雨洪水

水资源短缺

中国水资源总量丰富，除地表水和地下水相互转化的重复量，我国水资源总量为2.8万亿立方米，但人均水资源量仅为2200立方米 ,仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一，位列世界第一百二十一位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。扣除难以利用的洪水径流以及散布于偏远山区的地下水，实际能利用的淡水资源非常有限，仅仅为1100立方米,按此推算，人均可利用量只有900立方米。而且水资源时空分配不均衡，北方地区拥有占全国43.2%的人口和58.3%的耕地面积，但其水资源占有量仅为全国的14.7%。这大大阻碍了国民经济的发展和人民生活水平的提高。降水水资源补充的最重要途径，我国大部分地区尤其是北方地区降水受季节性影响较大，大部分降雨集中在汛期，甚至是汛期的几场大暴雨中。这使得大部分的水资源白白流入大海，没有得到充分利用，而在非汛期经常出现旱灾，形成旱涝交替的局面。水资源短缺与洪水泛滥形成鲜明的对比，抗旱与防洪之间的矛盾越来越明显，造成了水资源与经济发展的需求不相适应，导致国民经济发展受到了水资源条件的限制，中国洪水年平均造成的损失是国内生产总值的1%，而由于水资源短缺造成的经济损失则达到国内生产总值的1．7%。因此我们必须扭转治水思路，善待洪水，充分利用雨洪资源，这将是解决我国日益短缺水资源的一项重要举措，将带来巨大的经济效益和社会效益。

城市化进程加快，城市水问题日益突出

随着城市化进程的不断加快，城市规模不断扩大，城市人口膨胀，城市生活用水、工业用水和生态用水大幅度增加，不仅导致了城市用水与农业用水的矛盾，同时也加重了地下水的负担，许多城市不同程度的出现地下漏斗。以长三角地区为例地下水资源被过度开采，地面沉降对长三角地区造成的直接和间接损失已经达到3150亿元。不仅如此，目前很多城市的资源出现严重污染，水资源量的不足和水质的恶化，已成为许多城市面对的突出问题城市。在全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有110个，全国城市缺水年总量达60亿立方米。与此同时，每年各个城市有许多的雨洪资源白白流失，有的甚至形成洪水，危害人民的正常生活，造成大量经济损失。以沈阳为例，沈阳市降雨主要集中在7—9月，占全年的70%以上，有利于收集利用，市中心城区雨洪资源可利用量约1．22亿立方米，通过植被浅沟、下凹式绿地、人工雨水湿地等生态手段对雨水进行净化贮存，可以补充地下水和河湖生态用水的同时，减少新鲜水的使用，对于改善沈阳市的水生态环境有着及其重要的作用。

南方城市也不容乐观，。湖南省省内气候属亚热带冷暖气团交汇地带。境内雨量丰沛，多年平均降雨量在(1200—1700)mm之间。省会长沙市虽然有湘江从南向北穿越而过，但仍然是个资源性缺水、污染型缺水、供水不足型缺水三者皆有的缺水型城市。据《湖南省水资源开发利用现状分析报告》预测：到2015年，长沙市在一般干旱年，缺水率将达21，9%；特殊干旱年，缺水率可达28．3%，用水形势十分严峻。

雨洪资源利用的可行性

雨洪资源利用通过国内外实践证明是行之有效的。丹麦利用城市屋顶收集雨水冲洗厕所、洗衣服的水量占居民冲厕所、洗衣服总用水量的68%，相当于居民总用水量的22%；美国加州富雷斯诺市的地下回灌系统10年地下水回灌量1.34亿立方米。总之，通过制定一系列有关雨水利用的法律法规，建立完善的屋顶蓄水和由人渗池、井、草地、透水组成的地面回灌系统，收集雨水用于冲厕所、洗车、浇庭院、造景观、洗衣服和回灌地下水。既缓解了城市水资源的供需矛盾，又减少了雨洪灾害。

