甘肅黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源利用潛力

孫棟元，金彥兆，胡想全，王軍德，程玉菲，盧書超

（1.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730000；2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

雨洪泛指一個區(qū)域內(nèi)的天然降水及其在本地形成的洪水和流經(jīng)本區(qū)域的過境洪水。雨洪資源利用是指將雨洪作為一種資源，運用工程和非工程的措施將常規(guī)情況下會被污染，泛濫成災(zāi)，排泄入海的雨洪水在保證區(qū)域防洪安全，經(jīng)濟(jì)可行，生態(tài)友好的前提下，部分地轉(zhuǎn)化成留蓄于內(nèi)陸地表或地下開采利用的水資源的過程［1－3］，是把從自然或人工集雨面流出的雨水進(jìn)行收集、集中和儲存，是從水文循環(huán)中獲取水為人類所用的一種方法［4］。雨洪資源作為城市供水非傳統(tǒng)水源開發(fā)利用的一種特殊方式，越來越受到人們的重視。通過建立實用的雨洪控制與利用技術(shù)體系和推廣應(yīng)用體系，以充分利用雨水，緩解區(qū)域水資源緊缺，改善生態(tài)環(huán)境，削減洪峰流量，有效地減輕排洪設(shè)施壓力，確保城市防洪安全。因此，雨洪資源利用具有節(jié)水、防洪、生態(tài)環(huán)境3個方面的效益，對城市水資源的可持續(xù)開發(fā)利用及建立人水和諧社會具有重大意義。

西方發(fā)達(dá)國家對雨洪利用技術(shù)的研究較為成熟，基本形成了相應(yīng)的理論體系和完善的技術(shù)措施，并開發(fā)生產(chǎn)出了系列化的設(shè)備，最大限度地實現(xiàn)了對城市雨洪的利用、控制和管理。早在20世紀(jì)60年代，日本就開始收集和利用路面雨水，70年代修筑了集流面收集雨水，并開始研究雨水回灌地下水技術(shù)［5］，目前要求新建和改建的大型公共建筑群必須設(shè)置雨水收集下滲設(shè)施，配置各種入滲設(shè)施的設(shè)置密度，強(qiáng)化雨水入滲。德國長期致力于雨水利用技術(shù)的研究與開發(fā)，從規(guī)劃、設(shè)計到應(yīng)用，不但形成了完善的技術(shù)體系，而且制定了配套的法規(guī)和管理規(guī)定。目前，德國的雨水利用技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入“第三代”，雨水利用在完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，為城市水的可持續(xù)利用提供保障［6］。美國許多城市建立了屋頂蓄水和由入滲池、井、草地、透水地面組成的地表回灌系統(tǒng)，所有新開發(fā)區(qū)必須強(qiáng)制實行“就地滯洪蓄水”。丹麥，城市從屋頂收集雨水，收集后的雨水經(jīng)過收集管過濾設(shè)備，進(jìn)入貯水池，用于沖洗廁所和洗衣服。瑞典、荷蘭、德國、澳大利亞、伊朗等國，都在實施用雨水進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給等，都是城市雨水利用的成功典范［7－9］。我國城市雨水利用研究始于20世紀(jì)90年代，較有標(biāo)志意義的是1996年在蘭州召開的第一屆全國雨水利用學(xué)術(shù)討論會［10］，城市雨水利用較早的典型范例有山東省的長島縣、大連市的獐子島和浙江省舟山市葫蘆島等雨水集流利用工程［11］。目前國內(nèi)雨洪資源利用的前沿集中于大城市，北京、上海、深圳、大連等許多城市相繼開展研究，已經(jīng)開始了雨洪資源利用的實踐。北京市和德國Essen大學(xué)、DORSCH CONSULT公司等合作的示范小區(qū)雨洪利用項目已于2000年啟動，經(jīng)過十幾年的研究和實踐，城市雨水利用已進(jìn)入示范與實踐階段。2003年天津建成節(jié)水型水利科技大廈，大廈的雨水可作為市政第二水源［9］。2006年《深圳雨洪資源利用規(guī)劃研究》通過專家評審，規(guī)劃至2020年時深圳新增雨洪資源利用量將達(dá)4.90×108m3，城區(qū)雨洪可利用量為8.50×107m3［9］。國內(nèi)外研究表明，雨洪利用已成為城市開發(fā)新水源的有效途徑，對有效緩解或解決城市缺水問題具有重要現(xiàn)實意義。

