西峰区雨水资源化潜力估算

2015-01-06张新民刘久如

甘肃农业科技 2015年2期

关键词：下垫面水资源量潜力

郭龙，张新民，2，刘久如

（1.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020）

西峰区雨水资源化潜力估算

郭龙1，张新民1，2，刘久如1

（1.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020）

以西峰区的塬面为单元，结合当地的下垫面类型，在分析不同雨水利用潜力的基础上，提出了2种雨水资源化潜力模型相结合的模式，估算了西峰区建设用地区的雨水可收集利用潜力和园林绿地区土壤蓄水潜力以及西峰区雨水资源总量，其多年平均值分别为2 464.46万m3、39 098.48万m3、48 864.48万m3。

下垫面；雨水资源化；潜力；西峰区

随着经济社会的快速发展，工业化进程加快、城市规模迅速扩大，人口快速增长、用水量急剧增加、废污水排放量增加，不透水性下垫面面积所占比例越来越大，使得区域内水资源短缺问题日益严重，水资源的供需矛盾日趋尖锐，地下水超采，雨洪灾害加剧，水土流失、水资源浪费及生态环境恶化等水资源问题越发严重。西峰区地处黄土高原沟壑区，多年平均水资源总量为2.79 亿m3，可利用水资源量约0.80亿m3，为全国人均水平的1/9，甘肃省人均水平的1/6，资源型干旱缺水问题非常突出。雨水收集利用是使有限的降水资源再分配，提高雨水利用效率，提高干旱半干旱地区生产力和实现区域农业可持续发展的重要途径。雨水资源化潜力分析是进行雨水利用的前提，只有通过雨水可利用潜力分析，才能知道雨水资源的丰缺，以及年内的分布情况，也可以为实施雨水利用措施提供依据，所以，定量研究西峰区雨水资源化利用潜力对当地经济发展、生态建设、环境保护有重要的意义。

为了保证经济和社会可持续发展，必须要考虑到雨水资源的资源化潜力和未来对雨水资源可持续利用的需求。另外，由于城市一次所能容纳的降水量有限，所以，在加快城市化进程的同时合理规划，统筹兼顾区域土壤蓄水潜力和雨水收集潜力两个方面，可以实现雨水资源化潜力的最大值。赵西宁等以黄土高原地区为例，并结合GIS技术建立了区域雨水资源化潜力定量评价模型［1］。王建生和郭周亭等分别介绍了水资源可利用量的内涵、影响因素等，并提出了计算水资源可利用量可行的方法［2～3］。宋进喜等利用GIS技术对西安市雨水收集潜力进行估算分析［4］。朱强和王文龙等分别以不同材料的集雨面做实验来研究各种防渗集流面上，在不同降雨特性（次雨量、雨强）条件下的集流效率，并提出了计算集流效率可行的方法［5～6］。我们以庆阳市西峰区为研究单元，以雨水资源化潜力为研究对象，通过对1960—2010年51 a的逐月降雨资料进行分析，并结合当地的土地利用结构类型，利用两种雨水资源化潜力模型相结合的方式，估算了西峰区的建设用地区的雨水可收集利用潜力和园林绿地区土壤蓄水潜力，以及西峰区雨水资源总量。

1 材料与方法

1.1 资料来源

庆阳市西峰区1960—2010年近51 a降水资料，西峰区气象站提供。

1.2 研究区域概况

西峰区地处甘肃省东部，庆阳市东南部，泾河上游，坐落在俗称“天下黄土第一塬”的董志塬腹地，北靠庆城县，南接宁县，西和镇原县毗邻，东与合水县相望，属陕、甘、宁三省区金三角地带。地理坐标东经107°27′42″～107°52′48″，北纬35°25′55″～35°5′11″，平均海拔1 421.00 m。地形呈扇状，南北长约47.70 km，东西宽约34.80 km，塬面较为完整，地势平坦广阔。土壤以黑垆土为主，微碱性，土地肥沃，疏松、保水保肥，垂直渗透性强。西峰区为大陆性半干旱气候，属干旱缺水地区。

1.3 估算方法

1.3.1 雨水资源总量指1个区域内在1 a内所有降水之和。由于大气降水是陆地上各种形态水资源总的补给来源，是1个流域或封闭地区当地水资源量的最大值［7］。雨水资源总量的计算公式为：

式中，Q为雨水资源总量（m3），P为年降水量（mm），A为土地利用类型面积（km2）。

结合公式及相关数据，可计算出西峰区不同降水保证率所对应的年可利用雨水资源总量。

1.3.2 雨水收集利用潜力通常情况下，1个区域的雨水只能部分被收集利用，在计算可收集雨水量时需要将径流系数、季节折减系数的影响考虑在内［8］，还应考虑初期弃流量，综合考虑所述因素的影响，可收集雨水量估算公式如下：

式中：Q为可收集利用的雨水量（m3）；P为一定保证率下的年降水量（mm）；A为汇水面积（km2）；ψ为径流系数；α为季节折减系数；β为初期弃流系数。

1.3.3 土壤蓄水潜力采用余卫东等建立的城市雨水资源化潜力模型［9］，公式如下：

Ts表示城市雨水资源化可能潜力；Te表示城市雨水资源化现实潜力，是从可能潜力中扣除临界雨水资源后的资源量；T1表示不透水下垫面的雨水资源量；T2表示园林绿地的雨水资源量；T3表示水域的雨水资源量；Tt表示临界雨水资源量，是指为防止城市出现内涝，当降水量大于临界降水量时不能利用的雨水资源量。

