（市政工程专业论文）济南市城区雨水利用潜力分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着城市化的发展，许多城市面临水资源短缺的问题。雨水是一种最根本、最直接、 最经济的水资源，是自然界水循环系统中的重要环节，对补充地下水源、改善及保护生 态环境起着极为关键的作用，因此雨水利用成为实现水资源可持续发展的一条重要途径。 目前许多城市纷纷开展了雨水利用示范工程，但雨水资源理论在实践应用上还存在较大 差距。为丰富和完善雨水资源理论，指导雨水利用实践，本文以济南市主城区的建成区 为研究对象，进行了雨水水质检测实验，分析了雨水资源潜力。 为了提供城市雨水利用潜力分析所需的背景资料，本文首先在查阅大量国内外文献 的基础上，研究了我国水资源的现状和城市化对雨水利用的影响及其之间的关系，并且 指出我国雨水利用发展的概况，提出了城市雨水利用的意义。 ， 其次，本文对济南城区1 9 5 2 - , - 2 0 0 5 年的年、月的降雨资料进行了系统研究，并且对 1 9 2 1 - - - 2 0 0 6 年的造成危害型较强的特大暴雨进行了分析，得出了济南城区降雨的特点， 计算并绘制出降雨频率曲线，得出了济南城区降雨的季节折减系数。 然后，针对2 0 0 7 年4 月到2 0 0 7 年1 0 月，对济南城区的天然降雨、屋项径流、机动 车道径流等进行了1 0 次取样化验，测定水质检测指标9 项，经分析初步发现：来自不同 下垫面的径流水质在降水初期水质变化较大；在降雨产流的过程，各污染物浓度随着降 雨历时的延长，几乎都呈现下降趋势。并且分析了主要污染指标之间存在的相关性和雨 水径流污染物的冲刷规律，为各下垫面雨水径流水质的检测、定量分析、雨水潜力分析 及制定有效的雨水利用控制措施等提供依据。 最后，研究了济南城区雨水资源的可行性与必要性，提出了四种城市雨水利用潜力 分析的计算方法，并根据前三种方法对研究区的雨水利用潜力分析进行了探讨，对结论 作出了比较，计算结果表明，济南城区年平均雨水利用潜力为o 5 亿m 3 左右，可利用雨 水量为0 4 亿m 3 。并以山东建筑大学教授花园为例，分析了花园汛期杂用水量为 4 4 3 3 1 6 m 3 ，可利用雨水量为3 1 6 3 7 2 m 3 ，能满足杂用水量的7 l 。 关键词：城市化，径流水质，下垫面类型，雨水利用，潜力 l 山东建筑大学硕士学位论文 a n a l y s i so fp o t e n t i a lo fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o ni nu r b a na r e ao fj i n a n s u it a o ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gk e f e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t i e s ，m a n yc i t i e sf a c et ot h el a c kp r o b l e mo fw a t e rr e s o u r c e r a i n w a t e ri st h em o s tk i n do ff u n d a m e n t a ls 慨g h te c o n o m i c a lo fw a t e rr e s o u r c ea n d i m p o r t a n tp a r to fw a t e rc i r c u l a t i o ns y s t e mn a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，i ti st h ek e ye f f e c tt o s u p p l e m e n tg r o u n dw a t e rr e s o u r c e ，a n di m p r o v ea n dp r o t e c te n t i r o n m e n t ，s or a i n w a t e ri sa i m p o r t a n ta p p r o a c ht oc o n t i n u ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e a n dt h e nm o r ea n dm o r e c i t i e sb u i l td e m o n s t r a t i o np r o j e c ta b o u tr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ，b u ti ti sd i f f i c u l ti fw ew a n tt o a p p l yt h i sv i e w p o i n tt oc o n d u c to u rp r a c t i c eb e c a u s et h er a i r w a t e rt h e o r yi ss t i l li m p e r f e c t i n o r