甘肅黃土高原位于我國黃土高原的西部，是甘肅省水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境問題較為突出、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后的貧困地區(qū)之一，水資源短缺已經(jīng)成為制約該區(qū)生態(tài)環(huán)境改善、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一。雨洪資源作為該區(qū)關(guān)鍵的水資源之一，倍受人們關(guān)注。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，黃土高原區(qū)城市化程度逐年提高，城鎮(zhèn)規(guī)模急劇擴(kuò)大，城市化進(jìn)程加劇了城市防洪壓力，水環(huán)境遭到一定程度的破壞，同時加劇了城市用水矛盾。但城市雨洪資源利用研究相對薄弱，缺少對黃土高原區(qū)城市雨洪資源可利用量的綜合評價，一定程度上制約了黃土高原區(qū)城市雨洪的有效利用。本文結(jié)合甘肅黃土高原區(qū)城市雨洪資源的實際情況，選取主要城市蘭州、定西、天水、平?jīng)?、慶陽，在全面分析主要城市雨洪資源開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析黃土高原區(qū)城市雨洪資源的可利用量，分析研究黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源利用潛力，從而為黃土高原區(qū)城市雨洪資源利用提供科學(xué)決策依據(jù)，為黃土高原區(qū)城市雨洪資源的綜合利用、合理配置和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)獲取

選取甘肅省黃土高原區(qū)主要城市蘭州、定西（安定區(qū)）、平?jīng)觯ㄡ轻紖^(qū)）、慶陽（西峰市）、天水站點的年降水量資料，其中蘭州和天水選擇1951—2009年59a的降水量資料，平?jīng)觯ㄡ轻紖^(qū)）和慶陽（西峰市）選擇1951—2010年60a的降水量資料，定西（安定區(qū)）選擇1980—2009年30a的降水資料。所有資料來自于甘肅省氣象局，并對資料進(jìn)行了完整性、一致性檢驗和訂正處理。

2 黃土高原區(qū)主要城市降水量特征分析

根據(jù)研究區(qū)的年降水量系列，進(jìn)行各主要城市年降水統(tǒng)計參數(shù)分析，分別計算各主要城市25%，50%，75% 和95% 不同頻率的年降水量（詳見表1）。從表1中可看出，變差系數(shù)Cv值蘭州相對較大，定西相對較小，其他城市介于之間，說明降水量年際變化蘭州較大，定西變化較小，其他城市變化介于二者之間。

根據(jù)對研究區(qū)多年降水資料計算，研究時段內(nèi)蘭州多年平均降水量為312.01mm，小于平均降水量的年份共32a，占總年份的54.23%，其中最大降水量為1978年的546.70mm，最小降水量為2006年的169.50mm，變幅377.20mm，最大與最小年的年際極值比為3.2。定西多年平均降水量為374.47mm，小于平均降水量的年份共15a，占總年份的50%，其中最大降水量為2003年的471.10mm，最小降水量為1982年的245.70mm，變幅225.40mm，最大與最小年的年際極值比為1.9。平?jīng)龆嗄昶骄邓繛?95.61mm，小于平均降水量的年份共33a，占總年份的55%，其中最大降水量為1964年的743.10mm，最小降水量為1991年的272.4mm，變幅470.70mm，最大與最小年的年際極值比為2.7。慶陽多年平均降水量為543.96mm，小于平均降水量的年份共34a，占總年份的56.7%，其中最大降水量為2003年的828.20mm，最小降水量為1995年的333.80mm，變幅494.40mm，最大與最小年的年際極值比為2.5。天水多年平均降水量為518.44mm，小于平均降水量的年份共33a，占總年份的55.9%，其中最大降水量為2003年的809.60mm，最小降水量為1996年的321.80mm，變幅487.80mm，最大與最小年的年際極值比為2.5。綜上所述，總體上甘肅省黃土高原區(qū)主要城市降水量呈現(xiàn)不同的變化特征。

