（水利工程专业论文）城市周边山区雨水集蓄利用模式研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 水资源短缺是人类在2 1 世纪所面临的最大的难题之一，是一个全球性的问 题。我国是水资源相当贫乏的国家之一，水对农业和整个国民经济的发展具有 特别重要的意义。 随着城市化的发展和人民生活水平的提高，水的供需矛盾日益突出。一方 面，由于人口和经济活动的集中，城市的建筑面积不断扩大，不透水地面增加， 城市的暴雨径流产生的洪涝灾害不可忽视。另一方面，城市淡水资源匮乏，迫 切需要寻找新的供水水源。雨水资源作为轻度污染的水源，水中污染物较少， 经过简单处理就可用于生活用水和工业用水。城市周边山丘区雨下渗少，径流 大，水质优，是城市可利用的宝贵资源。因此，城市周边山丘区雨水利用理论 和技术的研究，对缓解城市水资源短缺和城市河道防洪设计流量不断增加的困 难，改善城市水环境具有重大现实意义 本文在查阅大量的中外文文献的基础上，对城市周边山区雨水利用模式进 行探讨和研究并以济南南部山区为例进行分析计算。主要研究内容和初步研 究结果如下： ( 1 ) 对济南市的降雨量序列进行了分析研究，得到济南多年平均降水量 6 4 6 5 5 2 m m ，年际变化大，季节之间的降水量极不均匀；汛期6 - 9 月，平均降水 量5 0 0 0 4 r a m ，占年降水量的7 7 3 4 。其中7 月份最大，占全年降水量的3 1 ；1 2 月份至翌年3 月份降水量少。利用径流系数法计算了济南周边山区不同代表年 的径流量，为蓄水容积的设计提供了基础。 ( 2 ) 对城市周边山区阿水资源利用的技术进行了研究，提出了城市周边 山区集雨模式和集附量的计算方法、雨水蓄水模式和蓄水池容积的确定方法、 用雨模式和雨水利用技术等。 ( 3 ) 城市周边山区雨水利用分为直接利用和间接利用两种方式，本文给 出了两种雨水利用方式的流程图。 ( 4 ) 系统分析评价了城市周边山区阿水利用的经济和环境效益。 关键词：城市周边山区南水集蓄利用模式效益分析 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sw ii ib eb e c o m eag l o b a lp r o b l e mf o r h u m a nb e i n gi n2 1 c e n t u r y c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e sw h i c hw a t e r r e s o u r c e si sm u c hs h o r t ，s ow a t e rr e s o u r c e si sv e r yi m p o r t a n tt oc h i n a w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a ti o na n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e p e o p l e sli v i n gs t a n d a r d ，t h ec o n t r a d i c t i o na g a i n s tw a t e rs u p p l ya n d w a t e rd e m a n di sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s o nt h eo n eh a n d ，w i t h t h ec e n t r a l i z a t i o no ft h ep e o p l ea n dt h ee c o n o m i ca c t i v i t i e s e x t e n s i o n o ft h eu r b a nb u il d i n g sa n di n c r e a s eo ft h ea r e ao fi m p e r v i o u ss t r a t u m ， t h ef l o o dc a u s e db yu r b a ns t o r mf l o wc a n n o tb en e g l e c t e d o nt h eo t h e r h a n d ，n e ww a t e rs u p p l ys o u r c ei su r g e n t l yd e m a n d e df o rt h es c a r c i t yo f u r b a nf r e s hw a t e r a sak i n do fs l i g h t l yp o l l u t e dw a t e rs o u r c e ， r a i n w a t e rh a sl e s sc o n t a m i n a t i o n sa n di tc a nb eu s e da sd o m e s t i cw a t e r a n di n d u s t r i a lw a t e rb ys i m p l yt r e a t m e n t i