摘要：城市的绿化对浇灌水需求的增加，加剧了城市用水的矛盾。城市集雨灌溉系统便是通过收集降水并利用容器存储，在无雨时进行绿地灌溉，以达到节水减排的目的。本文以校园为研究对象，根据当地的降雨情况及相应植被的需水规律采用水文频率分析法和暴雨频率法进行径流计算，确定所能蓄集的雨水，通过分析和比较，确定蓄水容器的大小，采用重力滴灌系统的灌溉方法，根据农田水利学、灌溉的相关知识及绿地的需水规律，合理布置管路。集雨灌溉系统设计包括集雨、蓄水、灌溉三部分的布置设计，对于合理利用雨水，涵养地下水源，改善城市生态环境，加强城市的绿化建设等有诸多意义。
关键词：城市；雨水收集；灌溉
1 引言
我国的城市化发展迅速，城市人口剧增，城市需水问题突出。随着城市化发展，不透水面积的大量存在，使的雨水入渗量大大减少，雨洪峰值增大，地面汇流时间缩短，雨水一般被城市管道收集后，经河道排入大海，成为弃水，造成了水资源的浪费。城市绿地、园林、花坛和一些湿地、河道、湖泊都是现代化城市基础设施的重要组成部分，随着居民生活水平的提高和环保意识的加强，城市绿化建设不仅可为居民提供娱乐、休闲、游览和观光的场所，而且是改善和美化城市环境的重要措施。1997年，中国城市绿化面积为632878hm2覆盖率达24.1%，其中公共绿地面积103681hm2，人均绿地面积5.3m2，若按每公顷用水量2250m3计算，则园林绿地总用水量约为18 108m3。城市的绿化，城市草地对浇灌水需求的增加，更加剧了城市用水的矛盾。留住雨水，减轻城市排水管道的压力，并且让它造福与我们的生活，以成为很多国家共同的行动。发展城市雨水的利用，不仅可以涵养城市地下水源，缓解城市用水的紧张状况，为改善城市环境创造条件，同时可以缓解城市与周边农村争水的矛盾，对于开发资源、生态补给与城市可持续发展具有重大意义。该项目的研究对于充分有效地利用当地雨水资源、解决城市水资源短缺问题、促进城市可持续发展极具现实与战略意义。我们所研究的城市集雨灌溉系统便是通过收集降水并利用容器存储，在无雨时进行绿地灌溉，以达到节水减排的目的。对城市小区屋面雨水资源收集利用系统的研究，为开发城市新水资源、保护城市水环境和减少城市水问题提供参考。保障城市绿化建设，从而改善城市生态环境，美化城市生活环境，有力的保证城市可持续发展。
2城市雨水收集灌溉利用系统设计原理及研究方法
2.1设计原理
（1）系统由集雨部分和重力滴灌部分组成。（2）系统参数的分析和调整。通过天津地区降雨历史资料收集，分析降雨的时空分布和时程分配规律，确定天津地区的径流系数和径流模数；采用暴雨的拟合公式，结合降雨和下垫面分析结果，得出不同水平年的雨洪可利用潜力，确定蓄水罐容积，进而计算得出系统每单元可以控制的绿地面积。（3）优化系统结构设计。（4）由优化设计的结果确定整个系统的尺寸。
2.2 城市集雨灌溉系统研究方法
2.2.1 暴雨量的确定
根据天津市降雨情况及历年降雨资料分析，本次拟采用的暴雨强度公式为（1）：
（1）
（2）
式中： N—— 重现期，a；
t—— 降雨历时，min；
t1——集水时间一般采用5—15min；本设计采用5min；
t2—— 管渠内雨水流行时间，min；
M—— 折减系数，暗管m=2，明渠m=1.2。
2.2.2 屋面径流量的确定
试验区为中三楼屋面，径流屋面及楼边草坪，由于汇水面均较小，属小汇水面积上的排水构筑物，雨水设计径流总量按式（3）计算：
（3）
式中： Ws——雨水设计径流总量，m3；
P——设计降雨量，mm；
Ψ——径流系数；
F——汇水面积，ha。
（4）
式中： t——降雨历时，min；
q——设计暴雨强度，L/s·ha。
2.2.3 灌水定额的确定
采用滴灌方式进行灌溉，草地灌水定额由式（5）计算：
（5）
式中： m设——设计灌水定额，mm；
γ——土的容重，t/m3；
H——计划湿润层深度，草地取0.3m；
θ1——土壤允许含水量的上限，即土壤田间持水量（占土壤质量％），取θ1=30%；
θ2——土层允许含水量的下限，这里取非充分灌溉值，相当于田间持水量的65％。
2.2.4 蓄水单元控制灌溉面积
蓄水单元控制灌溉面积采用式（6）计算：
（6）
式中： F——蓄水单元控制灌溉面积，m2；
V——蓄水罐容积，m3；
m设——绿地灌水定额，mm；
η——灌溉利用系数，由于采用管道输水，且输水距离短，所以η取0.95。
2.2.5 管网的布置
支管、毛管管径采用式（7）计算。
（7）
式中： Q——管道流量，m3/s；
d——管道内径，mm；
v——采用经济流速，为1.0--1.5 m/s，本设计取1.0m/s。
管道沿程水头损失由公式（8）（9）（10）：
（8）
（9）
（10）
式中： F——多口系数；
N——出流孔口数；
X——多孔管首孔位置系数；
m——流量系数，本设计取1.75；
Hf——沿程水头损失，m；
f——摩擦系数，本设计取0.505；
L——管道长度，m；
Q——流量，m3/h；
d——管道内径，mm；
