西峰区雨水集蓄利用可行性研究

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)

由于城市化的迅速发展，道路、建筑群等不透水地面的扩大。一方面雨水不能再入渗地下补充地下水，加上地下水的严重超采，使得城市周围的水环境和生态环境恶化;另一方面遇强降雨时，径流迅速汇集造成地面积水和城市局部洪灾。如果在城市建设中，注意发展雨水收集和利用工程，把原来被排走的雨水留下来利用，既增加了水资源，也是节约自来水的好措施。同时，通过雨水集蓄利用措施的不断改进，雨水被集蓄利用或回渗地下，减少了排水量，减轻了城市洪水灾害威胁。从而地下水得以回补，水环境得以改善，生态环境得以修复。可以说，雨水集蓄利用是城市水资源可持续利用的重要措施之一。由于西峰区地处旱塬，水资源匮乏，人均水资源仅为260 m3/a，资源性缺水问题非常突出。天然降雨是董志塬十分宝贵的水资源，但由于时空分布不均，降水主要集中在7、8、9三个月，且大多以暴雨或连续降雨形式出现，造成区域内水土流失严重，致使沟头向市区挺进、沟道下切，塬面逐渐缩减。据史料记载，董志塬的面积比民国期间缩减了近1/3。近年来，由于城镇化进程的加快及暴雨等恶劣天气情况的增加，董志塬水土流失日益严重、亟需综合治理。西峰区雨水集蓄保塬生态工程的实施将集蓄利用天然降水，变雨洪灾害为雨水资源，实现该地区雨洪由排到蓄、由害到利的转变，使有限的降雨集蓄利用起来，从而减缓雨水对塬面的冲刷，减少水土流失情况的发生，实现蓄水保塬，促进城市科学发展、可持续发展的目的。

1 研究区域及其降水量分析

1.1 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，坐落于俗称“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。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。

1.2 西峰区降雨量特征值

对城市雨水资源量的计算与分析要综合考量多种因素，因为降雨具有突变性和周期性，如果仅仅以具体的某一年的降雨量或多年平均降雨量为代表所计算出来的可收集雨水量计算未来雨水可利用量并没有实际意义，因此，计算可收集雨量时年降水量应采取一定降水频率下的典型年的值。所以，对于西峰区塬面雨水资源的计算，本文采用典型年法。根据西峰区气象站所提供给的1960～2010年51a月降雨序列，通过选配P-Ⅲ型曲线进行曲线拟合，得多年平均降水量为=545.7 mm，Cv=0.25，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)的四个典型年的降雨量特征值年降雨量。(见表1)。

表1 理论频率曲线特征值计算表(年降水量)

2 可收集雨水量计算

依照下垫面性质及其雨水资源利用方式的不同，可将西峰区土地类型大致分为3种: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，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。三是水体下垫面，它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。通过西峰区国土资源局提供的土地利用数据结合现场实地调查，其居民点及工矿用地面积为14 658.34 hm2，交通运输用地面积为1 155.76 hm2，水域面积为287.96 hm2。

2.1 西峰区雨水可收集利用量

通常情况下，一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[1]的影响考虑在内，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);xp为一定保证率下的年降水量(mm);A为汇水面积(km2);Φ为径流系数;α为季节折减系数;β为初期弃流系数。

由于缺乏实测资料，所以此处的径流系数是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[2]，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，水域径流系数为1。季节折减系数α取0.85(西峰区降水主要集中在夏秋两季，因此季节折减系数α为5-10月份降雨量占全年总降雨量的比例);初期弃流系数β取0.77(初期弃流系数β=1-初期弃流量×年有效降雨次数÷年平均降雨量)。

结合公式(1)及相关数据，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2。

表2 西峰区可收集雨水潜力计算结果 10 4 m3

由表2中可以看出，降水保证率为25%时，西峰区年可收集雨水量为4 167.50万 m3，降水保证率为95%的条件下，西峰区年可收集雨水量仍然达到2 305.05万 m3。西峰区共38万人口，在降水保证率为95%条件下，人均拥有的可收集雨水资源量为60.66 m3，是人均拥有的常规水资源量260 m3的四分之一，足以说明西峰区可收集的年雨水量相对比较丰富。

2.2 村庄可收集雨水量

本论文主要研究的是西峰区可收集且能够蓄存利用的雨水资源，而这部分雨水主要来自硬化面积[3]集中的地区以及坡面，比如:公路、城镇小区、塬面村落屋面、庭院等。本文以什社乡为例调查该乡镇各类硬化面所占面积及比例，从而对塬面可收集雨水量的计算提供依据。

