深圳市观澜河流域雨水资源可利用潜力评估

谢 帅，林 航，王永强，许继军，陈 进

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉 430010； 2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010； 3.长江水利委员会 长江经济带保护与发展战略研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

近些年来，我国城镇化进程不断加快，城市用水压力倍增，水资源利用的压力已经成为制约区域经济和生态环境可持续发展的重要因素[1-3]。在此情况下，科学合理地开发利用雨水资源，将其作为常规水资源的补充，可以有效缓解城市用水压力，改善居住生态环境，逐渐受到了越来越多的关注[4-5]。在雨水资源化利用中，其可利用量的分析评估是前提和基础，能够指导雨水资源利用实践，具有重要的理论和实践价值[6]。

作为我国城市发展的典型代表，深圳市面临着极大的水资源利用压力[7]。深圳市的人均水资源量约为200 m3，不足全国平均水平的1/10，约为世界人均水资源量的1/22，并且其水污染问题严重，存在水质性缺水的问题，是我国七大严重缺水的城市之一[8-9]。随着深圳市经济的快速发展，其水资源需求日益增大，导致其水资源供需矛盾日益严重，自有的水资源量难以满足其用水量需求，约有2/3的用水量取自境外[10]。同时，深圳市内涝问题严重，造成了大量的经济损失，威胁人民的生命安全，还有大量雨水未加利用而直接排出，又进一步加剧了深圳市的水资源匮乏问题[11]。针对深圳市水资源利用的问题，近些年来深圳市逐步开展海绵城市建设，通过雨水资源化利用的方式增大可利用水资源量、降低内涝风险。其中，对雨水资源可利用量的评估是重要一环。

本文以深圳市观澜河流域为例，对其雨水资源量进行评估，采用基于下垫面分类的雨水资源可利用量计算方法评估雨水资源利用理论潜力和现实潜力，并分析城市建设因素对利用潜力的影响，可为深圳市雨水资源化利用提供技术支撑。

2 数据及方法

2.1 研究区域

选取研究区域为图1中所示的位于深圳市的观澜河流域，具体包括龙华新区、龙岗区的平湖街道、坂田等片区、光明新区部分区域等。观澜河位于深圳市中北部，是深圳市集雨面积超过100 km2的五大河之一，是东江水系石马河的上游段，发源于民治街道大脑壳山(海拨385.4 m)的牛咀水库鸡公头一带，干流自南向北穿过龙华新区，在观澜街道企坪以下进入东莞市境内，于东莞市塘厦镇境内汇入其他支流后称石马河，在东莞与惠州交界处汇入东江。本文所指观澜河流域包括观澜河子流域以及石马河水系的其它支流中位于深圳市的部分，总面积为247.3 km2。

图1 研究区域Fig.1 Map of the Guanlan River basin

观澜河流域下垫面可划分为绿地、水体、屋面、路面、裸土和铺装6类。经统计，绿地(含山体)面积为104.25 km2，水体面积为11.25 km2，屋面面积为40.17 km2，路面面积为38.39 km2，裸土面积为2.64 km2，铺装面积为50.55 km2，总计247.30 km2。

2.2 数据

雨量数据采用深圳气象站的监测数据，共有1984—2018年共35 a雨量资料，雨量资料系列长，可靠性较好。根据雨量资料，深圳市多年平均降雨量为1 896.1 mm。各年的年降雨量如图2所示。从图2可知，深圳市年降雨量的年际差异较大，分布在1 269.7～2 710.0 mm之间，最大年降雨量在2008年，最小年降雨量在2011年。

图2 1984—2018年深圳市年降雨量Fig.2 Annual rainfall in Shenzhen from 1984 to 2018

2.3 雨水资源可利用量计算方法

雨水资源化利用潜力指的是在一定经济技术条件下，在特定区域和一定的时间内，能够开发利用雨水资源的最大能力[12]。目前通用的城市雨水资源化利用潜力的计算和分析方法通常有以下4种[13]：第1种是利用研究区域的降雨量和汇水面积这2个物理量来计算研究区域雨水资源利用的理论和现实潜力，又称综合径流系数法；第2种是通过经验公式来估算城市的雨水可利用量，即经验公式法；第3种是先将研究区域按照下垫面类型的差异进行分区，然后再根据不同的下垫面类型来计算分析雨水资源化利用潜力，即下垫面分类的方法；第4种是从水量平衡的角度出发，综合分析研究区域产汇流的各个环节来计算雨水资源化利用潜力。

