雨洪利用与城市自然水循环修复

张书函 

（北京市水利科学研究所，北京 100044）

　　摘  要：城市不透水面积的增多破坏了城市的自然水循环，采取雨洪利用措施能够增加降雨向土壤水的转化量和补给地下水的量，能增加蒸散发量、减少是径流外排量，还能有利于城市河道呈现“清水常流”的状态，从而一定程度上能够修复城市自然水循环，利于实现“和谐社会”和“宜居城市”的目标。

　　关键词：雨洪利用  水循环  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

　　城市的发展使越来越多的地表被建筑物和各种硬化铺装所覆盖，严重破坏了天然水循环，一方面使地表易产生积水并形成高峰值的径流，排入河道后增加防洪压力，产生隐患；另一方面，阻断了降雨对地下水的补给通道，造成地下水补给量长期小于开采量，形成大范围的降落漏斗，威胁城市安全。因此，必须采取措施减少地表径流量、增加地下水补给量。这正是雨洪利用技术所追求的目标之一。因此，研究通过雨洪利用技术修复城市自然水循环，对于改善城市生态环境、保障城市防洪安全具有重要意义。

　　1城市化对自然水循环的影响

　　城市的水循环系统包括自然循环系统和人工循环系统两部分，自然循环系统是指水由蒸发、降水、地表径流、下渗、地下水流等构成的循环系统，人工水循环系统是指由城市给水、用水、排水和处理系统组成的循环系统。

　　在城市化前的自然水循环系统中，通过地表植被和洼地对雨水的截留和滞蓄，能够削减大部分降雨径流，超过截流和填洼(滞留)的雨量，会在地面汇成径流进入排水渠道，最后进入河流。通常降雨的70～80％下渗入土壤，只有10～30％的雨水形成径流排入河道，由5～10％的雨水被植被等截留，这部分水与下渗的水再蒸发回到大气中，蒸发量占降雨量的50～70％，入渗到地下水的量占降水量的10～40％。城市化前河道内的水与地下水有着密切的联系，要么入渗补充地下水，要么地下水以基流的形式补充河水，使河道内除了汛期发洪水以外呈现清水常流的景象。

　　城市化后下垫面硬质化，受不透水面积、滞水空间、排水管网和河道特征等方面影响，使地表径流量、汇流时间、调节容量及河道水位等产汇流参数发生改变。原有植被和土壤被不透水面替代，作为天然调蓄系统的池塘、湿地被填平，原有的雨水径流途径被排水管网和硬质化的城市河道取代，径流汇流时间缩短，洪峰增大。根据周玉文在北京市百万庄小区所做的实验，在1小时内新、旧沥青路面的降雨损失分别仅为草地的6%和12%，为裸露土地面的14%和26%；而屋面的降水损失量更小，一般都仅1-2mm。而北京市水利科学研究所的实测结果显示，屋顶的降雨损失量仅有0.7mm～0.94mm。由此可估计，当流域内不透水面达到城市面积20%，遇到3年一遇降雨其产流量就可能相当于该地区原有产流量的1.5~2倍。与此同时将使汇流时间大大缩短。

　　2 雨洪利用基本形式

　　雨洪利用是针对开发建设区域内不同下垫面所产生的降雨径流，采取相应的措施，或收集利用，或渗入地下，以达到充分利用雨水资源、提高环境自净能力、改善小区生态环境、减少外排流量、减轻区域防洪压力的目的，寓资源利用于灾害防范之中的系统工程。城市的下垫面主要包括屋顶、道路、绿地（含公园及水面）、庭院、广场等类型，不论那种类型的下垫面，基本的雨洪利用形式主要有3类，即渗入地下、拦蓄利用和调控排放。

　　2.1渗入地下

　　渗入地下法就是采用充分利用现有的能够下渗雨水的绿地、增加可下渗面积、建设增加下渗能力的专用设施等措施，使更多的雨水尽快渗入地下的方法。将雨洪渗入地下的具体措施很多，一般有下凹式绿地、渗透性铺装地面和诸如渗沟、渗井等的增渗设施。