2 结果与分析

2.1 降水量特点

2.1.1 年平均降水量由图1可以看出，1960—2010年51 a间，西峰区降水量年际波动较大，总体有下降的趋势，年降水量一般在300～800 mm波动。通过分析和计算，多年平均降水量为545.7 mm，年最小降水量为333.8 mm（1995年），年最大降水量为828.2 mm（2003年），降水年内分配不均匀，年际变化大，具有明显的丰、平、枯水年特征。

图1 西峰区年降水量年际变化趋势

2.1.2 典型年降水量及降水特征采用典型年法［10～11］，通过选配P-Ⅲ型曲线进行曲线拟合，得偏差系数Cv=0.25，变差系数Cs=2.4Cv。进而得到相应于降水保证率为25%（丰水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、95%（特枯年）的4个典型年的年降水量分别为629.0、532.1、447.5、347.9 mm。由此得到的西峰区不同降水保证率对应的典型年各月降水量如表1所示。

由表1中近51a西峰区月平均降水量来看，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个月的降水量占全年的56.1%以上；而冬季降水稀少，仅占全年降水量的2.7%。可见，西峰区的雨水资源主要集中在夏秋两季，也说明每年实施城市雨水资源化措施的关键时期应该在夏季和秋季进行。

表1 西峰区不同降水保证率下各月降水量

2.2 降水资源

由表2中可以看出，降水保证率为25%（丰水年）时，西峰区年降水量为62 838.24万m3，降水保证率为95%（特枯年）时，西峰区年降水量仍然达到34 755.84万m3。西峰区共38万人口，在降水保证率为95%条件下，人均拥有的雨水资源量为914.63 m3，是人均拥有的常规水资源量的5倍，足以说明西峰区的年降水量相对比较丰富。

2.3 雨水资源化潜力分析

通常情况下，雨水资源化潜力主要体现在土壤蓄水潜力和雨水收集潜力两方面［12～13］，前者主要指土壤对雨水的存储量、雨水的下渗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。依照城市下垫面性质及其雨水资源利用方式的不同，可将城市土地类型大致分为3类：一是不透水类型的下垫面。主要包括城市居民点及工矿企业用地、道路、硬化广场及其他建设用地，对于这类下垫面，当降雨达到一定强度时就会产生地面径流，由于在降雨初期形成的雨水径流中，有机污染物（COD）及固体悬浮物（SS）含量都很高，雨水水质较差，没有利用价值，故还应考量初期弃流［14］，可用径流系数法来计算该类下垫面的雨水收集潜力。二是园林绿地类型。这类下垫面被绿色植被所覆盖，雨水能直接下渗。这类下垫面上的雨水资源可以直接利用，其可利用量扣除了植被截流，当降雨强度大于入渗强度时才会产生径流，故该类下垫面主要体现土壤蓄水潜力。三是水体下垫面主要包括城市内的河流、湖泊等水域。这类下垫面上的降雨能完全直接转化为水资源。在每次降水过程中，上述3种下垫面之间有时可能出现雨水资源交换现象，但是这些雨水资源的交换只是城市内部雨水资源的异地利用，雨水资源可利用总量并没有因此减少。另外，由于城市一次所能容纳的降水量有限，所以超过城市最大降水容纳能力的雨水资源不应该计算在内，此时的降水量可称为临界降水量，这部分不能利用的雨水资源称为临界雨水资源。从雨水资源可能潜力中扣除临界雨水资源后即为城市雨水资源化的现实潜力。

表2 西峰区不同降水保证率下的年降水总量

我们采用以下两种雨水资源化潜力模型相结合的方法来计算西峰区不同水平年的雨水资源化潜力。用第一种模型对西峰区雨水资源总量进行估算，对西峰区雨水现实潜力的估算将两种模型相结合，将西峰区分为不透水区域、园林绿地区域和城市水体区域3种类型。模型一通过考虑径流系数、季节折损系数及弃流系数来计算西峰区不透水面积区的雨水可收集潜力；模型二可以计算园林绿地区的土壤蓄水潜力和水域所直接转化的水资源量，再去除临界雨水资源量，即为西峰区雨水资源化利用现实潜力。

表3 西峰区不同保证率下的场次降水量

表6 西峰区不同水平年雨水利用潜力结果分析

2.3.1 雨水收集利用潜力由于缺乏实测资料，通过查阅与西北黄土高原沟壑区域集流效率实验性文章相关的文献［15］，以及参考《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400-2006），并结合西峰区各汇水面的地表特征，从宏观上对各类用地的径流系数进行了确定，其中居民点及工矿用地径流系数为0.6，交通运输用地径流系数为0.9。

计算所采用的西峰区不透水集水面面积具体数值见表2，降水资料采用西峰区不同保证率年的逐日降水量。由于在径流计算中，＜10 mm的场次降水对雨水的收集利用意义不大［16～17］，因此计算中可以剔除，只考虑＞10 mm的场次降水量，表3 为4个典型年＞10 mm的降水量统计表。

根据对西峰区降水规律的分析可知，西峰区降水主要集中在夏秋两季，因此季节折减系数为5-10月份降水量占全年总降雨量的比例，相应于降水保证率为25%（丰水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、95%（特枯年）的4个典型年的年降水量分别为463.6、430.9、347.7、266.1 mm。季节折减系数为0.85，初期弃流系数β为0.77。

结合公式相关数据，可计算出西峰区不透水区在不同水平年的雨水可收集潜力，见表4。