第4章 城市雨洪资源开发利用理论与计算方法

4.1 面向城市水生态的雨洪排水工程设计模型

城市化进程给城市水生态带来一系列影响，改变了原有城市水体自然循环路径，导致形成了城市特有的水文效应和水环境效应。城市土地性状以及气候条件的改变使得城市雨洪的产汇流特性显著改变，雨洪致灾因素增多。但传统的城市雨洪排水模式，造成水体的单向循环流动，既造成城市雨水资源浪费，又造成受纳水体污染。因此，应在减少城市雨洪灾害和发挥雨水资源潜在价值间寻求平衡，并兼顾城市水生态系统健康循环，以开发新的城市雨洪排水模式。

4.1.1 城市化对城市水系的影响

城市化最主要的特征是人口、产业、物业向城市集中，城市人口增加，土地利用性质改变，建筑物增多，道路铺装，不透水面积增加，河道整治，排水管网建设等，直接改变了地面雨洪径流形成条件。随着工业化、都市化的推进，人类对自然的干扰加剧，城市水文现象受人类活动的强烈影响而发生明显的变化。城市社会经济发展对水的需求量增大，排放污废水增多。从而对城市水系中水的流动、循环、分布、水的物理化学性质以及水与环境的相互关系，产生了各种各样的影响。

4.1.1.1 城市水系统概述

城市水系统的客体是城市水资源，城市水资源是城市生产和生活的最基础的资源之一。同时由于城市功能的特殊性，城市水资源除了具有一般水资源固有的本质属性和基本属性外，还具有环境、社会和经济属性。严格意义上的城市水系统是指在一定地域空间内，以城市水资源为主体，以水资源的开发利用和保护为过程，并与自然和社会环境密切相关且随时空变化的动态系统。因此，从这个意义上说，城市水系统的内涵已经远远超出了通常所说的“水资源系统”或“水源系统”的范畴，这个系统不仅包涵了相关的自然因素，还融入了社会、经济、政治等许多社会因素。

城市水循环系统（城市水系）包括自然循环系统和社会循环系统两部分。城市水系依靠自然循环系统，水体通过蒸发、降水和地面径流又与大气联系起来，蒸发降水又返回土壤地表水。但由于流域固有特殊性和相互影响，范围远远超过城市边界。

城市水体和地下水通过土壤渗透及地下补给连接起来。城市水系的社会循环系统由水源、供水、用水和排水等四大要素组成。这四大要素的相互联合构成了城市水资源开发利用和保护的人为循环系统，每个要素都对这个循环系统起着一定的促进或制约作用。

城市水源是城市水系统的基础要素。随着现代城市规模不断扩大，消耗水量也逐渐加大，在水资源有限的条件下，应增建净化中水道循环使用系统，作为城市重要给水水源。城市供水是城市水系统的开发或生产要素，它是架在水源和用水要素之间的一座“桥梁”。如果没有供水要素，水源不能自动变为商品为消费者所利用。城市用水是城市水系统的需求或消费要素，供给与需求既对立又统一，没有需求，就不必供给，而满足需求是供给的永恒主题。

城市排水是城市水系统中最敏感的要素，具有两面性，良性的排水经净化处理后排放可增加水源的补给量，不良的排水未经净化处理直接排放则污染水源水质，进而减少水源的可用水量。现代城市水循环系统详见图4.1。

4.1.1.2 城市化对水系的影响

（1）城市化的水文效应。

1）城市化对水文循环过程的影响。

水分的蒸发、凝结、降落降雨、输送径流循环往复的运动过程，称水文循环。天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落时，一部分被植物截留蒸发，一部分降落地面填洼，一部分下渗到地下，补给地下水，一部分涵养在地下水位以上的土壤孔隙内，其余部分产生地表径流，汇入受纳水体。