nr e c e n ty e a r s ，a v a i l a b l e w a t e rr e s o u r c ec a p a c i t yr e d u c e sy e a ra n dy e a r ，b u ts t i l lt h es t o r m w a t e ri nl a r g eam o u n th a v en o tb e e ne f f e c t i v e l yc o n t r o l l e da n d r e a s o n a b l yu s e d t h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o ni n e r e a s e dt h es t o r m f l o o dp e a k ，b u r d e n e dt h ef l o o dp r o t e c t i o np r e s s u r e i no r d e rt o a l l e v i a t ew a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g ea n dt or e d u c ef l o o d i n g ，a n dt og i v e m o r ea t t e n t i o no nt h er a i nw a t e ru s eh a sg r e a ta n dp r a c t i c a lm e a n i n g b a s e do nc o n s u l t i n gp l e n t yo fc h i n aa n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，t h e p a p e rd i s c u s s e da n ds t u d i e dt h em o d eo ft h er a i n w a t e ru t i l i z a t i o ni n m o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t i e s a sa ne x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y s i s a n da c c o u n t e dt h em o d eo fm o u n t a i n o u sa r e aj i n a nc i t y t h em o s t l ys t u d y c o n t e n ta n dp i l o ts t u d yr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ra n a l y s e da n ds t u d i e dt h er a i n w a t e rs e r i a lo fj i n a n c i t y ，g a i n e da m o u n to f a v e r a g e r a i n f a l lo fj i n a n c i t y i s 6 4 6 5 5 2 m m r a i n f a l lh a sl a r g ec h a n g ei nd i f f e r e n ty e a ra n ds e a s o n ：f l o o d s e a s o ni sa m o n g6 - 9m o n t h s ，iti sa v e r a g er a i n t l a l1i s5 0 0 4 m mw h i c h 山东大学硕士学位论文 a c c o u n tf o r7 7 3 4 o ft o t a la m o u n t t h e r e i n t o ，j u l y sr a i n f a l li s l a r g e s ta m o n gm o n t h e so ff l o o ds e a s o n w h i c ha c c o u n t sf o r3 】t h a t r a i n f a l lf r o md e c e m b e rt om a r c ho fn e x ty e a ri sl e s s u s i n gm e t h o do f s t r e a mw a t e rc o e f f i c i e n tc o m p u t e dt h es t r e a mw a t e ro fv a r yd e l e g a t ey e a r i nm o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do fj i n a nc i t y ，w h i c hi sb a s i co fc u b a g eo f s l u i c ed e s i g n e d ( 2 ) t h r o u g hs t u d y i n go ft e c h n o l o g yo fr a i