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)

由于城市化的迅速發(fā)展，道路、建筑群等不透水地面的擴(kuò)大。一方面雨水不能再入滲地下補(bǔ)充地下水，加上地下水的嚴(yán)重超采，使得城市周圍的水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境惡化;另一方面遇強(qiáng)降雨時(shí)，徑流迅速匯集造成地面積水和城市局部洪災(zāi)。如果在城市建設(shè)中，注意發(fā)展雨水收集和利用工程，把原來被排走的雨水留下來利用，既增加了水資源，也是節(jié)約自來水的好措施。同時(shí)，通過雨水集蓄利用措施的不斷改進(jìn)，雨水被集蓄利用或回滲地下，減少了排水量，減輕了城市洪水災(zāi)害威脅。從而地下水得以回補(bǔ)，水環(huán)境得以改善，生態(tài)環(huán)境得以修復(fù)?？梢哉f，雨水集蓄利用是城市水資源可持續(xù)利用的重要措施之一。由于西峰區(qū)地處旱塬，水資源匱乏，人均水資源僅為260 m3/a，資源性缺水問題非常突出。天然降雨是董志塬十分寶貴的水資源，但由于時(shí)空分布不均，降水主要集中在7、8、9三個(gè)月，且大多以暴雨或連續(xù)降雨形式出現(xiàn)，造成區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，致使溝頭向市區(qū)挺進(jìn)、溝道下切，塬面逐漸縮減。據(jù)史料記載，董志塬的面積比民國期間縮減了近1/3。近年來，由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快及暴雨等惡劣天氣情況的增加，董志塬水土流失日益嚴(yán)重、亟需綜合治理。西峰區(qū)雨水集蓄保塬生態(tài)工程的實(shí)施將集蓄利用天然降水，變雨洪災(zāi)害為雨水資源，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)雨洪由排到蓄、由害到利的轉(zhuǎn)變，使有限的降雨集蓄利用起來，從而減緩雨水對塬面的沖刷，減少水土流失情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)蓄水保塬，促進(jìn)城市科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的目的。

1 研究區(qū)域及其降水量分析

1.1 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，坐落于俗稱“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。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(qiáng)。西峰區(qū)為大陸性半干旱氣候，屬干旱缺水地區(qū)。

1.2 西峰區(qū)降雨量特征值

對城市雨水資源量的計(jì)算與分析要綜合考量多種因素，因?yàn)榻涤昃哂型蛔冃院椭芷谛?，如果僅僅以具體的某一年的降雨量或多年平均降雨量為代表所計(jì)算出來的可收集雨水量計(jì)算未來雨水可利用量并沒有實(shí)際意義，因此，計(jì)算可收集雨量時(shí)年降水量應(yīng)采取一定降水頻率下的典型年的值。所以，對于西峰區(qū)塬面雨水資源的計(jì)算，本文采用典型年法。根據(jù)西峰區(qū)氣象站所提供給的1960～2010年51a月降雨序列，通過選配P-Ⅲ型曲線進(jìn)行曲線擬合，得多年平均降水量為=545.7 mm，Cv=0.25，Cs=2.4Cv。進(jìn)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)的四個(gè)典型年的降雨量特征值年降雨量。(見表1)。

表1 理論頻率曲線特征值計(jì)算表(年降水量)

2 可收集雨水量計(jì)算

依照下墊面性質(zhì)及其雨水資源利用方式的不同，可將西峰區(qū)土地類型大致分為3種:一是不透水類型的下墊面，主要包括城市居民點(diǎn)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(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生地面徑流，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。三是水體下墊面，它主要包括城市內(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。通過西峰區(qū)國土資源局提供的土地利用數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，其居民點(diǎn)及工礦用地面積為14 658.34 hm2，交通運(yùn)輸用地面積為1 155.76 hm2，水域面積為287.96 hm2。

2.1 西峰區(qū)雨水可收集利用量

通常情況下，一個(gè)區(qū)域的雨水只能部分被收集利用，在計(jì)算可收集雨水量時(shí)需要將徑流系數(shù)、季節(jié)折減系數(shù)[1]的影響考慮在內(nèi)，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);xp為一定保證率下的年降水量(mm);A為匯水面積(km2);Φ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)。

由于缺乏實(shí)測資料，所以此處的徑流系數(shù)是通過查閱與西北黃土高原溝壑區(qū)域集流效率實(shí)驗(yàn)性文章相關(guān)的文獻(xiàn)[2]，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(jìn)行了確定，其中居民點(diǎn)及工礦用地徑流系數(shù)為0.6;交通運(yùn)輸用地徑流系數(shù)為0.9，水域徑流系數(shù)為1。季節(jié)折減系數(shù)α取0.85(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)α為5-10月份降雨量占全年總降雨量的比例);初期棄流系數(shù)β取0.77(初期棄流系數(shù)β=1-初期棄流量×年有效降雨次數(shù)÷年平均降雨量)。