据北美洲安大略环境部资料，都市化前，天然流域的蒸发量占降水量的40%，入渗地下水量占50%。都市化后，由于人类活动的影响，天然流域被开发、植被受破坏，土地利用状况改变，自然景观受到深刻的改造，混凝土建筑、柏油马路、工厂区、商业区、住宅区、运动场、停车场、街道等不透水地面大量增加，使城市水文循环状况发生了变化，城市化地区水文循环过程见图4.2。降水量增多，但降水渗入地下的部分减少，只占降水量的32%，填洼量减少，蒸发减少为25%，而产生地面径流的部分增大，由地表排入地下水道的地表径流量为43%，这种变化随着城市化的发展，不透水面积率的增大而增大。下垫面不透水面积的百分比越大，其储存水量越小，地面径流越大。

2）城市化对水量平衡的影响。

城市化地区水量平衡方程式为

式中 P——降水量；

R、R1——地表径流流入与流出量；

G、G1——地下提取与渗入地下水量；

E1、E2——地表蒸发和植物蒸腾水量；

S——生态系统组分内储水量；

T——上水管道输入水量；

T1——下水管道输出水量；

ΔW——时段内区域储水量变化。

根据城市化地区的水文循环过程图，在城市化地区的水量平衡过程中，既包括天然水循环，还包括人工控制的上下水管道中的水循环(T，T1)。城市化对上述公式中各项都会产生影响，从而改变了城市地区的水文特性。在输入项中，城市化对大气降水P的影响比较明显，城市地区的年降水量一般比郊区多5%~15%，雷暴雨多10%~15%，地表水流入量除径流流入量R外，还有上水管道进水量。此项有时可高达降水量的数倍以上。城市中地下水的提水量也是比较高的，特别是在一些缺水的城市中。在输出项中，城市地下水位低，地下径流和土壤含水量减少，地表干燥，可供蒸发的水量少，加之植被少、风速小，蒸发和蒸腾(E1，E2)都比市郊小，下渗量G1也相应减少。城市地下水长期补给不足会致使地下水含水层衰竭，导致地面沉降，建筑物地基破坏，从而引起城市生态环境恶化。由于城市耗水量一般比较大，径流流出量R1比郊区小，所以增加了人工下水管道的出水量T1。

表4.1为北京城市中心区与郊区水量特征值对比。可见，城市地区的降水量、径流总量、地表径流量及地表径流系数均大于周围郊区，而蒸发量、地下径流量及地下径流系数均小于周围郊区。

（2）城市化的水环境效应。

城市化后生活、生产、交通运输以及其他服务行业对水体排放污染物加重。近年来，虽然通过污染治理减少了城市生产、生活排放物对水体的污染，许多河流水质有了明显的改善，但城市水质的污染问题远没有得到彻底解决，城市河流的各项污染指标仍远高于非城市河流。此外，城市化发展结果，使得城区不透水面积增大，使城市地表径流的流速、洪峰流量频率增加，从而地表径流的侵蚀和搬运能力将相应增强。地表径流冲刷堆积于街道、建筑物上的大量堆积物，会引起水体新的非点源污染。

根据北京市所实施的中德合作“城区水资源可持续利用——雨洪控制与地下水回灌”项目中对北京市暴雨径流水质的实测分析，城区初期暴雨径流含有较多污染物，其中屋面径流雨水COD约为300~3000mg/L，SS约为100~2000mg/L，且雨水水质浑浊，色度大。路面雨水径流的水质常受到灰尘、汽车尾气、燃油和润滑油、路面材料及路面磨损的影响，城区路面雨水径流水质和路面在城区中所处的地理位置有关，据北京市水利科学研究所的实测，机动车道上的初期暴雨径流中CODmg为22.7mg/L，TP为1.02mg/L，NH4—N为0.79mg/L，雨水悬浮物为860mg/L。

城市化对水系的影响概念见图4.3。

4.1.2 城市化地区的雨洪特性及生态机理分析

4.1.2.1 城市雨洪特性

城市地区的雨洪具有利害两重性，一方面，城市化改变了城市水文循环特性，从而使得城市雨洪特性改变，易引起短期内积水形成内涝；另一方面，城市雨洪是城市水资源的主要来源之一，科学合理的利用城市雨洪资源，可以节约城市水资源，保证城市功能的正常发挥。