n f a l lr e s o u r c eu t i l i z a t i o n i nm o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t y ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h em o d eo f r a i n w a t e rh a r v e s t i n ga n dc a l c u l a t em e t h o do fh a r v e s t i n gr a i n w a t e r m o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t y ，t h em o d eo ft h er a i n w a t e rs l u i c i n g a n dt h ec o n f i r mm e t h o dc u b a g eo fs l u i c i n gp o n d ，t h em o d e o ft h er a i n w a t e r u t i l i z a t i o na n dt h er a i n w a t e ru t i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，a n ds oo n ( 3 ) t h er a i n w a t e ru t i l i z a t i o no fm o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t y h a st w om a n n e r sw h i c ha r ed i r e c ta n di n d i r e c t t h ep a p e rg a v ef l o w c h a r to ft h er a i n w a t e ru s e dm a n n e r l i n ke x a m p l et h ep a p e rg a v et h em o d e o fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o no fm o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t yw h i c h i n c l u d em o d e o fh a r v e s t i n g ，s l u i c i n ga n du s i n gr a i n w a t e r ( 4 ) t h ep a p e rs y s t e m a t i c a la n a l y s e da n de v a l u a t e de c o n o m i c a la n d c i r c u m s t a n c eb e n e f i to fr a i n w a t e ru t i l i z a t i o no fm o u n t a i n o u sa r e a a r o u n do ft h ec i t y k e y w o r d s ：m o u n t a i n o u sa r e aa r o u n do ft h ec i t i e s ：m o d e lo ft h e r a i n w a t e rh a r v e s t i n ga n du t i l i z a t i o n ：b e n e f i ta n a l y s i s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：e 1 期：塑! ：兰：! 多 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日期：出， 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 雨水集蓄利用的内涵 世界各国对于雨水集蓄利用研究都处在发展阶段，到目前为止，还没有 统一的概念来描述雨水资源问题。所有论及该问题的文献都使用r a i n f a l l 一词，汉译为雨水或降雨较为合适。对于雨水利用，美国早期称之为 r a i n w a t e rc i s t e r ns y s t e m ( 雨水收集系统) ，英国称为r a i n w a t e rc o l l e c t i o n 或r a i n w a t e rh a r v e s t i n g ( 雨水收集) ，泰国用作r a i n w a t e rs t o r a g e ( 雨水 储存) ，日本用作r a i n w a t e rr e s o u r c e s ( 雨水资源化) ，在台湾召开第五届国 际雨水利用大会以后用作r a i n w a t e rc a t c h m e n ts y s t e m ( 雨水蓄积系统) 。我 国有关文献称作“雨水利用”及“雨水集流系统”。刘昌明等应用“五水转 化”理论，提出了雨水利用与雨水资源化的概念。 