（1）资源上可行。

我国位于亚洲季风气候区，季风气候决定了我国雨季在一年内的相对集中，每当夏季风北上，西南、东南暖湿气流与西风带冷空气相遇，或者受台风影响，往往会产生强度很大的暴雨。我国年平均降水总量为6．2万亿立方米，折合年降雨量648mm。丰富的降雨量为雨洪利用的开展提供了前提条件。城市雨洪利用的目的恰恰是为了改变时空分布的高度集中，用拦蓄、储存的方式分散开来，变弃为宝,化害为利。这不仅符台我国传统的治水思想——兴利除害，也符合我国现代水利观念—优化配置水资源，保障经济可持续发展，更符台解决我国三大水问题(洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化)的目标—治理洪涝灾害，减少干旱缺水，改善水环境。

（2）技术上可行。

我国几千年来一直致力于治理水患，积累了许多宝贵的经验，特别是拦蓄、储存暴雨洪水的宝贵经验和应用技术，其中最有借鉴价值的是水土保持和雨水集流等技木和经验。我国雨洪资源利用开始于上世纪80年代，90年代继续发展，目前呈现良好的发展势头。许多大中型城市都展开了雨水收集利用研究工作，同时我们也可以借鉴发达国家雨洪资源利用的宝贵经验和先进理念。借鉴发达国家的现代治水理念，利用国内外已有的成熟技术和成功经验，完全可以充分利用雨洪资源，缓解水资源危机。

(3)经济上可行。

雨洪水资源的主要方式是分散拦蓄、储存，分散利用。远比集中拦蓄、储存和异地使用费用低。

主要手段为非工程性措施为主，工程性措施为辅，投资规模较小，而且许多投资本身就属于城市规划的一部分。

雨洪水资源的有效利用可以减少政府用于铺设雨水收集管道和扩建排洪设施的费用。同时运行费用低廉，可以节省市政和居民用水开支。雨洪资源利用有可能发展成为一种产业，可以吸引大批的民间资本注入，这项新的产业在减少政府财政支出、促进经济增长、吸纳就业和促进小城镇建设等方面都会发挥出积极作用。

我国雨洪资源利用具有悠久的历史，最早要追溯到4000年前的周朝，利用中耕技术增加降雨入渗就在农业得到应用。2500年前，安徽寿县就修建了平原水库来拦截径流，灌溉作物。在汉水流域的丘陵地区还修建了串联式塘群。在秦汉时期就有修建塘坝拦蓄雨水利用的历史记载，水窖修筑历史也有数百年。雨水资源用于人畜饮用较早出现于北方干旱少雨的农村地区。比如在陕北靖边、定边、榆林、延安等地，早在20世纪50年代人们就在山坡地径流汇集处修建一些容积30立方米～50立方米的“旱井”，通过对天然降水的富集和储存，使自然降水变成时空可调的人畜饮用水资源，同时利用地形落差还可以实施作物灌溉，后又通过一些防渗净化技术的改进而使“旱井”得到了较大的发展。而真正意义的雨水利用从20世纪80年代开始，于90年代在一些地区得到一定程度的发展。由于我国是农业大国，灌溉用水关系到国计民生，因此许多地方的雨水利用是从农业开始发展的。在西北干旱半干旱地区，通过长期的努力实践，创造了许多雨水集蓄利用技术，如土窖、坎儿井、大口井等多种雨水利用设施，对当地农业起到巨大推动作用，如甘肃省实施的“121雨水集流工程”、内蒙古实施的“集雨节水灌溉工程”、宁夏实施的“小水窖工程”、陕西省实施的“甘露工程”等促进了缺水地区农村的雨水集蓄利用措施的研究和应用，产生了明显的经济效益和社会效益。加快了社会主义新农村的建设。

