CN109284926B - 一种评价城市雨水可利用潜力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种评价城市雨水可利用潜力的方法。本发明的方法耦合了水量平衡和城市水文循环过程的方法来估算城市常用雨水收集区屋顶、硬化地表和绿地的雨水可利用潜力。本方法综合考虑不同地表产流过程和初始弃流等因素，用来评价城区雨水可利用的潜力更加合理。与现有的评价方法相比，具有直观、方法准确、结果合理的优点。本发明方法可以为城市管理者设计合理的雨水收集措施和提高城市可持续水管理提供科学依据和参考信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种评价城市雨水可利用潜力的方法，具体涉及城市水文过程模拟与调控技术，特别涉及基于水量平衡的水文要素计算方法。
背景技术
在过去的20年中，城市经济的快速发展和人口增多导致用水需求的急剧增加。地下水超采、河流流量减少和水质恶化导致多数城市面临着严峻的水资源短缺问题。另外，城市降雨时间分布的不均匀性导致夏季面临较高的内涝风险。因此，政府鼓励城市雨水收集来缓解压城市排水系统的压力。然而，目前城市的雨水收集和利用系统网络还处在初始阶段。科学地评价雨水可利用潜力能够提高公众对雨水收集重要性的认识，同时促进雨水管理相关政策的制定和实施。
城市地区雨水收集潜力大小依赖于土地利用格局、气象条件以及植被和土壤特征。由于监测雨水收集系统相关的困难和费用，通常用模型来确定给定地点的雨水收集的可行性、设计最优的储水箱容量、评价雨水收集系统的性能和评价雨水收集系统的相关效益。在大部分研究中，雨水径流量的计算通常是基于径流系数方法和SCS-CN曲线方法。
本申请发明人在研究中发现：这些经典的方法在准确模拟中等降雨事件下城市流域的响应上具有困难，比如在不同的景观和降雨事件下径流系数差异很大。当用未考虑降雨历时和雨强特征的平均降雨量估算透水地表渗透时存在较大的误差。因此，用径流系数方法来估算雨水可利用潜力是不适当的。因此，利用更准确的方法来评价城市地区的雨水可利用潜力是很有必要的。
发明内容
本发明涉及一种评价城市雨水可利用潜力的方法，本发明的方法耦合了水量平衡和城市水文循环过程的方法来估算城市常用雨水收集区屋顶、硬化地表和绿地的雨水可利用量，综合考虑不同地表产流过程和初始弃流等因素，用来评价城区雨水可利用的潜力更加合理。
本申请提供的一种评价城市雨水可利用潜力的方法，包括以下步骤：
将城市地表分为屋顶、硬化地表和绿地3种类型模块；
计算屋顶的雨水可利用潜力(RF，m3)，根据以下公式计算：
RF＝(P-LF-BF)×AF (1)
式中，P指降雨量(mm)；
LF指屋顶的降雨初损量(mm)，可由文献资料或者水文模型的参数取值表中查得；
BF指屋顶的初始弃流量(mm)，可由文献资料中获得；
AF指屋顶面积(m2)；
计算硬化地表的雨水可利用潜力(RH，m3)，根据以下公式计算:
RH＝(P-LH-BH)×AH (2)
式中，LH指硬化地表的降雨初损量(mm)，可由文献资料或者水文模型的参数取值表
中查得；
BH指硬化地表的初始弃流量(mm)，可由文献资料中获得；
AH指硬化地表面积(m2)；
计算绿地溢流量(RG，m3)，根据以下公式计算:
RG＝(P-C-F-D-E)×AG (3)
式中，C指植被冠层截留量(mm)；
F指土壤累积入渗量(mm)；
D指绿地的填洼量(mm)；
E指土壤蒸发量(mm)；
AG指绿地面积(m2)；
通过连续模拟可得到屋顶、硬化地表和绿地在一定时间段中所有降雨事件下的雨水可利用量，城市雨水可利用潜力(R，m3)就是这三类地表雨水可利用潜力的总和，计算公式为：
R＝RF+RH+RG (4)
进一步地，所述植被冠层截留量采用改进的Rutter模型，根据水量平衡原理，植被冠层截留量(C，mm)的计算表达式为：
式中，Ct-1指前一时期的截留水量(mm)；
Sc指植被冠层的最大截留量(mm)，由公式(7)计算得到；
Pf是自由穿透冠层雨量(mm)，由下式计算：
