基于雨水收集系統的鄉村地區雨洪災害與水資源調控路徑研究

中圖分類號：F303；TV213.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）11-138-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.11.030

0 引言

全球氣候變化導致極端天氣事件頻繁發生，極端降雨、干旱和洪澇災害顯著增加。在關中農村地區，由于水資源供需失衡，水資源短缺的問題愈發嚴重。氣候變化下的極端降水雖為該地區帶來了水源補給，但缺乏合理有效的雨水收集和利用系統，水資源往往未能被有效儲存和利用，大量寶貴的雨水流失，導致了多雨時節的雨洪災害和旱季的水資源短缺并存的問題。此外，傳統的水利設施多存在老化問題，蓄水能力不足，無法有效應對氣候變化帶來的水資源利用壓力。近年來，隨著氣候變化的加劇，關中地區的水資源管理問題逐步成為影響農業發展、生態保護和居民生活質量的重要因素之一。鄉村水資源供給不足，直接影響到當地居民的飲水安全、農業生產的可持續性和區域生態環境的穩定。

全球氣候變化導致極端天氣事件頻繁發生，這對水資源的可持續性構成了顯著挑戰。研究表明，極端降雨和干旱事件的增多正在加劇農業用水壓力，削弱生態系統的穩定性，同時也使我國降雨在西北至東南方向上呈現階梯式波動上升趨勢[2]，進一步加劇了區域水資源時空分布的不均衡。在全球變暖和城市化加速背景下，特大暴雨及其引發的洪澇災害風險日益嚴峻，降雨強度增強、突發性增強、時空分布復雜，且極易引發滑坡、泥石流等次生災害[3]。這不僅要求深化洪澇災害效應理論研究，更亟須提升防御技術和多部門協同防災能力。同時，氣候變暖使半干旱地區呈現“暖干化”趨勢，極端氣溫增加而極端降水未能同步增加，加劇了水文干旱風險[4]，其中降水總量和強降水日數的變化成為影響徑流變化的關鍵因素。在此背景下，鄉村地區作為雨洪管理研究的薄弱環節，其應對策略亟待突破。已有研究表明，基于彈性理念構建的多情景雨洪空間設計模式，能有效緩解極端天氣帶來的不利影響，促進生態可持續性5，為鄉村提供了不同于城市工程化路徑的雨洪管理思路。面對這些挑戰，引人社會一生態系統理論與“流空間”視角，通過“供需智慧測算一跨尺度比較一關鍵區劃定”的分析路徑與“單元識別一圖斑提取一格局優化\"的空間方法，可在生態水文調節基礎上實現雨洪安全格局的重構6，為提升鄉村及區域整體抵御洪澇災害的能力提供科學支撐與實踐依據。有研究指出，采用海綿鄉村等理念能夠有效保護傳統村落免受雨洪災害的影響[7]。

1研究設計

1.1研究區域選擇與數據收集

1.1.1 區域選擇

選擇關中地區具有代表性的城市，如西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市和渭南市，作為降水量分析的主要樣本區域。

1.1.2 數據收集

通過陜西氣象數據平臺收集關中地區2006年至2024年各城市的年降水量數據。若數據存在缺失，則通過插值法和時間序列模型進行預測，以獲取全面的數據集。表1是變量的描述性統計結果，樣本數為108個。

1.2 數據分析方法

1.2.1 趨勢分析

年際趨勢分析是指運用線性回歸模型，對關中地區的年降水量變化趨勢進行擬合分析。具體而言，需要計算年均降水量隨時間的變化率，并據此評估氣候變化對該地區降水的影響。

P_?t=β₀+β₁t+ε

式（1）中， P_t 為年降水量， Φ_t 為年份， ??β₀ 為截距， ??β₁ 為時間變化率。

1.2.2 極端降水事件分析

一般，研究人員用歷史數據確定極端降水事件的閾值，如將年降水量位于歷史平均年降水量 80% 以上的事件定義為極端降水事件[8-9]。極端降水事

件頻率計算方法見式（2）。

式（2）中， EF 為極端降水事件頻率， E_n 為極端降水事件次數，t為年份。

1.3綜合效益評估

根據關中地區的降水特征，雨水利用系統遵循“蓄水一滲透一排水\"三位一體的設計原則。其中，蓄水設施（如蓄水池、儲水箱等）主要用于在強降雨時有效收集并儲存雨水。結合歷史降水數據與極端降水事件統計，可通過公式（3）對關中地區的雨水收集量進行估算。

Y_?=P_??A?C

式（3）中， Y_t 為雨水收集量， P_t 為平均年降水量，A 為收集面積， C 為集水效率系數。

如前所述，與已有研究通常只關注雨水收集系統某些方面效益的情況不同，該研究旨在考慮雨水收集系統的潛在綜合效益，主要包括提高節水能力、增強雨洪控制能力、獲取經濟效益等多方面效益，相關效益指標和計算方法詳見表2。首先，在日尺度上開展基于雨水收集系統裝置容量的水量平衡分析計算，并根據用戶的日用水需求定額進行水量供需平衡分析計算；然后，利用收集的基礎數據資料確定用水指標、經濟指標和成本參數等關鍵參數，即可依據表2所列公式詳細核算各項效益指標的值；最后，進行雨水收集系統經濟成本和潛在綜合效益的分析與權衡，進而構建基于水文一經濟耦合核算的雨水收集系統綜合效益評估模型[10]。該模型可有效支撐雨水收集系統的優化設計和高效運行。