现代意义上的城市雨洪资源利用与传统而古老的（农业）雨水利用有很大的不同，主要体现在技术的复杂程度、产生的效益和影响、雨水的用途、雨水水质的污染性与处理要求、设计的各种复杂因素等。现代意义上的城市雨洪资源利用在我国发展较晚，相比国外先进水平，由于我国的城市化水平自20世纪80年代才有了较大的提高，城市水资源短缺和雨洪灾害在近几年才逐渐得到人们的普遍关注，从总体上看，我国城市雨洪利用目前还处于初期发展阶段，个别城市和地区已经进入工程实施和推广阶段。在一些大中型城市，如北京、上海、大连、郑州、西安等城市的雨水收集利用已经取得了一些成效，不少建筑物已经建有雨水收集设施，只是处理和回用系统还并不完善，其中比偶叫典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江的舟山市葫芦岛等雨水集流利用工程。大中城市的雨水利用基本上处于探索与研究阶段。我国城市雨水利用已经成为一个十分热门的课题。天津、青岛、上海、大连、南京、武汉、成都、哈尔滨、西安、昆明等许多城市相继开展研究或应用，显示出良好发展趋势。另外，中国农业大学、北京建筑工程学院、华北水利水电学院、上海、天津等单位和地方都开始了城市雨洪利用技术的研究和应用。

北京

北京是我国第一个开展城市雨水利用的城市。于2000年启动的中德合作的“城区水资源可持续利用—雨洪控制和地下水回灌”项目，是我国开展较早的雨水利用项目之一。通过建立示范小区引进德国先进、成熟的雨洪利用技术与设备，将雨水收集处理后，或回灌补充地下水，或储蓄用于市政杂用水。

近年来，我国一些城市结合城市自身特点，开展小区域雨洪资源利用研究及应用工作，其中以北京进展最为明显。北京水文地质公司小区、双紫园小区、海淀公园等区域兴建一些城市雨水利用设施，主要有：在草坪、路边修建地下集雨蓄水池，用于绿化浇灌或水面景观；小区停车场下修地下蓄水池并与调节池、中水池联合组成中水回用系统供小区冲洗厕所、浇灌绿地、清洁道路等；道路铺设透水砖，提高雨水渗透回补水地下水；兴建下凹式绿地，滞蓄雨水增加渗透。

我国的城市雨水利用正处于初步阶段，但是北京先行的一些成功模式已经具备了相当的普遍意义。北京已在8个城区建立了雨水利用示范工程。目前，北京城区内建成100个集雨项目，能收集雨水200万立方米，包括奥运会场馆雨水利用工程。

北京奥运会场馆

国家体育场等雨洪利用系统的功能是将体育场用地范围内的降雨变为可用的水资源，即回收雨水和将雨水处理后回用。系统主要由雨水收集管道、贮水池、泵送系统、雨水处理系统、回用水供水系统和自动控制系统组成。主体设施大部分建设在体育场建筑室外地下，与景观体系融为一体。在鸟巢、奥林匹克公园中心区、五棵松体育馆等15个奥运场馆及设施中应用了雨洪利用系统，年平均雨水利用105万吨。

北京奥运以“绿色奥运”为理念，致力于污水处理、大气污染治理、固废处理等方面的工作，力求为奥运会创造一个优美、洁净的环境，同时借助奥运的平台推动北京的环境建设。北京奥运在水资源综合利用和节水设施两方面，通过集成应用雨洪利用、中水回用、污水处理及再生利用等经济适用节水技术，使奥运场馆（区）多年平均雨水综合利用率超过80%。奥运场馆中水回用、污水处理及再生利用率达到100%；通过大气污染控制、城市污水处理、垃圾处理等生态改善与环境综合治理技术，加快了资源节约、空气清新、水质洁净、环境优美的北京生态型城市建设的步伐。

山东长岛

山东长岛是个拥有4.3万人口的海岛县，年均降雨量400多mm，1989～1995年间有4000多户建了屋顶雨水集流与屋底低温蓄水工程。截至1997年，50%以上的机关、企事业单位建起了蓄水池。城区70%的硬化路面平均每隔300米配套了蓄水池，农村建设环山渠道引雨水入库，使水库拦蓄水量增加50%。

香港

展开香港地图，可以看到九龙半岛东部海滨有两个蓝色大水库，这就是香港著名的海湾水库，即船湾水库和万宜水库，两库容共达5.11亿立方米，占全港水库容的87%。据统计，香港共建有17座水库，总库容为5.86亿立方米。

为充分利用及拓展水库集雨面积，香港充分拓展水库集雨面积，实行分流域外引水，将水库分水岭外的地表水通过集雨渠道大部分靠重力引入水库，小部分通过低地间接集雨区抽水站抽水进入水库。目前，香港集雨面积占香港总土地面积的三分之一。为拦截间接集雨区的雨水，在半山腰建造了山渠、隧道、涵洞、进水口、溢港口等引水构筑物。引水渠道总长约120公里，年平均引水量约为2亿平方米。

