（市政工程专业论文）城市雨水资源化利用研究.pdf

城市雨水资源化利用研究 摘要 随着中国经济和城市化的快速发展，城市的数量不断增加，规模不断扩大， 城市人口和经济活动高度集中，导致城市水资源日趋紧缺，城市下垫面条件也 在不断变化，不透水面积的扩大，引起雨洪径流系数增大、径流量增加、城市 滞水历时缩短，大量雨水径流通过排水管网短时间内集中排泄到河道，加大了 城市河道行洪压力以及合流式排水管网的排水压力，使河道洪峰峰值增高和峰 现时间提前，致使城市洪涝灾害问题日益突出。另外对于雨洪资源，我们应当 给予足够的重视，雨洪资源的合理开发利用可以实现目标节水、水资源涵养、 控制城市水土流失和水涝，减轻城市排水和水处理系统的负荷，减少水污染， 补给地下水，缓解地面沉降等一系列城市化所带来的三大水问题，即水资源短 缺、水环境污染、城市洪涝灾害。可以说充分利用城市雨洪资源是解决中国城 市洪涝灾害、干旱缺水及城市水环境污染，实现城市可持续发展的保证因素。 论文在广泛查阅有关国内外城市雨水资源利用的文献资料基础上，对城市 雨水资源化的基本理论和体系进行分析与研究，主要包括城市化对城市水文和 城市生态环境的影响，城市雨水资源化的概念特点以及与城市发展的关系，国 内外城市雨水资源利用现状以及最新的研究技术成果，并且系统阐述了当前城 市雨水资源利用的关键技术。 城市雨水资源开发利用的第一步，即对城市雨水资源开发利用潜力进行分 析评价，其结果决定雨水资源化的可行性和合理性。利用中国学者赵克勤1 9 8 9 年提出的不确定性分析方法一集对分析法，提出了基于集对分析的区域雨水资 源开发利用潜力综合评价，从雨水资源在城市生活用水、农业灌溉和工业等方 面所占的比重，客观地评价了城市实施雨水资源开发利用的潜力。 城市雨水资源利用的另一个关键部分，并且在水资源预测、水文预报中经 常需要首先进行的就是城市降雨量预报。提出了基于集对分析的降雨量预测及 其应用，利用集对分析相似预测原理将历年降雨量构成集合，从同、异、反三 方面定量刻画降雨量样本集合的相似性，找出多个最相似的历史样本，然后用 反映各种滞时降雨量之间关系强弱的自相关系数加权平均得到当前降雨量的预 测值。 关键词：城市雨水资源化；集对分析；城市化；潜力评价；降雨量预测 s t u d i e so fu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n a b s t r a c t a sc h i n a se c o n o m ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，t h ei n c r e a s i n g n u m b e ro fc i t i e s ，e x p a n d i n gt h es c a l eo ft h eu r b a np o p u l a t i o na n de c o n o m i ca c t i v i t y i sh i g h l yc o n c e n t r a t e d ，l e a d i n gt oas e r i o u ss h o r t a g eo fu r b a nw a t e rr e s o u r c e s ， u r b a nu n d e r l y i n gs u r f a c ec o n d i t i o n sa r ec o n s t a n t l y c h a n g i n g ，i m p e r v i o u sa r e a e x p a n s i o nc a u s e db yr a i n w a t e rr u n o f fc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，r u n o f fi n c r e a s e s ，u r b a n s t a g n a n tw a t e rl a s t e ds h o r t e r ，al o to fr a i nr u n o f ft h r o u g ht h es e w e rd i s c h a r g ei n t o t h er i v e rw i t h i nas h o r tt i m et of o c u sa n di n c r e a s ep r e s s u r eo nt h ec i t ya sw e l la st h e c o n f l u e n c eo fr i v e rf l o o d - t y p ed r a i n a g en e t w o r kd r a i n a g ep r e s s u r eo nt h er i v e rc r e s t o fp e a ki n c r e a s e da n dt h ep e a ki sn o wa h e a do fs c h e d u l e ，r e s u l t i n gi nu r b a n f l o o d i n gp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t