什社乡共有10个村，分别为什丰村、贺塬村、庆丰村、李岭村、新兴村、塔头村、新庄村、永丰村、任岭村以及文安村，这些村庄中一部分完全建在塬面，一部分建在沟道。本文主要研究塬面雨洪资源的利用，所以这里只统计完全建在塬面的几个村庄的屋面、庭院、道路硬化情况，这些村庄分别为李岭村、塔头村、文安村、任岭村以及什丰村，2013年10月对以上村镇土地硬化情况做了现场调查，主要工作是对路面、屋面、庭院、广场等各类硬化面面积进行统计。通过调查得知，该地区屋面主要有水泥瓦、机瓦、青瓦三种类型，道路有混凝土路面、沥青路面、砂石路面以及黄土夯实路面，庭院主要有混凝土面、不透水砖以及黄土夯实面等，各种硬化面面积如表3所示。

全年单位集水面积上可集水量按式[4](2)～式(4)计算

式中:W为保证率等于p的年份单位集水面积全年可集水量，m3/m2;Ey为某种材料集雨面的全年集雨效率，以小数点表示，由于集雨材料的类型、各地降雨量及其保证率的不同，全年的集雨效率也不同，要选用当地的实测值，若资料缺乏，可参考类似地区集雨效率;Rp为保证率等于p的全年降雨量，mm;xp为保证率为p的年降水量，mm为多年平均降水量，mm;Kp为根据保证率及Cv值(降水量离差系数)确定的系数，用小数表示;K为全年降雨量与降水量之比值，用小数表示，高塬沟壑区可参考相关资料，此处参考相关文献得出全年降雨量与降水量之比值范围为0.90～0.95，本文取值为0.92。

通过对“甘肃雨养农业区集水观测实验研究”项目推荐的激雨效率、《庆阳地区农业实用技术选辑》推荐的集雨效率、甘肃省庆阳地区水利处孔繁洲推荐的集雨效率和黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站李怀有推荐的集雨效率综合分析，并结合当地不同集雨材料的集雨面得出对应集雨材料所形成的集雨面的集雨效率如表4所示。

表3 西峰区什社乡塬面各村各类硬化面面积 10 3 m2

表4 不同集雨面集雨效率

结合公式(2)～式(4)及相关数据计算得西峰区什社乡 塬面各村可收集雨水量如表5所示。

2.1 选择示踪剂 根据实验项目需要选择合适的示踪剂。一般与待标记有机物中所含的元素、放射性同位素的半衰期、射线种类及辐射能量以及同位素的毒性等有关[1]： ①为了达到实验的理想效果，一般选用研究对象中的特征元素进行示踪；②根据实验周期，选用半衰期合适的放射性同位素，一般能保证检测结束时，放射性同位素的含量为给入量的70%为宜；③用的核素宜为纯α、β、γ射线的发射体，保证射线能量在1.0～2.5MeV的适宜范围内；④所选示踪剂尽量避免高毒性。如实验必需，则应控制其用量在对人体和环境无害的范围之内。综上，将中学生物学探究活动中常用的几种放射性同位素的特征[2]整理成表1。

表5 西峰区什社乡塬面各村可收集雨水量 (10 3m3)

通过调查可知李岭、塔头、什丰、文安、任岭各村人口分别为 2 700、1 926、2 430、3 510、2 295 人，降水保证率为95%时，各村人均可收集雨量分别为41.26 m3、34.05 m3、28.10 m3、30.11 m3、25.15 m3。结果显示，李岭村人均可收集雨量最大，这也与调查的实际情况不谋而合，因为五个村子中李玲村是新建的新农村，其屋顶、道路、庭院硬化面积大，并且相应的排水设施也较齐全，这也说明在当地实行雨水集蓄利用措施非常可行。

3 西峰区雨水集蓄利用效益评价

3.1 经济效益分析

根据上文的分析，雨水可通过简单的收集处理可用于绿化、道路喷洒、冲洗车和冲厕等，雨水代替这些用水将带来非常可观的经济效益。目前李岭村自来水水价是2.5元/m3，从运行管理和小区用水费用的支出分析，投入收集1 m3雨水的运行费用不足0.1元，在降水保证率为75%时，一年内李岭村平均可收集雨水资源量14.328万 m3，假设雨水的市场价格0.3元/m3[5]，经粗略计算可以为该村的用水费用每年可节约31.521 6万元。

假定雨水代替其他水源进行雨水资源化利用后所节约的费用为经济效益评价的目标值，建立最优化模型，通过数学中的线性规划求解目标函数的最优解，优化模型[]6如下:

目标函数:

约束条件:

式中:Ci为使用处理后的雨水与使用其他水源之间的单位效益差值;Xi为相应各种用途的用水量(指使用雨水量);X0为该地区可利用雨水资源量;[Xi]为某种用途时的最大需水量。

此处把雨水利用分为人畜饮水、工业、基建用水和其他用水四种方式，讨论其运用雨水的经济效益。根据西峰区物价发(2007)65号文件批复水价，西峰区水务局农村人饮水和工程供水价格实行分类水价:人畜用水价格2.5元/m3，每桶(250 kg)0.7元，机关单位用水价格3.0元/m3，工业、基建及其他用水价格5.0元/m3。而雨 水利用费用为0.3形 m3，计算使用处理后雨水与人畜用水所产生的单位效益差值C1=2.5-0.3=2.2元/m3，同理可得 C2=4.7元/m3，C3=4.7元/m3，C4=4.7 元/m3。