Pf＝P×e-kLAI (6)
式中，k是消光系数，可查阅相关文献资料获得，森林冠层中其值在0.6到0.8之间，其它矮植被冠层的k值为0.3；
LAI指叶面积指数，定义为单位面积上植物单侧叶片的总面积，可查阅相关文献获得；
冠层的截留能力Sc(mm)与叶面积指数LAI线性相关，表达式为：
Sc＝SLLA (7)
式中，SL表示特定的叶面储水量(mm)，是特定植物单位叶面积叶片储水的最大深度，默认的SL值为0.2mm。
进一步地，土壤蒸发量(E，mm)计算公式为：
E＝ET×(Wr/Wmax) (8)
式中，Wr是实际的土壤水分存储量(mm)，即为前一时期的土壤累积入渗量；
Wmax是土壤最大含水量(mm)，根据实测数据或者土壤性质查表获得；
潜在蒸发量(ET，mm/d)的计算采用基于气温的Hargreaves方法，计算公式为：
式中，RAmax指地外辐射(MJ/m2/d)；
λ指水的气化比潜热(MJ/kg)，通常取值为2.45MJ/kg；
Tmax指日最高温度(℃)，采用实测数据或者经验值；
Tmin指日最低温度(℃)，采用实测数据或者经验值；
Tav指日平均温度(℃)，采用实测数据或者经验值。
进一步地，RAmax可以查表得知，或者用以下公式计算得来：
式中，LAT为计算点的纬度(°)；
tj为公历天数；
进一步地，土壤累积入渗量(F，mm)的计算公式为：
F＝∑tft×Δt (13)
其中，Δt表示为所选取的时间间隔(min)；
采用Mein和Larson改进的Green-Ampt模型方法模拟降雨入渗的过程，t时刻的入渗速率(ft，mm/min)的计算公式如下：
式中，Ks指饱和导水率(mm/min)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
θs指饱和含水量(％)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
θi指初始含水量(％)，实测数据或经验数据；
Sf指湿润锋的平均吸力(mm)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
tp指开始积水的时间(min)；
tp＝Fp/i (15)
i指降雨雨强(mm/min)；
Fp指开始积水时刻的累积入渗量(mm)，计算公式如下：
进一步地，地表填洼量(D，mm)由下式计算
式中，Sdmax指绿地的最大填洼量(mm)，从相关文献中查阅获得；
PC指累积剩余降雨量(mm)，即降雨减去截留和下渗的雨量，表达式为：
PC＝P-C-F (18)
t时刻的地表填洼雨水储量(Dt，mm)根据经验公式计算：
本发明的评价城市雨水可利用潜力的方法耦合了水量平衡和城市水文循环过程的方法来估算城市地区屋顶、硬化地表和绿地的雨水可利用量，尽管雨水可利用潜力代表了雨水收集的最大可利用量，但是由于收集效率和工程实施可行性的限制导致实际可利用量要低于潜力值，本发明方法可以为城市管理者设计合理的雨水收集措施和提高城市可持续水管理提供科学依据和参考信息。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实例提供一种评价城市雨水可利用潜力的方法，该评价方法耦合了水量平衡和城市水文循环过程的方法来估算城市雨水可利用量。具体地，由于城市中不同地表类型会产生不同的水文响应，为了计算的方便，将城市地表概化为屋顶、硬化地表和绿地3种类型模块单独计算。硬化地表主要包括道路、人行道、广场、运动场和停车场等。裸地、农田和水体由于它们的面积较少，而且产流和出流很少，因此在雨水可利用潜力的估算中被忽略。屋顶和硬化地表可收集利用的雨水体积等于降雨量减去降雨初损量和初期弃流量。由于初期径流中污染物浓度高，屋顶和硬化地表的初期径流被弃流。绿地的溢流量计算分为冠层截留、蒸发、入渗和填洼过程。为了达到实用的目的，本方法在整体计算过程上基于水量平衡和水文循环物理过程，同时引入了水利水文学的自然科学技术手段。
本申请实例提供一种评价城市雨水可利用潜力的方法的具体步骤包括：
(1)计算屋顶雨水可利用量
