甘肅黃土高原區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.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州730000；2.中國科學院 新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

雨洪泛指一個區域內的天然降水及其在本地形成的洪水和流經本區域的過境洪水。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情況下會被污染，泛濫成災，排泄入海的雨洪水在保證區域防洪安全，經濟可行，生態友好的前提下，部分地轉化成留蓄于內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行收集、集中和儲存，是從水文循環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水源開發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體系和推廣應用體系，以充分利用雨水，緩解區域水資源緊缺，改善生態環境，削減洪峰流量，有效地減輕排洪設施壓力，確保城市防洪安全。因此，雨洪資源利用具有節水、防洪、生態環境3個方面的效益，對城市水資源的可持續開發利用及建立人水和諧社會具有重大意義。

西方發達國家對雨洪利用技術的研究較為成熟，基本形成了相應的理論體系和完善的技術措施，并開發生產出了系列化的設備，最大限度地實現了對城市雨洪的利用、控制和管理。早在20世紀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［5］，目前要求新建和改建的大型公共建筑群必須設置雨水收集下滲設施，配置各種入滲設施的設置密度，強化雨水入滲。德國長期致力于雨水利用技術的研究與開發，從規劃、設計到應用，不但形成了完善的技術體系，而且制定了配套的法規和管理規定。目前，德國的雨水利用技術已經進入“第三代”，雨水利用在完善的技術標準指導下廣泛應用于各個領域，為城市水的可持續利用提供保障［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，所有新開發區必須強制實行“就地滯洪蓄水”。丹麥，城市從屋頂收集雨水，收集后的雨水經過收集管過濾設備，進入貯水池，用于沖洗廁所和洗衣服。瑞典、荷蘭、德國、澳大利亞、伊朗等國，都在實施用雨水進行地下水人工補給等，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90年代，較有標志意義的是1996年在蘭州召開的第一屆全國雨水利用學術討論會［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，已經開始了雨洪資源利用的實踐。北京市和德國Essen大學、DORSCH CONSULT公司等合作的示范小區雨洪利用項目已于2000年啟動，經過十幾年的研究和實踐，城市雨水利用已進入示范與實踐階段。2003年天津建成節水型水利科技大廈，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劃研究》通過專家評審，規劃至2020年時深圳新增雨洪資源利用量將達4.90×108m3，城區雨洪可利用量為8.50×107m3［9］。國內外研究表明，雨洪利用已成為城市開發新水源的有效途徑，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重、生態環境問題較為突出、社會經濟發展落后的貧困地區之一，水資源短缺已經成為制約該區生態環境改善、社會經濟可持續發展的重要瓶頸之一。雨洪資源作為該區關鍵的水資源之一，倍受人們關注。然而，隨著經濟社會快速發展，黃土高原區城市化程度逐年提高，城鎮規模急劇擴大，城市化進程加劇了城市防洪壓力，水環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城市雨洪的有效利用。本文結合甘肅黃土高原區城市雨洪資源的實際情況，選取主要城市蘭州、定西、天水、平涼、慶陽，在全面分析主要城市雨洪資源開發利用現狀的基礎上，分析黃土高原區城市雨洪資源的可利用量，分析研究黃土高原區主要城市雨洪資源利用潛力，從而為黃土高原區城市雨洪資源利用提供科學決策依據，為黃土高原區城市雨洪資源的綜合利用、合理配置和生態環境良性循環提供技術支撐。

1 數據獲取

選取甘肅省黃土高原區主要城市蘭州、定西（安定區）、平涼（崆峒區）、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，平涼（崆峒區）和慶陽（西峰市）選擇1951—2010年60a的降水量資料，定西（安定區）選擇1980—2009年30a的降水資料。所有資料來自于甘肅省氣象局，并對資料進行了完整性、一致性檢驗和訂正處理。

2 黃土高原區主要城市降水量特征分析

根據研究區的年降水量系列，進行各主要城市年降水統計參數分析，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。

根據對研究區多年降水資料計算，研究時段內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。平涼多年平均降水量為495.61mm，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主要城市降水量呈現不同的變化特征。

表1 甘肅黃土高原區主要城市降水量特征值

3 黃土高原區主要城市雨洪資源利用潛力分析

甘肅黃土高原區屬干旱半干旱季風氣候，降水時空分布極不均勻，城市降雨主要集中在6—9月，汛期降雨量可達全年的60%～80%，容易出現洪澇災害，而旱期卻十分干燥，因此雨洪資源化潛力較大。城市區域的產匯流關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地以及水工建筑物的運行調動等也都在不同程度上左右著匯流的方式。

3.1 黃土高原區主要城市雨洪資源理論潛力

根據黃土高原區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——城市區域的平均降水量（mm）；A——城市區域的面積（km2）。

根據式（1）計算得到黃土高原區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、平涼、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，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，具有很好地開發利用前景。

表2 甘肅黃土高原區主要城市雨洪資源理論潛力

3.2 黃土高原區主要城市雨洪資源可實現潛力

城區可收集雨量受到許多因素，如氣候條件，降雨量在不同季節的分配，雨水水質情況，不同徑流介質的徑流系數，建筑的布局和結構等自然因素以及特定地區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潛力：

式中：Ra——城市雨洪資源可實現潛力（m3）；P——城市區域的降雨量（mm）；A——城市區域的面積（km2）；Ψ——平均徑流系數，可通過對各匯流單元的徑流系數加權平均求得，黃土高原區主要城市汛期都集中于6—9月，因此選擇汛期進行徑流系數的測定，從而為徑流系數的確定和進一步修訂提供依據，不同下墊面條件下的徑流系數見表3；α為季節折減系數，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［15］

結合甘肅黃土高原區主要城市的相關資料，利用式（2）計算各城市雨洪資源可實現潛力（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潛力。平均徑流系數Ψ可計為城市各類不透水面的徑流系數加權平均，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，因此可以根據實際情況的細小差別估算為0.7～0.9；季節折減系數α是根據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、平涼、慶陽和天水雨洪資源的平均可實現潛力分別為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潛力分別為2.84×107，4.61×106，1.40×107，4.79×106和1.91×107m3。可見，黃土高原區有可觀的可收集雨水資源，而目前開發利用率尚低，開發潛力巨大。

表4 甘肅黃土高原區主要城市雨洪資源可實現潛力

4 結論

通過對甘肅黃土高原區主要城市長系列降水資料統計，分析了黃土高原區主要城市降水量特征變化規律，結果表明黃土高原區各城市降水量呈現不同的變化特征。

根據黃土高原區城市雨洪資源的分布特征，對蘭州、定西、平涼、慶陽和天水5個甘肅黃土高原區主要城市雨洪資源利用潛力進行了分析計算。計算結果表明，蘭州、定西、平涼、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，具有很好的開發利用前景。

由于受到諸多技術因素的制約以及政府和公眾對雨洪利用的認識較為缺乏，目前黃土高原區城市雨洪利用相對較少，開發利用效率低，限制了黃土高原區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展帶來難度。因此政府應給出相應的優惠政策，引導開發商在開發建設中引入雨洪利用工程，以促進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識，引導公眾自覺參與這項工作。改變傳統城市排水的指導思想，提高雨洪資源的利用率，減輕市政排水管網壓力和河道防洪負擔，減緩城市水資源供需緊張的矛盾，涵養城市地下水源，改善水生態環境，為城市發展帶來可觀的經濟效益。

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