結(jié)合公式(1)及相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)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2。

表2 西峰區(qū)可收集雨水潛力計(jì)算結(jié)果 10 4 m3

由表2中可以看出，降水保證率為25%時(shí)，西峰區(qū)年可收集雨水量為4 167.50萬 m3，降水保證率為95%的條件下，西峰區(qū)年可收集雨水量仍然達(dá)到2 305.05萬 m3。西峰區(qū)共38萬人口，在降水保證率為95%條件下，人均擁有的可收集雨水資源量為60.66 m3，是人均擁有的常規(guī)水資源量260 m3的四分之一，足以說明西峰區(qū)可收集的年雨水量相對比較豐富。

2.2 村莊可收集雨水量

本論文主要研究的是西峰區(qū)可收集且能夠蓄存利用的雨水資源，而這部分雨水主要來自硬化面積[3]集中的地區(qū)以及坡面，比如:公路、城鎮(zhèn)小區(qū)、塬面村落屋面、庭院等。本文以什社鄉(xiāng)為例調(diào)查該鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類硬化面所占面積及比例，從而對塬面可收集雨水量的計(jì)算提供依據(jù)。

什社鄉(xiāng)共有10個(gè)村，分別為什豐村、賀塬村、慶豐村、李嶺村、新興村、塔頭村、新莊村、永豐村、任嶺村以及文安村，這些村莊中一部分完全建在塬面，一部分建在溝道。本文主要研究塬面雨洪資源的利用，所以這里只統(tǒng)計(jì)完全建在塬面的幾個(gè)村莊的屋面、庭院、道路硬化情況，這些村莊分別為李嶺村、塔頭村、文安村、任嶺村以及什豐村，2013年10月對以上村鎮(zhèn)土地硬化情況做了現(xiàn)場調(diào)查，主要工作是對路面、屋面、庭院、廣場等各類硬化面面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過調(diào)查得知，該地區(qū)屋面主要有水泥瓦、機(jī)瓦、青瓦三種類型，道路有混凝土路面、瀝青路面、砂石路面以及黃土夯實(shí)路面，庭院主要有混凝土面、不透水磚以及黃土夯實(shí)面等，各種硬化面面積如表3所示。

全年單位集水面積上可集水量按式[4](2)～式(4)計(jì)算

式中:W為保證率等于p的年份單位集水面積全年可集水量，m3/m2;Ey為某種材料集雨面的全年集雨效率，以小數(shù)點(diǎn)表示，由于集雨材料的類型、各地降雨量及其保證率的不同，全年的集雨效率也不同，要選用當(dāng)?shù)氐膶?shí)測值，若資料缺乏，可參考類似地區(qū)集雨效率;Rp為保證率等于p的全年降雨量，mm;xp為保證率為p的年降水量，mm為多年平均降水量，mm;Kp為根據(jù)保證率及Cv值(降水量離差系數(shù))確定的系數(shù)，用小數(shù)表示;K為全年降雨量與降水量之比值，用小數(shù)表示，高塬溝壑區(qū)可參考相關(guān)資料，此處參考相關(guān)文獻(xiàn)得出全年降雨量與降水量之比值范圍為0.90～0.95，本文取值為0.92。

通過對“甘肅雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)集水觀測實(shí)驗(yàn)研究”項(xiàng)目推薦的激雨效率、《慶陽地區(qū)農(nóng)業(yè)實(shí)用技術(shù)選輯》推薦的集雨效率、甘肅省慶陽地區(qū)水利處孔繁洲推薦的集雨效率和黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站李懷有推薦的集雨效率綜合分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)夭煌瓴牧系募昝娴贸鰧?yīng)集雨材料所形成的集雨面的集雨效率如表4所示。

表3 西峰區(qū)什社鄉(xiāng)塬面各村各類硬化面面積 10 3 m2

表4 不同集雨面集雨效率

結(jié)合公式(2)～式(4)及相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得西峰區(qū)什社鄉(xiāng) 塬面各村可收集雨水量如表5所示。

2.1 選擇示蹤劑 根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要選擇合適的示蹤劑。一般與待標(biāo)記有機(jī)物中所含的元素、放射性同位素的半衰期、射線種類及輻射能量以及同位素的毒性等有關(guān)[1]： ①為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的理想效果，一般選用研究對象中的特征元素進(jìn)行示蹤；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)周期，選用半衰期合適的放射性同位素，一般能保證檢測結(jié)束時(shí)，放射性同位素的含量為給入量的70%為宜；③用的核素宜為純?chǔ)?、β、γ射線的發(fā)射體，保證射線能量在1.0～2.5MeV的適宜范圍內(nèi)；④所選示蹤劑盡量避免高毒性。如實(shí)驗(yàn)必需，則應(yīng)控制其用量在對人體和環(huán)境無害的范圍之內(nèi)。綜上，將中學(xué)生物學(xué)探究活動(dòng)中常用的幾種放射性同位素的特征[2]整理成表1。