d e rt oe n r i c ha n dp r o m o t et h er a i n w a t e rt h e o r y ，t h i sr e s e a r c hw o r k ，r e g a r d i n gt h em e a s u r e s o ft h er a i n w a t e rq u a l i t ya n dt h ea n a l y s i so fu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o np o t e n t i a l ，i sc a r r y i n g t h r o u g ha b o u tb u i l tu pa r e ao fj i n a nc e n t r a lc i t y t op r o v i d et h eb a c k g r o u n dt ot h ef e a s i b i l i t yo ft h ep o t e n t i a lo fu r b a nm i n w a ：t e ru t i l i z a t i o n ， f i r s t l y ，b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f t h ep r e s e n tr e s e a r c ho ft h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r ， t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fu t b a n i z a t i o no nt h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e ra n dt h e r e l a t i o n s h i po fu r b a n i z a t i o na n dt h eu t i l i z a t i o no fu r b a nr a i n w a t e r ，a n dp o i n t so u tt h eo u t l i n e o ft h ep r e s e n tr e s e a r c ho fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ，a n da d v a n c e st h em e a no ft h eu t i l i z a t i o no f u r b a nr a i n w a t e r s e c o n d l y ，as y s t e m i c a l l ys t u d yo fa n n u a l l yr a i n f a l ld a t aa n dm o n t h l yr a i n f a l ld a t ai n j i n a nf r o m19 5 2 之0 0 5i sp u tf o r w a r d s ，a n ds u p e r s t o r md a t a 丘0 m19 21 - 2 0 0 6i sa n a l y z e d s o t h ea u t h o rc o m p r e h e n d st h er a i n f a l lc h a r a c t e ri nj i n a na n dd r a w st h ef r e q u e n c yc u r v e ， 山东建筑大学硕士学位论文 e s p e c i a l l y ，f i n d s0 1 1 1 t h es e a s o n a lr e d u c t i o nf a c t o r t h i r d l y ，t h ep r e c i p i t a t i o na tj i n a nc i t yw a ss t u d i e dd u r i n gt h ep e r i o df r o ma p f i l l2 0 0 7t o o e t o r b e r2 0 0 7 f o u r t e e nt i m e so fc h e m i c a lt e s t sw e r ec o n d u c t e da n dn i n ei t e m so fw a t e r q u a l i t yi n d e x e sw e r em e a s u r e df o rt h en a t u r a lp r e c i p i t a t i o n ，r u n o f ff r o mh o u s er o o f s ，a n d r u n o f ff r o m et r a f f i cr o a d s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rq u a l i t yi nr u n o f ff r o md i f f e r e n t s u r f a c e sc h