基于近40 年降水數據的全國七大地理區屋面雨水利用可行性研究

張宸，于江華*，凌長，盛善強，蘇韋

1.南京信息工程大學環境科學與工程學院

2.日照市生態環境局東港區生態環境保護綜合執法大隊

近年來，隨著城市化進程的加快和人口的快速增長，城市水污染加劇，城市水資源供需矛盾日益突出，水資源短缺已經成為亟待解決的難題[1-3]。在此背景下，城市雨水作為一種較清潔的非常規水資源，具有收集方便、污染負荷低和處理簡單等優勢，受到了越來越多學者的關注，已成為解決我國水資源短缺問題的重要途徑之一[4-5]。城市雨水利用能有效緩解城市供水壓力和強化城市雨水管理系統，具有良好的社會效益、經濟效益和環境效益[6-7]。然而，由于我國降水受氣候和地形的影響，在空間上分布不均勻，導致城市雨水利用在時間和空間上也存在顯著差異[8]。因此，研究不同地區降水特征及其對雨水利用可靠性的影響具有重要意義。

目前，國內外開展了大量關于雨水利用的研究。一些研究致力于雨水收集系統的可靠性和設計參數的分析，如Imteaz 等[9]基于水量平衡模型，在墨爾本建立了雨水收集系統，對該地區雨水利用可靠性進行分析，發現降水量、集雨面積、日用水需求量和設計的雨水罐容積對雨水利用的可靠性具有顯著影響；毛龍富等[10]建立日降水-用水平衡模型，對云南省紅河州瀘西縣石漠化區典型家庭集雨水窖最佳尺寸進行了探討；邢國平等[11]開發了適用于當地、規模適度的城市雨水利用設施的設計和計算方法。一些研究重點關注雨水利用帶來的效益，如樊超等[12]通過建造雨水罐、蓄水池，改造排水系統等措施對固原市某小區進行海綿化改造，給小區帶來了良好的雨水調蓄效益、經濟效益和生態效益；馮峰等[6]對鄭州市雨水資源利用潛力進行了估算，結果顯示鄭州市城區年均可匯集雨水利用量為0.86 億m3，產生的可量化的效益為4.74 億元；Bashar 等[13]評估了雨水收集系統在孟加拉國6 個主要城市的經濟效益，發現在持續豐水年的情況下，各城市雨水回收系統的投資回收期為2～7 年。

盡管這些研究覆蓋了雨水利用的各個方面，但關注大空間尺度的研究較少，尤其在國內對雨水利用的研究基本集中在某一區域，鮮有在全國范圍內對雨水利用進行全面分析和總結的研究。另外，我國雨水利用工程的設計多采用國外的經驗公式，或由年降水量估算而來，我國幅員遼闊、地區差異明顯，采用這2 種方式對一些地區也許并不合適。當前很多城市未開展屋面雨水利用工程的重要原因是無法根據當地降水特征等自然條件選擇雨水利用方案和確定工程規模。因此，筆者以全國七大地理區為研究范疇，利用各地降水觀測站近40 年的降水資料，從年均降水量分布和降水集中度等方面分析不同地理區的降水特征；根據水量平衡原理，建立日降水量-用水量平衡模型，討論降水特征、雨水罐設計容積、日需水量和雨水收集面積對屋面雨水利用可靠性和節水效率的影響，以期為我國城市雨水利用提供參考和理論指導。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

我國陸地面積約960 萬km2，其中山區面積占1/3，地勢西高東低，呈階梯狀分布；東部多平原、丘陵，西部多山地、盆地。東部屬季風氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候。根據氣候、地形、文化、經濟等因素，把中國劃分為七大地理區域，即華東、華南、西南、華中、華北、東北和西北。綜合考慮我國不同地理區的氣候和地形條件差異，以七大地理區典型城市為研究對象進行雨水利用可靠性的研究。為使雨水利用可靠性分析更具有代表性，選擇各典型城市多年平均降水量相近的降水年份作為該城市的研究年份。七大地理區典型城市地理位置及降水情況見表1。

