雨洪資源的計(jì)算很少。

對(duì)于干旱缺水的西北地區(qū)，海綿城市建設(shè)任務(wù)與東南地區(qū)不同，應(yīng)突出發(fā)展“滲、滯、蓄、凈、用、排”六類低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施中的“蓄”和“用”，并構(gòu)建多級(jí)雨水收集利用系統(tǒng)，工作重心放在雨洪資源化利用上。如何實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)人水和諧，科學(xué)管理和利用城市雨洪資源是旱區(qū)城市化建設(shè)及海綿城市建設(shè)的主要任務(wù)。而城市雨洪資源計(jì)算是海綿城市建設(shè)的基礎(chǔ)任務(wù)。為此，本文結(jié)合旱區(qū)海綿城市建設(shè)，運(yùn)用雨水管理模型SWMM開(kāi)展對(duì)西北地區(qū)即陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆五省的汛期雨洪資源量計(jì)算以及開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行初步分析。為西北旱區(qū)海綿城市建設(shè)任務(wù)規(guī)模確定以及各城市雨洪資源化利用的規(guī)劃提供參考。

1 西北旱區(qū)主要城市產(chǎn)流模擬

1.1 SWMM產(chǎn)匯流模型

SWMM模型包含徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展輸送模塊和處理/蓄存模塊組成，用戶主要輸入降雨資料、下墊面資料等來(lái)模擬產(chǎn)匯流過(guò)程。本文主要利用SWMM中降雨徑流模塊，通過(guò)連續(xù)模擬得到徑流深度，再經(jīng)計(jì)算得出西北旱區(qū)主要城市雨洪資源量。

SWMM中模擬過(guò)程包括地表產(chǎn)流模擬、地表匯流模擬、管網(wǎng)匯流模擬。其中產(chǎn)流模型是將每個(gè)子匯水區(qū)分為有洼地不透水區(qū)、無(wú)洼地不透水區(qū)以及透水區(qū)。透水區(qū)入滲計(jì)算由三種入滲模型構(gòu)成，分別是Horton模型、Green-Ampt模型以及SCS(Soil Conservation Service)模型[14]。其中SCS模型將土地利用類型、土壤條件、植被覆蓋等用一個(gè)綜合的CN系數(shù)反應(yīng)，對(duì)于降雨過(guò)程資料不足，研究面積較大時(shí)適用，因此本文選用SCS入滲模型。

地表匯流模擬采用非線性水庫(kù)模型，由曼寧方程(1)和連續(xù)性方程(2)聯(lián)立求解：

(2)

式中：W為子匯水區(qū)特征寬度，m；n為曼寧系數(shù)；dp為滯蓄水深，m；S為子匯水區(qū)坡度；V為子匯水區(qū)水量，m3；d為子匯水區(qū)地表水深，m；A為子匯水面積，m2；t為降雨時(shí)間，s；i為降雨強(qiáng)度，m/s；Q為徑流量，m3/s。

管網(wǎng)匯流模擬有3種方法，恒定流、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)力波。對(duì)于長(zhǎng)期雨洪資源計(jì)算模擬，可采用較為簡(jiǎn)單的恒定流法，即假設(shè)每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)流量恒定均勻。

城市徑流特點(diǎn)之一是地面流程短，意味著雨水降落到地面很快流入排水管網(wǎng)中。為了方便起見(jiàn)，本次研究城市降雨可忽略蒸發(fā)損失。

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

本文采取直接對(duì)遙感影像目視解譯的方式[15]，將研究區(qū)域分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、未利用裸地、道路。其中將城鎮(zhèn)用地及道路、水域定為不透水面積；耕地、林地、草地、裸地定位透水面積。再經(jīng)逐類統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到不透水區(qū)比例，不同的子匯水區(qū)不透水區(qū)比例在20%～85%之間。

子匯水區(qū)域面積對(duì)應(yīng)的寬度參數(shù)也具有較高的敏感性。根據(jù)SWMM手冊(cè)給出的定義， 特征寬度=面積/地表漫流長(zhǎng)度。本文采用Width=K×SQRT(area) (0.2