i na d d i t i o nt or a i n w a t e r r e s o u r c e s ，w es h o u l db eg i v e na d e q u a t ea t t e n t i o na n dr a i n f a l lr a t i o n a ld e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sc a na c h i e v ei t so b je c t i v e st os a v e w a t e r , w a t e r c o n s e r v a t i o n ，t oc o n t r o ls o i le r o s i o na n dw a t e rl o g g i n g ，t or e d u c et h el o a do fu r b a n d r a i n a g e ，w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m sa n dw a t e rp o l l u t i o n ，r e c h a r g eg r o u n d w a t e r ，t o e a s eas e r i e so fg r o u n ds u b s i d e n c ec a u s e db yu r b a n i z a t i o n ，t h et h r e em a jo rw a t e r i s s u e s ，n a m e l y ，w a t e rs h o r t a g e ，w a t e rp o l l u t i o n ，u r b a nf l o o d i n g t h a tc a nb es a i dt o m a k ef u l lu s eo fu r b i a nr a i n w a t e rr e s o u r c e st os o l v ec h i n a su r b a nf l o o d s ，d r o u g h t s ， w a t e rs h o r t a g e sa n du r b a nw a t e rp o l l u t i o na n da c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c i t i e st oe n s u r et h ef a c t o r s i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ct h e o r ya n ds y s t e ma n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nu r b a n r a i n w a t e rr e s o u r c e sb a s e do naw i d er a n g eo fa c c e s st oi n f o r m a t i o na b o u td o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s ，m a i n l yi n c l u d i n g u r b a n i z a t i o no nu r b a nh y d r o l o g ya n du r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h ec o n c e p t a n dc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nr a i n w a t e rr e s o u r c e sa sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n w i t hu r b a nd e v e l o p m e n t t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s o u r c eu t i l i z a t i o ns t a t u so f u r b a nr a i n w a t e r , a sw e l la st h el a t e s tr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t s ，t h e f i n a ls y s t e md e s c r i b e di nt h ec u r r e n tu s eo fr a i nw a t e ru t i l i z a t i o nk e yt e c h n o l o g i e s t h ef i r s ts t e po fu r b a nd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h er a i n w a t e