由于在短历时降雨中蒸发的影响较小，因此上述4种方法均未单独考虑蒸发的影响[14]。在4种方法中，第3种方法主要用于具有不同类型下垫面的区域，利用已知的降雨资料进行城市雨水利用潜力计算，从而推算出雨水资源化可利用量，在降雨资料充分的情况下，计算结果较为精确。

2.3.1 雨水资源总量

结合研究区域的实际情况，对于深圳市观澜河流域雨水资源总量的计算采用综合径流系数方法，即

W=HA。

(1)

式中：W表示城市雨水资源总量(m3)；H表示年降雨量(m)；A表示汇水面积(m2)。

2.3.2 雨水资源利用理论潜力

对于雨水资源利用理论潜力的计算采用下垫面分类的方法[15]，即

Ws=W1+W2+W3。

(2)

式中：Ws表示城市雨水资源利用理论潜力(m3)；W1表示城市不透水地面雨水资源量(m3)；W2表示城市园林绿地雨水资源量(m3)；W3表示城市水体雨水资源量(m3)。W1、W2、W3计算方法如式(3)—式(5)。

(3)

式中：Ri表示一定时间内的降雨量(mm)；Rk表示降水初期损失和弃流的雨水量(此处Rk取6 mm)；S1表示城市不透水地面总面积(km2)。

(4)

式中：Ra表示植物截留的雨水量(根据文献[15]，此处Ra取0.3 mm)；S2表示城市园林绿地总面积(km2)。

W3=RiS3。

(5)

式中S3表示城市水体总面积(km2)。

2.3.3 雨水资源利用现实潜力雨量，因此雨水资源利用现实潜力要小于理论潜力。具体计算公式为

We=Ws-Wt。

(6)

式中：Ws表示城市雨水资源利用理论潜力(m3)；We表示城市雨水资源利用现实潜力(m3)；Wt表示临界水资源量，即超过城市最大降水容纳能力后需要排掉的多余水量(m3)。其中

(7)

式中：Rl表示临界降雨量(mm)，临界降雨量与各个城市的建设标准有关，可以根据《海绵城市建设技术指南》[16]中的年径流总量控制率和降雨量的对应关系确定；St表示城市总面积，St=S1+S2+S3(km2)；m表示降雨的次数。

3 结果分析及预测

3.1 降雨资料

将1984—2018年历年年降雨量进行统计，通过P-Ⅲ型理论曲线进行频率适线，推求各频率P下的设计雨量。各频率设计雨量成果见图3和表1。

表1 设计年降雨量成果Table 1 Designed annual rainfall

图3 年降雨量设计频率曲线Fig.3 Design frequency curve of total annual rainfall

通过绘制频率曲线，得到Cv=0.24，Cs/Cv=2.92，Cv=0.7，进而得到不同频率年的降雨资料。根据图3，可以得到特丰年(P=5%)、丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)对应的年降雨量分别为2 723.74、2 167.57、1 843.44、1 567.43、1 248.36 mm。已有的实测系列中与设计值最接近的年份为典型年，故选取2008年、2005年、1998年、1984年、2011年作为典型年，年降雨量分别为2 710.0、2 143.6、1 825.0、1 579.3、1 269.7 mm(如表2所示)。按照上述城市雨水资源可利用量计算方法，计算深圳市观澜河流域的雨水资源总量、雨水资源利用理论潜力和现实潜力并进行比较分析。