由于李岭村是新农村，根据农村居民生活用水定额，综合考虑李岭村各种因素，取每日45 L/人，李岭村人口2 700人，根据农村牲畜家禽用水定额，取每日20 L/头，牲畜规模养殖总量为800头，则每日需要13.75万L，则一年为5.02万 m3，增加一个变量增量则取5.5万 m3。绿化灌溉用水根据《城市生活居住区规划设计规范(GB50180—93)》取每日2 L/m2，根据现场调查可知李岭村的乡村绿化面积为6 000 m2，荒山荒坡绿化面积为1 000亩地。考虑绿化灌溉一般在非降水日进行，结合西峰区降雨时空分布特点，取5个月灌溉期，则李岭村每年需要绿化用水673 000×0.35% ×2×150=706.65 m3，取1 000 m3，工业、基建用水除了包括道路洒水外还包括应急用水，根据规范可以假定2万 m3，其他用水由于存在许多用水场所，具体数据很难获得，本文假定这些场所的用水量为1万 m3。鉴于数据的获取存在障碍，因此本文只是用来半定量评价。将相关数据代入上述的规划模型，可得到以下数学模型:

通过计算可知四种用途大约可节约25万元，经济效益显著。另外，除这些用途外，雨水还可以用作其他，如地下水回灌、消防、洗车等很多方面，并且该地区为雨养农业生产区，也可用雨水来灌溉。因此其经济效益明显大于上述计算结果，由此可知雨水集蓄利用的经济效益是很大的。

3.2 生态环境效益分析

西峰区雨水集蓄利用会产生一种无形的效益(社会的生态环境效益)，这种效益无法用定量方法进行衡量，主要体现在以下的几个方面[7]:

(1)能够“蓄水保塬”。对雨水进行收集利用可以使有限的降雨集蓄利用起来，从而减缓雨水对塬面的冲刷，减少水土流失情况的发生，实现蓄水保塬，还可以起到避洪、减洪、蓄水的作用，保障了城区建设的安全。

(2)能够改善地表水环境。雨水的收集和分质可以减少降雨初期对雨水的污染，提高地表水体水质。

(3)能够补充地下水、涵养地下水源、遏制地下水位的下降。雨水的下渗和回灌能及时地补充了地下水，缓解了地下水超采现象。

(4)能够形成新的经济增长点[8]。雨水集蓄利用具有广阔的、良好的产业前景，雨水收集设备的生产、管理、以及铺装材料等方面均可形成产业链，能够在一定程度上促进就业，有助于国民经济的发展。

(5)能够改善地区生态环境。实施雨水集蓄利用工程不仅可以收集雨水，还可以改善并增加许多以水为主要特征的景观，从而创造出适宜居住的生活环境。

4 建议与结论

4.1 建议

西峰区雨水集蓄利用的最终实现，不仅靠雨水利用技术的研究，还需结合地区自身的特点，制定相应的政策、法规、管理等配套政策进行约束和调控:

(1)通过法律手段。在《中华人民共和国水法》和《甘肃省实施＜中华人民共和国水法＞》的基础上，对民众的行为进行管理，限制雨水的任意排放从而促进雨水的集蓄利用和生态环境的保护。

(2)应用经济手段。结合本区特点，可以采取补助、罚款和减免等制度，西峰区正处于雨水集蓄利用的初期，应以补助为主，对于进行雨水蓄集利用的地区采取一定的经济补助，更有效的促进民众的积极性，有利于雨水集蓄利用的实现。

(3)实施行政手段。如在小区的建设时可以进行明确规定，必须要建设雨水蓄集设施等，并结合经济上的补助制度加以完善。

(4)采取技术手段。对雨水集蓄利用规划设计、标准、规范、设备、检测、维护等技术进行研究和示范，在政策法令中要体现出对该研究的重视。

(5)加强宣传与教育手段。西峰区水利部门可以适当组织节水的宣传活动，另外，在教育机构、小区等地举办节水知识讲座等，从而强化民众的参与意识，实现雨水集蓄利用和节水型城市建设。

4.2 结论

通过对西峰区的雨水集蓄利用潜力和效益分析计算表明，在降水保证率为75%时，西峰区每年雨水收集总量可达2 964.96万 m3，其中李岭村每年雨水收集总量可达14.328万 m3，，将这些雨水资源充分利用，每年大约可节约25万元，经济效益非常可观。对雨水进行收集利用可以使有限的降雨集蓄利用起来，从而减缓雨水对塬面的冲刷，减少水土流失情况的发生，实现蓄水保塬，还可以起到避洪、减洪、蓄水的作用，保障了城区建设的安全。可见，雨水集蓄利用是解决西峰区资源性缺水、减少洪涝灾害、促进蓄水保塬以及提高和改善该地区生态环境的有效手段。

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