rr e s o u r c e s i sa n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fp o t e n t i a lo ft h er a i n w a t e rr e s o u r c e s ，a n dt h er e s u l t s d e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fr a i n w a t e rr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e d b yc h i n e s es c h o l a r sz h a ok e q i n19 8 9u n c e r t a i n t ya n a l y s i s - - s e tp a i ra n a l y s i s ， i sp r o p o s e db a s e do ns e tp a i ra n a l y s i so fr e g i o n a ld e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f i i r a i n w a t e rr e s o u r c e sp o t e n t i a lo fac o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n to fr e s o u r c e si nu r b a n l i f ef r o mt h er a i nw a t e r ，a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n di n d u s t r i a la r e a st h ep r o p o r t i o no f o b je c t i v ee v a l u a t i o no ft h ei m p l e m e n t a t i o no fu r b a nd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f r a i n w a t e rr e s o u r c e sp o t e n t i a l a n o t h e rk e yp a r to fu r b a nd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h er a i n w a t e r r e s o u r c e sa n df o r e c a s t i n go fw a t e rr e s o u r c e s ，h y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n gi so f t e n n e c e s s a r yt of o r e c a s tu r b a nr a i n f a l l t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea n a l y s i so fr a i n f a l l p r e d i c t i o na n di t sa p p l i c a t i o n sb a s e do ns e tp a i ra n a l y s i s s e tp a i ra n a l y s i sm e t h o d c a nb eu s e dt oq u a n t m c a t i o n a l l yc o m p u t et h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h en o n c ea n d h i s t o r yc o l l e c t i o n sf r o mt h ev i e w so fi d e n t i c a l ，d i s c r e p a n ta n dc o n t r a r ys i d e s ，t h e m o s ts i m i l a rs a m p l e sr e g a r dt h es t a n d a r d i z e ds e l f - c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa s w e i g h t sw h i c hr e f l e c t st h er e l a t i o n s h i p so ft h en o n c ea n dh i s t o r yr a i n f a l l ，t h e ng e t t h ef o r e c a s t k e yw o r d ：u r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ；s e tp a i ra n a l y s i s ；u r b