降雨变化对雨水收集系统节水及径流的调控效应

快速城镇化、工业化及人口高度集中使我国许多城市的水资源供给系统面临严峻挑战，同时也深刻改变了下垫面条件，引发城市内涝积水等严重问题。雨水收集利用作为城市水土保持的重要措施之一，具有减少径流和削减洪峰等径流调控功能。根据水质状况，收集处理的雨水可在饮用、洗车、洗衣、冲厕、绿地灌溉等方面替代自来水，缓解城市水资源危机和供水压力。

研究表明，城市雨水收集系统可满足12%~87%的城镇居民用水量需求，减少3%~75%地表径流量，洪峰削减率可达33%。鉴于雨水收集系统在节水和径流调控等方面的巨大潜力，许多国家将其列为增强城市弹性和应对未来环境变化的重要措施。

未来气候情景下降雨量及其时空分布格局的改变会直接影响雨水收集系统的节水和径流调控功能。目前，只有少数研究者评估了气候变化对城市雨水收集系统的影响。Cowden等采用Markov和LARS-WG天气发生器分析非洲西部雨水收集系统供水量对气候变化的响应。Basinger等采用Markov随机降雨发生器研究了气候变化对纽约雨水收集系统供水保证率的影响。基于全球环流模式(Global Circulation Models, GCMs)输出结果，Wallace等绘制了密克罗尼西亚雨水收集系统80%和90%供水保证率的设计曲线。Haque等基于区域气候模式预估未来气候情景评价了气候变化对雨水收集系统供水量和供水保证率的影响。

然而，这些研究主要关注城市雨水收集系统节水效应对未来气候变化的响应，目前尚未发现关于气候变化对城市雨水收集系统径流调控功能影响的研究。

我国气候类型多样且在未来气候变化情景下降雨变化的趋势和程度存在显著的时空差异。评估气候变化对典型城市雨水收集系统节水和径流调控效应影响可指导改进雨水收集系统设计和建设以保障其在未来气候情景下持续发挥节水和径流调控效应；然而，目前尚缺乏气候变化对我国城市雨水收集系统节水及径流调控效应影响的研究。

因此，作者基于我国东南部的福州和西北部的乌鲁木齐1960—2015年日降雨数据，采用回归分析和CLIGEN模型对21个CMIP5-GCMs集合预估的1°×1°格网降雨数据进行空间和时间降尺度获得2020—2050年日降雨数据，构建基于日水量平衡原理的城市雨水收集系统节水和径流调控效应评估模型，研究未来(2020―2050年)降雨变化对福州与乌鲁木齐雨水收集系统节水和径流调控效应的影响。

      研究结果表明：

      1) 基于回归分析和CLIGEN模型的降尺度方法可精确地模拟福州与乌鲁木齐日降雨发生概率和日降雨量概率分布。

4) 降雨变化对雨水收集系统节水和径流调控效益的影响程度与气候区、蓄水池容积相关。降水量较少的乌鲁木齐雨水收集系统对气候变化的敏感程度大于位于湿润区的福州；蓄水池容积越大，雨水收集系统适应降雨变化的能力越强。

      考虑GCMs预估降雨结果的不确定性，作者基于21个GCMs预估结果的平均值获取未来降雨预测数据，可以降低不确定性；但因不同GCMs在同一地点进行气候预测仍有差异，未来研究中可采用根据模拟降雨与实测降雨的概率分布差异而定义的Skill Score指数筛选适合目标城市的GCM，以获取更加可靠的未来降雨预测数据。基于CLIGEN模型对GCM数据空间和时间降尺度得到月最大降雨量偏小，而极端降雨的减少，导致后续计算中的径流削减率偏大。这些不足会影响评价结果准确性，需在未来的研究中进一步改进。

      研究结果可望为“海绵城市”和“节水型城市”建设中雨水收集系统设计和评估提供科学参考。

文章来源： 中国水土保持科学 作者：岳桐葭,张守红