　　下凹式绿地就是将绿地低于周围地面适当深度，以便自渗的雨水少外流或不外流，同时周围地面的地表径流能流入绿地下渗。研究结果表明，当绿地下凹5～10cm时，能够消纳自身和相同面积不透水地面流入的雨水，使5年一遇日降雨无径流外排。对于一些难以低于周围地面的绿地，如果其四周的围挡高于绿地5～10cm，则可使20年一遇日降雨无径流外排。

渗透性铺装地面是指在较大降雨情况下，能够较快地下渗雨水、使地表不积水或少积水的铺装地面。通常由铺装面层、垫层和基层三部分组成（见图1），面层和垫层又统称为铺装层。降雨先下到面层，因此要求面层有很强的透水性，能够使可能发生的所有强度的降雨很快入渗到下层，下部垫层除了应当有较大的渗透能力外，还应当有较大的孔隙率，以便滞蓄渗入的雨水。基层通常为密实的土壤，有较强的承载能力，但也有一定的下渗能力，可使暂时停留在铺装层的雨水逐渐的渗入地下。所采用的面层材料有透水砖、草坪砖、透水沥青、透水混凝土等。透水砖是一种压制的无砂混凝土砌块，有很多连通的空隙，能很快的渗透雨水，是效果最好的一种透水面层材料。渗透性铺装地面通常用在人行道、庭院、广场、停车场、自行车道和小区内小流量的机动车道。

　　增渗设施是将雨水引入较深层地下入渗的专用设施，包括渗水管沟、渗水井、回灌井等。地下有时会有一些透水性较强的砂层或砂砾层，如果将雨水经过适当处理，在保证安全的前提下，引入这些砂层或砂砾层进行渗透，则会大大加快下渗的速度。因此可以根据具体情况建设渗水管沟、渗水井或回灌井等增渗设施。

　　渗水管沟是在地下浅层建设的能够暂时留住雨水和下渗雨水的沟槽，一般采用透水性管道将雨水引入沟槽内，属于条状或带状渗水设施；渗水井相对是一种点状增渗设施，深度可比管沟深一些，雨水主要通过渗井底部渗入地下；回灌井的深度更深，底部通常与较大的粗砂或砂砾层接触，渗水能力更强。

　　2.2拦蓄利用

　　拦蓄利用是将屋顶、道路、庭院、广场等的雨水进行收集，经适当处理后进入蓄水池，可以用来灌溉绿地、冲厕所、洗车、喷洒路面、为景观补水等。这种方法能够使雨水得到有价值的利用，减少自来水的用量，从而既减少了雨水排放量，又节约了水资源。但是由于北京降雨的时空分布极不均匀，不能只靠雨水来作为上述用途的水源，应当在不降雨的时间里考虑采用再生水或自来水补充。

　　2.3调控排放

雨洪的调控排放是在雨水排放系统的下游，排出区域之前的适当位置建设调蓄池、流量控制井和溢流堰等设施，使区域内的雨洪暂时滞留在地下管道和调蓄池内，按照设定的下泄流量控制排放到下游管道，其原理如图2所示。当汇集的降雨径流小于控制井限定的过流量时，按照汇集的流量排入市政管道，当大于限定的过流量时，将按限定的最大过流量外排，同时将在管道和滞蓄池系统内产生积水。如果降雨小于溢流堰的设计标准，系统内积水的最大水位不会超过溢流堰，所滞蓄的雨水会逐渐地以不大于限定值的流量排走。如果降雨大于溢流堰的设计标准，将会通过溢流堰溢流到外部市政管道。这样调控排放系统的下泄流量通常会被控制在限定的较小范围之内，从而减少了下游管道的排水压力。

　　实际应用中可以将上述方法进行有机的组合，形成适合区域自身特点的、科学的最佳雨洪利用体系。

　　3 雨洪利用对城市水循环的修复作用

　　城市雨洪利用的核心是减少因不透水面积增加所产生的外排水量或径流峰量的增加。而以北京的降雨特点是80％的降雨集中在汛期、短历时降雨强度大，完全收集利用雨水的费用高，应当以渗入地下为主，因而对城市水循环有很好的修复作用。