a n i z a t i o n ； p o t e n t i a le v a l u a t i o n ；r a i n f a l lf o r e c a s t i i i 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 插图清单 城市化的水文效应10 城市化前后的雨洪过程对比1 1 地面蓄水池2 0 地下砾石蓄水2 l 雨水渗透利用2 3 表格清单 表2 1 北京市城市中心区与郊外平原区水量特征值比较1 1 表2 2 国外雨水资源利用管理体系1 8 表2 3 北京市2 0 0 0 年2 5 场雨实测资料2 0 表3 1 宜昌1 9 5 2 2 0 0 7 年夏季( 6 8 月) 降雨量2 8 表3 2 集合符号量化处理和预测指标值2 8 表3 3 宜昌2 0 0 3 2 0 0 7 年夏季( 6 8 月) 降雨量实测、预测结果2 9 表4 1 不同地区初始数据表3 4 表4 2 综合评价指标分级值3 5 表4 3 不同地区评价因素的指标值3 5 表4 4 各个评价指标对各个评价区域的联系度及其加权均值3 6 n 独创性声明 本人声明所薯交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究j ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注雨i 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥目巴：! ：些厶堂或其他教育机构的学位或证1 5 而使川过的材料。与我一同 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴敝慵戤：嘴 解醐：圳啤，乩相 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴l ：些厶堂有关保留、使州学何论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印什利磁蒹 ：，允汁论文彼奄阅和借阅。本人授权金日巴! ：些厶堂可 以将学何论文的伞部或部分内窬编入有天数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适朋本授权书) 学位论文作者签名： 沌嫦 签字日期：钆枷年岁月，9 日 学位论文作者毕业后玄向： i ：作单位：彳k 吐 通讯地址： 导师签名：金匀宦 签字日期：2 “o 年f 月一日 电活：“蹬，罗7 驺1 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢我的导师金菊良教授在论文写作过程中给予本 人的无私帮助和悉心指导。攻读硕士学位期间，在学习、工作、生活各方面都 得到了他无微不至的关怀和帮助，论文从选题、研究方法的确定、具体工作的 开展、小论文的修改发表及本文最后的撰写等各个环节，都无不浸透着导师金 菊良教授大量的心血和汗水。金菊良教授深厚的学术造诣、严谨求实的治学精 神、宽广的胸怀、诲人不倦的美德以及对学术研究前沿问题敏锐的洞察力，都 将对我以后的学习和生活产生深远的影响，使我受益终生。在此，我向他表示 最崇高的敬意和最真诚的感谢! 衷心地祝愿金菊良教授在以后的工作和生活中 身体健康、万事如意! 感谢我的家人和朋友在我硕士三年期间对我的支持和鼓励，是他们物质和 精神上长期以来对我无私的帮助和照顾，才使得我能够全身心地投入到本文的 写作过程当中，并取得了一个又一个的进步。在此，我对他们表示衷心的感谢! 感谢同f - 12 0 0 7 级的程亮、蒋尚明、周铖和朱海涛同学以及其他兄弟姐妹们 长期以来对本人的支持和帮助。在此，向他们表示最衷心的感谢并送上最良好 的祝愿! 感谢安徽省优秀青年科技基金项目( 0 8 0 4 0 1 0 6 8 3 0 ) ，中国气象局成都高原 气象实验室基金项目( l p m 2 0 0 8 1 8 ) 专题对本文工作的支持! 衷心感谢本文引用的所有参考文献的作者，以及即将为本文的审阅付出辛 勤劳动的各位专家，衷心感谢他们为本文所付出的辛勤劳动! i v 作者：沈瑞 2 0 1 0 年4 月于合肥 第一章绪论 1 1 问题的提出 城市一人类社会物质、精神文明的生产、聚集中心，是人类文明发展和技 术进步的产物，2 0 世纪8 0 年代，改革开放之后，中国现代化工业、商业、文 化和经济飞速发展，城市化成为社会经济发展的一大主题，是世界发展的趋势， 也是现代化建设的重要标志。社科院2 0 0 9 年1 2 月2 1 日发布的社会蓝皮书： 2 0 1 0 年中国社会形势分析与预测，预测明年我国城市化水平将达到4 8 ，2 0 1 2 年或2 0 1 3 年将超过5 0 的结构转换临界点，并在2 0 15 年达到5 3 左右。目前 中国的城市数量己增加到6 6 0 多个，城市规模逐渐扩大，城市地区的经济对国 内生产总值的贡献率已经超过7 0 ，全国城镇人口达到5 4 亿，城市人口占总 人口的3 0 左右，预计到2 0 2 0 年前后可达到5 0 6 0 。