子匯水區(qū)表面參數(shù)根據(jù)《SWMM用戶手冊(cè)》中給的建議范圍確定。SWMM中定義的土壤類型有四種，西北地區(qū)多為B類，例如淺層黃土、砂質(zhì)壤土，飽和導(dǎo)水率在3.81～7.62 mm/h之間。在確定SCS曲線數(shù)時(shí)主要根據(jù)B類土壤對(duì)應(yīng)曲線數(shù)根據(jù)遙感圖像中下墊整體情況確定。另外利用SCS曲線數(shù)法時(shí)還需設(shè)置排干時(shí)間，合理的范圍在2至14 d，本文假定排干時(shí)間為6～7 d。其余參數(shù)如曼寧粗糙系數(shù)等均參考趙東泉等的研究以及《SWMM用戶手冊(cè)》中附件表格參考值確定。

降雨氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，全西北地區(qū)共選取50個(gè)氣象站數(shù)據(jù)。西北旱區(qū)在非汛期降水量相對(duì)較小，很難形成徑流也很難利用，因此本文僅考慮5到10月的汛期降雨，選取1981-2010年汛期每日平均降雨量，模擬時(shí)長(zhǎng)確定為5月1日至10月31日共180 d。選取臨近的涇陽(yáng)站與秦都站降雨資料對(duì)比分析。得到?jīng)荜?yáng)站降雨系列均值比秦都站小3.1%，Cv值相對(duì)偏小0.8%，代表性較好。

1.3 模型建立

利用CAD-SWMM軟件間數(shù)據(jù)交換進(jìn)行子匯水區(qū)建模。在Google Earth中提取遙感影像并獲取地面高程等數(shù)據(jù)，在CAD中提取出主要匯水區(qū)后載入到SWMM中。再根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果輸入各個(gè)子匯水區(qū)屬性參數(shù)。最終共劃分子匯水區(qū)368個(gè)。圖1、圖2以西安市為例顯示西北旱區(qū)主要城市產(chǎn)匯流模型建模過(guò)程。

圖1 在Google Earth中提取模型參數(shù)Fig.1 Extraction of model parameters in Google Earth

圖2 參數(shù)信息導(dǎo)入SWMM模型Fig.2 Import parameters into the SWMM

在劃分子匯水區(qū)時(shí)，首先根據(jù)西安市特點(diǎn)，主要在城市及周圍主要干道、古城墻以及建筑分布特點(diǎn)三方面綜合考慮。在每個(gè)子匯水區(qū)邊界附近及內(nèi)部取若干點(diǎn)高程，計(jì)算其平均坡度。根據(jù)目視解譯的基本方法得到每個(gè)子匯水區(qū)不透水面積比例，其中貫穿城市的河道、渠道、城市中的人工湖計(jì)入透水區(qū)面積。城市地表主要考慮瀝青或混凝土，排水管道主要考慮封閉管道分別設(shè)置相應(yīng)曼寧N值。最后根據(jù)不同土地利用及土壤分類確定SCS曲線數(shù)。

1.4 模擬結(jié)果

各城市集雨面積為各子匯水區(qū)面積之和，地表徑流深度與降雨量的比值得到徑流系數(shù) ，即：

(3)

式中：S為各城市集雨面積，km2；n為子匯水區(qū)數(shù)量；Ai為子匯水面積，hm2。

集雨面積與通過(guò)模擬得到的地表徑流深度的乘積為城市汛期雨洪資源量，即：

Qi=Yi×Si(i=1,2,…,n)

(4)

式中：Qi為城市汛期雨洪資源量，106m2；通過(guò)模型模擬可以得到不同城市降雨地表徑流深度Yi，mm；Si為集雨面積，km2；n為子匯水區(qū)數(shù)量。

通過(guò)模擬得到地表徑流深度Yi(mm)后，與降雨量Xi(mm)的比值可以反推出城市徑流系數(shù)α，即：

(5)

表1為具體城市模擬結(jié)果。其中各城市的徑流系數(shù)有所差別，可以反映出城市化程度不同，徑流系數(shù)越大，說(shuō)明城市化程度更高，屋面路面等硬化程度更高，等降雨量情況下積水可能性也更高。

2 城市汛期雨洪資源量分析與汛期雨洪資源潛力分析

2.1 城市汛期雨洪資源量分析

我們將5月至10月降雨在城市下墊面形成徑流的這部分水量稱為汛期雨洪資源量，這部分潛在水量可以經(jīng)過(guò)工程、非工程措施轉(zhuǎn)化為水資源供人們使用。

經(jīng)SWMM模擬計(jì)算，從表1可以得出，整體上集雨面積越大，相應(yīng)的汛期雨洪資源量越多，西北旱區(qū)主要城市總集雨面積為3 288.97 km2，汛期雨洪資源量達(dá)8.92 億m3。