（1）城市雨洪的灾害性。

城市化改变了城市雨洪汇流特性，增加了城市雨洪排水系统压力，从而使得城市雨洪的灾害性更为明显，具体表现在以下几个方面。

1）雨洪流量增加，流速加大。

城市化不但降水量增加，雷暴雨增多，而且由于不透水地面多，植被稀少，降水的下渗量、蒸发量减少，增加了有效雨量形成径流的雨量，使地表径流量增加。城市化对天然河道进行改造和治理，天然河道被裁弯取直，疏浚整治，设置路旁边沟，雨水管网排洪沟渠等，增加了河道汇流的水力学效应。雨水迅速变为径流，使雨洪流速增大。河道被挤占、束窄，也使得雨洪流速加大。

2）洪峰增高，峰显提前，历时缩短。

由于城市化，流量增加，流速加大，集流时间加快，汇流过程历时缩短，城市雨洪径流增加，流量曲线急升急降，峰值增大，出现时间提前。同时由于地面不透水面积增大，下渗减少，故雨停之后，补给退水过程的水量也减少，使得整个洪水过程线底宽较窄，增加了产生迅猛洪水的可能性。城市排水管网的铺设，自然河道格局变化，排水管道密度大，以及涵洞化排水，排水速度快，使水向排水管网中的输送更为迅速，雨水迅速变为径流，必然引起峰值流量的增大，洪流曲线急升急降，峰值出现时间提前。城市化地区洪峰流量约为城市化前的一倍，涨峰历时缩短，暴雨径流的洪峰流量预期可达未开发流域的一倍。这取决于河道整治情况和城市不透水面积率及排水设施等。随着城市化面积的扩大这种现象也日益显著，如果城市化而又有城市雨岛效应，则洪水涨落曲线更为陡急，见图4.4。

此外，如果河道被挤占，洪水时过水河道缩窄，故洪水频率增加。据估计，无控制的利用河滩地和扩大城市不透水面积，百年一遇洪水可增加6倍。如北京市在20世纪50年代，连续降雨100mm，排水河道通惠河的出口流量为40m3/s，而80年代则为80m3/s。据Stall等（1970）对美国伊利诺伊州东中部不同城市化程度（不透水面积所占百分比） 地区的雨洪排水量速度所作的观测研究指出，随着城市化级别升高，其不透水地面所占全区面积的百分比也越大，雨水向下渗透量越小，地表径流量越集中，雨洪排水量洪越高，见表4.2。

3）雨洪径流污染负荷增加。

城市发展，大量工业废水、生活污水排放进入地表径流。这些污废水富含金属、重金属、有机污染物、放射性污染物、细菌、病毒等，污染水体。城市地面、屋顶、大气中集聚的污染物质，被雨水冲洗带入河流，而城市河流流速的增大，不仅加大了悬浮固体和污染物的输送量，还加剧了地面、河床冲刷，使径流中悬浮固体和污染物含量增加，水质恶化。无雨时枯水期，径流量减少，污染物浓度增大；暴雨时汛期，河流流速增大，加大了悬浮固体和污染物的输送量，也加剧了河床冲刷，使下游污染物荷载量明显增加。据美国检测资料，河流水质污染成分50%以上来自于地表径流，城市下游的水质82%受地表径流控制，并受城市污染的影响。据2015年环境统计公报，自2004年以来，我国废污水排放量每年增加，2014年达到了715.6亿m3，见图4.5。中国城市污水处理厂处理能力2014年达到了90.18%，见图4.6。仍有一部分污水未经处理，直接排入水域，使河流污染严重，水质恶化。此外，城市建设施工期间，大量泥沙被雨水冲洗，使河流泥沙含量增大。