a n g e sl i t t e rd u r i n gi n i t i a lr a i n i n gp e r i o d a st h ep r e c i p i t a t i o nt i m eg ol a s tw i t ht i m e b y ，p l e n t yo f t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n t sd r o pg r a d 砌l y t h e nt h ea u t h o rg e t sr e l a t i o n s a m o n gt h em a i np o l l u t a n t si nt h er u n o f fo fd i f f e r e n ts u r f a c e sa n dm a k e sae r o s i v el a wo f p o l l u t a n t sf r o mr a i n w a t e rr u n o f f i ti sh e l p f u lt o t e s te f f e c t i v e l y ，t oa n a l y s i sq u a n t i t a t i v e r l y ， t oa n a l y z ep o t e n t i a lo fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o na n dt om a k ee f f e c t i v ec o n t r o lm e a s u r e s f i n a l l y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo fu t i l i z a t i o no fj i n a n r a i n w a t e r ，p o i n t so u tf o u rc a l c u l a t i o np r o c e d u r e so fu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o np o t e n t i a l ，a n d b yt h ef i r s tt h r e em e a s u r e sc a l c u l a t e sp o t e n t i a lo fr a i n w a t e rr e a s o l l r c ei nb u i l tu pc i t yo fj i n a n a tl a s t ，b a s e do i lt h ec o n t r a s t i v ec o n c l u s i o n s ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o t e n t i a lr e s o u r c e so f j i n a nr a i n w a t e rc a nb e0 5x10 8 m 3a n dt h ep r a c t i c a lr e s o u r c e sc a l lb e0 4 x10 8 m 3 t ot a k et h e s h a n d o n gj i a n z h uu n i v e r s i t yp r o f e s s o r i a lg a r d e n 豳e x a m p l e ，a n a l y z et h eq u a n t i t yo f r a i n w a t e ra n dt h ed e m a n do fs u n d r yw a t e ri nt h ef l o o dp e r i o d t h ed e m a n do fs u n d r yw a t e ri s 4 4 3 3 1 6 m 3 ，t h eq u a n t i t yo f a v a i l a b l er a i n w a t e r i s3 1 6 3 7 2 m 3 ，w h i c hi sa b o u t7 1p e r c e n to f t h e s u n d r yw a t e rf l o w k e yw o r d s ：u r b a n i z a t i o n ，r u n o f fq u a l i t y ，u n d e r l y i n gs u r f a c et y p e ，r a i n w a t e r u t i l i z a t i o n ，p o t e n t i a l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：墒 一一日期一趟：厶 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。拳人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 盗澄 日期 塑墨：厶 导师签 名：日期跏歹f6 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 ( 1 ) 水资源的匮乏及其所引发的问题 水资源是人类生存和发展不可缺少、不可替代的自然资源。