雨水集蓄利用是吉德斯于1 9 6 3 年首次提出的，并将其定义为：“收集和 储存径流或溪流用于农业灌溉使用”。在此基础上，梅尔斯( 1 9 7 5 年) 认为集 水区必须加以人为改造，并将其定义修改为“通过人为措施处理集流面增加 降雨和储雪径流，进而收集利用的过程”，同时认为储存是集水系统的有机 组成部分。雷击等人( 1 9 8 8 年) 比较全面地将雨水集蓄利用定义为“收集各种 形式的径流用于农业生产、人畜饮水或其他用途”。我国的赵松龄等人将其 定义为“经过一定的人为措旌，对雨水径流迸行干预，使其就地入渗或汇集 蓄存，并加以利用的过程。他认为雨水集蓄利用系统应具有三个基本特征： 第一，该系统应用于具有b j 歇性径流的干旱、半干旱地区，水源主要来自于 降水，由于径流历时短暂，贮存是南水集蓄利用中不可缺少的一部分；第二， 由于水源主要来自降水，所以该系统不包括地下水库的丌采：第三，系统在 集水区面积、蓄水容积和投资上的规模都比较小，但其所采取的具体形式依 据当地条件、对水的利用目的以及经营管理方式等而不同。地球上的水资源 大部分来自降水，从这个意义i 二束说，水资源的丌发利用工程大部分可以称 为对内水的利用。这种内水利用的概念其外延具有极大的广泛性。雨水利用 不仪仪是指南水集流的家庭利用和阿养农业利用，而且还包括人工增雨、水 土保持、水源地涵养、城f 订防洪和尘念环境的改善等水资源利用的各个方面。 山东大学硕士学位论文 这是广义的内水集蓄利用。 狭义的雨水集蓄利用是指对雨水的原始形式和最初转化为径流或地下 水、土壤水阶段的利用，同时将汇流面上的雨水径流汇集在蓄水设施中再进 行利用。狭义的阿水利用指其内涵至少应包括：解决人蓄饮水的家庭利用； 集流补灌的农业雨水利用：用于消防、城市绿地灌溉的城市阿水利用； 雨水的地下水补给利用。至于对雨水经过多次转化形成的其他形式的水资 源，以及具有较大流域面积河流中的径流利用，则不属于雨水利用的范畴。 上述概念都是各国在开发利用雨水资源时结合本国特点提出的，比较恰 当地反映了各国雨水开发利用的情况。如美国使用r a i n w a t e rc i s t e ms y s t e m 或r a i n w a t e rc a t c h m e n ts y s t e m 词，是因为雨水利用活动首先在夏威夷、 维尔京群岛等淡水缺乏的岛屿上开展的，雨水利用的重要内容是扩大集流 面、建设高效的雨水收集工程；泰国地处多雨地区，降水季节变化大，雨水 利用的难点是雨水的存储；日本不仅在农业生产、家庭生活方面利用降水， 而且在城市绿化、防洪、卫生等方面也综合开发利用雨水，放广义地称之为 雨水资源化。目前，国际上谈到雨水利用都是指雨水集蓄的农业生产利用和 家庭利用两方面的含义。我国有关部门应用“雨水利用”一词，也恰当的反 映了我国水利工作者对待雨水利用的认识，因为在我国干旱、半干旱地区解 决水资源紧缺的主要措施是开渠调水，利用雨水只不过是一种辅助手段。城 市及周边山区雨水利用还处于起步阶段。 近年来，我国多数水利工作者将雨水集蓄利用工程定义为：在干旱半干 旱及其它缺水地区，通过各种集水和蓄渗工程措施，主动调控降雨径流的再 分配，使其在一定面积内富集叠加，并与之相配套的节水灌溉和作物栽培技 术集成，大幅度改善植物根区的水分状况，提高植物水分利用效率，充分发 挥环境资源和水肥生态因子的协同增效作用，达到雨水资源的高效利用的一 种微型水利工程系统。 综合国内外雨水集蓄利用的实际，本文侧重研究城市周边il l 区雨水集蓄 用于改善城市水环境、缓解城市水紧张的现状，探讨城市周边山区雨水利用 模式，包括集雨模式和集阿量的计算、蓄南模式和蓄水池容积的确定。用水 模式和城市雨水利用技术等。 山东大学硕士学位论文 1 2 雨水集蓄利用的目的和意义 人类面临着环境，人口、资源三大难题，尤其是环境问题，包括森林破 坏、植被减少，水资源锐减、水质恶化，水土流失、荒漠化、沙尘暴、干 旱风等灾害r 趋严重，在诸多人类面临着的生态环境危机的严峻挑战中，水 资源危机己成为世界性问题，引起世界各国的普遍关注地球上7 0 的面积 是海洋，因而水资源总量o ? 4 7 5 是不可能直接利用的海水，淡水资源只占 2 5 ，而可以直接利用的河流、湖泊和水库的淡水资源，仅为淡水资源总量 的0 2 6 。 水是人类赖以生存和发展的最基本的要素，也是社会发展的重要经济资 源，人们的生活和国民经济各部门都离不了水。水资源短缺将是人类在2 1 世 纪所面临的最大的难题之一，是一个全球性的问题。关于水资源的现状，大 家都有目共睹。早在1 9 7 2 年联合国召开的“人类环境”会议和1 9 7 9 年召开的 “水”大会上就向全世界发出警告，“水不久将成为一项严重的社会危机， 石油危机之后的下一个危机便是水”。人们越来越来深刻地认识到，水不仅 是农业的命脉，也是经济发展的命脉，人类生存的命脉。随着人口的不断增 长，社会和经济的发展，人类对水资源的需求量日益增长，其中农业用水占 淡水用水总量的7 0 ，- r 业用水占2 3 ，生活用水占7 。全世界用水量1 9 0 0 年 为5 7 9 0 亿研，至l j l 9 8 0 年增牢3 3 2 0 0 亿m ，是1 9 0 0 年的5 7 倍；1 9 9 4 用水量为 4 3 0 0 0 亿小，是1 9 0 0 年的7 4 倍。