雷暴雨洪水

也称骤发暴雨洪水。局部地区因强对流作用，挟带水汽的气流急速上升而产生雷暴雨。这种雷暴雨的特点通常是历时短、雨强大、雨区小，常在小流域上造成来势猛、涨落快、峰高量小的洪水。雷暴雨洪水往往能在小流域上造成严重灾害。

台风暴雨洪水

夏秋季在亚洲大陆东南侧沿海地带因台风产生暴雨而造成的洪水。由于台风能挟带大量水汽，台风暴雨洪水常峰高量大，能在稍大流域上造成洪水威胁；或者由于台风中心受天气形势影响而在一定地区上空打转，暴雨形成多峰形洪水。中国台风暴雨洪水常见于广东、福建、台湾、浙江、江西、江苏、山东和辽宁等地，有的年份也可深入到湖北、湖南和陕西南部等地。1975年 8月淮河上游发生的台风暴雨洪水，在约762平方公里的流域上产生洪峰流量达13000立方米/秒。台风暴雨洪水的典型过程线见图2。 　与台风暴雨洪水相似的还有，大陆上低涡由于在移动过程中不断增强形成暴雨而引起的洪水。中国大陆低涡有产生在四川盆地西部的西南低涡和产生在青海湖附近的西北低涡。1963年 8月海河流域发生的特大洪水就是受西南低涡的影响造成暴雨而引起的，在约1318平方公里的流域上，产生洪峰流量达8360立方米/秒。

锋面暴雨洪水

因冷暖气团交绥而产生的暴雨引起的洪水，锋面雨一般历时较长，雨强较小而降水总量大，它形成的洪水在中小流域上也往往表现为峰低量大，但在大流域上则可能出现较大的洪峰与洪量。由于它持续时间久,覆盖范围大,往往形成组合型天气系统的暴雨洪水，造成较严重的洪水灾害。锋面暴雨洪水的典型过程线见图3。 锋面暴雨洪水的特点，因锋面雨的性质不同而异。一般，冷锋雨造成的洪水峰值较高，静止锋降水往往在较大范围内造成连续持久的降雨天气而导致大流域上的大洪水。

雨水利用有着悠久的历史，早在4000多年前的中东、南阿拉伯以及北非地区，就出现用于灌溉、生活、公共卫生等的雨水收集系统。古代中东的钠巴特人在涅杰夫沙漠，把从高地汇集的雨水径流由渠道分配到各个田块，或把雨水回流到窖里，以在旱季浇灌农作物。在以色列的内盖夫沙漠中，雨水是唯一的水源，而且年降雨量仅100mm，却种出了庄稼并建立了城市，成为灿烂一时的沙漠文明；在同干旱气候长期的斗争中，希腊人、阿拉伯人、以色列人也积累了收集利用雨水的丰富经验。阿拉伯人汇集雨水进行灌溉，曾以罗马帝国的粮仓著称；在斯里兰卡，为了发展农业，早在公元前就修建了小型阶式池塘，在丰雨季节蓄水，供缺水季节使用。

由于全球范围内水资源短缺和暴雨洪水灾害的频繁，为了唤起人类重视雨水资源的有效利用，1982年，在夏威夷召开第一届国际雨水集流会议，嗣后成立了国际雨水集流系统协会（International Rainwater Catchment Systems Association,IRCSA）,并多次召开雨水集蓄利用学术会议，促进了国际间雨水利用的交流与研究。雨水利用研究从应用推广逐渐向理论研究、学科建立方向发展，成为当今生态保护水资源利用研究的前沿课题。

近20年来，美国、日本、德国、英国、意大利、澳大利亚、丹麦、新加坡、印度、等40多个国家相继开展了雨水利用的研究与实践，并召开过十三届国际雨水利用会议。其中，德国、日本、美国等发达国家雨洪利用发展较快，技术先进，它们将雨水利用作为解决水资源问题的战略措施。建立起了完善的雨水收集利用体系及相关的规范制度。并开始走向系统化，集成化和规范化。