随着人类社会的进步、 工农业的发展以及人口的持续增长，人类赖以生存的有限的淡水资源正在遭受污染和其 他异常自然现象的侵蚀，越来越呈现出它的短缺性。 就我国而言，由于其地域辽阔，地形复杂，大陆性季风气候非常显著，因而造成水 资源具有总量贫乏、分布不平衡的特点。此外由于水资源短缺和不合理的开发利用以及 大气和水体污染，在我国大部分地区和城市，极为有限的供水资源受到水质恶化和生态 破坏的严重威胁，又大大加剧了水资源短缺的矛盾。 据调查，我国多年平均年降水量约6 1 9 万亿m ? ，其中约3 2 万亿m 3 左右通过土壤 蒸发和植物散发又回到了大气中，余下的约有2 8 万亿m 3 形成了地表水和地下水，这就 是我国拥有的淡水资源总量，拥有世界2 0 人口的中国却只拥有全球水资源总量的 6 7 。按照2 0 0 4 年人口计算，我国人均水资源占有量2 1 8 5m a ，不足世界平均水平的三 分之一【，正常年份中国缺水量近4 0 0 亿m 3 。扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地 区的地下水资源后，其中现实可利用的淡水资源只有1 1 万亿m 3 左右，仅占淡水资源总 量的3 9 ，人均占有量9 0 0 m 3 ，低于世界平均水平的l 4 ，被联合国列为1 3 个典型贫水 国之一 2 1 。且时空分布极不均衡。目前中国6 6 8 座城市中有4 0 0 多座供水不足，其中严 重缺水的有1 1 0 座 3 1 。中国每年因缺水影响工业产值减少2 3 0 0 亿元，全国农田平均受早 面积就7 0 年代的1 7 亿亩增加到1 9 9 7 年的5 亿亩，造成粮食减产7 5 0 亿1 0 0 0 亿公斤， 每年有1 4 亿亩草场缺水，农村约有8 0 0 0 万人口及4 0 0 0 万牲畜饮水困难。当前缺水已成 为我国国民经济和社会发展的主要制约因素。随着我国经济社会的不断发展，水资源短 缺问题日益突出。据预测，到2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年，中国的供水缺口分别达到1 1 4 0 亿m 3 ，2 3 0 0 亿m 3 ，3 7 1 0 亿m 3 【4 】。有关专家预计，到2 0 3 0 年，中国人口接近1 6 亿高峰 时，人均水资源仅有1 7 6 0 m 3 ，接近国际上一般承认的1 7 0 ( 0 3 为“用水紧张国家的标 准【5 1 。 据统计，6 0 年代，中国地下水开采量仅是2 0 - , 3 0 亿i n 3 ，而目前已突破1 0 0 0 亿m 3 ， 山东建筑大学硕士学位论文 占全国供水总量的2 0 。有1 0 0 多座城市地下水位持续下降，华北地区的地下水位每年 以高达0 3 , - , 3 m 的速度下降。沧州、衡水和德州一带地下水漏斗面积已达3 万多k m 2 ，保 定、石家庄、邢台、邯郸一线地下水漏斗面积达1 8 万k m 2 。由于地下水量超采和水位 持续下降，使些城市地面每年以2 5 3 0 m m 的速度下沉f 4 】。另外，大河断流的时间越来 越长。黄河自1 9 7 2 1 9 9 8 年的2 7 年年中，出现2 1 次断流。1 9 9 1 1 9 9 8 年断流天数分为 1 6 ，8 1 ，6 0 ，7 5 ，1 2 2 ，1 2 6 ，2 2 6 ，1 2 0 天。断流长度7 0 年代年均1 3 5 k m ，8 0 年代平均 1 7 9 k m ，9 0 年代年均2 9 6 k m ，1 9 9 5 年和1 9 9 7 年断流长度超过7 0 0 k i n 。1 9 9 5 年以来，因 断流造成年经济损失达6 0 8 0 亿元。湖泊干涸、面积减小的问题也层出不穷，仅三十年 代以来，全国湖泊数量已减少了4 5 0 个。至于缺水所引起的水土流失，土地沙化，大量 耕地草场废置的问题也屡见不鲜，目前土地沙化以年均2 4 6 0 k m 2 的速度扩展，总面积已 达1 6 0 7 万k m 2 。这条条数据都显示出我国水资源的危机日益严重，而造成这些现象的 直接原因就在于用水量增加的同时补水量日益减少；各种水资源利用效率低，浪费严重 及地表植被覆盖率降低【2 】。 由此可以看出，水资源匮乏和水环境恶化已经成为制约城市发展和社会进步的重要 因素。因此如何有效的利用水资源且缓解水资源紧张的局面成为我们亟待解决的问题【6 】。 ( 2 ) 雨水利用的重要性 有效利用本地水资源成了一个重要方案。雨水是一个区域水资源最根本的来源。在 1 9 9 8 年的“国际雨水利用学术会议暨中国第二届雨水大会刀上，水利专家指出，就地充 分利用雨水，采取各种有效措施提高雨水利用能力和效率，是传统水利发展的不可缺少 的补充和延伸，是解决水资源危机的重要途径【7 卅。 另一方面，我国雨水资源丰富，年降水量达6 1 9 万亿m 3 。长期以来，被称为“无 根水”的雨水多是任其排放，未加以充分利用。1 9 9 7 年，全国城市雨洪量约为1 1 0 亿 l n 3 ，按4 0 计算【1 0 1 ，可利用的雨洪量为4 4 亿m 3 。