我国城市降雨特点分析

我国城市降雨特点分析

0城市雨水利用设计的必要性合理利用城市雨水可以给城市带来良好的环境效应和经济效益。近年来,我国城市雨水利用发展迅速,北京已经开始大范围地推广应用,还有许多南、北方城市也在开展相关的研究或应用。由于我国幅员广阔,自然条件差别大,降雨很不均匀,降雨特点也大不一样,在很大程度上会影响雨水利用系统的效率和运行。各地在城市雨水利用决策或设计时,除了借鉴发达国家或其他城市的经验,还必须根据当地的降雨特点等自然条件,因地制宜地开展研究和工程应用,科学规划,合理地选择雨水利用方案和确定规模,最大限度地提高系统的效率和安全性,这直接关系到这项事业的可持续发展。本文按南、北方区域划分,针对城市雨水利用对我国南、北方城市的降雨特点进行统计分析(限于篇幅,本文未分析南、北方城市暴雨强度和24h最大降雨量等特点),希望能为各城市雨水利用的规划和系统设计提供参考。1典型南市和北市的选择和降雨数据1.1典型城市的选取本文中,南、北方区域的界限是以地理上秦岭、淮河为界,秦岭、准河以南为南方,以北为北方。南、北方各选择10个有代表性的城市(不包括台湾、香港、西藏和新疆等)作为研究对象,通过以点带面的辐射作用,在一定程度上反映我国南、北方城市不同的降雨特点。选择的北方典型城市为:沈阳、哈尔滨、北京、石家庄、济南、郑州、太原、西安、兰州、合肥;南方典型城市为:上海、杭州、成都、昆明、武汉、长沙、南昌、福州、广州、南宁。1.2降雨基础资料本文涉及的各典型城市的多年(1971~2000)降雨基础资料均来源于中国气象局气象服务信息中心,包括多年月平均降雨量及多年年均降雨量等。2分析南部和北部城市的降水特征2.1南方城市雨水资源量充足各城市年均降雨量汇总于图1。可见,北方多年年均降雨量平均值为590mm,而南方则为1340mm,总体上,南方城市的年均降雨量是北方城市的2倍多,说明我国降雨在空间上分配不均,北方城市的雨水资源总量比南方少,从雨水资源量考虑,南方城市具有更大的利用潜力。近年来,全国大部分城市都不同程度地存在水资源短缺的状况,北方城市尤其严重,且大多是资源型缺水,而南方多为水质型缺水。针对南、北方城市年均降雨量的特点,高效利用有限的城市雨水资源,是缓解城市用水紧张局面、改善城市生态环境的重要途径。2.2南、北方城市降雨的不均匀性及量化分析总体看,我国南、北方城市降雨的月分配都不均匀,呈现较强的季节性,对雨水利用系统设计和水量平衡都是不利因素。为表达清晰,再从南、北方各选3个城市的多年月平均降雨量比较说明(见图2)。从图2的比较可见,北京以及上海的降雨特点与所属南北区域的总体特点相类似(见图3),而合肥、昆明和成都则是所属区域的特例。合肥地处南、北方交界,从地理位置划分在北方,但降雨特点则明显符合南方;成都和昆明地处南方,虽然降雨总量比北方多,但少雨月份降雨量很少和不均匀的特点更类似于北方城市。同时,图3也说明,无论是南方还是北方地区,降雨在季节上都分配不均。特别是在北方城市每年的降雨主要集中在5、6个月的雨季内。非雨季月份降雨量很少(如北京从11月至次年3月,每月均不足10mm),再分摊到单场降雨就更少,甚至不产生径流,加上冬季因素,这部分雨量很难进行收集利用;南方城市月降雨虽然也存在较大差异,但除个别城市,非雨季月份的降雨量也都在20~30mm以上。图3a还表明,如果考虑合肥的特殊性不计入北方城市统计数据,则会大大影响北方城市非雨季月份的降雨量范围。2.3南、北方城市降雨的不均匀性及量化分析基于2.2节对南、北方城市降雨特点的分析,引入一个降雨不均匀系数Ue,对南、北方城市的降雨特点进行量化和比较,Ue的表达式如下:Ue=∑n=112(Hn−H年/12H年/12)2(1)Ue=∑n=112(Ηn-Η年/12Η年/12)2(1)式中Hn——多年平均n月份的降雨量,mm;H年——多年平均年降雨量,mm。Ue能定量描述全年降雨分布的不均匀性,不均匀系数越大表明全年降雨越不均匀。根据式(1)得出南、北方不同城市的降雨不均匀系数(见表1)。由表1计算出,南方城市的降雨不均匀系数平均值为5.23,而北方城市为11.04,是南方的2倍多。尽管南北城市降雨不均匀性具有明显的区别,但也有一些特例,如2.2节提到的合肥、成都和昆明。此外,西安相比较其他北方地区的城市,降雨不均匀系数也比较低,降雨分布比较均匀,与南方的降雨分布特征相类似,但西安的降雨总量却比南方城市少很多(见图2)。