1.2 數據來源

本研究的降水量數據來自中國氣象局國家氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/），共收集了全國2 132 個降水監測站點近40 年（1980—2020 年）的月均、年均降水量數據和各地理區典型城市近20 年（2000—2020 年）的日降水量數據。澆灑綠地用水定額參考GB 50013—2018《室外給水設計標準》[14]，確定其用水量為3 L/（m2·d）；洗衣沖廁用水定額參考GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量標準》[15]，確定沖廁用水定額為4～6 L/(次·人)，本研究取6 L/(次·人)，每人5 次/d；洗衣用水定額為50 L/次，一周3 次。

1.3 分析方法

1.3.1 降水特征

降水量對我國城市雨水利用有直接的影響，年降水量的大小決定了雨水資源化利用方式和處理方案[16]，本研究中用到的降水量為多年平均降水量。降水量在年內的分布情況對雨水利用同樣具有較大的影響，降水量分布越集中的地區，雨水利用設施的設計與管理更加便捷[17]。

采用降水集中度（PCD）作為反映年內降水分布集中程度的指標[18]，具體公式如下：

式中：rij為第i年第j月的降水量，mm；i為年份；j為月序；N為月份數；Ri為第i年的降水量，mm；θj為研究時段內各月對應的方位角，整個研究時段的方位角設為360°，θj=360×(j?1)/12。

1.3.2 雨水利用可靠性

雨水利用可靠性是指屋面可收集利用的雨量在各場景下滿足其用水需求的天數占全年總天數的比例[19]。為了分析中國不同地理區典型城市屋頂雨水收集系統的可靠性，采用Karim 等[20]構建的日降水量-用水量平衡模型〔式（2）～式（4）〕。該模型綜合考慮日降水量、集雨面積、日需水量、初期棄流量及雨水罐設計容積對雨水利用可靠性的影響。模型假設收集的屋面雨水作為洗衣、沖廁和綠化的優先供水水源?；谖覈≌卣?，選擇6 層住宅樓（12 戶）為研究對象，制定4 種研究場景，計算每種場景下所有居民1 天的總用水量，具體見表2。

表2 4 種研究場景的具體設置Table 2 Specific Settings of 4 kinds of research scenarios

式中：Qt為第t天雨水罐儲存雨水的體積，m3；Pt為第t天收集到的屋面雨水量，m3；D為每日需水量，m3；ρ 為屋面徑流系數，取0.9；H為日降水量，mm；A為集雨面積即屋面面積，m2；FFL 為初期棄流量，取150 L，當Qt?1＞FFL 時，第t天的初期棄流量為15 L[21]；OF 為溢流量，m3；C為雨水罐容積，m3。當Qt＜0 時，Qt取0；當Qt＞C時，Qt取C。

雨水利用可靠性計算公式如下：

式中：R為雨水利用可靠性，%；DTN為該年內的總天數，d；DUD為收集的屋面雨水水量不能滿足日用水需求量的總天數，d。

節水效率（ηWSE）也被稱為體積可靠性，其定義為雨水收集系統總供水量與總需水量的比值，計算公式如下：

式中Dt為第t天的用水量，m3。

溢流率（rOFR）是指在某年內從雨水罐溢流出去的雨水總量與系統流入總量的比值，溢流率越大，說明未有效利用的屋面雨水量越多。計算公式如下：

式中 OFt為第t天的溢流量，m3。

2 結果與分析

2.1 我國不同地理區近40 年降水特征

2.1.1 年均降水量特征

對全國各監測站點1980—2020 年的年均降水量數據進行整合歸納，得到各地理區的年均降水量分布（表3）。由表3 可知，七大地理區降水量呈現出顯著差異性，華南地區、西南地區（除西藏西北部）、華東地區以及華中地區的湖南、湖北年均降水量較大，華北地區、東北地區和西北地區年均降水量較小。具體來看，華南地區年均降水量超過1 500 mm；華東地區除山東、安徽北部和江蘇北部外，其他地區年均降水量均大于1 000 mm；華中地區的湖南大部分地區都在1 300 mm 以上，湖北達到1 000 mm，河南北部降水量較少但河南整體降水量依然在700 mm 以上；西南地區除西藏西北部和四川西北部年均降水量低于900 mm，其他地區均大于900 mm，局部地區甚至高達2 000 mm；華北地區（除內蒙古自治區較低，不到300 mm）年均降水主要集中在400～600 mm；東北地區的年均降水量多處于600 mm 左右，局部地區在800 mm 以上；而西北地區年均降水量最少，在300 mm 左右，只有陜西一些地區達到了600 mm。

