第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　近年来，随着我国城市建设的快速发展，地面硬化面积不断扩大，部分城区存在排水管网系统设计标准低等问题，导致城市内涝频繁出现，加剧了城市水环境恶化；同时，城市人口不断增长引起需水量增加，水资源短缺已成为制约我国城市发展的重大问题。为此，我国明确将雨水资源利用列入国家《中长期科学和技术发展规划纲要》，将雨水资源利用作为保障我国水资源安全的前瞻性和战略性研究方向。
　　2013年，我国正式提出海绵城市概念。“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在面对气候环境变化时具有一定的“弹性”，下雨时“吸收、存蓄、渗透、净化”，缺水时“释放”，海绵城市建设遵循顺应自然的低影响开发模式，自然积存、自然渗透、自然净化。中国传统的雨水管理系统是直接排放，造成了水资源的浪费。此外，我国城市排水管路系统并不发达，特大暴雨及持续降雨等突发情况会造成城市内涝。“海绵城市”涵盖理念、功能、技术、管理等方面：城市水功能协调主要体现在城市生活、工业、农业、灌溉、环境等用水能够得以满足，城市吸水排水协调(Subudhi et al.，2020)；城市水节约高效主要体现在城市用水重视雨水收集、净化、利用等技术的应用，有效提高节水效率(Shao et al.，2016)；城市水环境优美主要体现在城市水资源管理遵循人水和谐理念；城市水管理完善主要体现在健全的水资源管理制度和法律体系等(Liu，2016)。
　　雨水资源利用不仅具有直接经济价值，而且还有间接生态环境价值和社会效益，对促进城市雨水资源的可持续发展至关重要。国内外学者采用成本效益分析方法对雨水利用设施进行评估，能够很好地量化工程的经济效益。成本效益分析（cost-benefit analysis，CBA）是将工程项目涉及的成本和效益进行量化，为政府决策机构提供净效益*大化的参考，可以很好地评估一项公共投资是否满足经济效益的要求，因此被政策分析专家广泛使用(刘艳艳，2017)。例如，19世纪30年代末发生的美国洪水控制法案和Tennessee Tricky大坝开发工程，将成本效益分析纳入到国家政府的决策活动中。经过40年后，美国规定任何重大管理行动都要执行成本效益分析，成本效益分析在多领域和实践都得到了应用(张子博，2019)。通过对灰色、绿色基础设施进行成本效益的对比研究，发现绿色基础设施不仅在生态环境上优于传统设施，在经济上也具有优势（Palmer et al.，2015）。雨水资源利用所产生的成本以及效益分析不仅要考虑利用技术，还要与当地水资源禀赋和需水紧密联系起来。众多学者利用成本效益分析方法，将绿色基础设施和传统的灰色基础设施进行对比，发现其能够较好地反映雨水资源利用系统的经济优势；此外，雨水资源利用系统的经济优势还和地区自然条件、当地居民的用水习惯有关。这些研究结果对于研究雨水资源利用系统意义重大，表明在研究雨水资源利用的经济效益过程中，不仅要考虑技术因素，还要考虑当地的降水、气候及居民的用水习惯。而我国目前还不具备兼顾经济效益、生态环境效益和社会效益三个维度的城市雨水资源利用定量效益评估核心技术，急需研发适合我国城市发展特征的雨水资源利用效益评价技术。
　　城市雨水资源利用技术涉及水量预测、时空调控、量质调度及利用方案决策等多个方面。国外雨水资源利用研究始于20世纪初，德国、日本、美国等西方发达国家已建立了城市雨水资源利用模式、评价方法、监督管理机制和法律法规体系，已发展到标准化和产业化阶段，广泛应用于城市规划与建设领域。发展中国家则重点推广农村雨水集蓄技术和设施，如著名的“泰缸”工程解决了泰国农村300万人的饮用水问题（杨香东和向清炳，2009），非洲雨水联合会等机构也开展了雨水集蓄利用技术的推广实践。