p a ：i l 京市为例，北京市城区以年均降 雨量5 9 5 m m 计算，1 9 9 8 年雨水资源流失量为2 l 亿立方米，占全部降雨量6 6 。随着城 市的不断发展，雨水资源流失量还将不断增大。如果能将流失的雨水进行有效的收集和 利用，必将成为解决城市水资源短缺的有效措施之一。如果合理、充分利用雨水回灌， 可涵养地下水源，防止地面沉降，还能防洪减灾，增加土壤中的含水量、调节气候，改 善城市生态环境。解决好雨水利用问题对城市社会经济可持续发展有重大意义。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 雨水利用潜力分析的目的 面对我国城市水资源、水环境的严峻形势，水问题已经受到国人越来越多的关注。 雨水利用作为一个解决水资源短缺问题的有效措施，引起了很多学者和专家对其进行研 究和探索。为保证经济和社会的可持续性发展、保证雨水资源能够持续开发利用，在应 用雨水利用措施之前，必须要考虑雨水资源的潜力和未来可持续性发展的需要，做到量 水而行。本课题就是在分析济南市降水特性基础上，通过对济南市雨水水质的检测，经 过不断的理论和实际的探索，研究了济南市雨水资源化的潜力，为雨水利用提供基础资 料【9 1 。 1 2 课题来源 为了全面落实科学发展观，加快推进节水型社会建设j 根据中华人民共和国国民 经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国务院关于做好节约型社会近期重点工作 的通知的要求，国家发改委员会同水利部、建设部共同编制铲十一五节水型社会建 设规划，为加强该规划实施的指导和示范作用，要求各地结合实际，在吁十一五 期间， 开展生活小区再生水、公共建筑中水、城市雨水利用等示范项目和研究课题。 本课题是济南市建设委员会立项，山东建筑大学承担的课题。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 收集分析济南市城区的降雨资料。包括年降雨量、月降雨量和暴雨情况，为城 市雨水利用潜力分析的计算和具体工程设施的设计提供基础资料和依据。 ( 2 ) 对济南市城区不同材质的屋顶或路面雨水进行收集并对其水质进行分析研究。 包括对雨水径流水质的个别指标之间存在的相关关系进行分析并且进行了降雨径流对 c o d 、s s 、t n 、t p 和氨氮的冲刷曲线拟合和冲刷规律的主要影响因素的研究，作为城 市雨水利用潜力分析的前提。 ( 3 ) 济南市城区雨水利用潜力分析，并且以山东建筑大学教授花园为例具体分析了 其雨水利用潜力。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章城市雨水利用的研究 2 1 雨水及城市雨水利用的概念 广义的雨水即指降水，它包括大气中以各种形式降落到一定区域地面上的液态水和 固态水。对某一特定区域而言，大气降水是地表水资源、土壤水资源和地下水资源的总 补给来源，因此，可将大气降水作为特定区域的总水资源。降水一部分形成河川径流， 通过水平方向的流动排泄到区域外；另一部分以蒸发的形式通过垂直方向回归大气。人 类实现对降水的调控利用，可以通过地表、土壤和地下调蓄进行，即减少垂直方向的蒸 散和控制水平方向的流出。当雨水作为一种用来满足人们生活、生产及生态环境需要的 物质资料时，就称为雨水资源。采用人为的措施调控和应用雨水资源就是对雨水的利用。 雨水利用是一个含义非常广泛的词，从城市到农村，从农业、水利电力、给水排水、 环境工程、园林到旅游等许许多多的领域都有雨水利用的内容。城市雨水利用可以有狭 义和广义之分，狭义的城市雨水利用主要指对城市汇水面产生的径流进行收集、调蓄和 净化后利用。广义的城市雨水利用是指在城市范围内，有目的地采用各种措施对雨水资 源进行保护和利用，主要包括收集、调蓄和净化后的直接利用；利用各种人工和自然水 体、池塘、湿地或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化和利用，改善城市水环境和生态环 境；通过各种人工或自然渗透设施使雨水渗入地下，补充地下水资源【1 0 1 。城市雨水利用 的基本原则是在综合评价城市可利用雨水资源量的基础上，考虑在技术上可行，经济、 社会、生态环境综合效益最大的前提下，尽可能采取工程措施，宏观调控利用雨水资源， 有效地进行雨洪控制，尽可能减小城市防洪排涝负担，最大程度地减轻城市雨洪灾害的 损失，同时降低过度开发雨水资源造成的负面影响【1 1 1 。 2 2 城市化的发展及影响 2 2 1 概述 2 0 世纪是城市化的世纪，全球的城市化经历了一次快速发展的过程。1 9 5 0 年，全球 的城市化水平为2 9 8 ，1 9 7 5 年上升到3 7 9 ，2 0 0 0 年则为4 7 2 ，本世纪的头几十年， 在全世界6 0 亿左右的人口中，将有半数以上生活在仅占大陆面积5 的城市范围中。预 计到2 0 3 0 年，全球的城市化水平将达到6 0 2 【1 2 1 。1 9 9 6 年，联合国在斯坦布尔世界首 山东建筑大学硕士学位论文 脑会议上提出，2 1 世纪是城市的世纪。城市化，是人类共同关注的主题1 13 1 。中国城市的 飞速发展更是吸引着全世界的目光。