2數據分析結果

2.1關中地區雨水變化趨勢結果

為準確反映關中地區整體的降雨特征，該研究采用面積加權平均法計算關中地區的年均降雨量[10]。該方法以各城市的行政區域面積作為權重，對西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市、渭南市和楊凌示范區等6個地區2006一2023年降雨數據的面積進行加權計算，得出關中地區2006一2023年的年均降雨量為 594.8mm 。根據回歸分析結果表3和圖1，可以看出，關中地區的降雨量并未隨時間變化呈現顯著的線性趨勢。該模型的相關性系數 R² 僅為0.092，表明時間與降雨量之間的線性相關性較低，擬合度較差。這意味著關中地區的降雨情況呈現復雜且難以預測的趨勢。這一現象可能是受到近年來氣候變化帶來的極端天氣的影響。氣候變暖、極端天氣事件增多，關中地區的降雨量變得更加不穩定。例如，某些年份降雨量顯著增加，可能引發洪澇災害，而在降雨稀少的年份則可能導致干旱，進而造成農業和居民生活用水困難。針對這種降雨的極端變化情況，應采取相關的水資源管理和災害應對措施，以緩解其對社會經濟的影響。

2.2關中地區極端降（少）水事件分析

MOOERS等I在研究中采用第80百分位數（將一組數按照從小到大的順序排列后，處于第80% 位置的數）作為閾值，結合無監督機器學習方法來識別極端降水事件，以此分析風暴動態對極端降水變化的影響。借鑒其方法，基于關中地區2006一2023年的年降水數據，選取第80百分位數653.8mm 作為極端多水事件的判別標準，將年降水量超過該閾值的年份界定為極端降水年，用以分析區域降水的極端性變化特征。在這18年中，有4年的年降水量達到或超過 653.8mm ，占比達到 22.2% 顯示出極端降水事件的發生頻率較高。同樣，以第20百分位數 506.9mm 作為極端缺水事件的判別標準，有3年的年降水量低于或等于該閾值，占比為16.7% ，反映出干旱事件同樣發生較為頻繁。這種趨勢表明，關中地區的降水情況復雜，這可能是全球氣候變化影響下極端天氣頻發的直接反映。頻繁的極端降水事件不僅提高了洪澇災害的風險，也給水資源管理、農業生產和城市防洪帶來了新的挑戰。例如，在降水量大幅增加的年份，關中地區的河流湖泊面臨超負荷的風險，排水系統也可能受到考驗，從而威脅到鄉村安全；而在極端缺水年份，農業用水嚴重不足，土壤干旱加劇，作物產量顯著下降，同時地下水位持續下降，生態環境惡化，給糧食安全和農民生計帶來嚴重威脅。農業用水分配的調控變得更加復雜，特別是在降水不均衡的情況下，既要應對洪澇風險，又要緩解干旱壓力，這增加了保障糧食生產的難度。極端降（缺）水事件的頻發讓關中地區的資源調度變得更為緊迫。因此，識別并提前應對這些極端年份，對于區域水資源規劃、防洪措施和農業水利建設至關重要。

2.3關中地區雨水收集系統綜合效益評估

2.3.1 節水效益

以關中渭南地區為例，關中農村家庭屋頂面積一般在 50～100m² ，此處取屋頂面積為 80m² 。根據數據，渭南地區年平均降雨量大約為 582m² 。雨水收集效率通常為 70%～90% ，主要受材料、結構和水流失等因素影響，此處取 80% 的收集效率。根據以上數據，可計算出渭南農村地區一個家庭的屋頂每年大約可以收集 37.2m³ 的雨水（即37200L）。一般農村家庭的用水需求包括生活用水（飲用、清潔等）。根據全國人均用水量統計，每人每日用水量為 150L 。以一個四口之家為例，年用水量為219m³（219000L） 。根據以上數據，可得出關中雨水收集量相當于家庭年需水量的 17% ，即通過這種雨水收集系統，每年每個農村家庭對外部水源的依賴可減少約 37.2m³ 的用水量。雖然該系統無法滿足全部用水需求，但為農業灌溉、清潔等非飲用用途提供了重要水源，有助于緩解用水壓力，尤其在水資源緊張的時期，提高了家庭用水的可持續性和利用效率。