(2)计算硬化地表雨水可利用量
(3)计算绿地雨水可利用量
(4)得到总得城市雨水可利用潜力
其进一步的措施是：
由于初期径流中污染物浓度高，考虑屋顶和硬化地表的初期径流被弃流。步骤(1)中屋顶的雨水可利用潜力(RF，m3)根据公式计算：
RF＝(P-LF-BF)×AF (1)
式中，P指降雨量(mm)，从当地降雨资料中获得；例如，可选择10分钟间隔的北京市2013年的降雨数据来进行模拟。
LF指屋顶的降雨初损量(mm)，根据文献资料，取值为2mm；
BF指屋顶的初始弃流量(mm)，根据文献资料，取值为2mm；
AF指屋顶面积(m2)，解译得到北京五环内的屋顶面积为224.12km2。
步骤(2)中硬化地表的雨水可利用潜力(RH，m3)根据公式计算:
RH＝(P-LH-BH)×AH (2)
式中，LH指硬化地表的降雨初损量(mm)，根据文献资料，取值为3mm；
BH指硬化地表的初始弃流量(mm)，根据文献资料，取值为5mm；
AH指硬化地表面积(m2)，解译得到北京五环内的屋顶面积为203.32km2。
步骤(3)中绿地溢流量(RG，m3)的计算公式为：
RG＝(P-C-F-D-E)×AG (3)
式中，C指植被冠层截留量(mm)；
F指入渗到土壤的量(mm)；
D指绿地的填洼量(mm)；
E指土壤蒸发量(mm)；
AG指绿地面积(m2)，解译得到北京五环内的屋顶面积为186.56km2。
下面以示例的方式介绍本申请的方法：
(1)冠层截留过程
植被冠层截留量(C，mm)的计算表达式为：
式中，Ct-1指前一时期的截留水量(mm)；
Sc指植被冠层的最大截留量(mm)；
Pf是自由穿透冠层雨量(mm)，由下式计算:
Pf＝P×e-kLAI (5)
式中，k是消光系数，绿地的k值设置为0.3；
LAI指叶面积指数，绿地植被取值为3.85；
冠层的储水能力Sc与叶面积指数LAI线性相关，表达式为：
Sc＝SL×LAI (6)
式中，SL表示特定的叶面储水量(mm)，设置默认的SL值为0.2mm。截留过程的计算方法未考虑叶面积指数的季节变化。
(2)土壤蒸发过程
土壤蒸发量(E，mm)计算公式为：
E＝ET×(Wr/Wmax) (7)
式中，Wr是实际的土壤水分存储量(mm)，即为前一时期的土壤累积入渗量；
Wmax是土壤最大含水量(mm)，实测数据或者根据土壤性质查表获得,本实例中取值为121.2mm。
进一步地，潜在蒸发量(ET，mm/d)计算公式为：
式中，RAmax指地外辐射(MJ/m2/d)；
λ指水的气化比潜热(MJ/kg)，通常取值为2.45MJ/kg；
Tmax指日最高温度(℃)，取值为31℃；
Tmin指日最低温度(℃)，取值为22℃；
Tav指日平均温度(℃)，取值为26.5℃。
对于特定纬度和日期的RAmax可以查表得知，或者用一些公式计算得来：
式中，LAT为计算点的纬度(°)；
tj为公历天数。
(3)降雨入渗过程
采用Mein和Larson改进的Green-Ampt模型方法模拟降雨入渗的过程，土壤累积入渗量(F，mm)的计算公式为：
F＝∑tft×Δt (12)
tp＝Fp/i (14)
式中，ft指t时刻的入渗速率(mm/min)；
Δt指所选取的时间间隔(min)；
Ks指饱和导水率(mm/min)，取值为0.144mm/min；
θs指饱和含水量(％)，取值为40.627％；
θi指初始含水量(％)，取值为26.279％；
Sf指湿润锋处的平均吸力(mm)，取值为69.696mm；
F指累积下渗量(mm)；
tp指开始积水的时间(min)；
Fp指开始积水时刻的入渗量(mm)；
i指冠层截留之后净雨的雨强(mm/min)。
(4)地表填洼过程
地表填洼量(D，mm)由下式计算
式中，Sdmax指绿地最大填洼量(mm)，取值为3.5mm；
PC指累积剩余降雨量(mm)，即降雨减去截留和下渗的雨量，表达式为：
PC＝P-C-F (17)
t时刻的地表填洼雨水储量(Dt，mm)根据经验公式计算：