目前我国已有城市6 6 8 个，有2 0 0 个城市在原来小 城镇的基础上迅速发展成为中等城市。在2 0 2 0 年之前，我国将延续改革开放2 0 年来城 市化进程的快速势头，2 0 1 0 年城市化率3 7 2 1 ，2 0 2 0 年以后城市化率达到4 2 8 8 ，2 0 2 0 年以后城市化加速的进程趋缓，2 0 3 0 年城市化率达到4 8 2 6 ，2 0 5 0 年城市化率达到 5 7 8 0 t 1 4 1 。 城市化的发展直接或间接地改变着水环境，影响城市居民的生活质量和社会福利， 主要表现为三个城市水文问题( 图2 1 ) h p 城市水资源紧缺、城市水资源污染和城市减缓雨 洪灾害问题。 城市化 人口密度增长il 建筑物密度增长 污水量增加ii 需水量增加 排水系统改善 城市水资源紧缺问题ih 城市气候改变 城市雨洪水水质恶化 蔷嘉黧i鬯i回归量减少l 一 当地径流水质恶化ii 基流量减少ii 洪峰流量增加li 水流速度加快 城市污染控制问题城市减缓雨洪灾害问题il 洪水滞时和历时缩短 图2 1 城市化发展带来的三个主要城市水文问题 城市化规模的不断扩大，首先导致城市水资源紧张的地区引水。由于大量抽取地下 水，形成了地下水漏斗，并同时引起地面沉降。据初步统计，截止到1 9 8 3 年底，我国北 方平原区已形成浅层地下水漏斗4 0 多个，漏斗总面积达1 5 万k m 2 ，漏斗中心地下水位 埋深1 0 - j , o r a ，地下水位平均年下降率为o 3 3 4 m a 。其次随着城市化人口大量增加和工 山东建筑大学硕士学位论文 业生产规模化，污水量大幅度增加，造成城市周围水域的污染，使水质恶化。据全国18 4 5 个城镇统计，1 9 8 0 年排放的废污水量达到3 1 5 亿m 3 ，其中9 0 以上的污水不经任何处 理就直接排入受纳水体。我国环保部门十几年的资料统计说明，污水排放量是以7 9 的 增长率逐年加大，水污染情况越来越严重【1 5 】。 2 2 2 城市化对降雨的影响 从降水过程看，自然条件下的降水直接降落到地面，包括水面、地表、植物冠层； 而城市覆盖区，降水多降落到硬化的路面、广场、屋顶，接受降水的覆盖条件发生变化。 印度的k h e m a n i 和叫1 q 曾对孟买地区雨季降水量作过分析：该地区共有五个雨 量站，其中两个位于非城市化的郊区，其余三个位于城区，以1 9 4 0 年底为界限，作为城 市化前后的两个时期，分别给出了各站城市化后雨季降水量的相对增量( 表2 1 ) ，表中综 合考虑气候因素和地理地形因素的作用，城市化的增量应为2 3 6 2 2 m m ，以城市化前本 区平均雨季雨量2 1 2 3 4 4 m m 计算，则相对提高了1 1 。1 。 表2 1 城区和非城区在城市化前后雨季平均降雨量及其增量表 对比时段不同时期雨季的平均降雨量 臌酾量。耋= 二。：= 三 城市化后的雨季 平均降水增量 ( m m 各站a l i b a g 1 9 6 8 52 0 7 2 6 41 0 4 1 4 非城区pan2 7 1 0 1 82 9 8 1 9 62 7 1 7 8 全区平均 2 3 3 9 3 42 5 2 7 318 7 9 6 山东建筑大学硕士学位论文 表2 2 济南市不同发展时期的降雨量 济南市不同发展时期平均降雨量( m 咖随着济南市城市化速度加快降雨量趋势 济南市黄 台桥雨量 站 1 9 5 2 1 9 6 l 1 9 6 l 1 9 7 2 1 9 7 3 1 9 8 2 1 9 8 3 1 9 9 4 1 9 9 5 2 0 0 5 6 4 4 3 6 9 0 6 7 0 4 7 6 8 8 4 7 1 1 1 7 2 0 7 0 0 6 8 0 6 6 0 6 4 0 通过对济南市不同发展时期降雨量的对比( 表2 2 ) 可以看出，随着城市化程度加快， 济南市的降雨量呈现上升的趋势。另外，城区降水较周边郊区明显增岁1 刀。以城区黄台 桥站与同纬度的外围站城区以东的埠村站及城区以西的长清站为例，三站地形条件相似， 两站均距市区4 0 k m 左右，而降水量相差较大。由1 9 5 2 1 9 8 1 年计算多年平均降水量： 黄台桥站6 8 2 m m ，埠村站为6 4 7 m m ，长清站则为6 1 8 m m ，黄台桥站分别比埠村站多了 5 4 ，比长清站多1 0 4 。 2 2 3 城市化对径流形成的影响 当土地开发为城市用地时，这个地区便从自然状态转化为人工状态，从而导致建筑 密度增加；流域中不透水面积加大；在相同降雨量的情况下，造成城市地区产生的径流 量要比非城区大得多。而且城区中雨水管道的敷设及天然河道的改变使雨水流向排水管 网更为迅速，以致于雨洪水汇流速度加大且蓄水能力减弱。当建筑物覆盖面积达到1 0 0 时，地表的天然植被和下渗接近于零。 图2 2 是两个极端的例子：一个是自然流域，另一个是完全城市化流域。在自然流 域内，部分降水被植被拦截，而其余部分经填洼、下渗，在植被和土壤含水量达到饱和 时，超渗雨就形成地表径流，壤中流也就开始流动。由于壤中流比地表径流慢，所以壤 中流汇入到河道的时间较长。在城市化流域内，因填洼和下渗几乎减少到零。相对地说， 地表径流产生较快，使降到城市流域的雨水很快填满洼地后形成地表径流。 