表1西北旱區(qū)主要城市汛期雨洪資源量
Tab.1Rain-floodresourcesinfloodseasoninNorthwesternaridregionsofChina

城市集雨面積/km2雨洪資源量/萬(wàn)m3徑流系數(shù)城市集雨面積/km2雨洪資源量/萬(wàn)m3徑流系數(shù)西安市439．07168150．938固原市38．3612580．869咸陽(yáng)市104．0340600．927中衛(wèi)市35．114120．746寶雞市100．5350670．934西寧市112．7637420．922渭南市81．4930940．828海北州69．1927560．840榆林市71．9320040．824海西州57．361850．803銅川市44．9718790．833海南州52．749220．745延安市38．9414600．842海東市48．379860．792安康市38．3323470．888黃南州35．579860．761漢中市35．0523570．965果洛州28．326780．808商洛市25．7712650．856玉樹(shù)州7．592850．849蘭州市227．1045900．906烏魯木齊市428．08150600．916白銀市54．467210．754巴音郭楞蒙古自治州101．8922020．875酒泉市50．772970．805克拉瑪依市57．033880．783天水市45．5516990．889喀什地區(qū)55．112190．826金昌市40．585900．766阿克蘇地區(qū)52．722750．822平?jīng)鍪?8．2714650．913石河子市37．843740．770武威市31．433990．865吐魯番地區(qū)32．89250．736慶陽(yáng)市27．249750．885哈密地區(qū)30．91620．645定西市22．698620．887昌吉回族自治州29．743110．846隴南市15．036020．857博爾塔拉蒙古自治州27．752880．731臨夏州8．603470．926和田地區(qū)24．10690．874甘南州5．591690．836塔城地區(qū)14．401760．853銀川市166．5722740．842克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?．69510．767石嘴山市99．9511940．790阿勒泰地區(qū)7．23670．832吳忠市50．256900．856伊犁30．011540．858

為了便于比較，將汛期雨洪資源量劃分為5個(gè)水量分區(qū)：大于1 億m3為1區(qū)，2 000 萬(wàn)m3到1 億m3為2區(qū),1 000 萬(wàn)m3到2 000 萬(wàn)m3為3區(qū)， 200 萬(wàn)m3到1 000 萬(wàn)m3為4區(qū)，小于200 萬(wàn)m3為5區(qū)。劃分后經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)可得到表2結(jié)果。

1區(qū)、2區(qū)城市有13個(gè)， 1區(qū)2區(qū)城市雨洪資源十分豐富，開(kāi)發(fā)潛力大；3區(qū)和4區(qū)城市占總數(shù)的大部分，雨洪資源量大小中等，開(kāi)發(fā)潛力適中；而5區(qū)城市雨洪資源量相對(duì)較小，開(kāi)發(fā)潛力不大。所有城市中2區(qū)城市主要集中在陜西省關(guān)中地區(qū)和陜南地區(qū)，其中關(guān)中地區(qū)的西咸新區(qū)已經(jīng)作為海綿城市試點(diǎn)城市，在之后的海綿城市建設(shè)過(guò)程中可從其余2區(qū)以上城市中優(yōu)先選擇。其余四省中由分布區(qū)域看，寧夏、青海優(yōu)先建設(shè)海綿城市潛力較大，另外省會(huì)城市雨洪資源量均較大，可優(yōu)先作為試點(diǎn)城市。

表2 汛期雨洪資源量水量分區(qū)城市分布情況Tab.2 Distribution of water volume partition about rain-flood resources in flood season

2.2 城市汛期雨洪資源供水潛力分析

雨水經(jīng)過(guò)地面匯流后若直接由排水管網(wǎng)出境，是無(wú)法被利用的，對(duì)于干旱地區(qū)，降雨過(guò)程相對(duì)平緩，雨洪資源可以通過(guò)人工措施蓄積利用。汛期雨洪資源供水潛力是指汛期形成的雨洪資源中經(jīng)過(guò)工程措施蓄積處理后供給人們使用的這部分水資源。雨洪資源不可能被完全利用，能達(dá)到供水要求的雨洪資源量有限。因此本文假設(shè)西北旱區(qū)主要城市進(jìn)行海綿城市建設(shè)后雨洪資源量中50%經(jīng)蓄積處理后可用于生活用水。