根据公家统计局所 提供的数字显示，中国的地级市数量经过1 9 9 0 到2 0 0 1 年这1 1 年的发展，从 1 8 8 个迅速增加到2 6 9 个，城市覆盖面积达到4 0 8 9 万k m 2 。 伴随中国经济的快速发展，城市化道路步伐的加快，城市规模不断扩大， 人工构筑物不断增加，城市人口高度密集，用水量倍增，在换来城市美化的同 时却造成水生态环境的不断恶化，还伴随诸如内河水系萎缩、河湖富营养化、 水质恶化等许多水环境问题，城市水生态系统的不断衰退，势必造成人居环境 品味不断下降。总结起来，城市化对城市水生态系统的影响主要表现在三大城 市水问题，即水资源短缺、水环境污染、城市洪涝灾害。这三大水问题严重制 约着城市的发展。 长期以来，由于中国城市防洪标准不高，洪涝灾害问题至今仍然困扰着我 们。特别是近年来随着城市的快速发展和规模的扩大，城市下垫面发生大幅度 改变，直接导致产流过程的大幅度变化，原来较低标准的防洪设施已经远不能 满足城市要求。同时，城市建筑和道路建设挤占河道，而排水设施却没有进行 完善，于是造成内河水系行洪不畅，给城市防洪排涝带来巨大压力，加剧城市 洪涝灾害的频繁发生，威胁着人们正常的生产、生活安全。据全国水环境质量 公报统计，中国城市河流8 0 以上存在水体黑臭、水质严重恶化现象，水质均 低于v l 类水质标准。另外，城市人口密集，生活污水、工业废水排放量急剧增 加，许多城市的生活垃圾和生产废物便直接倾倒入城市内河、暴雨径流也是不 加处理的直接排入水体，高污染程度的初期雨洪径流，直接导致河流的非点源 污染，加剧了城市河湖水体水质恶化，导致城市水生态环境恶化及其功能退化。 目前的城市规划建设中，仅注重高楼大厦的建设，却忽略了城市水生态环境的 保护，城市水面面积的减少，直接导致调节气候的作用消失，加剧了城区“热 岛”、“雨岛”等效应。 解决城市水资源短缺和洪涝灾害两大城市水问题的关键就是降水，如何处 理好降水资源的收集利用，不仅可以解决城市日渐紧缺的水资源短缺问题，而 且可以有效防范城市洪涝灾害。可见对于人均水资源量仅占世界人均水量1 4 的中国，雨水资源应当引起人们的重视。但是中国多数城市还没有将雨水作为 一种资源进行有效收集利用，也没有将其作为城市排水规划的指导思想。仅有 局地城市和大中城市在雨水资源利用方面做出一些探索和研究。如中国的北京、 上海、大连、哈尔滨、西安等一些城市相继开展研究，目前显示出良好的发展 势头。 中国年降水量的分布规律：由东南沿海向西北内陆逐渐减少，在民族地区 大于1 6 0 0 毫米的降水量带，有广西、云南、海南、西藏的一部分和湘西、鄂西 地区，其中广西、云南、海南的一些山地以及西藏东南喜马拉雅山东南坡，年 降水量可达2 0 0 0 毫米以上。中国地区降水的季节分配，主要集中在夏季( 6 8 月) ，在东部季风区，随着夏季风向北扩张，愈往北或愈深入内陆，雨量愈加 集中。北方夏季降水量占全年的6 5 7 5 ，而南方不到5 0 。降水量的年际变 化大是季风气候的一个特点，每年季风时间的迟早和雨带在某一地区停留时间 的长短都使得每年的降水量出现差异。一般说来，降水量多的地区，降水的年 际变化较小；反之，变化就大。中国降水变化最小的地区在云南南部，全国降 水变化最大的是西北干旱地区，如塔里木盆地和柴达木盆地，而吐鲁番盆地降 水变化最大，为全国之冠。西北干旱地区的降水不仅变化大，而且多暴雨。降 水在时间和空间上的分配不均从客观上导致了“水少”和“水多，但是更多 的人为因素使城市水资源短缺和洪涝灾害两方面水问题更加复杂和矛盾。 水资源作为基础性的自然资源和战略性的经济资源，已经成为保障经济社 会可持续发展、提高人民群众生活质量、维护社会稳定和国家安全的必要条件， 因此水资源的可持续开发利用尤为重要，进行城市雨水资源化研究正是将水资 源可持续发展的内涵融入到城市可持续发展的理念之中，从人与自然和谐相处 的角度，转变治水观念，更加适应自然资源和生态环境的可持续发展需求。因 此，如何在城市发展建设中有效的利用城市降水资源，缓解城市水资源紧缺和 洪水灾害的局面，就成为了一项亟待解决的问题。 1 2 城市雨水资源化研究动态 ( 1 ) 城市水文学 目前运用于城市雨洪的常用计算方法，包括有推理公式法、单位线法、等 流时线法等【2 】，应用较为广泛的是推理法，方法较为简单，只需考虑计算点的 汇水时间；城市雨水汇流计算常用方法中，等流时线法和单位线法应用广泛， 前者根据流域形状和管渠分布划分，后者多采用j e n a s h 提出的瞬时单位线， 但单位线的参数须由实测降雨径流资料反推来确定，并在地区综合后才能用于 无资料流域，对于实测径流资料少的中国城市，应用该方法困难。非线性水库 演算法在城市地表管渠雨水汇流中也有一些应用。然而随着城市化水平的不断 提高，下垫面条件的大幅度改变，城市防洪和水环境保护问题日渐突出，当前 2 的城市水文学应当向更深的层面深入研究，从大型城市化地区的产、汇流特性 出发，模拟有压流、回水、超载、倒流等水力现象及复杂管网系统，为城市排 水设施的布置、设计、安装提供依据【3j 。 ( 2 ) 城市雨洪模型 城市雨洪模型，或者城市水文模型，是指针对不同的条件，根据城市地区 的降雨径流规律，利用现代水文水力知识，通过数学方法模拟城市雨洪径流的 特性，从而对城市地区水系统构筑物的的规划、设计分析和运行等有关问题做 出较好的决策。