山东建筑大学硕士学位论文 自然流域( 城市化前) 1 0 0 不透水的城市流域( 城市化后) 图2 2自然流域与城市化流域比较图 r o b e , s 和k l i n g e m a n ( 1 9 7 0 ) 作过相关试验，研究了透水面积为o 、5 0 和1 0 0 在 相同降雨强度情况下流量过程线的变化。其结果表明，随着透水面积的减少，涨洪段变 陡，洪峰滞时缩短，退水段历时亦减少( 图2 3 ) 。 囹2 3 透水面积为o ，5 ，1 0 0 的流量过程线比较图 研究了城市地区洪水流量后可得出，在城市化进程中的地区，其单位线的变化为： 城市化后单位线的洪峰流量约等于城市化前的三倍，涨峰历时缩短1 3 ；暴雨径流的洪峰 流量预期可达未开发流域的2 - , 4 倍，取决于河道整治情况，不透水面积的大小、河道植 被以及排水设施等【l s l 。 就济南市而言，济南建成区扩大后，区域内街道、楼房等不透水或微透水地面面积 山东建筑大学硕士学位论文 增加。据调查，1 9 9 9 年济南市建成区的不透水面积达到9 9 k m 2 ，不透水率为7 5 ，建成 区范围内径流系数明显增大。1 9 9 1 1 9 9 3 年汛期径流系数三年平均值为o 6 2 ，最大次降 雨径流系数可达o 8 2 ，1 9 6 0 1 9 6 5 年间最大次降雨径流系数仅为0 4 1 t 1 9 1 。 2 2 4 城市化对洪水的影响 洪水对城市化程度很敏感。图2 4 所示的是位于英国东南部面积为4 7 k i n 2 的 h a z e l w i c kr o u n d a b o u t 流域g r a n t e r sb r o o k 站的年最大洪峰流量。图2 4 b 表示在相应资 料记录年限内，随着城市化的发展，其不透水面积的增长情况。最大的一些年洪峰比较 明显的集中在记录时段后半段，即当不透水面积超过2 0 以后。美国t u c s o n 市所在的 s a n t ac r u z 河洪峰流量系列也有相似的情况。t u c s o n 市自1 9 6 0 年开始有较大的发展，由 s a n t ac r u z 河1 9 1 5 1 9 8 5 年的7 0 年洪峰流量年极值系列可以看出，以1 9 6 0 年为分界的 前后两段时期洪水特性有明显变化，7 0 年间出现的七次最大洪峰中，有6 次发生在1 9 6 0 年以后的2 4 年里( 图2 5 ) 。 对比分析济南市1 9 5 6 年6 月2 1 日与1 9 9 1 年7 月2 8 日洪水过程，两次洪水降雨量 分别为5 3 2 m m 和5 7 m m ，前期雨量也相近，而洪水过程则差异较大。1 9 9 1 年洪水径流 系数和洪峰明显增大，洪峰滞时明显减小，据计算两次洪水的洪峰相差1 6 倍，洪水量 相差2 1 倍，洪峰滞时相差s - g u t l 9 1 。也可以从济南市1 9 6 2 年7 月与1 9 8 7 年8 月两次特 大暴雨洪水流量过程线( 图2 6 ) 看出，两次洪水洪峰相差2 倍，洪水量相差1 4 倍，行洪 历程相差2 0 h t 2 0 1 。可见，随着济南市城市化进程的加快，导致济南市地面的渗透性，滞 水性发生了很大的变化。一旦发生降雨，用于植物截流和填洼、下渗的雨水损失量大幅 减小，径流系数明显增大。导致雨洪的径流量和洪峰流量变大，洪峰峰值提前出现，行 洪历程偏短，洪水流量大幅度增加，给人们的生命财产带来巨大威胁。 )o ， i , lllill lil i 釜釜墨晷晷耋量吾晷晷萋堇誊呈誊襄量器誉譬 年量 图2 4 g r a n t e r sb r o o k 站的年最大洪峰流量和不透水面积 山东建筑大学硕士学位论文 年量 图2 5 桑塔克鲁茨河年最大洪峰流量图 图2 6 黄台桥“6 2 7 ”8 7 8 ”洪水流量过程线 ( 数据资料来源：山东省水文总站) 图2 7 城市化与城市雨水利用的关系图 山东建筑大学硕士学位论文 2 3 城市化与城市雨水利用的关系 城市化导致了城市水资源匮乏、河川基流量减少、洪峰流量增加、生态系统恶化、 水环境恶化、城市气候恶化等问题，对城市水循环和城市水环境构成威胁。城市化发展 中不透水面积的增加，短期内雨水在地面上过剩，很容易导致洪涝灾害【2 1 1 。城市化引发 的诸多问题使城市雨水利用显得更加迫切，城市雨水利用能有效地解决城市化进程中的 水问题，促进城市水资源的可持续利用和城市健康发展。城市化与城市雨水利用的关系 ( 图2 7 ) 【2 1 】。 2 4 国内外雨水利用的研究综述 2 4 1国外雨水利用的研究 世界上大多数国家的雨水利用都是走过了大规模使用t 舡一再度兴起的过程。早在 公元前6 0 0 0 多年的阿兹泰克和玛雅文化时期，那时人们已把雨水用于农业生产和生活； 在墨西哥、秘鲁和南美的安第斯山脉上，建有大片梯田和数百公里渠道，供应数十万印 加人生活【2 2 】；到了4 0 0 0 年前，中东、阿拉伯以及北非就出现了用于灌溉、生活、公共 卫生等的雨水收集系统，阿拉伯人汇集雨水以保障农业，曾以罗马帝国的粮仓著称。内 盖夫沙漠中，雨水是唯一的水源，年降雨量仅t o o m m ，阿拉伯闪米特部族的纳巴泰人却 创造了径流收集系统用于农业种植并建立了一系列城市，成就了灿烂一时的沙漠文明。 印度和斯里兰卡，早在公元前就修建了一系列小型阶式池塘在丰雨季节蓄水，供缺水季 节使用【2 3 1 。