西峰區(qū)雨水資源化潛力估算

郭 龍，張新民，2，劉久如

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020）

西峰區(qū)雨水資源化潛力估算

郭 龍1，張新民1，2，劉久如1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020）

以西峰區(qū)的塬面為單元，結(jié)合當(dāng)?shù)氐南聣|面類型，在分析不同雨水利用潛力的基礎(chǔ)上，提出了2種雨水資源化潛力模型相結(jié)合的模式，估算了西峰區(qū)建設(shè)用地區(qū)的雨水可收集利用潛力和園林綠地區(qū)土壤蓄水潛力以及西峰區(qū)雨水資源總量，其多年平均值分別為2 464.46萬m3、39 098.48萬m3、48 864.48萬m3。

下墊面；雨水資源化；潛力；西峰區(qū)

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，工業(yè)化進程加快、城市規(guī)模迅速擴大，人口快速增長、用水量急劇增加、廢污水排放量增加，不透水性下墊面面積所占比例越來越大，使得區(qū)域內(nèi)水資源短缺問題日益嚴重，水資源的供需矛盾日趨尖銳，地下水超采，雨洪災(zāi)害加劇，水土流失、水資源浪費及生態(tài)環(huán)境惡化等水資源問題越發(fā)嚴重。西峰區(qū)地處黃土高原溝壑區(qū)，多年平均水資源總量為2.79 億m3，可利用水資源量約0.80億m3，為全國人均水平的1/9，甘肅省人均水平的1/6，資源型干旱缺水問題非常突出。雨水收集利用是使有限的降水資源再分配，提高雨水利用效率，提高干旱半干旱地區(qū)生產(chǎn)力和實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。雨水資源化潛力分析是進行雨水利用的前提，只有通過雨水可利用潛力分析，才能知道雨水資源的豐缺，以及年內(nèi)的分布情況，也可以為實施雨水利用措施提供依據(jù)，所以，定量研究西峰區(qū)雨水資源化利用潛力對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護有重要的意義。

為了保證經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展，必須要考慮到雨水資源的資源化潛力和未來對雨水資源可持續(xù)利用的需求。另外，由于城市一次所能容納的降水量有限，所以，在加快城市化進程的同時合理規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧區(qū)域土壤蓄水潛力和雨水收集潛力兩個方面，可以實現(xiàn)雨水資源化潛力的最大值。趙西寧等以黃土高原地區(qū)為例，并結(jié)合GIS技術(shù)建立了區(qū)域雨水資源化潛力定量評價模型［1］。王建生和郭周亭等分別介紹了水資源可利用量的內(nèi)涵、影響因素等，并提出了計算水資源可利用量可行的方法［2～3］。宋進喜等利用GIS技術(shù)對西安市雨水收集潛力進行估算分析［4］。朱強和王文龍等分別以不同材料的集雨面做實驗來研究各種防滲集流面上，在不同降雨特性（次雨量、雨強）條件下的集流效率，并提出了計算集流效率可行的方法［5～6］。我們以慶陽市西峰區(qū)為研究單元，以雨水資源化潛力為研究對象，通過對1960—2010年51 a的逐月降雨資料進行分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)類型，利用兩種雨水資源化潛力模型相結(jié)合的方式，估算了西峰區(qū)的建設(shè)用地區(qū)的雨水可收集利用潛力和園林綠地區(qū)土壤蓄水潛力，以及西峰區(qū)雨水資源總量。

1 材料與方法

1.1 資料來源

慶陽市西峰區(qū)1960—2010年近51 a降水資料，西峰區(qū)氣象站提供。

1.2 研究區(qū)域概況

西峰區(qū)地處甘肅省東部，慶陽市東南部，涇河上游，坐落在俗稱“天下黃土第一塬”的董志塬腹地，北靠慶城縣，南接寧縣，西和鎮(zhèn)原縣毗鄰，東與合水縣相望，屬陜、甘、寧三省區(qū)金三角地帶。地理坐標(biāo)東經(jīng)107°27′42″～107°52′48″，北緯35°25′55″～35°5′11″，平均海拔1 421.00 m。地形呈扇狀，南北長約47.70 km，東西寬約34.80 km，塬面較為完整，地勢平坦廣闊。土壤以黑壚土為主，微堿性，土地肥沃，疏松、保水保肥，垂直滲透性強。西峰區(qū)為大陸性半干旱氣候，屬干旱缺水地區(qū)。

1.3 估算方法

1.3.1 雨水資源總量 指1個區(qū)域內(nèi)在1 a內(nèi)所有降水之和。由于大氣降水是陸地上各種形態(tài)水資源總的補給來源，是1個流域或封閉地區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源量的最大值［7］。雨水資源總量的計算公式為：

式中，Q為雨水資源總量（m3），P為年降水量（mm），A為土地利用類型面積（km2）。

結(jié)合公式及相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算出西峰區(qū)不同降水保證率所對應(yīng)的年可利用雨水資源總量。