所研究的这些模型应当在可接受的精度范围内复制出各种现实 情况下雨洪排水系统的基本特性，这是难点所在【45 1 。雨洪模型通常分为三类【6 】， 即以经验公式为基础的城市水文模型，以现代流域水文模拟为基础的城市水文 模型及城市水质模型。 美、英、法、德等发达国家从上世纪六十年代起就已经开展城市雨洪模拟 技术方面的研究，国外城市雨洪管理模型综合考虑了城市排水、防洪、环境治 理、交通运输、工程管理等各方面的要求，七十年代初提出的几种通用城市雨 洪模型，在其后的实际应用与深入研究中得到完善，目前这些模型已广泛应用 于雨水管道系统的规划、设计和管理。模型主要包括【57 】：美国环保局的暴雨雨 水管理模型( s w m m ) ，美国陆军工程兵团的蓄水、处理与溢流模型( s t o r m ) ， 伊利诺城市排水区域模拟模型( i l l u d a s ) ，美国地质勘察局的扩散式雨水径流 模型( d r 3 m u q a l ) ，辛辛那提大学城市径流模型( u c u r m ) ，水文计算模型 ( h s p ) ，英国的沃林福特模型( w a l l i n g f o r d ) 和公路研究所法( t r r l ) 。 ( 3 ) 城市管网系统 城市发展至今天，许多大中城市雨水排水系统已由最初的明沟渠变为复杂 的和地上、地下管渠网。排水系统大幅度的变化，对于排水系统的要求也就越 来越高，而许多早期的城市排水系统设计参数至今仍然沿用。如在雨水流量设 计中，至今仍然使用中国1 9 8 7 年修订的室外排水设计规范( g b j l 4 - - 8 7 ) ) ) 。 2 0 多年城市的发展，设计参数已经远远不能满足现代化城市发展的要求，对于 基础设施比较薄弱的大中城市，遇到稍大的暴雨，就可能会因排水系统的排水 能力不足而引起城市内涝以及城市区域下游洪水泛滥。 城市排水设施设计的主要依据是降雨过程城市地面径流量，它直接关系到 城市雨水排除工程建设的投资和运行的安全，也关系到城市人口和环境的安全。 城市地面径流量计算的主要参数是设计暴雨强度。设计暴雨强度计算模式【2 】通 常包括：整理和选样，即对城市基础雨量资料的收集；城市雨量资料的整 理，即合理的选择城市设计暴雨频率计算方法及频率线型；城市设计暴雨强 度计算模式及其参数优化等。为解决始终困扰我们的城市洪涝问题，必须合理 设计城市排水设施标准，这就要求对现有城市设计暴雨有关的理论及雨水径流 有关的计算模型做更深入的研究。欧美国家自2 0 世纪五、六十年代起，已经开 始重视城市洪涝问题，对城市排水系统及其相关理论进行了深入研究，在城市 设计暴雨强度和雨水径流计算与管理模型上取得了许多成果，并且设计出针对 不同种条件的城市优化排水系统。中国对于该领域的研究起步较晚，虽目前已 有一些结合中国实际的研究成果，但是受到许多客观因素的制约，与发达国家 相比还存在一定的差距，不能适应迅速发展的城市化要求。因此，根据中国国 情对城市设计暴雨有关理论及雨水径流计算模型进行系统深入研究，是当前一 项非常迫切的任务。 ( 4 ) 雨水资源利用方式 城市雨水利用就是对于降雨过程中不同城市下垫面产生的雨水径流，利用 一些技术措施分别收集、贮留、利用或补充地下水，达到增加水资源和涵养地 下水，有效抑制城市暴雨径流，改善城市水环境，恢复生物多样性的目的。城 市雨水利用技术可分为雨水贮留技术、渗透技术、生态利用技术等。发达国家 对于城市雨水利用方面研究起步较早，目前雨水利用设施齐全、利用方法多种 多样，并且政府制定了大量利于城市雨水资源利用发展的政策法规。 中国的雨水资源丰富，年降水量达6 1 9 0 0 x1 0 8 r n 3 ，而且雨水收集利用在经济 上也是可行的。甘肃省对此作过分析，得出主要结论是：用于解决人畜用水问 题，雨水积蓄工程国家资金投入仅为人畜饮水常规工程的1 1 5 1 2 ，不需要国 家补助运行费；为远距离拉水的1 1 8 1 6 ，雨水利用对水环境不会造成负面影 响【8 】。进入2 l 世纪以来，中国城市雨水资源化利用的进程明显加快，技术水平 也迅速提高。2 0 0 1 年国务院批准了2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规划， 其中包含了北京的城市雨洪利用规划。目前北京市城区已经完成的雨水利用工 程共有2 2 项，如北京奥运会代表性建筑国家体育馆( 鸟巢) 和国家游泳中心( 水 立方) ，在建的雨水利用工程还有近2 0 项。在理论支撑和实践经验都已经具备 的情况下，2 0 0 1 年，河北省邢台市在其下属的八城区全面建立了雨水利用示范 工程。上海、西安、青岛、深圳等城市，也相继开展了城市雨水收集利用的相 关工作。2 0 0 5 年，由中国建筑设计研究院主编的国家标准建筑与小区雨水利 用技术工程规范完成，使中国的城市雨水资源化利用初步走上了标准化道路。 但是从全国总体情况看，城市雨水资源化利用的水平还不高，与发达国家的差 距还很大，突出表现在总体技术水平低、推广应用面窄、标准化规范化不够、 相关的法律法规建设不足、产业化水平不高等方面。 1 3 集对分析法 1 3 1 集对分析基本概念和理论 中国学者赵克勤1 9 8 9 年提出一种不确定性分析方法一集对分析( s e tp a i r a n a l y s i s ，s p a ) 【9 ，l o 】，它是一种关于确定不确定问题同异反定量分析的统计理 论，集对分析中的不确定性理论特色在于【l l j ：认为不确定性是自然界和人类社 会中普遍存在的一种客观现象。