随着人口、人均用水量的增加和水资源过度开发，无污染的雨水利用技术又 日益被人重视，2 0 世纪8 0 年代雨水集流系统得到迅速的发展，主要是提供农村生活、 灌溉庭院作物和部分农田以及有些地区补充城市用水。各国根据自身的社会、经济和科 技发展情况，因地制宜地发展集雨设备、蓄水设施和利用设备等。 日本是亚洲重视城市雨水利用的典范，十分重视环境、资源的保护和积极倡导可持 续发展的理念。日本城市雨水利用主要有三种方式：调蓄渗透；调蓄净化后利用；利用 人工或天然水体( 塘) 调蓄雨水，提供环境用水和改善城市、住区和公园等场所的水生态 环境。三种方式都有很多成功的实例。如东京、富冈、大阪和名古屋大型棒球场的雨水 利用系统，集水面在1 5 万m ? ，蓄水池容积1 0 0 0 - 2 8 0 0 m 3 ，经过砂滤和消毒后用于 冲洗厕所和绿化，每个系统年利用雨水量在3 万m 3 以上【2 4 】。在2 0 世纪6 0 年代，日本 山东建筑大学硕士学位论文 开始收集路面雨水，7 0 年代建筑集流面收集雨水，采用各种渗透设施截流雨水或收集利 用，做了大量的研究和示范工程，并纳入了国家下水道推进计划，在政策和资金上给与 支持【2 5 】。目前，在东京都，已经有8 3 的人行道采用了透水性柏油路面。雨水通过透水 性柏油路面入渗到地下，经过收集系统处理后加以利用。此外，据统计，日本已拥有利 用雨水设施的建筑物1 0 0 多座，屋顶集水面积达2 0 多万i n 2 。还有一些精明的日本商人 向阿拉伯联合酋长国出1 ：3 雨水，并且其出口量正在逐年扩大中1 2 6 。 德国是雨水利用最出色的国家，1 9 8 9 年德国就出台了雨水利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) ， 经过十几年的完善，到本世纪初，德国已形成“第三代”雨水利用技术及相关的新标准 【2 4 】。目前德国利用公共雨水管收集雨水并经简单的处理后达到杂用水水质标准，可用于 街区公寓的厕所冲洗和庭院浇洒，部分地区利用雨水可节约饮用水达5 0 2 7 】。另外，规 定在新建小区之前均要设计雨水利用设施，否则政府将征收雨洪排放费及设施劐2 8 j 。现 今德国已经形成了一整套较为成熟的雨水资源利用的实用性技术、行业标准和管理条例。 德国的城市雨水利用方式主要有三种：一是屋面雨水集蓄系统，收集的雨水主要用于家 庭、公共场所和企业的非饮用水。二是雨水截污与渗透系统，道路雨水通过下水道排入 沿途大型蓄水池或通过渗透补充地下水。三是生态小区雨水利用系统，小区沿着排水道 建有渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。超过渗透能力的雨水则进入雨 水池或人工湿地，作为水景或继续下渗【2 9 1 。目前，柏林等一些城市已将城市雨水利用和 城市环境、城市生态建设等结合起来建成了一批各具特色的生态小区雨水利用系统【3 0 】。 在英国，蓄水地面系统可把局部地域内收集到的雨水径流，用人工方式贮存起来， 成为城市中水道的重要水源，提供人们生活所需的部分杂用水，缓解城市水资源危机。 如在英国诺丁汉有一个青年旅行社，人们在建筑物附近地面采用“蓄水地面 ，利用人行 道、车道、停车场的地下空间，贮存、截留雨水，即在具有一定强度的多孔、可渗的路 面下依次铺设砾石层、土工织物，以干净的碎石等蜂窝状材料作为基底蓄水层，并用土 木工程中使用的透水性很小的高聚物薄膜- 土工膜将结构包围起来，贮水量可达1 0 0 l m 2 ，收集的地面雨水与屋面雨水一起成为建筑物内中水道的水源，用于厕所冲洗【3 1 1 。 丹麦9 8 以上的供水是地下水【3 2 1 ，但是目前的地下水开发利用率除了在哥本哈根市 周围的地区外，都小于1 j 一些地区的含水层已经被过度开采。为此丹麦开始寻找可替 代水源，以减少地下水的消耗。为解决这一问题，在城市地区的人们将收集到的雨水经 山东建筑大学硕士学位论文 过预过滤设备后储存到贮水池，使用时通过浮筒式过滤器过滤后用于冲洗厕所或洗衣服。 从丹麦屋顶收集的雨水每年可达到2 2 9 0 万m 3 ，相当于目前饮用水生产总量的2 4 。 另外，目前世界的其他一些国家如比利时、荷兰、美国、新加坡等也在雨 水利用方面有着各自的特色，在此不再一一列举。由于国外这些国家的雨水利 用在法律、法规和技术等方面都比较成熟，应用程度也极为广泛、普遍。所以，他们的 经验和方法，对我国城市雨水资源化进程具有借鉴意义，值得我们学习、研究。 2 4 2 国内雨水利用的研究 雨水利用是一项古老而又有巨大潜力的技术，在我国有悠久的历史。早在4 0 0 0 年前 的周朝，农业生产中就利用中耕等技术增加降雨入渗，提高作物产量。到了2 7 0 0 年前春 秋时期，黄土高原地区己有引洪漫地技术。秦汉时期在一些地方修建涝池塘坝拦蓄雨水 进行灌溉；水窖修筑历史也有6 0 0 多年【3 3 1 。2 0 世纪6 0 年代，人们创造出了鱼鳞坑、隔 坡梯田等就地拦蓄利用技术【蚓。与此同时，水窖集蓄雨水技术在北方得到普遍应用，但 由于当时集流系统研究条件的限制和管理体制的问题，常常是有窖无水，以后逐年被雨 水泥土淤积，最终报废【2 3 1 。 进入9 0 年代以来，利用雨水资源的热潮在我国各地再次兴起，