結(jié)合《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒-2015》中全國(guó)水資源情況及供水用水情況進(jìn)行雨洪資源供水潛力分析。分別從各省2015綜合統(tǒng)計(jì)年鑒中統(tǒng)計(jì)城鎮(zhèn)人口數(shù)，結(jié)合《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范(GB50282-98)》中表2.2.4所給定額范圍取平均值得到各城市綜合生活用水總量。按照汛期雨洪資源量的50%計(jì)算出汛期雨水供水量。雨水供水量/綜合生活用水量=雨水供水比例。

不同的雨水供水比例能夠反映出汛期雨洪資源供水潛力大小。將供水比例也劃分為不同供水分區(qū)：供水比例占40%以上的為A區(qū)，占10%～40%的為B區(qū)，占5%～10%的為C區(qū)，小于5%的為D區(qū)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得表3結(jié)果。

其中A區(qū)、B區(qū)供水潛力較大，很適合建設(shè)雨水蓄積利用系統(tǒng)；C區(qū)供水比例相對(duì)較小，可以建設(shè)中等規(guī)模的雨水蓄積利用系統(tǒng)；D區(qū)則雨水蓄積利用收益不顯著,但也可在一定程度上緩解城市缺水問(wèn)題。

值得注意的是，城市汛期雨洪資源生活供水比例超過(guò)40%的城市只有青海省的海北、黃南、果洛、海南四州，其主要原因是這4個(gè)城市的生活用水需求不高。這意味著對(duì)于西北旱區(qū)海綿城市建設(shè)在規(guī)劃階段不僅要注重雨洪資源量本身的大小，還要重視供需之間的比例關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，就是要同時(shí)考慮某個(gè)城市水量分區(qū)供水分區(qū)疊加的結(jié)果。圖3為疊加結(jié)果示意圖。

表3汛期雨洪資源供水潛力
Tab.3Distributionofwatervolumepartitionaboutrain-floodresourcesinfloodseason

省份城市數(shù)量A區(qū)B區(qū)C區(qū)D區(qū)陜西0631新疆02112寧夏0230甘肅0255青海4211

圖3 兩種分區(qū)疊加結(jié)果示意圖Fig.3 The result of superposition of two kinds of partition

其中深色部分很適宜雨洪資源開(kāi)發(fā)潛力高，中間部分開(kāi)發(fā)利用潛力中等，淺色部分開(kāi)發(fā)利用價(jià)值不高。同時(shí)在水量分區(qū)1、2區(qū)，供水分區(qū)A、B區(qū)的城市雨洪資源潛力最大，應(yīng)首先在建設(shè)海綿城市過(guò)程中開(kāi)發(fā)。它們包括：西安市、寶雞市、榆林市、安康市、漢中市、西寧市、海北州、烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州。在海綿城市建設(shè)時(shí)應(yīng)優(yōu)先建設(shè)雨洪資源易被利用的高潛力區(qū)，得到充分的旱區(qū)海綿城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn)后再向開(kāi)發(fā)利用難度較高的中、低潛力區(qū)發(fā)展，形成有順序有層次的發(fā)展。

本文主要成果為數(shù)值計(jì)算成果，與實(shí)際情況的雨洪資源量必然存在誤差，用作不同城市間雨洪資源開(kāi)發(fā)潛力相互對(duì)比，其結(jié)果可供參考。

3 結(jié)論與展望

(1)海綿城市建設(shè)過(guò)程中城市雨洪資源化利用是解決當(dāng)今水資源供需矛盾的有效手段，尤其對(duì)于西北干旱、半干旱地區(qū)。它轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的治水思路，將雨洪資源化利用，是解決西北旱區(qū)城市旱澇并存局面的有效途徑。

(2)西北旱區(qū)汛期雨洪資源量約為8.92 億m3，其中新疆1.97 億m3、陜西4.03 億m3(相當(dāng)于陜西引漢濟(jì)渭工程的規(guī)劃調(diào)水量約1/4)、甘肅1.27 億m3(接近甘肅引洮工程的規(guī)劃調(diào)水量約1/4)、青海1.05億m3、寧夏0.58 億m3。

(3)在西北旱區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃階段應(yīng)同時(shí)考慮當(dāng)?shù)赜旰橘Y源量和雨洪資源供水潛力，優(yōu)先選擇高潛力區(qū)的城市作為試點(diǎn)，形成有層次和不同側(cè)重點(diǎn)的雨洪資源開(kāi)發(fā)。對(duì)于西北城市，可從西安市、寶雞市、榆林市、安康市、漢中市、西寧市、海北州、烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州這幾個(gè)高潛力城市開(kāi)始。

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