通过连续模拟可得到屋顶、硬化地表和绿地在一年中所有降雨事件下的雨水可利用量。步骤(4)中，城市的年雨水可利用潜力(R，m3)就是这三类地表雨水可利用潜力的总和，计算公式为
R＝RF+RH+RG (19)
应用实例
选择以10分钟为间隔的，接近整个北京市592mm平均降雨量的1年的降雨数据来代表典型降雨事件，并进行模拟。对城区降雨量的空间差异性未作考虑。2013年10分钟间隔的降雨数据和日均温度数据从中国科学院生态环境研究中心气象站获得。2013年3月到10月总的降雨量为473.9mm，占年降雨量481.2mm的98.5％。
城市各类型下垫面面积通过对ALOS影像分类解译获取。屋顶面积从北京市建筑物电子地图计算获得。硬化地表面积就等于解译的不透水面积减去屋顶的面积。屋顶面积占到大约一半的不透水面积，另一半的面积是硬化地。绿地面积占到了接近三分之一的五环内面积。
通过文献定义的参数值以及降雨数据、温度数据和解译的下垫面面积计算得到2013年研究区总雨水可利用潜力为1.54亿m3，约53％的降雨可以被有效地收集利用。屋顶具有最高的雨水收集比率，70.20％的屋顶降雨可以利用。而且，屋顶占到1/3的下垫面面积，贡献了总雨水可利用潜力的48.26％。硬化地表具有比屋顶较大的降雨初损量和初期弃流量，其雨水收集比率降低到54.25％。约相同面积的硬化地表具有5226万m3的雨水可收集利用潜力，比屋顶少了2229万m3，占到了总雨水可利用潜力的33.83％。绿地的雨水可利用潜力比屋顶和硬化地表的都少很多。在绿地中，大部分的降雨渗透到土壤中，渗透比率占到51.39％，仅有31.30％的降雨以径流的形式可以收集利用。其他部分的降雨通过植被冠层截留、填洼和蒸发而损失。总之，绿地提供了2767万m3的雨水可利用潜力，贡献了17.91％的总雨水可利用潜力。基于城市居民用水标准，总雨水可利用潜力相当于64.33％的研究区内居民年生活用水量；仅屋顶的雨水潜力就可提供39.84％的研究区内居民的年冲厕用水量(1.87亿m3)。因此，北京城区雨水收集和利用有着巨大潜力来替代饮用水的消耗。
就地收集的屋顶雨水通常是比较洁净的替代水源，只需要简单的处理就可以进行广泛使用。而且，雨水收集设施在城市社区的建筑物上比较容易安装。因此，屋顶是城区最理想的雨水收集区域。因此，分析单位面积屋顶每天的雨水可利用潜力可以为优化雨水罐和水箱的体积提供支持。由于降雨事件的集中，屋顶的每日雨水可利用潜力存在很大的差异。屋顶单位面积每日雨水可利用潜力变化从0.7L到66.9L，每日平均潜力为15.1L，标准误差为18.3L。据此，要收集屋顶全年的可利用雨水需要储水设施的存储能力大于66.9L/m2以及收集的雨水在下个雨日之前及时用掉；若要收集90％的全年可利用雨水时需要设施存储能力大于43.6L/m2。储水罐和水箱的最佳体积设计要依据屋顶面积、降雨量和使用者的用水需求。由于北京大部分降雨集中出现在夏季月份，导致每日屋顶的雨水潜力差异很大，这意味着理论上储水罐和水箱需要足够大才能在降雨季节收集全部的可利用雨水。然而，这些设备在干燥少雨的冬季和春季月份几乎没有使用。由于雨水收集系统成本的控制，储水设施的设计要满足所有的需要是不经济节约的。因此，雨水收集工程需要考虑储水设施的服务效率和投资成本之间的权衡。通过本评价方法，雨水收集利用巨大潜力以及带来的多重效益被呈现出来。因此，当地政府迫切需要采取一些积极主动的措施来促进雨水收集和利用的实践。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种评价城市雨水可利用潜力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将城市地表分为屋顶、硬化地表和绿地3种类型模块；
计算屋顶的雨水可利用潜力(RF，m3)，根据以下公式计算：
RF＝(P-LF-BF)×AF (1)
式中，P指降雨量(mm)；
LF指屋顶的降雨初损量(mm)，可由文献资料或者水文模型的参数取值表中查得；
BF指屋顶的初始弃流量(mm)，可由文献资料中获得；
AF指屋顶面积(m2)；