表1 甘肅黃土高原區(qū)主要城市降水量特征值

3 黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源利用潛力分析

甘肅黃土高原區(qū)屬干旱半干旱季風(fēng)氣候，降水時空分布極不均勻，城市降雨主要集中在6—9月，汛期降雨量可達(dá)全年的60%～80%，容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，而旱期卻十分干燥，因此雨洪資源化潛力較大。城市區(qū)域的產(chǎn)匯流關(guān)系受天然和人類活動等多因素的影響，而排水的方式，排水管道的布局和覆蓋率，建筑物的密度和建筑材料的質(zhì)地以及水工建筑物的運行調(diào)動等也都在不同程度上左右著匯流的方式。

3.1 黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源理論潛力

根據(jù)黃土高原區(qū)城市雨洪資源的分布特征，借鑒雨洪資源理論潛力的計算公式計算甘肅黃土高原區(qū)城市雨洪資源的理論潛力［12］，其計算公式為：

式中：Rt——城市雨洪資源的理論潛力（m3）；P——城市區(qū)域的平均降水量（mm）；A——城市區(qū)域的面積（km2）。

根據(jù)式（1）計算得到黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源理論潛力，并且分別計算各主要城市在不同頻率年降水量（25%，50%，75%和95%）下雨洪資源的理論潛力（表2）。

從表2中可看出，蘭州、定西、平?jīng)觥c陽和天水雨洪資源的平均理論潛力分別為5.71×107，8.61×106，2.38×107，7.62×106和3.21×107m3，同時在50%頻率下各主要城市雨洪資源的理論潛力分別為5.57×107，8.54×106，2.33×107，7.48×106和3.15×107m3。這說明各主要城市雨洪資源利用潛力都相對比較大，具有很好地開發(fā)利用前景。

表2 甘肅黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源理論潛力

3.2 黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源可實現(xiàn)潛力

城區(qū)可收集雨量受到許多因素，如氣候條件，降雨量在不同季節(jié)的分配，雨水水質(zhì)情況，不同徑流介質(zhì)的徑流系數(shù)，建筑的布局和結(jié)構(gòu)等自然因素以及特定地區(qū)建筑物特性等其他因素的制約。因此，可按式（2）［13－14］計算不同城市雨洪資源可實現(xiàn)潛力：

式中：Ra——城市雨洪資源可實現(xiàn)潛力（m3）；P——城市區(qū)域的降雨量（mm）；A——城市區(qū)域的面積（km2）；Ψ——平均徑流系數(shù)，可通過對各匯流單元的徑流系數(shù)加權(quán)平均求得，黃土高原區(qū)主要城市汛期都集中于6—9月，因此選擇汛期進(jìn)行徑流系數(shù)的測定，從而為徑流系數(shù)的確定和進(jìn)一步修訂提供依據(jù)，不同下墊面條件下的徑流系數(shù)見表3；α為季節(jié)折減系數(shù)，α＝汛期平均降雨量／年平均降雨量。

表3 不同下墊面條件下的徑流系數(shù)［15］

結(jié)合甘肅黃土高原區(qū)主要城市的相關(guān)資料，利用式（2）計算各城市雨洪資源可實現(xiàn)潛力（表4），并分別計算各主要城市在不同頻率（25%，50%，75% 和95%）下雨洪資源的可實現(xiàn)潛力。平均徑流系數(shù)Ψ可計為城市各類不透水面的徑流系數(shù)加權(quán)平均，本文計算中將其簡化，因為表4中列舉的各主要城市，建成區(qū)不透水面絕大部分是各種屋面、混凝土和瀝青地面，因此可以根據(jù)實際情況的細(xì)小差別估算為0.7～0.9；季節(jié)折減系數(shù)α是根據(jù)各個城市平均每年汛期降雨量同年均降雨量的比值求得。由表4可見，蘭州、定西、平?jīng)觥c陽和天水雨洪資源的平均可實現(xiàn)潛力分別為2.91×107，4.65×106，1.43×107，4.87×106和1.95×107m3，同時在50%頻率下各主要城市雨洪資源的可實現(xiàn)潛力分別為2.84×107，4.61×106，1.40×107，4.79×106和1.91×107m3?？梢?，黃土高原區(qū)有可觀的可收集雨水資源，而目前開發(fā)利用率尚低，開發(fā)潛力巨大。

表4 甘肅黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源可實現(xiàn)潛力

4 結(jié)論

通過對甘肅黃土高原區(qū)主要城市長系列降水資料統(tǒng)計，分析了黃土高原區(qū)主要城市降水量特征變化規(guī)律，結(jié)果表明黃土高原區(qū)各城市降水量呈現(xiàn)不同的變化特征。