　　许多发达国家已经出台了城市雨水资源利用的重大发展规划，诸如美国的低影响开发计划、英国的可持续排水系统、澳大利亚水敏感城市设计计划等。这些国家研发了雨水资源利用工程技术，在收集利用、自然下渗和调控排放等类型工程建设的基础上，通过开发如STORM、SWMM、MOUSE、PWRI等商业化模型，开展自然雨水调配、降雨—汇流—水质模拟、雨水利用效益与风险评估等研究，形成了健全的城市雨水资源利用监管机制，包括制定一系列技术规范与标准、法律、法规及雨水利用补贴和排放税费制度。随着雨水资源利用技术发展，模型精细化、技术手段标准化以及利用模式产业化将成为主要发展趋势。
　　我国城市雨水资源利用起步相对较晚，由于水资源禀赋差异显著，我国城市雨水资源利用问题较发达国家更为复杂。北京等城市针对绿地滞蓄、屋顶集流、渗井系统等雨水利用技术开展了长期的技术研发和示范，先后发布了《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB 50400—2006）、《城市雨水利用工程技术规程》（DB 11/T685—2009）等标准，建成了多个城市雨水资源利用示范工程，如北京奥运场馆雨水利用工程、天津节水型水利科技大厦等。目前，我国城市雨水资源利用技术研究多以工程设计和技术集成应用为主，在雨水资源利用技术精细化和标准化、雨水利用效益评估、应用推广等方面与发达国家仍有较大差距。
　　本书针对我国典型城市雨水资源利用约束机制，识别城市雨水资源利用的地区性、工程性、技术性以及管理性等限制因素，解析限制性因素对城市雨水资源利用的约束机制。针对适应国情的城市雨水综合利用模式，构建分地区、分季节、分水情的典型城市雨水综合利用技术、措施及管理方案集，初步建立集约束解析、工程调控、量质配置、效益评价等为一体的适合国情的城市雨水综合利用模式。
　　1.2 研究目标
　　本书面向国家重大需求，通过与美国、荷兰等创新型国家合作，围绕“精准解析城市雨水资源利用的约束机制”这一关键科学问题，引进吸收和再创新，建立适应于我国实际情况的城市雨水资源利用时空动态调配模拟技术和多目标多措施的城市雨水资源利用效益定量评价技术，在深圳市和兰州市开展雨水资源利用技术示范，为水质型和资源型缺水城市提供雨水资源利用新模式，为我国城市智慧水务建设提供技术支持。具体目标包括以下方面。
　　1）通过引进吸收和再创新，构建一套适合我国国情的、具有一定普适性的城市雨水资源利用方案集。系统总结美国、荷兰等创新型国家雨水利用的理论、技术与方法集，采用以“机制解析—案例剖析—需求响应—模式创建”为主线的研究方法，揭示我国水质型缺水的深圳市与资源型缺水的兰州市典型城市雨水资源利用的约束机制。
　　2）研发城市雨水资源利用时空动态模拟调配技术。以水质型缺水城市深圳和资源型缺水城市兰州为代表，分析城市雨水资源的分布特征与资源需求匹配性，合作研发城市雨水资源时空动态模拟技术，建立城市雨水资源利用多目标协同方法，构建城市雨水资源利用动态调配技术，研发针对我国典型缺水城市的雨水资源时空动态模拟技术和动态调配技术，促进雨水资源高效利用。
　　3）建立多目标多措施的城市雨水资源利用效益定量评价技术。分别从经济效益、生态效益和社会效益方面实现不同维度的城市雨水资源效益定量评估，构建“经济—生态—社会”一体化的综合评价体系。构建基于多目标多措施的稳健决策支持控制理论，充分考虑不同雨水资源利用模式下的效益评估和成本核算的不确定性，对城市雨水资源利用方案的成本效益进行权衡，实现对城市雨水资源利用方案组合和新模式的稳健选择。
　　4）建立雨水资源利用新模式和效益定量评估技术示范。在深圳市茅洲河流域，通过城市水文—水动力—水质的动态模拟技术，指导雨水“收集—调蓄—处理—利用”设施的规划设计，形成技术应用示范和效益评估；在深圳市南方科技大学校园，形成集人工湖—雨水花园—绿色屋顶等措施于一体的雨水资源利用方案，以蓄存雨水、提高水质、削减径流、就地利用为核心进行多维效益识别及稳健定量评价，形成南方科技大学海绵校园雨水资源利用技术示范；在兰州市创建特色花卉养殖“集雨面优化—集雨设施建设—水质净化—雨水利用”全过程雨水资源配置技术，建立城市特色产业区雨水资源高效利用示范区进行技术示范。