表3 我國七大地理區各典型城市年均降水量Table 3 Average annual rainfall depth for typical cities in seven geographical regions of China mm

2.1.2 季節平均降水量特征

我國不同地理區季節平均降水量空間分布如表4所示。由表4 可知，各地理區季節平均降水量空間分布與年均降水量空間分布趨勢一致，各季節平均降水量之間存在明顯差異。季節平均降水量總體呈現出夏季＞春季、秋季＞冬季的趨勢，各地理區降水量均以夏季最多，華東、華中的春季降水量明顯高于秋季，其他地理區春季和秋季的降水量基本相當。其中，華南地區夏季平均降水量在700 mm 以上，秋季和春季也能達到400 mm；而西北地區和西南地區的西北部各季節的平均降水量幾乎都小于200 mm，局部降水量達到200 mm?？偟膩碚f，我國降水量分布呈現出由東南向西北逐漸遞減的趨勢，各地理區降水都具有明顯的季節性，東南部地區降水量遠高于西北部地區。

2.1.3 降水集中度特征

通過各監測站點1980—2020 年的月均降水量數據計算出對應的降水集中度。不同地理區降水集中度空間分布（表5）與年均降水量空間分布存在顯著差異?？傮w來看，我國西北、東北以及華北地區降水相對集中，平均集中度在0.200 以上，而其他地區降水相對分散，平均集中度低于0.185。我國西藏局部，華北地區（除山西、北京外），東北地區大部，西北地區大部，華東地區的山東、安徽北部和江蘇北部以及華中地區的河南東部降水集中度達到0.200 以上；而降水量較大的華南地區、華東地區的南部及西南地區的東南部降水集中度相對較小，均不超過0.180。車伍等[8]開展過類似的研究，引入降水不均勻系數來定量分析中國南北城市的降水特征，發現北方城市的降水不均勻系數是南方城市的2 倍多。因此可以得出降水量較大的地區呈現出降水集中度較小的趨勢，而降水量較小地區的降水更為集中。

表5 七大地理區各典型城市降水集中度Table 5 Precipitation concentration degree for typical cities inseven geographical regions of China

2.2 我國不同地理區屋面雨水利用可行性分析

2.2.1 屋面雨水利用可靠性對比

4 種研究場景下我國各地理區典型城市的屋面雨水利用可靠性如圖1 所示。從圖1(a)可以看出，各地理區典型城市屋面雨水利用可靠性隨雨水罐容積的增加而增加，說明雨水儲存量越大，收集的雨水越多，可利用的雨水就越多。但是當雨水罐容積大于10 m3時，雨水利用可靠性的增加顯著放緩。這一結果與Bashar 等[13]對孟加拉國6 個城市的雨水收集系統進行研究得到的結果相似，其設定的情景是屋頂面積200 m2、人數為50 人的6 層居民樓，各城市的可靠性也是在雨水罐容積達到10 m3時增加顯著減緩。各地理區典型城市的屋面雨水利用可靠性呈現出明顯的差異，與降水量特征趨勢一致（廣州＞武漢＞南京＞昆明＞哈爾濱＞北京＞西寧）。廣州、武漢、南京、昆明、哈爾濱、北京和西寧的屋面雨水利用可靠性最大值分別為89.36%、87.63%、58.53%、50.18%、29.22%、25.14%和21.74%，最小值分別為34.91%、29.46%、25.85%、31.54%、17.06%、14.96%和12.72%。

圖1 4 種研究場景下各地理區典型城市屋面雨水利用可靠性Fig.1 Roof rainwater utilization reliability for typical cities in seven geographical regions of China under 4 research scenarios