表2 不同典型年雨水资源量Table 2 Rainwater resources in different typical years

3.2 雨水总量

观澜河流域内多年平均降雨量为1 896.13 mm，则可以根据公式W=HA计算出观澜河流域雨水资源总量，观澜河流域多年平均雨水资源总量为4.7亿m3。

在不同的典型年雨水总量不同，在特丰年，深圳市观澜河流域的雨水总量可达到6.70亿m3，平水年达到4.53亿m3，即使在特枯年也有3.14亿m3，可见深圳市的雨水资源总量巨大，具有较大的雨水资源化利用潜力。

3.3 雨水资源利用理论潜力

不同的下垫面类型会产生不同的水文效应，下垫面的组成状况直接或间接地影响着地表径流量、陆地蒸发量、降水入渗量、土壤含水量等水文要素[17]。

下垫面类型大致可分为3类：一是不透水下垫面，主要包括城市居民住房、厂矿企业、道路、广场等用地，这类下垫面多为不透水的硬化路面，要对降雨进行弃流处理，因此这类下垫面的雨水可利用量是在扣除降水损失和初期弃流后的净雨量；二是园林绿地下垫面，指的是有绿色植被覆盖的下垫面，雨水可以直接下渗，这类下垫面上的雨水资源化可利用量是扣除植被截流后的降雨量；三是水体下垫面，主要包括河流、湖泊等水域，这类下垫面上的降雨可以完全直接转化为水资源。

根据下垫面类型分类的标准将观澜河流域下垫面分为不透水下垫面、园林绿地下垫面和水体下垫面3种类型。其中，不透水下垫面包括屋面、路面和铺装，面积为129.11 km2；园林绿地下垫面的面积为104.25 km2；水体下垫面的面积为11.25 km2。分别计算观澜河流域的雨水资源量W1、W2、W3，雨水资源利用理论潜力即为三者之和，计算结果见表3。

表3 观澜河流域不同典型年雨水资源利用理论潜力Table 3 Theoretical potential of rainwater resources utilization in different typical years in Guanlan River basin

3.4 雨水资源利用现实潜力

雨水资源利用现实潜力不仅和降雨量有关，还和城市的雨水资源收集、处理的建设标准有关。根据深圳市海绵城市建设的规划，要将70%的雨水就地消纳和利用，则依据《海绵城市建设技术指南》中广州市的年径流总量控制率和设计降雨量的对应关系作为参考，在达到70%年径流总量控制率时，设计降雨量(日值)为25.2 mm，则雨水利用现实潜力计算中的临界降雨量取25.2 mm。

对深圳市1984—2018年的降雨资料进行分析，分别计算出不同典型年的临界水资源量，雨水利用现实潜力即为扣除临界水资源量之后的雨水利用理论潜力，计算结果见表4。

表4 观澜河流域不同典型年雨水资源利用现实潜力Table 4 Practical potential of rainwater resources utilization in different typical years in Guanlan River basin

由表4可知，在此建设条件下，平水年的临界降雨量为25.2 mm，雨水资源利用现实潜力为2.42亿m3，表明深圳市的雨水资源具有较大的现实利用潜力。从不同典型年的雨水资源利用现实潜力可知，随着降雨量增大，雨水资源利用现实潜力也增大。但是，值得注意的是，特丰年的雨水资源利用现实潜力反而小于丰水年和平水年。分别分析丰水年(2005年)、平水年(1998年)和特丰年(2008年)的降雨资料可知，在特丰年，降雨天数共132 d，24 h内降雨量>100 mm的大暴雨共有7场，而在丰水年和平水年，降雨天数分别为127 d和148 d，大暴雨仅有1场。尽管特丰年的雨水资源总量最多，但极端降雨场数多，导致临界水资源量偏大，雨水资源化利用困难太大，故特丰年的雨水资源利用现实潜力反而小于丰水年和平水年。

3.5 不同下垫面类型的影响

分别计算出不同下垫面类型所对应的单位面积雨水资源量，可分析下垫面类型对于雨水资源利用的影响。计算结果见表5。

表5 观澜河流域不同下垫面类型单位面积的雨水资源量Table 5 Amount of rainwater resources per unit area of different underlying surface types in Guanlan River basin