b——管径指数，本设计取4.75。
2.2.6 灌溉制度的确定
（11）
式中： e——作物耗水最旺盛时期的日平均耗水量，mm/d；
m设——设计灌水定额，mm。
3 城市集雨灌溉系统实验计算
3.1 设计基本资料
系统设计从集水桶和灌溉制度两方面进行设计，中三楼及草坪平面图见图1。
3.2 集水桶设计
（1）设计径流量的确定
根据天津市降雨情况及历年降雨资料分析，本次拟采用的暴雨强度公式为（1）：
（1）
（2）
试验区为中三楼屋面，径流屋面及楼边草坪，由于汇水面均较小，属小汇水面积上的排水构筑物，雨水设计径流总量按式（3）计算：
（3）
（4）
（2）计算结果
根据《室外排水设计规范》（GB50014—2006）规定：“计算降雨历时采用5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min共九个历时。计算降雨重现期按1年”按照城市雨洪设计经验及试验区性质，本次屋面降雨计算采用1年一遇设计标准，并且分别按5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min七个时段进行讨论试算，计算结果见表1：
表1房屋落水管控制面积（S）各时段径流总量
（3）蓄水罐容积确定
根据优化设计，美观，适当蓄留的原则，依天津地区降雨历时大多数为90-120min，所以选定蓄水罐的容积V为2.21m3--2.40 m3。
3.3 灌水定额
采用滴灌方式进行灌溉，草地灌水定额由式（5）计算：
（5）
计算得到灌水定额为44.1mm。
单位时间灌水量（即灌水强度）不应超过土地的渗透能力，总灌水量不应超过土壤的田间持水量。
3.4 蓄水单元控制灌溉面积
蓄水单元控制灌溉面积采用式（6）计算：
（6）
计算得到蓄水单元控制灌溉面积为51.7m2。
3.5 管网的布置及水力计算
滴灌系统由一根支管和若干根毛管组成，系统管网布置见图2。
滴头数n=250个，毛管长L=7.3m，支管长L=7m。
整个管网采取梳子状铺设法，设计滴头工作压力为：0.01MPa，滴头设计流量为Q=2.7L/h，滴头间距Se=2H（H为湿润深度取30cm），滴头间距本设计采用0.3m。
（1）支管、毛管管径采用式（7）计算。
（7）
计算得：
，
结合经验及管材实际情况，取支管管径
=16mm，毛管管径
=6mm
管道沿程水头损失由公式（8）（9）（10）：
（8）
（9）
（10）
H0为灌水器工作水头，本设计取0.2m。
计算得H为0.76m，集水容器出口工作高程约为0.8m，符合设计要求。
集水桶设计构造见图3：
3.6 灌溉制度的确定
灌溉一次后草地可以达到田间持水量，即可以达到44.1mm，系统规划设计中，主要是要确定作物耗水期最旺盛的时期的允许最大间隔时间（两次灌水的时间），即设计灌水周期（以天计），用式（10）计算：
（11）
根据天津地区资料确定草地日蒸发量为e=3.2mm/d，因为该设计为补灌，灌水周期计算得约为14天。
若一个周期结束没有有效降雨或集水箱达不到灌溉要求，则仍采用之前的灌溉制度。
灌水时间：根据天津地区的气候特点及灌水经验，草坪灌水多集中在7、8月份，虽然此时是降雨量最集中、最多的时期，但也是温度高、蒸发快的时期，所以灌水时间重点应集中在7、8月份。同时，在1月应有一次春灌，11月应有一次冬灌。
灌水次数：草坪灌溉的特点是少量多次，尽量不让水下渗到深层。灌溉应为2-4次/月，这主要指6、7、8月份，其余时间可适当降低次数，如5月份可灌2次/月。
4 结论
在全球水资源日益紧张的情况下，探讨城市雨水资源的收集方法与利用途径，选择一种城市雨水资源收集方法与利用途径，不但满足区域社会、经济、环境持续发展要求的前提下，而且到持续开发和循环利用。加强城市雨水利用，不仅具有生态环境效益和社会效益，还有潜在的直接或间接经济效益，具有十分广阔的发展前景。将雨水就地收集利用，不仅可以减少雨季径流污水、减轻城市河湖的防洪压力、维持河川水量，还可改善生态环境；如果全部或部分降雨径流量在排入城市雨水管网之前，就被截蓄而补充地下水，不仅减小了城市排水管网的压力、削减雨季峰流量，也可大幅度降低城市雨水管网的投资，防止城市排涝设施不足导致的城市雨水排泄不畅和洪涝灾害的发生；另一方面，对改善城区地下水漏斗、地面沉降和地裂缝具有不可替代的作用；同时，雨水下渗可涵养地下水，调节气候，遏制城市热岛效应。随着雨水利用技术的发展，城市雨水利用将走与生态环境保护、水土保持、和城市可持续发展相结合的发展道路，城市雨水利用将是一个方兴未艾的广阔领域，随着城市化进程的加快和经济的发展，雨水利用越来越显示出它的兴利势头，并走进我们的生活。
论文作者:吴洁琼
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/8/26
标签：城市论文; 雨水论文; 径流论文; 灌水论文; 系统论文; 面积论文; 绿地论文; 《基层建设》2019年第24期论文;