對比圖1（a）和圖1（b）可知，場景Ⅱ的各地理區典型城市屋面雨水利用可靠性呈現的趨勢與場景Ⅰ相似，但是遠低于場景Ⅰ。表明日用水量對屋面雨水利用可靠性影響較大。這是因為日需求量增大時，雨水罐收集的雨水難以滿足日用水需求，導致屋面雨水利用可靠性降低。

由圖1（c）和圖1（d）可知，場景Ⅲ與場景Ⅳ各典型城市屋面雨水利用可靠性呈現的趨勢一致，但各典型城市在場景Ⅳ下實現的雨水利用可靠性要高于場景Ⅲ。這是由于集雨面積增加時，收集到的屋面雨水量更多，因而更容易滿足日用水需求。

2.2.2 節水效率對比

在設定的4 種場景中，場景Ⅲ集雨面積小、用水量大，是條件設定最嚴苛的研究場景，選取場景Ⅲ研究各地區的節水效率，結果如圖2 所示。從圖2 可以看出，節水效率的變化趨勢和雨水利用可靠性變化趨勢〔圖1（c）〕基本一致，但是數值上各地區的節水效率均高于雨水利用可靠性。因為在日用水需求較高的情況下，一年中會有多日無法滿足用水需求，導致雨水利用可靠性偏低。7 座城市中，廣州、武漢、南京、昆明的節水效率和可靠性的差異較明顯，哈爾濱、北京、西寧的節水效率只比可靠性稍高。這是由于哈爾濱、北京、西寧處于半濕潤/半干旱地區，年均降水量較低，因此節水效率較低。Zhang 等[22]評估了我國4 個城市雨水收集系統的節水效率，得到了與本研究相似的結論，即福州和北京由于處于季風氣候帶降水量比烏魯木齊和銀川高，因此福州和北京有相對更高的節水效率。

圖2 場景Ⅲ下全國各地理區典型城市的節水效率Fig.2 Water saving efficiency for typical cities in seven geographical regions of China under scenarios Ⅲ

本研究中節水效率最大值（對應雨水罐容積15 m3）從高到低分別為廣州（62.91%）、武漢（50.09%）、南京（44.14%）、昆明（35.63%）、北京（19.83%）、哈爾濱（19.24%）、西寧（16.02%）；節水效率最小值（對應雨水罐容積2 m3）從高到低分別為廣州（24.20%）、武漢（23.22%）、昆明（19.65%）、南京（18.75%）、北京（9.40%）、哈爾濱（11.55%）、西寧（8.71%）。雨水罐容積超過12 m3后北京的節水效率超過了哈爾濱，這是由于在年均降水量近似的情況下，北京有幾日降水量較高，雨水罐在這幾日可以收集超過12 m3的雨水，因此節水效率進一步提高。而哈爾濱降水天數雖多于北京，但有一些天的日降水量較低，雨水被棄流導致無法有效利用。

2.2.3 溢流率對比

溢流率對屋面雨水利用的影響較大，溢流率越高，意味著未有效利用的雨水越多?？刂埔缌髀试诤侠淼姆秶鷥?，能實現雨水資源化利用效益最大化。不同集雨面積時各地理區典型城市溢流率如圖3 所示。從圖3（a）可以看出，集雨面積為300 m2時各地理區典型城市的溢流率呈現出的差異較明顯，降水量大的城市溢流率相對更高?？偟膩碚f，表現為廣州＞武漢＞昆明（南京）＞哈爾濱（北京、西寧），其中哈爾濱、北京和西寧由于年均降水量較小溢流率差異不明顯。各城市溢流率隨雨水罐容積的增加而減小，但當雨水罐容積大于10 m3時，廣州、武漢、南京、昆明溢流率隨雨水罐容積的變化相對平緩，哈爾濱、北京和西寧的溢流率已經趨近于0。由圖3（b）可知，集雨面積為400 m2時各地理區典型城市溢流率變化趨勢和集雨面積為300 m2相似，但數值上均高于集雨面積為300 m2，這說明在用水量相同的情況下，集雨面積增大收集的雨量增多，雨水罐產生的溢流量增多。當雨水罐容積為15 m3時，哈爾濱、北京、西寧的溢流率為0，武漢、南京、昆明的溢流率不超過10%，只有廣州溢流率較大，為22%。因此，在進行雨水收集系統的設計時需要考慮可靠性和溢流率來確定雨水罐的最佳尺寸。