把客观现象的确定性与不确定性作为一个系统 4 进行处理与分析。从系统层次的观点认识不确定性的本质。 集对分析的核心思想是把确定不确定问题视为一个确定不确定系统，从同 异反三个方面来分析事物之间的联系与转化。其基本思路是针对所研究问题的 背景，对一个能合理组成对子的的集合特性展开分析，建立这两个集合在指定 问题背景下的同异反联系度。集对分析的关键也就是如何确定联系度，然后推 广到系统由多个集合组成时的情况，在此基础上深入研究系统的有关问题。 所谓集对，就是具有一定联系的两个集合所组成的对子。按照集对的某一 特性展开系统分析，可以找出两个集合共有的特性、对立的特性和既非共有又 非对立的差异特性，并建立在该问题w 下的同异反联系度( 形) 表达式【9 ，1 0 】： 缈) = s + 号，+ 专， ( 1 1 ) 式中：为集合的特性总数；s 为共有的特性个数；尸为对立的特性个数；f 为差异的特性个数。那么，s n 称为在问题w 下的同一度，p f n 称为对力度， f n 称为差异度。i 和j 既是差异度和对立度的标记，又可以赋值计算联系度。 在计算中，j = - i ，而i 的取值范围为卜1 ，1 】，视具体情况而定。令 a = s n ，b = f n , c = p ，则式( 1 1 ) 又可表示为 ( 肜) = a + b i + c j( 1 2 ) 式中，a 表示两个集合的相同程度，记作同一度；b 表示两个集合的差异程度， 记作差异度；c 表示两个集合的对立程度，记作对立度，均为非负值，显然，a ， b ，c 满足归一化条件，a + b + c = l 。 1 3 2 联系度的确定方法 联系度( ) 的确定方法有多种1 9 j ，常用的有：( 1 ) 穷举法，即把两个集合关 于某一问题的所有特性全部列举出来，从而确定特征总数n ，相应的s 、f 、p 也随之确定，从而写出联系度( ) 的具体表达式。( 2 ) 逐步分析法，对一个集 对的特性不断的深入分析，在分析过程中得到相应的联系度。( 3 ) 层次分析法， 对于具有明显的层次结构研究对象，可采用层次分析法来建立相应的联系度。 ( 4 ) 直接观察法，对于集合意义明显的两个集合，通过直接观察比较，得出两个 集合的联系度表达式。( 5 ) 最大最小法，给出刀个数据k ，k ：，k ，并假设他们组 成一组数据序列k 。 k ： k ，即其中墨为最小，k 。为最大，则可通过适当 的假设之后，用联系度来刻画这一组数据序列。( 6 ) 确定不确定方法。( 7 ) 比例法， 对于都是正整数的两个集合，可以采用。 1 3 3 联系数的确定方法 联系度表达式在运算分析时又可以看成是一个数，称之为联系数。联系数 虽由联系度这个概念引申而来，但它与联系度又有区别，这就是联系数中的 a , b ，c 不在局限在l o ，1 l 这个区间，而可以是任何正数。联系数把所表示出来的可 确定数与我们所考虑的可确定数所在范围联系起来；联系数把宏观层次上的确 定量与微观层次上的不确定量联系起来，构成一个不确定系统。联系度4 w ) 中 的差异度系数i 是对处在微观层次上的不确定性所作的刻画。因此，i 值不仅不 能随便加以确定，而且在一般情况下具有多值性，需要根据不同情况作不同分 析。通常可以采用顺势取值法、逆势取值法、计算取值法以及特殊取值法来确 定【1 1 】。 1 3 4 集对分析方法在城市水系统的应用研究 不确定性是自然界和人类社会中普遍存在的一种客观现象。集对分析方法 作为一种新的不确定分析方法，成功地把对不确定性的辨证思维转换成可计算 的数学模型，在众多领域得到了广泛的应用。城市水系统涉及大量不确定性问 题，利用集对分析方法研究城市水系统问题具备一定的合理性和实用性。目前 在城市水系统中的水质评价、水资源承载能力、水安全问题、水厂工艺评价、 洪灾评价等研究中集对分析都已经有了广泛应用。如1 9 9 9 年，龚士良等构建了 评价水体与地下水各项指标的集对分析评价模型，对地下水水质进行评价【l 2 1 。 冯煜，孙根年运用集对分析方法，通过样品超标率、污染指数和超标区面积等 指标，对来西安市近2 0 年地下水质量进行综合性的动态评价【l 引。万星，丁晶 等人运用集对分析方法对关中平原地区的西安、咸阳、宝鸡和渭南四个城市的 地下水资源承载能力综合评价【l4 1 。卢敏等人运用集对分析方法，将水安全评价 指标和既定的水安全评价标准构成集对，判断评价区域的水安全状况【l 引。金菊 良等人用基于加速遗传算法的模糊层次分析法确定流域水安全评价指标体系以 及权重，应用集对分析方法对巢湖流域开展水安全评价的实证研究i l6 。蒋茹、 曾光明等人引入熵权，利用集对分析方法，对污水处理工艺设计进行优化决策。 通过对某污水处理厂的四种候选方案进行评价，数值例子表明该模型在水质评 价中的有效性和可靠性【l 7 1 。另外集对分析在预测方面同样有广泛运用。如吴开 亚，金菊良提出了用基于加速遗传算法的模糊层次分析法确定影响因子权重， 用频率分析方法构造分类集合，然后采用集对分析方法从同、异、反三方面对预 测当前年的区域生态足迹的影响因子集与分类集合的影响因子的距离进行定量 计算，将分类集合生态足迹中心值的加权平均值作为当前年生态足迹的预测值， 进而建立了用集对分析聚类预测方法进行区域生态足迹动态预测的( s p a c p ) 具体实施方案【l 引。