1.3.2 雨水收集利用潛力 通常情況下，1個區(qū)域的雨水只能部分被收集利用，在計算可收集雨水量時需要將徑流系數(shù)、季節(jié)折減系數(shù)的影響考慮在內(nèi)［8］，還應(yīng)考慮初期棄流量，綜合考慮所述因素的影響，可收集雨水量估算公式如下：

式中：Q為可收集利用的雨水量（m3）；P為一定保證率下的年降水量（mm）；A為匯水面積（km2）；ψ為徑流系數(shù)；α為季節(jié)折減系數(shù)；β為初期棄流系數(shù)。

1.3.3 土壤蓄水潛力 采用余衛(wèi)東等建立的城市雨水資源化潛力模型［9］，公式如下：

Ts表示城市雨水資源化可能潛力；Te表示城市雨水資源化現(xiàn)實潛力，是從可能潛力中扣除臨界雨水資源后的資源量；T1表示不透水下墊面的雨水資源量；T2表示園林綠地的雨水資源量；T3表示水域的雨水資源量；Tt表示臨界雨水資源量，是指為防止城市出現(xiàn)內(nèi)澇，當(dāng)降水量大于臨界降水量時不能利用的雨水資源量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量特點

2.1.1 年平均降水量 由圖1可以看出，1960—2010年51 a間，西峰區(qū)降水量年際波動較大，總體有下降的趨勢，年降水量一般在300～800 mm波動。通過分析和計算，多年平均降水量為545.7 mm，年最小降水量為333.8 mm（1995年），年最大降水量為828.2 mm（2003年），降水年內(nèi)分配不均勻，年際變化大，具有明顯的豐、平、枯水年特征。

圖1 西峰區(qū)年降水量年際變化趨勢

2.1.2 典型年降水量及降水特征 采用典型年法［10～11］，通過選配P-Ⅲ型曲線進行曲線擬合，得偏差系數(shù)Cv=0.25，變差系數(shù)Cs=2.4Cv。進而得到相應(yīng)于降水保證率為25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、95%（特枯年）的4個典型年的年降水量分別為629.0、532.1、447.5、347.9 mm。由此得到的西峰區(qū)不同降水保證率對應(yīng)的典型年各月降水量如表1所示。

由表1中近51a西峰區(qū)月平均降水量來看，5—10月份降水量最大，占全年的84.4%，且以7、8、9月份最多，3個月的降水量占全年的56.1%以上；而冬季降水稀少，僅占全年降水量的2.7%。可見，西峰區(qū)的雨水資源主要集中在夏秋兩季，也說明每年實施城市雨水資源化措施的關(guān)鍵時期應(yīng)該在夏季和秋季進行。

表1 西峰區(qū)不同降水保證率下各月降水量

2.2 降水資源

由表2中可以看出，降水保證率為25%（豐水年）時，西峰區(qū)年降水量為62 838.24萬m3，降水保證率為95%（特枯年）時，西峰區(qū)年降水量仍然達到34 755.84萬m3。西峰區(qū)共38萬人口，在降水保證率為95%條件下，人均擁有的雨水資源量為914.63 m3，是人均擁有的常規(guī)水資源量的5倍，足以說明西峰區(qū)的年降水量相對比較豐富。

2.3 雨水資源化潛力分析

通常情況下，雨水資源化潛力主要體現(xiàn)在土壤蓄水潛力和雨水收集潛力兩方面［12～13］，前者主要指土壤對雨水的存儲量、雨水的下滲量以及地面植被截留量等，后者主要是指不透水面以及水面上可以收集或蓄存的雨水量。依照城市下墊面性質(zhì)及其雨水資源利用方式的不同，可將城市土地類型大致分為3類：一是不透水類型的下墊面。主要包括城市居民點及工礦企業(yè)用地、道路、硬化廣場及其他建設(shè)用地，對于這類下墊面，當(dāng)降雨達到一定強度時就會產(chǎn)生地面徑流，由于在降雨初期形成的雨水徑流中，有機污染物（COD）及固體懸浮物（SS）含量都很高，雨水水質(zhì)較差，沒有利用價值，故還應(yīng)考量初期棄流［14］，可用徑流系數(shù)法來計算該類下墊面的雨水收集潛力。二是園林綠地類型。這類下墊面被綠色植被所覆蓋，雨水能直接下滲。這類下墊面上的雨水資源可以直接利用，其可利用量扣除了植被截流，當(dāng)降雨強度大于入滲強度時才會產(chǎn)生徑流，故該類下墊面主要體現(xiàn)土壤蓄水潛力。三是水體下墊面主要包括城市內(nèi)的河流、湖泊等水域。這類下墊面上的降雨能完全直接轉(zhuǎn)化為水資源。在每次降水過程中，上述3種下墊面之間有時可能出現(xiàn)雨水資源交換現(xiàn)象，但是這些雨水資源的交換只是城市內(nèi)部雨水資源的異地利用，雨水資源可利用總量并沒有因此減少。另外，由于城市一次所能容納的降水量有限，所以超過城市最大降水容納能力的雨水資源不應(yīng)該計算在內(nèi)，此時的降水量可稱為臨界降水量，這部分不能利用的雨水資源稱為臨界雨水資源。從雨水資源可能潛力中扣除臨界雨水資源后即為城市雨水資源化的現(xiàn)實潛力。