日本

20世纪60年代，日本开始收集利用路面雨水，70年代修筑集流面收集雨水，采用各种渗透设施截留雨水或收集利用，并做了大量的研究和示范工程。1980年，日本建设省开始推行雨水贮留渗透计划。才用雨水贮留渗透计划，可以有效的补充涵养地下水，复活泉水，恢复河川基流，改善环境生态条件。

利用雨水贮留渗透的场所一般为绿地、公园、停车场、建筑物、道路等，才用渗透设施有渗透池、渗透管、渗透井、透水性铺盖、调节池等。

1992年日本“第二代地下水总体规划”将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市规划的一部分，要求新建或改建的大型建筑设施必须有雨洪收集设施或就地下渗设施。在东京，已有8.3%的人行道采用了透水性柏油路面。雨水通过透水性路面渗透到地下，经过收集设施收集处理后加以利用。据统计，目前，日本已有雨水利用设施建筑物100多座，屋顶集水面积达20多万平方米。

德国

德国雨水资源比较丰富，大部分地区多年平均降雨量在800～1500mm以上，年内分布比较均匀，且降雨强度也不大，极少有暴雨。德国的自然条件非常有利于开展雨洪资源利用。同时德国也非常注重雨洪资源的利用，自20世纪80年代开始，德国就大力发展雨水收集利用的研究和应用，并于1980年制定了屋面雨水利用设施标准，目前已经成为世界雨洪利用最先进的国家之一。

德国所收集到的雨水相当广泛，有工业、公共场所、家庭等多领域。通过使用雨洪水，家庭饮用水量可节省达50%的耗水量，分布主要为：厕所冲洗33%，洗衣物13%，地板清洁2%，花园浇灌3%。

德国成立专门的水资源回收利用和雨水利用的组织机构，提供雨洪资源利用等方面的信息平台。德国还对雨水的收集、过滤、存储、运输设备进行标准化设计制造，安排专门的管理人员。经过近30年的发展，德国的雨洪资源利用已经进入标准化、产业化阶段，开始向集成化、综合化方向发展。

德国还出台了相关的政策法规。要求德国各个城市在新建小区之前，无论工业、商业、居民生活小区等，必须要设计雨水利用设施，如过没有，政府要征收雨水排放设施费和雨水排放费。

美国

美国已经转变过去单纯解决雨水排放问题的观念，认识到雨水对城市的重要性，雨洪资源利用以提高天然入渗能力为宗旨。各州普遍推广屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水路面组成的地表回灌系统,让洪水迂回滞留于曾经被提防保护的土地中去，既利用了洪水的生态功能，同时减轻了其他重要地区的防洪压力。其中加州富雷斯诺市年回灌量占该市年用水量的1 /5。

美国不但重视工程措施，而且还制定了相应的法律法规对雨水利用给予支持。如科罗拉多州（1974）、佛罗里达州（1974）和宾夕法尼亚州（1978）分别制订了《雨水利用条例》。这些条例规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平。所有新开发区必须强制实行“就地滞洪蓄水”。

丹麦

由于丹麦地表水资源匮乏，丹麦的水资源供应主要依靠地下水供给为主，很多地方的地下水含水层已经被过度开采。为此，丹麦开始重视雨洪资源的利用，在城市地区从屋顶收集雨水，收集后的雨水经过收集管底部的过滤设备，进入贮水池进行贮存，使用时利用泵经进水口的浮筒式过滤器过滤后，用水冲洗厕所和洗衣服。每年能从居民屋顶收集645立方米的雨水，占居民冲洗厕所和洗衣服用水量的68%，占居民用水总量的22%。