田文文，宋星原等人将集对分析运用于雷达定量测量降雨中， 并且同最优化算法等方法进行比较，研究结果表明集对分析运用于雷达测量降 雨形象直观、易于理解，计算结果更为理想【l9 1 。综上所述，以不确定性系统为 主要研究对象的集对分析方法，在各种水科学问题中已进行了大量的理论应用 研究，但是受到集对分析理论目前发展水平、实际水问题中不确定性和复杂性， 人们认识水平局限性的影响，今后仍然需要对集对分析理论本身及其在各种水 资源系统工程领域进行深入研究探索。 6 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： 第一章是绪论，简要介绍本文的研究背景即城市化引起的城市水系统问题， 指出城市雨水资源利用的重要性和迫切性。介绍城市雨水资源利用的研究动态， 以及集对分析方法及其在城市水系统中的应用，得出结论集对分析方法在城市 雨水资源利用研究中的具有可行性和实用性。 第二章是城市雨水资源利用基本理论，主要研究了城市化进程以及对城市 水文和城市生态环境的影响，城市发展与雨水资源化的关系，系统总结了国内 外雨水利用的研究现状存在问题和发展趋势，详细介绍了主要的雨水资源利用 技术。 第三章是基于集对分析的降雨量预测及其应用。大气降水被作为水资源最 重要的补给来源，在水资源预测、水文预报中经常需要首先对降雨量进行预报。 文中利用相似预测法即按照相似原因产生相似结果的原则，利用集对分析方法 从历史样本中找出与当前最相似的一个或者几个样本，将反映各种滞时降雨量 之间关系强弱的自相关系数表示相似集合的权重，获得当前降雨量预测值。 第四章是城市雨水资源利用分析计算及其潜力评价，城市的发展使得下垫 面有着独特的地形、地貌、产汇流条件和水文效应，根据不同城市下垫面特点， 分为不透水类型、园林绿地类型和水体下垫面，在一次降雨过程当中扣除三种 城市下垫面的各种损失，从而获得可是被实际利用的雨水资源量。城市雨水资 源化潜力评价中利用集对分析，提出城市区域雨洪资源化潜力综合评价模型。 第五章中对论文研究的成果进行了分析和总结，给出建议，并展望今后继 续研究的主要方向。 7 第二章城市雨水资源化基本理论 2 1 城市化进程 人口逐渐向城市地区集中，城市面积不断扩张、规模不断扩大的过程称为 城市化【2 0 1 。城市化是世界性的普遍现象，是人类社会发展趋势。从城市历史发 展的角度来看，城市化历史悠久，从公元前3 5 0 0 年两河流域的城市出现，时至 今日世界城市化经历了五千五百多年的发展历程。公元18 0 0 年，世界城市化平 均水平还只有3 ，公元1 9 0 0 年时达到1 4 ，1 0 0 年间城市化水平上涨了1 1 个 百分点。1 9 9 9 年城市化水平达到5 5 左右，在这1 0 0 年城市化水平上涨了4 1 个百分点，是上个世纪发展速度的3 7 倍，可以看出近代人类社会发展的迅猛 态势【2 i 】。 2 0 世纪8 0 年代改革开放至今，中国现代化工业、商业、文化和经济经历 了从起步到飞速发展的过程，城市化成为社会经济发展的一大主题。随着城市 化进程的加快，人口逐渐向大中城市集中，城市规模也不断扩大，据统计，中 国1 9 9 8 年底城镇人口大约为3 8 亿，城镇化水平仅为3 0 左右，到2 0 1 0 年中 国城镇人口约为5 7 7 亿，城镇化化水平将达到4 8 1 2 2 j 。2 0 0 9 年1 2 月2 1 日， 社科院发布社会蓝皮书：2 0 1 0 年中国社会形势分析与预测，预测明年我国 城市化水平将达到4 8 ，2 0 1 2 年或2 0 1 3 年将超过5 0 的结构转换临界点，并 在2 0 1 5 年达到5 3 左右。可见中国城市化己伴随经济发展进入加速发展阶段。 今后随着中国社会、经济的持续增温，城市化步伐还将继续加快，在赶超发达 国家城市化水平过程中，中国城镇人口数量不断增加的同时，城市化对城市水 环境的影响也会更加严重，它也将制约城市的发展。 2 2 城市化对城市水文及水资源结构的影响 随着城市化进程的加快，国民经济高速发展，城市人口的高度密集，水资 源供需矛盾日益突出。中国是个水资源短缺的国家，水资源总量居世界第六 位，按人均水资源量计量，人均占有量为2 5 0 0 立方米，为世界人均水量的1 4 ， 世界排名第1 1 0 位，被联合国列为1 3 个贫水国家之一。全国有3 0 0 多个城市缺 水，有2 9 的人正在饮用不良水，其中有7 0 0 0 万人正在饮用高氟水。每年因 缺水而造成的经济损失达1 0 0 多亿元，因水污染而造成的经济损失更达4 0 0 多 亿元。长江流域及其以南地区人口占了中国的5 4 ，但是水资源却占了8 l 。 北方人口占4 6 ，水资源只有19 。专家指出，由于自然环境以及高强度的人 类活动的影响，北方的水资源进一步减少，南方水资源进一步增加。1 9 4 9 2 0 0 2 年，全国总用水量增加了4 0 0 0 多亿立方米，大约每1 0 年增加1 0 0 0 亿立方米， 年平均增加约1 0 0 亿立方米。1 9 8 0 年以后，全国总用水量的增长幅度略有下