根據(jù)黃土高原區(qū)城市雨洪資源的分布特征，對蘭州、定西、平?jīng)?、慶陽和天水5個甘肅黃土高原區(qū)主要城市雨洪資源利用潛力進(jìn)行了分析計算。計算結(jié)果表明，蘭州、定西、平?jīng)?、慶陽和天水雨洪資源的平均理論潛力分別為5.71×107，8.61×106，2.38×107，7.62×106和3.21×107m3，平均可實現(xiàn)潛力分別為2.91×107，4.65×106，1.43×107，4.87×106和1.95×107m3，同時在50%年降雨量頻率下各主要城市雨洪資源的理論潛力分別為5.57×107，8.54×106，2.33×107，7.48×106和3.15×107m3，可實現(xiàn)潛力分別為2.84×107，4.61×106，1.40×107，4.79×106和1.91×107m3。說明各主要城市雨洪資源利用潛力都相對比較大，具有很好的開發(fā)利用前景。

由于受到諸多技術(shù)因素的制約以及政府和公眾對雨洪利用的認(rèn)識較為缺乏，目前黃土高原區(qū)城市雨洪利用相對較少，開發(fā)利用效率低，限制了黃土高原區(qū)雨洪資源的高效利用。同時由于城市雨洪利用初期投資較大，回收期較長，政府在對雨洪利用工程項目上給予的財政資助較少，給雨洪利用的推動和發(fā)展帶來難度。因此政府應(yīng)給出相應(yīng)的優(yōu)惠政策，引導(dǎo)開發(fā)商在開發(fā)建設(shè)中引入雨洪利用工程，以促進(jìn)雨洪利用的普及實施；同時，需要通過宣傳、教育、獎勵等手段，提高人們對雨洪資源的認(rèn)識，引導(dǎo)公眾自覺參與這項工作。改變傳統(tǒng)城市排水的指導(dǎo)思想，提高雨洪資源的利用率，減輕市政排水管網(wǎng)壓力和河道防洪負(fù)擔(dān)，減緩城市水資源供需緊張的矛盾，涵養(yǎng)城市地下水源，改善水生態(tài)環(huán)境，為城市發(fā)展帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 閆軻，方國華，黃顯峰，等.雨洪資源利用進(jìn)展與利用模式探索［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2011，17（3）：58-60.

［2］ 馮峰，許士國.雨洪資源利用功能與需求耦合效益識別法研究［J］.水文，2009，29（2）：28-31.

［3］ 王慶平，劉金艷，時振閣.唐山市洪水資源利用可行性分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010，8（4）：103-107.

［4］ 張榮.雨洪利用在水資源可持續(xù)開發(fā)利用中的作用［J］.地下水，2007，29（6）：25-28.

［5］ Zaizcn M，Tclrakaway，Matsumoto H，et al.The collection of rainwater from dome stadiums in Japan［J］.Urban Water，1999（1）：355-359.

［6］ Gantner K.Nachhahigkeit urbaner Regenwasserbe.Wlrtschaftungsmethoden-Teil l：Grundlagen［J］.GWF Wasserund Abwasser，2003，144（3）：240-247.

［7］ 湯喜春.雨洪資源利用的必要性及其措施探討［J］.湖南水利水電，2005（5）：71-73.

［8］ 孫德威.城市雨洪利用技術(shù)綜述［J］.中國防汛抗旱，2010（1）：32-36.

［9］ 王情，張廣錄，王曉磊，等.中國北方城市雨水資源利用探討［J］.水資源保護(hù)，2009，25（4）：86-90.

［10］ 王永磊，姜小平，王德民，等.我國城市雨水利用技術(shù)及對策［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報，2006，21（2）：151-153.

［11］ 杜玉柱，菅瑞卿.呂梁市雨水利用的潛力分析及發(fā)展對策［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，18（3）：7-8.

［12］ 吳普特，黃占斌，高建恩，等.人工匯集雨水利用技術(shù)研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2002.

［13］ 鄧風(fēng)，陳衛(wèi).南京市居住區(qū)雨水利用探討［J］.中國給水排水，2003，19（5）：95-97.

［14］ 任雅嫻.湛江市雨洪利用潛力分析［J］.水利水電快報，2008，29（S）：56-58.

［15］ 孫慧修.排水工程.上冊［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：63-81.