英国

以英国伦敦的世纪圆顶雨水收集利用系统为例，该建筑是为了庆祝新千年的到来由泰晤士河水公司建立的。该建筑耗资7.58亿英镑,中心穹顶高50m,屋顶面积100000平方米。作为环保措施的一部分,泰晤士河公司在该穹顶安装了大型的中水回用装置,以穹顶收集的雨水作为建筑内的厕所冲洗提供100立方米/d的回用水。这使其成为欧洲最大的建筑物内的水循环设施。从面积相当于12个足球场大小的10万平方米的圆顶盖上收集来的雨水经过24个专门设置的汇水斗进入地表水排放管中，初降雨水含有从圆顶上冲刷下的污染物，通过地表水排放管直接排入泰晤士河。。收集的雨水依次通过一级芦苇床、泻湖及三级芦苇床。芦苇床的面积各为250平方米,泻湖的容积为400立方米。芦苇床身0.6m,坡度为0.5%。为防止冲刷,湖底床铺河卵石,直径在5～10mm之间,同时种植当地高耐盐性的芦苇，其种植密度为4株/平方米。雨水在芦苇床中通过多种过程进行净化：在芦苇根区的天然细菌降解雨水中的有机物；芦苇本身吸收雨水中的营养物质；床中的砾石、砂粒和芦苇的根系起到过滤系统的作用。芦苇床还能增加城市的景观多样性，成为世纪圆顶的一个很好的生态主题。

影响暴雨洪水的主要因素有暴雨 量、暴雨强度、暴雨笼罩范围、暴雨移动途径、地形地质、植被、 土壤湿润状态、 产流汇流特性等等, 情况十分复杂, 故目前短期暴雨洪水预报方法多系基于有一定物理成因基础的经验性方法 。

暴雨洪水预报2.1洪水预报原理

当暴雨降落在流域内以后、河道里迅速汇集大量的径流, 形成洪水波并沿河道自上游向下游传播, 相应水位(流量)预报法和河道洪水演算法就是根据天然河道里洪水波运动原理, 分析洪水波在运动过程中引起水位涨落变化及其传播速度的变化规律, 寻求其经验关系或者简化某些条件进行求解来作预报, 这类方法比较简便, 预报精度也较高,但预见期较短。 另外, 还可直接根据暴雨量及其在时间空间的分布情况来预报洪水, 它包括流域内一次暴雨将产生多少洪水径流量, 以及这些径流量如何汇集而形成的出口断面径流过程。前者称降雨产流量预报,后者称流域汇流计算 。

暴雨洪水预报2.2暴雨洪水预报方法的发展

20世纪50年代, 广泛采用的降雨径流相关图,就是在分析暴雨径流形成规律基础上,用统计相关的方法所建立起来的一种预报产流量的相关图, 是非线性多元回归的图解分析法。 20世纪60年代以后, 随着对降雨渗入土壤过程(即下渗)、 壤中流运动等研究工作的进展, 以建立下渗数学表达式为主要内容的流域产流模型, 已成为产流量分析的新兴方法。 流域汇流预报主要是分析河网洪水波传播及调节特性, 常用的预报方法是以汇流理论为基础的汇流曲线, 如单位线、 瞬时单位线、 等流时线法等等。 随着电子计算技术的发展, 流域水文模型已得到广泛的研究和应用, 为了增长暴雨洪水预报的预见期, 中国一些地区采用水文气象法作预报。 即从分析形成暴雨的大气环流形势及其它天气气候要素入手,预报出暴雨,再据以预报洪水。 这种方法的关键在于暴雨预报的精度, 目前主要提供水库调度运用及研究防洪措施决策(如分洪)时参考 。

近年来， 水文、气象和信息技术均有较大发展。气象方面，气象卫星、天气雷达等遥感技术的应用， 极大地丰富了气象信息的获取能力和信息量， 中尺度数值天气预报模式更是取得了令人瞩目的成绩， 这些新技术均可以进行栅格处理， 取得量化的格点数据， 为暴雨预报和洪水预报的有机结合奠定了良好的基础。洪水预报方面， 随着3S 技术的广泛应用， 数字高程模型已在流域河网生成等方面得到较多的应用。利用数字高程模型， 流域地形、分水岭、河网、子流域的表达及集水面积的计算完全能用数字化技术实现， 在此基础上， 以具有空间分布特征的水文参数和变量来描述流域水文时空变化特性的、以栅格数据为输入、输出的分布式水文模型的研究和应用技术已趋成熟， 目前已进入实用阶段， 能够直接计算出口流量过程， 使暴雨预报和洪水预报耦合成为可能。