表2 西峰區(qū)不同降水保證率下的年降水總量

我們采用以下兩種雨水資源化潛力模型相結(jié)合的方法來計算西峰區(qū)不同水平年的雨水資源化潛力。用第一種模型對西峰區(qū)雨水資源總量進行估算，對西峰區(qū)雨水現(xiàn)實潛力的估算將兩種模型相結(jié)合，將西峰區(qū)分為不透水區(qū)域、園林綠地區(qū)域和城市水體區(qū)域3種類型。模型一通過考慮徑流系數(shù)、季節(jié)折損系數(shù)及棄流系數(shù)來計算西峰區(qū)不透水面積區(qū)的雨水可收集潛力；模型二可以計算園林綠地區(qū)的土壤蓄水潛力和水域所直接轉(zhuǎn)化的水資源量，再去除臨界雨水資源量，即為西峰區(qū)雨水資源化利用現(xiàn)實潛力。

表3 西峰區(qū)不同保證率下的場次降水量

表6 西峰區(qū)不同水平年雨水利用潛力結(jié)果分析

2.3.1 雨水收集利用潛力 由于缺乏實測資料，通過查閱與西北黃土高原溝壑區(qū)域集流效率實驗性文章相關(guān)的文獻［15］，以及參考《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》（GB50400-2006），并結(jié)合西峰區(qū)各匯水面的地表特征，從宏觀上對各類用地的徑流系數(shù)進行了確定，其中居民點及工礦用地徑流系數(shù)為0.6，交通運輸用地徑流系數(shù)為0.9。

計算所采用的西峰區(qū)不透水集水面面積具體數(shù)值見表2，降水資料采用西峰區(qū)不同保證率年的逐日降水量。由于在徑流計算中，＜10 mm的場次降水對雨水的收集利用意義不大［16～17］，因此計算中可以剔除，只考慮＞10 mm的場次降水量，表3 為4個典型年＞10 mm的降水量統(tǒng)計表。

根據(jù)對西峰區(qū)降水規(guī)律的分析可知，西峰區(qū)降水主要集中在夏秋兩季，因此季節(jié)折減系數(shù)為5-10月份降水量占全年總降雨量的比例，相應(yīng)于降水保證率為25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、95%（特枯年）的4個典型年的年降水量分別為463.6、430.9、347.7、266.1 mm。季節(jié)折減系數(shù)為0.85，初期棄流系數(shù)β為0.77。

結(jié)合公式相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算出西峰區(qū)不透水區(qū)在不同水平年的雨水可收集潛力，見表4。

表4 西峰區(qū)雨水可收集潛力 萬m3

2.3.2 土壤蓄水潛力 結(jié)合表2和相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算出西峰區(qū)不同水平年園林綠地區(qū)的土壤蓄水潛力、水體所直接轉(zhuǎn)化的雨水資源量和臨界雨水資源量，計算結(jié)果見表5。

表5 西峰區(qū)不同水平年的土壤蓄水潛力 萬m3

結(jié)合表2、表4和表5，綜合分析西峰區(qū)不同水平年雨水可收集潛力和土壤蓄水潛力，分析結(jié)果見表6。

3 小結(jié)與討論

1） 根據(jù)計算分析得知，西峰區(qū)多年平均雨水可收集利用量與土壤蓄水潛力分別為 2 464.46萬m3，42 319.69萬m3，雨水資源總量多年平均為48 864.48萬m3，可見西峰區(qū)雨水資源化潛力非?？捎^，其中園林綠地的土壤蓄水潛力占主要部分，

這主要是因為透水面在西峰區(qū)下墊面面積中占的比例比較大，隨著城市化的進一步發(fā)展，建成區(qū)面積和不透水面積都將繼續(xù)增加，雨水資源可收集潛力也將隨之增加。

2） 城市一次所能容納的降水量有限，因此在加快城市化進程發(fā)展的同時也要兼顧城市的蓄水能力，以減少不必要的暴雨雨水資源的損失，應(yīng)合理規(guī)劃、統(tǒng)籌兼顧土壤蓄水潛力和雨水可收集潛力，以實現(xiàn)西峰區(qū)雨水資源化潛力的最大值。

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（本文責(zé)編：陳 珩）

TV213.9

A

1001-1463（2015）02-0045-05

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.02.017

2014-11-27

甘肅省科技重大專項“慶陽黃土高原雨洪保蓄與水資源高效利用技術(shù)的研究與集成”（項目編號：1203FKDA035）

郭 龍（1988—），男，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源利用的研究。聯(lián)系電話：（0）15294201727。E-mail：guolong_1727@126.com

張新民（1965—），男，甘肅慶陽人，正高級工程師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水資源利用研究。E-mail：xmzhgs@yahoo.com.cn