计算硬化地表的雨水可利用潜力(RH，m3)，根据以下公式计算:
RH＝(P-LH-BH)×AH (2)
式中，LH指硬化地表的降雨初损量(mm)，文可由献资料或者水文模型的参数取值表中查得；
BH指硬化地表的初始弃流量(mm)，可由文献资料中获得；
AH指硬化地表面积(m2)；
计算绿地溢流量(RG，m3)，根据以下公式计算:
RG＝(P-C-F-D-E)×AG (3)
式中，C指植被冠层截留量(mm)；
F指土壤累积入渗量(mm)；
D指绿地的填洼量(mm)；
E指土壤蒸发量(mm)；
AG指绿地面积(m2)；
通过连续模拟可得到屋顶、硬化地表和绿地在一定时间段中所有降雨事件下的雨水可利用量，城市雨水可利用潜力(R，m3)就是这三类地表雨水可收集利用量的总和，计算公式为：
R＝RF+RH+RG
土壤蒸发量(E，mm)计算公式为：
E＝ET(Wr/Wmax) (8)
式中，Wr是实际的土壤水分存储量(mm)，即为前一时期的土壤累积入渗量；
Wmax是土壤最大含水量(mm)，根据实测数据或者土壤性质查表获得；
潜在蒸发量(ET，mm/d)的计算采用基于气温的Hargreaves方法，计算公式为：
式中，RAmax指地外辐射(MJ/m2/d)；
λ指水的气化比潜热(MJ/kg)，通常取值为2.45MJ/kg；
Tmax指日最高温度(℃)，采用实测数据或者经验值；
Tmin指日最低温度(℃)，采用实测数据或者经验值；
Tav指日均温度(℃)，采用实测数据或者经验值；
对于特定纬度和日期的RAmax由以下公式计算得来：
式中，LAT为计算点的纬度(°)，tj为公历天数；
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述植被冠层截留量采用改进的Rutter模型，根据水量平衡原理，植被冠层截留量(C，mm)的计算表达式为：
式中，Ct-1指前一时期的截留水量(mm)；
Sc指植被冠层最大截留量(mm)，由公式(7)计算得到；
Pf是自由穿透冠层雨量(mm)，由下式计算：
Pf＝Pe-κLAI (6)
式中，κ是消光系数，森林冠层中其值在0.6到0.8之间，其它矮植被冠层的κ值为0.3；LAI指叶面积指数，定义为单位面积上植物单侧叶片的总面积，可查阅相关文献获得；
冠层的储水能力Sc(mm)与叶面积指数LAI线性相关，表达式为：
Sc＝SLLAI (7)
式中，SL表示特定的叶面储水(mm)，是特定植物单位叶面积叶片储水的最大深度，默认的SL值为0.2mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，土壤累积入渗量(F，mm)的计算公式为：
F＝∑tf×Δt (13)
其中，Δt表示为所选取的时间间隔(min)；
采用Mein和Larson改进的Green-Ampt模型方法模拟降雨入渗的过程，入渗速率(f，mm/min)的计算公式如下：
式中，Ks指饱和导水率(mm/min)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
θs指饱和含水量(％)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
θi指初始含水量(％)，实测数据或经验数据；
Sf指湿润锋的平均吸力(mm)，实测数据或者根据土壤性质查表获得；
tp指开始积水的时间(min)；
tp＝Fp/i (15)
i指降雨雨强(mm/min)；
Fp指开始积水时刻的累积入渗量(mm)，计算公式如下：
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，填洼量(D，mm)由下式计算
式中，Sdmax指绿地最大填洼量(mm)，从相关文献中查阅获得；
PC指累积剩余降雨量(mm)，即降雨减去截留和下渗的雨量，表达式为：
PC＝P–C–F (19)
t时刻的地表填洼雨水储量(Dt，mm)根据经验公式计算：
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