　　1.3 研究内容
　　根据研究目标，将实施过程分解为四部分，*先进行城市雨水资源化约束机制与综合利用模式研究，构建得到具有一定普适性的城市雨水综合利用方案集，在进行城市雨水资源利用调配技术的研发下进行组合调整，并通过多维效益识别与稳健定量评价进行优化，为雨水综合利用技术示范提供技术支撑，同时对前三部分进行应用反馈。
　　各项任务的具体内容如下。
　　研究内容1：城市雨水资源化约束机制与综合利用模式研究。
　　本书以美国、荷兰、德国为代表的创新型国家城市雨水利用模式为基础，归纳国外雨水资源利用的基础理论、工程措施、模拟与调配技术、法律法规等，分析国外雨水利用理念与技术的优缺点及适用性。以我国水质型缺水的深圳市与资源型缺水的兰州市为例，梳理城市雨水资源利用需求与现状利用方式、工程能力、成本效益等方面存在的问题，量化影响城市雨水资源利用的工程条件、水量水质以及成本效益等约束因素，解析约束性量化指标与雨水利用定量指标间的响应关系，揭示我国典型城市雨水资源利用约束机制。在此基础上，结合创新型国家先进雨水利用模式，构建分地区、分季节、分水情的典型城市雨水资源综合利用技术、措施及管理方案集，初步建立集约束解析、工程调控、量质配置、效益评价等为一体的适合国情的城市雨水资源综合利用模式。
　　研究内容2：城市雨水资源利用时空动态调配技术研究。
　　针对我国城市雨水资源时空分布不均、调蓄能力不足、雨水资源利用率低等问题，以水质型缺水城市深圳和资源型缺水城市兰州为代表，分析城市雨水资源的分布特征与资源需求匹配性，合作研发城市雨水资源时空动态模拟技术和精细化流域降雨—汇流—水质模拟模型与决策工具，以典型城市高精度实时监测数据为基础，建立城市雨水利用多目标协同方法。以深圳和兰州两个典型城市雨水特点与工程条件为例，引进消化创新型国家城市雨水资源利用工程调控技术，针对城市雨水资源利用需求，研发集需求分析—动态预报—工程调控—水量调度—优化决策为一体的我国城市雨水资源利用时空动态调配技术。
　　研究内容3：城市雨水利用多维效益识别及稳健定量评价技术研发。
　　结合我国城市雨水资源禀赋特征，建立综合考虑经济效益、社会效益和生态效益的多维效益协同的雨水资源利用效益定量评价方法和技术。利用全寿命周期成本核算方法对不同雨水资源利用模式中工程和技术措施的初始建设成本和未来运营维护成本进行核算。以城市雨水资源利用的经济效益、生态效益、社会效益和全寿命周期成本为决策约束指标构建城市雨水资源利用的多目标稳健权衡决策模型，实现对不同城市雨水资源利用目标约束下雨水资源利用方案及措施的稳健优选。
　　研究内容4：典型城市雨水资源利用新模式技术示范。
　　在深圳和兰州等城市开展雨水资源利用新模式技术示范和效益定量评估。选择典型流域茅洲河作为示范区，通过开展城市水文—水动力—水质的动态模拟技术示范，指导雨水“收集—调蓄—处理—利用”设施的规划设计，提出城市雨水净化与利用新策略，为城市水资源短缺与城市黑臭水体的治理提出新的解决思路；选择南方科技大学校园进行雨水利用措施全过程调控的技术示范，以雨水蓄存、提高水质、削减径流、就地利用为核心指标进行多维效益识别及稳健定量评价，提出海绵校园雨水资源利用策略；在兰州特色花卉基地进行“雨面优化—集雨设施建设—水质净化—雨水利用”全过程雨水资源配置技术示范，建立城市特色产业区雨水高效利用示范区，在资源型缺水城市兰州形成兰州特色产业区雨水利用新模式。
　　第2章 城市雨水资源化约束机制与综合利用模式
　　分析国外雨水资源利用理念与技术的优缺点及适用性，梳理我国城市雨水资源利用存在的问题，揭示我国典型城市雨水资源利用约束机制。