　　3.1增加降雨向土壤水的转化量

　　采用下凹式绿地和透水铺装能够大量增加降雨渗入土壤的水量。通常绿地的径流系数为0.15，小区内传统的砼硬化铺装地面的径流系数为0.9，实施雨洪利用措施后，对于设计标准内降雨，绿地和透水地面的径流外排径流系数可降为零。一般情况下小区内绿地占30％、硬化铺装地面占35％，若绿地的截留量按10%计，仅此两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转化量160％。如果将屋顶雨水也全部下渗，则增加量达到300％，相当于小区内全部降雨的90％转化为土壤水。

　　3.2增加地下水补给量

　　部分土壤水在重力作用下逐渐向下运动最终补给地下水。根据北京市城区的水文地质条件，渗入土壤的雨水转化为地下水的比例一般在5～20％，平均10％，因此，若仅绿地和普装地面采取雨洪利用措施，所增加的地下水补给量为小区降雨量的3.6％。若将屋顶雨水也全部下渗，则所增加的地下水补给量将达到小区降雨量的6.75％，如果以10ha的小区面积计算，每年所增加的地下水补给量为2685m³。

　　3.3 增加蒸散发量

　　下凹式绿地能够使土壤含水量增加2～5％，使植物生长旺盛，从而增加绿地的蒸散发量0.02～0.32mm。通过透水地面渗入土壤的雨水、铺装层吸收和滞蓄的雨水，在降雨规过后会逐渐通过铺装层的孔隙蒸发到空中。如果一个10ha小区采取下凹式绿地、透水铺装、屋顶雨水收集下渗等雨洪措施使90％的降雨转化成土壤水，这部分中又有10％补充地下水，则其余的81％的降雨量将通过土壤蒸发和植物蒸腾回到大气中去。若只作绿地和铺装地面雨洪利用，屋顶雨水全部收集利用或外排，则蒸散发量将占小区降雨的58.5％，比不做雨洪利用蒸散发量增加160％。

　　3.4 有效减少径流外排量

　　    实施雨洪利用措施能够使小区的外排径流量大大削减，甚至能够实现对于一定标准的降雨无径流外排。如果上述10ha小区内绿地和硬化地面的雨水全部下渗，屋顶雨水全部外排，则其综合径流系数会从不采取雨洪利用措施的0.67减少为0.32。如果对屋顶雨水也适当采取拦蓄利用、入渗地下或调控排放的措施，则可使外排的径流系数控制在开发建设前农田或绿地的水平。

　　3.5 有利于城市河道“清水常流”

　　    调控排放形式的雨洪利用措施可使滞蓄在小区管道和调蓄池内的雨水在降雨结束后5～10h内缓慢排走，再考虑5～10h的汇流时间，则可使城市河道的径流时间延长10～20h。另外，如果采用渗入地下的雨洪利用形式，并且在地下适当布设渗滤性排水沟槽，使下渗的雨水通过沟槽缓慢排出，然后再汇集排入河道，则不仅能使排入河道的径流延长5～10天，还能使排入河道的雨水水质基本达到地表水Ⅰ类标准，使城市河道呈现出类似天然河道基流的状态，趋向与“清水常流”。

　　4 结语

　　随着社会的进步、人民生活水平的提高，对生存环境、生活质量的要求也越来越高。我国提出了构建社会主义和谐社会的目标，同时北京也提出了要建设“宜居城市”的目标。和谐时会和宜居城市的重要标志是人与自然和谐相处，而采取适当的雨洪利用措施，能够在一定程度上修复城市自然水循环，因而也有利于“和谐社会”和“宜居城市”目标的实现。

　　参考文献：

　　[1] 张书函,丁跃元,陈建刚,德国的雨水收集利用与调控技术，北京水利，2002，第3期, 第39-41页。

　　[2] 陈建刚,丁跃元,张书函等,北京城区雨洪利用工程措施，北京水利，2003，第6期，第12-14页。

　　[3] 刘培军，张琳，艾里西尔等，土壤含水量对蒸散的影响及其日蒸发模型，新疆气象，1996，第一期