（2）城市雨洪的资源性。

我国雨水资源丰富，年降雨量达6.2万亿m3。但在城区，传统的雨水处理方式大多为直接排放。由于不透水地面比例不断增加，集蓄、利用设施缺乏，每年有大量雨水弃流排放。如北京2016年7月19日1点到20日凌晨6点，本次降雨共形成水资源总量33亿m3，超过“7·21”特大暴雨的降雨总量，而进入各大水库、立交桥调蓄池、砂石坑、雨洪利用等水利工程的水资源总量约为7555万m3，而北京市1956年至2000年多年平均水资源总量为37.39亿m3，近年来水资源总量更加偏少，仅有21亿m3。雨水作为自然界水循环的阶段性产物，其水质优良，是城市中十分宝贵的水资源。只要在城市雨洪排水系统设计中，采取相应的工程措施，就可将城区雨水加以利用。这样不仅能在一定程度上缓解城市水资源的供需矛盾，而且还能有效减少城市地面雨洪径流量，延滞汇流时间，减轻雨洪排涝设施的压力，减少防洪投资和洪灾损失。

城市雨洪利用通过国内外实践证明是行之有效的。美国加利福尼亚州富雷斯诺市的地下回灌系统2010年地下水回灌量1.34亿m3，丹麦利用城市屋顶收集雨水冲洗厕所、洗衣服的水量占居民冲厕所、洗衣服总用水量的68%，相当于居民总用水量的22%。总之，发达国家通过制定一系列有关雨水利用的法律法规，建立完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水组成的地面回灌系统，收集雨水用于冲厕所、洗车、浇庭院、人造景观、洗衣服和回灌地下水。既缓解了城市水资源的供需矛盾，又减少了雨洪灾害。

据调查，在我国华北严重缺水的各城市中，年均降水均在400mm以上。如石家庄市多年平均降雨量为540mm，城市建筑物、道路等不透水铺装面的径流系数可达0.85，是形成城市暴雨径流的主产流区。按城建规划石家庄市主城区，到2015年，建筑、道路、工业等占地达119.19km2 (按现代城市发展要求，其中绿地面积约占1/3，目前还达不到此数据)，其中不透水面积约80km2，年均径流量为0.44亿m3，绿地面积约50km2 (包括上述区域1/3面积的绿地和特殊规划的绿地面积)，径流系数为0.15～0.3，径流量0.08亿～0.16亿m3。即主城区的多年平均径流量在0.5亿m3以上，完全可以采用绿地渗透、透水地面、渗池、渗井以及蓄水池等工程，收集雨水利用、补充回灌地下水、滞洪防灾等。

绿地因表土层根系发达，土壤相对较疏松，其对降雨入渗性能较无草皮的裸地大，经测定有草地的土壤稳定入渗率比相同土壤条件的裸地大15%～20%。另一方面草地茎棵密布，草叶繁茂，一般在地表有2cm深水层时，水不易流失。即使在日降雨量达100mm，1小时暴雨量达30mm时，也很少看到平地草地有地表径流出流，足见草地的滞流入渗作用很强。我国现代城市小区规划规范已有要求，小区绿地面积不应小于30%，建筑物、道路占地一般为40%～50%。

建筑物、道路等不透水铺装面，暴雨的径流系数可达0.9，是形成小区暴雨径流的主要产流区。因此，可合理设计透水地面(透水地面比不透水地面投资高10%)或渗井、渗池、渗沟，减少地表径流，增加入渗量，安全、合理地将剩余径流排出。还可以因地制宜的修建雨水蓄积处理池或人工湿地将雨洪资源简单处理后的雨水，比生活污水处理成本低得多，可作为人工湖泊的景观用水、绿地灌溉用水、冲洗厕所、冷却水等。综合考虑，城市雨水利用既节省投资、缓解水资源供需矛盾，还涵养了地下水，调节了城市生态环境，减轻了城市雨洪灾害。

4.1.2.2 城市雨洪生态机理分析

城市地区的雨洪灾害，除了由于上述城市地区水文性状改变引起雨洪特性改变外，还包括城市建设发展中的其他因素，是整个城市水生态系统耦合形成的结果，其形成生态机理包括以下几方面。