由表5可知，在同一年份相同的降雨情况下，水体下垫面的雨水资源利用理论潜力和实际降雨量一致，园林绿地下垫面的理论利用潜力略小于实际降雨量，而不透水下垫面的雨水资源理论利用潜力远小于实际降雨量。根据W1、W2、W3的计算公式，水体下垫面无弃水，园林绿地下垫面需考虑植物截留的雨水量，损失量较小，且植物有涵养水源的作用，故雨水资源的损失量很小，而不透水下垫面在降水初期损失雨水量较大，小型降雨产生的雨水资源基本难以利用，故在同样的降雨条件下，不透水下垫面的雨水资源理论利用潜力较小。因此，在建设中减少不透水下垫面面积，有助于增大深圳市的雨水资源利用潜力。

3.6 不同开发程度的影响

当城市建设过程中采用不同的年径流总量控制率时，雨水资源利用现实潜力也有所变化。根据《海绵城市建设技术指南》中的标准，深圳市60%、70%、75%、80%、85%年径流总量控制率所对应的设计降雨量(日值)分别为18.4、25.2、29.7、35.5、43.4 mm。按照不同的年径流总量控制率分别计算出不同典型年的雨水资源利用现实潜力，计算结果见表6和图4。

表6 雨水资源利用现实潜力计算结果Table 6 Calculated practical potential of rainwater resources utilization

图4 雨水资源利用现实潜力计算结果Fig.4 Calculated practical potential of rainwater resources utilization

对不同年径流总量控制率的观澜河流域雨水资源利用现实潜力计算结果表明，对于不同的典型年，随着年径流总量控制率的增加，雨水资源利用现实潜力呈现出上升的趋势。年径流总量控制率增加，即直接排放浪费掉的雨水资源量减少，可被利用的雨水资源量增加，故雨水利用现实潜力会呈现出上升的趋势。

3.7 目标及预测

根据《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》，深圳市2030年的年径流总量控制率要达到70%，雨水资源替代城市自来水供水的水量应达到3%。其中，观澜河流域的年径流总量控制率需达到69.9%。在特枯年，70%的年径流总量控制率下，深圳市观澜河流域的雨水资源利用现实潜力可达1.73亿m3。根据深圳市城市供水水源规划，雨水资源重点用于生态，中部的龙华、观澜、坂雪岗在2035年的城市需水量为4.13亿m3，其中环境用水量为0.19亿m3。若能完成深圳市海绵城市建设并进行雨水资源化利用，则雨水资源可以满足环境用水需求，且可替代部分其他水源，从而缓解深圳市用水压力。

4 结 论

在本文的研究中，从雨水资源总量、雨水资源利用理论潜力和雨水资源利用现实潜力方面对深圳市观澜河流域的雨水资源可利用量进行了评估，并分析了城市建设条件对于雨水资源可利用量的影响。主要结论如下：

(1)深圳市观澜河流域具有较大的雨水资源利用潜力。观澜河流域多年平均雨水资源总量为4.7亿m3，在平水年，雨水资源总量达到4.53亿m3，雨水资源利用理论潜力为3.74亿m3，在70%的年径流总量控制率下，雨水资源利用现实潜力可达2.42亿m3。

(2)下垫面条件的差异对于雨水资源利用理论潜力有着较大的影响。在相同的降雨条件下，园林绿地、水体下垫面的雨水资源利用理论潜力远大于不透水下垫面。在平水年降雨量为1 825 mm的情况下，园林绿地下垫面单位面积的雨水资源量达到1 784.2 mm，不透水下垫面单位面积的雨水资源量仅为1 293.5 mm。

(3)随着年径流总量控制率的增加，雨水资源利用现实潜力呈现出上升的趋势。在平水年，60%年径流总量控制率下的雨水资源利用现实潜力为2.03亿m3，85%年径流总量控制率下的雨水资源利用现实潜力为2.96亿m3。

综上，深圳市观澜河流域的雨水资源利用潜力较大，通过合理的雨水资源利用设施建设，减少不透水下垫面面积，提升雨水资源存蓄、处理能力，有助于增大水资源可利用量，缓解深圳市的水资源短缺问题。