2.3.2 雨洪控制率

以渭南地區為例，一個屋頂面積為 80m² 的農村家庭，在該研究設定的年均降水量條件下，可以產生約 46.6m³ 的降雨水量，而通過安裝雨水收集系統，該家庭每年能夠收集到約 37.2m³ 的雨水，這相當于年總降雨水量的 79.9% 。這意味著，該雨水收集系統能夠有效控制和利用近 80% 的屋頂降雨徑流，減少雨水在庭院或周圍區域的流失，從而在一定程度上緩解了雨洪壓力。這一近 80% 的雨洪控制率說明，借助屋頂雨水收集系統，家庭可以大幅減少降雨帶來的徑流量，避免了部分雨水在短時間內排入周邊土壤或公共水系，從而降低了在降水量較大時期的洪水風險。這種收集方式為農村地區的水資源利用提供了重要支持，不僅提升了水資源自給率，而且有效減少了雨季雨水徑流對周邊環境可能造成的沖刷影響，為農村社區提供了一種既節水又環保的雨水管理方案。

2.3.3 經濟效益

以渭南地區為例，若家庭將收集的雨水用于非飲用用途（如灌溉、清潔等），則可將雨水視作替代外部購買水源所產生的等值收益。按收集量 37.2m³ 水費為3元/ m³ 計算，則年均年收益為111.6元。安裝屋頂雨水收集系統的初期成本為3000元，使用壽命為15年，則每年的折舊成本為200元，每年系統維護費用為50元，用于確保系統正常運作，所以年均總成本為250元。因此，家庭通過安裝雨水收集系統，可獲得的經濟效益比為 44.6% ，即每支出1元的系統費用可獲得約0.45元的回報。盡管44.6% 的經濟效益比看似不高，但該系統帶來的不僅是直接的經濟收益，還包括水資源的自給和長期環境效益。雨水收集系統在干旱和用水緊張時期顯得尤為有價值，減少了對外部水源的依賴性，從而間接降低了公共水資源的使用壓力。對于農村地區來說，使用這類系統不僅是一種環保且可持續的水資源管理手段，還為家庭節約了一部分水費開支，并在一定程度上提高了水資源利用效率，這為農村地區提供了低成本、高效益的用水解決方案。

3發展路徑

3.1因地制宜的技術集成路徑

3.1.1 區域定制化設計

根據關中地區不同縣市的地理條件、降水模式和水資源需求，應采用差異化的雨水收集系統設計。例如，渭南等降水量較大的地區，應發展大容量儲水設施，以應對洪澇風險；而降水不均衡的地區，則應采用高效率的雨水收集系統，以確保旱季用水供應。

3.1.2 集成化技術應用

農村家庭可在屋頂、庭院等位置因地制宜地安裝收集設施，同時將雨水儲存系統與排水系統、滲透系統有機結合，實現雨水資源的有效利用。采用技術集成的方法，使雨水系統能夠適應不同季節的降水變化，從而實現雨水的高效收集和儲存。

3.2示范推廣與產業化路徑

3.2.1 示范村建設與經驗復制

關中地區可選擇若干村鎮作為示范村，率先為其安裝雨水收集系統，并記錄其使用效果，包括收集量、洪澇減緩效果、水資源利用率等指標。這些示范村作為區域雨水收集的成功樣板，可積累數據和運營經驗，為后續推廣工作提供參考并增強信心。

3.2.2產業化支持與本地化生產

當地應鼓勵地方企業參與雨水收集系統的生產、安裝和維護工作，以此形成產業鏈。政府應推動當地生產設施和材料實現標準化，進而提升系統的成本效益和使用壽命，降低技術推廣成本，并實現資源循環和就業帶動。

3.3農村合作社與社會資源整合路徑

3.3.1 農村合作社帶動

當地應鼓勵村鎮合作社在推廣雨水收集系統中發揮帶動作用，為成員家庭提供集體采購、安裝服務和技術支持，以此降低單戶安裝成本。合作社可以集中開展系統維護培訓，進而提高農戶的管理水平，從而確保雨水收集系統長期有效運行。

3.3.2社會資源整合與多方協作

當地可引入社會資本、非政府組織、研究機構等資源，促使其在農村社區的雨水收集系統發展中發揮協同效應。例如，非政府機構可以提供系統建設資助，研究機構可提供降水數據分析支持，各方共同形成多方協作機制，以此提高系統的覆蓋率和可持續性。

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Research on Rainwater Harvesting Systems for Rural Rain-Flood DisasterMitigationand WaterResourceRegulation

-ACase Study of the Guanzhong Region

GAO Rong

School ofInternational Business，Xi'an Fanyi University，Xi'an71O1O5，China

Abstract：This study focuses on the rural areas of the Guanzhong region in Western China，exploring the rain-flood disaster mitigation and water resource regulation pathways based on rainwater harvesting systems.As a region highly sensitive to climate change，the Guanzhong region has experienced frequent extreme weather events in recent years，resulting in alternating rain-flood disasters and droughts.These events have severely impacted the local ecological environment，agricultural production，and residents'lives.By analyzing the region's climate conditions，topographical features，and water resource distribution，the study designed rainwater harvesting strategies suitable for the area. The goal is to improve water resourceutilization effciency，alleviate spatial imbalances in water allocation，and enhance flood control capabilities in rural areas.The results show that the rainwater harvesting system can effctively mitigate flood risks，provide supplementary water sources，decrease reliance on public water resources，and improve the sustainability of household water use.

Key words：rainwater harvesting system; rural water management; rainstorm disasters; rural sustainable development

（欄目編輯：李菡）