（1）城市河湖流域植被破坏，涵养水源功能下降。

草本植被具有很强的水源涵养功能，是水体蓄存的“绿色水库”。茂密的林冠能截留降雨量的15%～40%；地表的枯枝落叶层，如同厚厚的海绵，具有极强的吸水能力，林木还能改变土壤的结构，为水分渗透创造良好的条件，使大部分地表径流转变为地下径流，并显著延长降水流出时间，起到涵养水源的作用。据研究，与城市裸地相比，1hm2的林地可多储水300m3以上。但在城市建设过程中，大量原有植被破坏，而被人为建筑物取代，并在建成后植被得不到恢复，绿化建设不配套，使得涵养水源功能下降。

（2）城市湿地系统破坏，对雨洪灾害的缓冲、净化处理功能丧失。

城市湿地是指城市内部和城近郊的湿地系统，大多位于低洼处，含有大量持水性良好的泥炭土和植物及质地黏重的不透水层，具有巨大的蓄水能力。湿地可以在暴雨和雨洪季节储存过量的降水，并把径流均匀的放出，减弱雨洪对下游的危害，并净化水质，起到缓冲、净化处理作用，因此湿地系统是天然的储水、净水系统。但在城市建设中，一系列开发活动如城郊的围垦造田，湿地作为城市垃圾堆积地，城市的扩展外延、路基建设以及工业开发占用湿地等，使得城市湿地生态系统干涸、退化，并丧失其雨洪灾害的缓冲及净化处理功能。

（3）城市河湖面积萎缩，雨洪调蓄能力降低。

城市人口不断增加使得城市发展过程中围河湖建房，原有城市河湖水体日益减少，雨洪调蓄功能部分丧失。在经济利益驱动下，城市规划建设项目超标准建设，诸如滨江住宅、河湖小区等滨水建筑设施，使城市河湖雨洪调蓄功能得不到保障。一旦城区发生暴雨灾害，就会因雨洪无法蓄存而形成内涝灾害。

4.1.3 面向城市水生态的雨洪排水工程系统组成及其设计特点

4.1.3.1 传统城市雨洪排水系统组成及特点

城市雨洪排水系统，用来减缓城市雨洪灾害，以保障市民安全，其功能分为分洪、调蓄和排水。传统的城市雨洪排水系统，以雨洪的“尽快排除”为基本原则，将城市雨洪资源不加利用的全部排走。

传统的城市雨洪排水系统是人工形成引导水流的各种地面通道，包括路沿、边沟、衬砌的水道、铺砌的停车场、街道等。地下通道包括雨水排水道、污水排水道、合流式排水道等，以及所有附属设备，包括截留水池、蓄水池、下水道的进水口、检查孔、沉淀井、溢流口等，目的是把雨水从降落点输送到受纳水体。

根据其组成特性可以分为以下三个子系统。

（1）地表径流子系统。

地表径流子系统一般是指排水系统地面以上的部分。在一建筑小区内，它包括庭院场地、街道、边沟、小下水道。通过雨水井汇入地下排水管网。小区的特性可分为完全没滞蓄能力的不透水面积如屋顶、沥青或水泥场地路面；降雨后直接产生径流存在滞蓄的不透水面积如庭院场地、街沟、小下水道和透水面积如绿地、裸地。降落到地面的雨水转化为地表径流，然后汇入主要管网。这一过程受地面、边沟、排水沟的调蓄而不断改变。

（2）传输子系统。

各雨水收集系统将地面的雨洪径流及其中的污染物荷载，通过排水沟渠或地下管网，输送到一点或多点排放出去。在传输过程中不断汇集入流或其他支管的入流，使管网中的流量和水质不断发生变化。流量和污染物浓度在输送管网系统中，由于输水系统的蓄水或渠外蓄水流量的入流过程而产生相互作用和水力学特性而不断演进、扩散和衰减。