表5 西峰區(qū)什社鄉(xiāng)塬面各村可收集雨水量 (10 3m3)

通過調(diào)查可知李嶺、塔頭、什豐、文安、任嶺各村人口分別為 2 700、1 926、2 430、3 510、2 295 人，降水保證率為95%時(shí)，各村人均可收集雨量分別為41.26 m3、34.05 m3、28.10 m3、30.11 m3、25.15 m3。結(jié)果顯示，李嶺村人均可收集雨量最大，這也與調(diào)查的實(shí)際情況不謀而合，因?yàn)槲鍌€(gè)村子中李玲村是新建的新農(nóng)村，其屋頂、道路、庭院硬化面積大，并且相應(yīng)的排水設(shè)施也較齊全，這也說明在當(dāng)?shù)貙?shí)行雨水集蓄利用措施非?？尚小?/p>

3 西峰區(qū)雨水集蓄利用效益評價(jià)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)上文的分析，雨水可通過簡單的收集處理可用于綠化、道路噴灑、沖洗車和沖廁等，雨水代替這些用水將帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。目前李嶺村自來水水價(jià)是2.5元/m3，從運(yùn)行管理和小區(qū)用水費(fèi)用的支出分析，投入收集1 m3雨水的運(yùn)行費(fèi)用不足0.1元，在降水保證率為75%時(shí)，一年內(nèi)李嶺村平均可收集雨水資源量14.328萬 m3，假設(shè)雨水的市場價(jià)格0.3元/m3[5]，經(jīng)粗略計(jì)算可以為該村的用水費(fèi)用每年可節(jié)約31.521 6萬元。

假定雨水代替其他水源進(jìn)行雨水資源化利用后所節(jié)約的費(fèi)用為經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)的目標(biāo)值，建立最優(yōu)化模型，通過數(shù)學(xué)中的線性規(guī)劃求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，優(yōu)化模型[]6如下:

目標(biāo)函數(shù):

約束條件:

式中:Ci為使用處理后的雨水與使用其他水源之間的單位效益差值;Xi為相應(yīng)各種用途的用水量(指使用雨水量);X0為該地區(qū)可利用雨水資源量;[Xi]為某種用途時(shí)的最大需水量。

此處把雨水利用分為人畜飲水、工業(yè)、基建用水和其他用水四種方式，討論其運(yùn)用雨水的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)西峰區(qū)物價(jià)發(fā)(2007)65號文件批復(fù)水價(jià)，西峰區(qū)水務(wù)局農(nóng)村人飲水和工程供水價(jià)格實(shí)行分類水價(jià):人畜用水價(jià)格2.5元/m3，每桶(250 kg)0.7元，機(jī)關(guān)單位用水價(jià)格3.0元/m3，工業(yè)、基建及其他用水價(jià)格5.0元/m3。而雨 水利用費(fèi)用為0.3形 m3，計(jì)算使用處理后雨水與人畜用水所產(chǎn)生的單位效益差值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。

由于李嶺村是新農(nóng)村，根據(jù)農(nóng)村居民生活用水定額，綜合考慮李嶺村各種因素，取每日45 L/人，李嶺村人口2 700人，根據(jù)農(nóng)村牲畜家禽用水定額，取每日20 L/頭，牲畜規(guī)模養(yǎng)殖總量為800頭，則每日需要13.75萬L，則一年為5.02萬 m3，增加一個(gè)變量增量則取5.5萬 m3。綠化灌溉用水根據(jù)《城市生活居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50180—93)》取每日2 L/m2，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知李嶺村的鄉(xiāng)村綠化面積為6 000 m2，荒山荒坡綠化面積為1 000畝地。考慮綠化灌溉一般在非降水日進(jìn)行，結(jié)合西峰區(qū)降雨時(shí)空分布特點(diǎn)，取5個(gè)月灌溉期，則李嶺村每年需要綠化用水673 000×0.35% ×2×150=706.65 m3，取1 000 m3，工業(yè)、基建用水除了包括道路灑水外還包括應(yīng)急用水，根據(jù)規(guī)范可以假定2萬 m3，其他用水由于存在許多用水場所，具體數(shù)據(jù)很難獲得，本文假定這些場所的用水量為1萬 m3。鑒于數(shù)據(jù)的獲取存在障礙，因此本文只是用來半定量評價(jià)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述的規(guī)劃模型，可得到以下數(shù)學(xué)模型:

通過計(jì)算可知四種用途大約可節(jié)約25萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。另外，除這些用途外，雨水還可以用作其他，如地下水回灌、消防、洗車等很多方面，并且該地區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，也可用雨水來灌溉。因此其經(jīng)濟(jì)效益明顯大于上述計(jì)算結(jié)果，由此可知雨水集蓄利用的經(jīng)濟(jì)效益是很大的。

3.2 生態(tài)環(huán)境效益分析

西峰區(qū)雨水集蓄利用會(huì)產(chǎn)生一種無形的效益(社會(huì)的生態(tài)環(huán)境效益)，這種效益無法用定量方法進(jìn)行衡量，主要體現(xiàn)在以下的幾個(gè)方面[7]:

(1)能夠“蓄水保塬”。對雨水進(jìn)行收集利用可以使有限的降雨集蓄利用起來，從而減緩雨水對塬面的沖刷，減少水土流失情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)蓄水保塬，還可以起到避洪、減洪、蓄水的作用，保障了城區(qū)建設(shè)的安全。

(2)能夠改善地表水環(huán)境。雨水的收集和分質(zhì)可以減少降雨初期對雨水的污染，提高地表水體水質(zhì)。

(3)能夠補(bǔ)充地下水、涵養(yǎng)地下水源、遏制地下水位的下降。雨水的下滲和回灌能及時(shí)地補(bǔ)充了地下水，緩解了地下水超采現(xiàn)象。

(4)能夠形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[8]。雨水集蓄利用具有廣闊的、良好的產(chǎn)業(yè)前景，雨水收集設(shè)備的生產(chǎn)、管理、以及鋪裝材料等方面均可形成產(chǎn)業(yè)鏈，能夠在一定程度上促進(jìn)就業(yè)，有助于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

(5)能夠改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境。實(shí)施雨水集蓄利用工程不僅可以收集雨水，還可以改善并增加許多以水為主要特征的景觀，從而創(chuàng)造出適宜居住的生活環(huán)境。

4 建議與結(jié)論

4.1 建議

西峰區(qū)雨水集蓄利用的最終實(shí)現(xiàn)，不僅靠雨水利用技術(shù)的研究，還需結(jié)合地區(qū)自身的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的政策、法規(guī)、管理等配套政策進(jìn)行約束和調(diào)控:

(1)通過法律手段。在《中華人民共和國水法》和《甘肅省實(shí)施＜中華人民共和國水法＞》的基礎(chǔ)上，對民眾的行為進(jìn)行管理，限制雨水的任意排放從而促進(jìn)雨水的集蓄利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

(2)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)手段。結(jié)合本區(qū)特點(diǎn)，可以采取補(bǔ)助、罰款和減免等制度，西峰區(qū)正處于雨水集蓄利用的初期，應(yīng)以補(bǔ)助為主，對于進(jìn)行雨水蓄集利用的地區(qū)采取一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助，更有效的促進(jìn)民眾的積極性，有利于雨水集蓄利用的實(shí)現(xiàn)。

(3)實(shí)施行政手段。如在小區(qū)的建設(shè)時(shí)可以進(jìn)行明確規(guī)定，必須要建設(shè)雨水蓄集設(shè)施等，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)上的補(bǔ)助制度加以完善。

(4)采取技術(shù)手段。對雨水集蓄利用規(guī)劃設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)備、檢測、維護(hù)等技術(shù)進(jìn)行研究和示范，在政策法令中要體現(xiàn)出對該研究的重視。

(5)加強(qiáng)宣傳與教育手段。西峰區(qū)水利部門可以適當(dāng)組織節(jié)水的宣傳活動(dòng)，另外，在教育機(jī)構(gòu)、小區(qū)等地舉辦節(jié)水知識講座等，從而強(qiáng)化民眾的參與意識，實(shí)現(xiàn)雨水集蓄利用和節(jié)水型城市建設(shè)。

4.2 結(jié)論

通過對西峰區(qū)的雨水集蓄利用潛力和效益分析計(jì)算表明，在降水保證率為75%時(shí)，西峰區(qū)每年雨水收集總量可達(dá)2 964.96萬 m3，其中李嶺村每年雨水收集總量可達(dá)14.328萬 m3，，將這些雨水資源充分利用，每年大約可節(jié)約25萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。對雨水進(jìn)行收集利用可以使有限的降雨集蓄利用起來，從而減緩雨水對塬面的沖刷，減少水土流失情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)蓄水保塬，還可以起到避洪、減洪、蓄水的作用，保障了城區(qū)建設(shè)的安全?？梢姡晁罾檬墙鉀Q西峰區(qū)資源性缺水、減少洪澇災(zāi)害、促進(jìn)蓄水保塬以及提高和改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效手段。

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