根据合肥的地理位置、年降雨量和降雨不均匀系数特点,如将它划分到南方城市,则由表1计算出的南、北方城市不均匀系数均值的差距更大。3分析南部和北部降雨特点的应用3.1月降雨时季节折减系数的确定在各城市进行雨水利用规划或具体雨水利用项目设计时,需要对本地区或项目的可利用雨水资源量有一个总体把握。可按式(2)估算年均可利用雨水资源量:W=αψHA(2)式中W——年均可利用雨水资源量,m3;H——多年平均降雨量,m;A——汇水面积,m2;ψ——综合径流系数;α——季节折减系数。根据对南、北方城市降雨特点的统计分析,有不少城市特别是北方大部分城市,非雨季月份的降雨量少,很难直接进行收集利用,在评价城市的可利用雨水资源量时不计这部分降雨量更为合理。故引入雨水利用季节折减系数α计算年均可利用雨水资源。季节折减系数是指雨季降雨比较集中且雨量较多月份的降雨量之和与全年的降雨总量的比值,即不考虑非雨季降雨量少且难以利用的部分雨水量。季节折减系数可按以下两种方法确定。(1)根据北京市的降雨资料和应用经验,以5~9月这5个降雨量最大且集中的月份作为雨季计算季节折减系数(4月和10月降雨量为21.2mm和21.8mm)。北方其他城市的雨季基本与北京类似,因此,以北京为参照,也按这5个月计算季节折减系数(合肥为4~8月),结果见表2。西安和合肥系数偏小,根据西安和合肥的降雨特点(不均匀系数较小),雨季应适当延长,如分别按4~10月和3~10月计算季节折减系数比较合理,计算结果分别为0.85和0.84。这种方法简单,但由于南方城市降雨量更大且更均匀,如果也以这5个月为雨季计算南方城市的季节折减系数,则其值偏小(成都为0.84,其他多在0.6~0.7),这显然会低估南方城市可利用雨水资源量。(2)另一种方法是不以固定月份来划分雨季,而是以多年平均月降雨量的某个值为雨水的可利用基准来计算季节折减系数,即多年平均月降雨量大于该值的月份的降雨量之和与年均总降雨量的比值。表3和表4是以20mm、30mm、40mm为基准值计算出的南、北方城市可利用降雨量的季节折减系数。显然,选取基准值不同,季节折减系数也不同,南方城市大部分变化幅度不到5%,有的甚至均为1(如杭州、长沙和南昌)或接近1,即表明许多南方城市基本上全年都可以利用雨水,在计算可利用雨水资源量时可不考虑季节折减系数;而北方城市季节折减系数变化幅度较大。例外的城市同样为南方的成都、昆明和北方的合肥。比较表4和表2可以发现,按前一种方法,降雨更均匀的北方城市西安、合肥和郑州等的季节折减系数也被低估。因此,建议按后一种方法选用季节折减系数,并可以30mm基准值北京的雨水利用季节折减系数0.88(两种方法的计算结果相同)为参照,都采用30mm为基准值(即表3、表4的第二行数值)。需要说明,在计算具体雨水收集利用工程项目的雨水利用量时,如果采用了初期雨水弃流,则应该根据设计的弃流量,在式(2)中再乘以一个弃流系数。3.2南方和北方城市降雨特点城市雨水利用规划和系统设计应根据当地的自然条件,综合城市各种因素,既考虑充分利用当地的雨水资源量,又考虑全年降雨的不均匀性对雨水利用的不利影响,科学规划,合理设计城市雨水利用方案。综合上述对南、北方降雨特点的分析,城市雨水利用规划及系统的设计应注意:(1)我国南、北方城市降雨特点有比较鲜明的差异,从多年月平均降雨量分布来看,我国南、北方城市降雨都不均匀,北方城市降雨不均匀性更突出。在开展雨水利用时,可参考上述降雨特点的分析。要注意南方和北方个别城市降雨的特殊性,应用时应结合本地的降雨特点灵活掌握。(2)在估算或评价当地可利用雨水资源量时(特别是北方城市),须用季节折减系数修正计算结果。(3)北方城市的雨水利用系统可能在近半年的时间里处于闲置状态,在设计雨水利用系统和处理工艺时应认真考虑;而南方多数城市雨水利用系统基本可以全年运行,系统利用率比北方高,尽管各月的利用量也不相同。(4)南方雨水资源比北方丰富,适宜应用耗水量相对较大的雨水利用设施,如与景观水相结合的雨水综合利用设施;北方雨水资源量相对较少,蒸发量却很大,在利用雨水营造水景观时,应控制水景观规模,通过水量平衡分析确定合适的规模(这点在本文中不作详细讨论)。(5)在设计城市雨水利用系统时,应参考不均匀系数,注意系统规模的合理确定。避免一味求大造成投资效益低下。4降雨的不均匀性(1)我国南、北方城市降雨都具有明显的季节性,南、北方城市降雨特点差异性很大。(2)选择的10个典型北方城市的多年平均降雨量为590mm,10个典型南方城