（3）受纳水体子系统。

河流、湖泊、海洋等都可作为受纳水体。由排污口或合流制排水系统的溢流口所排出的水流及污染物，进入受纳水体后，受到重力和分子力的作用，向四周扩散。根据雨洪排水系统的设计形式，传统的城市雨洪排水系统可以分为合流制排水系统和分流制排水系统两类。

1）合流制排水系统。合流制排水系统是雨洪排水管网与排污管网合并在一起设计，排放口处设有截流设施。无雨的旱季所排入的污水流量小于截流能力，截流送往污水处理厂贮水池，经过处理净化后排放雨洪时期，通过雨水井汇集大量雨洪径流、排水流量超过截流能力的部分将从溢流口溢出，直接排入受纳水体，同时也将夹带部分污染物进入受纳水体。

2）分流制排水系统。分流制排水系统是将污水和雨水分别在两套或两套以上各自独立的沟道内排除的系统。排除生活污水、工业废水或城市污水的系统称污水排水系统，排除雨水的系统称雨水排除系统。由于排除雨水的方式不同，分流制排水系统又分为完全分流制排水系统和不完全分流制排水系统。不完全分流制排水系统只设有污水排水系统，各种污水排水系统送至污水处理厂，经处理后排入水体。雨水则通过地面漫流进入不成系统的明沟或小河，然后进入较大水体。

4.1.3.2 面向城市水生态的雨洪排水系统组成及特点

面向城市水生态的雨洪排水系统，是基于对城市降雨径流的双重属性，灾害性和资源性的认识，认为对城市雨洪排水工程的设计应从综合削减暴雨径流的不利因素和发挥其潜在水资源价值的正反两方面寻求平衡，并兼顾城市水生态系统建设及其健康循环。

建立面向城市水生态的雨洪排水系统主要是建立城市雨洪就地利用系统和集中利用系统，城市雨洪通过就地利用后进入调蓄设施集中利用，就地利用设施包括居民小区集雨利用设施、城市下沉式绿地滞洪利用设施、地下渗透回灌设施等。就地利用后的雨洪径流经过管网汇流，进入人工湿地处理系统，经净化处理后的雨洪资源储存于城市人工湖或调蓄设施作为城市杂用水水资源。该系统的组成如图4.7所示。

由图4.7可以看出，面向城市水生态的雨洪排水系统，具有以下特点。

（1）资源高效利用性。该系统改变了传统雨洪排水系统设计单一“排放”原则,变雨洪“排放”为“资源再利用”。通过就地利用设施和集中利用设施将一场降雨雨水资源尽可能的充分利用，实现设计重现期的雨洪“零排放”。

（2）减少城市雨洪污染。该系统对城市雨洪进行二次处理，雨水先通过城市下沉式绿地净化处理后，再经过雨水管网汇流进入人工湿地处理系统，然后进入城市受纳水体，该系统可以减少城市雨洪给城市河湖带来的污染。

（3）减少城市雨洪灾害和排涝压力。城区内的降雨经就地利用后，可削减管网汇流雨洪量，下沉式绿地和大型广场调蓄均可起到滞洪作用，减少城市地区雨洪灾害和排涝压力，并节约雨洪排水系统投资。

（4）实现城市水资源“生态循环”。该系统以城市雨水资源的循环利用为基本思路，通过建立雨洪就地利用设施和集中利用设施，对因城市化而改变的城市水循环加以恢复，从而恢复城市水生态系统。

（5）适合现代“生态城市”建设需要。建立居民小区屋顶集雨系统、下沉式绿地，建设城市生态小区。人工湿地和人工湖都是城市水生态系统建设的一部分，在满足城市水生态功能的同时可实现景观功能，开发城市旅游业，发展涉水经济。

4.1.4 传统城市雨洪排水系统与面向城市水生态的雨洪排水系统技术比较

在传统的方法中，雨水径流通过排水系统直接排走，而面向城市水生态的雨洪排水系统，采取了雨水渗透、滞蓄、回用措施以恢复城市水循环。传统技术与现代技术的比较见表4.3。