圖3 不同集雨面積下全國各地理區典型城市的溢流率Fig.3 Overflow rate for typical cities in seven geographical regions of China under different rainwater harvesting areas

3 討論

3.1 雨水利用受降水特征的影響分析

從我國的年均降水分布來看，華南、華東、西南（除西藏西北部）進行雨水利用的可行性較高，東北、華北次之，西北地區的可行性最低。從降水季節分布來看，各地理區降水量均以夏季最高，春季、秋季次之，而冬季最低，但華東、華中、華南的冬季降水量仍較高，在100 mm 以上。從降水集中度來看，降水量大的地區集中度相對較低。因此綜合分析可以得出，華南、西南（除西藏西北部）、華東（除了安徽北部、江蘇北部和山東）、華中（除了河南北部）全年均適宜進行雨水利用，華北、東北、西北因為降水集中度高選擇夏季進行雨水利用為佳。

3.2 屋面雨水利用的影響因素分析

屋面雨水利用可靠性在各地理區典型城市表現出巨大差異，這在宏觀上是由降水量決定的，降水量越大的地區雨水利用可靠性越大[13]。例如在場景Ⅰ中，廣州屋面雨水利用可靠性最高能達到89.36%，而西寧屋面雨水利用可靠性最高只能達到21.74%。在實際應用中，屋面雨水利用還受到溢流率、雨水罐容積、日用水需求量和集雨面積等因素的影響。從圖1（a）可以看出，雨水罐容積為15 m3時，武漢的雨水利用可靠性與年降水量更高的廣州接近，這是由于廣州的日降水強度較高，在雨水罐容積為15 m3時溢流率依然很高。當日降水強度超過雨水罐儲存容積時，雨水罐發生溢流，雨水利用可靠性并未提高，因此合理地控制溢流率對雨水資源化利用有重要意義。本研究的4 種場景中，在雨水罐容積大于10 m3時，雨水利用可靠性隨雨水罐容積的增加顯著放緩；當日用水需求量增加時，雨水利用可靠性下降明顯；當集雨面積增大時，屋面雨水利用可靠性隨之增大[23]。另一個值得注意的是，4 種場景中各典型城市的雨水利用可靠性均難以達到100%，其中有雨水罐容積和集雨面積不夠大的原因，但也說明根據目前中國的住宅、人口、用水量等特征，各地區的城市屋面雨水利用無法完全滿足居民日用水量需求，必須要城鎮供水的補充。因此在各地理區典型城市進行雨水利用時，要綜合考慮以上因素，因地制宜地設計出最適合當地的雨水利用方案，以實現雨水資源化利用的效益最大化。

目前很多國內學者進行雨水資源化利用的分析時，只考慮降水量的影響，而忽略了其他因素，這會導致對雨水資源化利用可行性的評估產生偏差。本研究分析了不同地區包括降水量、降水集中度的多個降水特征，同時分析了屋面雨水利用可靠性的多種影響因子及溢流率，結果可以更全面地比較和評估不同地區雨水資源化利用的可行性。

4 結論

（1）我國不同地理區降水量受氣候條件和地形的影響呈現出由東南向西北逐漸遞減的趨勢。降水量年內季節的變化顯著，春、夏兩季降水量較大。各地理區降水集中度呈現出與降水量不同的特征，在年均降水量較小的地區集中度較大。

（2）屋面雨水利用可靠性與雨水罐容積、集雨面積成正比，與日用水需求量成反比，但是受溢流作用影響當雨水罐容積達到10 m3時，對應可靠性的增加顯著減緩。在華南地區、華東地區和華中地區實現雨水利用可靠性較大，將其用作洗衣、沖廁和綠化澆灌能節約年內50%以上的市政用水。

（3）在我國各地理區進行雨水資源化利用是切實可行的，但在進行工程應用時，要充分考慮降水特征、可靠性和溢流率的影響，合理地設計雨水利用方案，以實現雨水利用效益最大化。