工业和城市的发展，使工业废水的排放量也 成倍增长。同时，不少地区工业化的进程和农业盲目施用化肥农药同益增多， 导致水源严重污染，森林退化，水土流失和沙漠化等问题愈益恶化。再加上 由于森林植被的破坏，生态平衡失调，造成降水量及地下水的补给量减少， 从而使返回河流或地下含水层可利用的水资源量越束越小，加剧了水资源紧 缺状况。使水资源成为许多国家社会经济发展的制约因素。水的问题已成为 当今世界各国注意的焦点之一。 我国水资源总量达2 8 0 4 0 亿m ，居世界各国第六位，次于加拿大、巴西、 俄罗斯、美国和印尼，占世界水资源总阜的7 ，是一个水资源大国。也就是 说l f i 幽以世界 7 的水、6 4 的国土面积和7 2 的耕地养活了2 1 的人口。 3 山东大学硕士学位论文 中国人均占有水资源约为2 2 0 0 肌3 ，仅相当于世界人均占有量的l 4 ，按实际 耕地面积平均，每公顷占有水资源2 1 0 0 0 m ，为世界平均耕地占有水平的二 分之一。属于水资源紧缺的1 3 个贫水国之一( 以上均按1 9 9 8 1 9 9 9 世界银行统 计数据) ，居世界1 0 9 位。再加上其时空分布的不均匀，将近一半的国土处于 降水量少于4 0 0 r a m 的干旱地带。但由于我国人口众多。南方的长江，珠江流 域，人均水资源量达2 5 0 0 - 4 0 0 0 m 。耕地每公顷，占有水资源4 0 5 0 0 7 2 0 0 0 删， 而北方的海，滦河，辽河流域以及西北黄河中游的黄土高原丘陵沟壑区，人 均水资源只有2 5 0 - 4 3 0 m 。每公顷耕地水资源只占2 5 5 0 5 4 0 0 m 从时间分 布看，由于我国受东亚季风气候的影响，夏秋季多雨，冬春季少雨，全年最 大四个月的降水量一般发生在6 - 9 b ，占全年降水的7 0 。干旱半干旱地区雨 量更为集中，可达8 0 。这种分布模式使得我国季节性缺水十分普遍，不仅 北方存在，南方多水地区在旱季也常常面临干旱缺水的威胁。北方不少地方 已经发生了水资源总量不足的矛盾，造成地下水位持续下降，引起了一系列 生态环境问题，环境恶化又使本来已很严重的水资源不足的矛盾更加突出。 城市由于人口和资产的高度集中，是水问题最多、水管理最复杂的区域， 城市化使水循环的下垫面发生变化，透水面积减少，不透水面积增加，地面 粗糙率变小；同时排水系统的改进，使降雨大部分以地面径流形式排出，渗 入地下的雨量减少，使地下水位下降、泉水断流，河道枯水期流量减少，导 致城市水环境逐渐恶化。掘统计，我国6 6 0 多个城市中，缺水城市达3 0 0 多个， 其中严重缺水城市1 0 8 个。全国农村每年缺水约3 0 0 亿册，有5 0 0 0 多力人和2 5 亿头牲畜饮水困难，9 0 年代以来每年受旱面积达2 0 0 0 多万公顷。因干旱粮食 减产达1 5 0 亿k g 。城市周边i l jf t 区雨水下渗少，径流大，水质优，是城市可 利用的宝贵资源，因此，城市周边山丘区阿水利用理论和技术的研究，对缓 解城市水资源短缺，改善城市水环境具有重大现实意义。 面对水资源的紧缺局面，加上新形势下传统水利向现代水利观念的转变， 解决的办法是丌源节流。首先要保护现有的水源。采取行之有效的措施节约 水资源，如农业上实施竹水灌溉技术工业上治理水污染并回收利用，国家 山东大学硕士学位论文 调节供水政策，提高水价等；在丌源方面实施水资源优化配置，如南水北调 工程，但其工程量大、投资多、工期长。而且这些在过去都只是局限在利用 河川径流和地下水上过去，世界各国包括我国在内，在评价一个地区的水 资源时，只考虑河川径流和地下水两部分，降水是不计入水资源的。事实上， 地球上所有形式的水资源都来自降水，而河川径流和地下水只是经过降水形 成的径流。针对我国目前对天然降雨的利用率只有1 0 9 6 ，与国外利用率较高 的国家相比，利用的潜力巨大，发展的前景十分广阔，而且我国有效降雨量 在2 5 0 r a n 以上的地区很广，且降雨集中在6 - 9 月，利用丘陵山坡、路面、场院 和屋顶等设施为聚集雨水、开发利用雨水资源创造了有利条件。近年来，雨 水作为一种资源正被越来越多的人们所认识，雨水资源化的概念也逐步形 成，使水资源利用的领域大为拓宽。 将城市周边山丘区雨水汇集、储存用于城市生活、工业和生态用水，会 对城市生态环境的改善意义重大，同时可带来巨大的社会和经济效益。具体 来讲，一是可以有效改善区域生态环境。将雨水收集利用或就地回补地下水， 回补的地下水，这对象济南这样的泉城，意义是巨大的。济南南部山区下渗 的雨水是济南泉水的重要补给源。二是，低成本，高收益。山丘区雨水污染 少，水质好，稍加处理即可利用，是廉价的资源；同时，雨水的钙盐含量低， 属软水，可作冷却水三是可减轻河湖特别是市区的防洪压力，防止洪涝灾 害发生。同时，山丘区雨水利用又可以为当地农牧业及地方经济发展提供有 力保证。 因此，加强对雨水利用问题的研究，对改善城市水环境、恢复生物多样 性，实现水资源的可持续利用是十分必要的。 1 3 雨水集蓄利用研究现状 我国雨水利用是一项古老传统技术雨水集蓄利用工程也有着悠久的历 史。早在2 5 0 0 年前，安徽省寿县就修建了大型平原水库，拦蓄雨水，用于农 用灌溉。秦汉时期，在汉水流域的丘陵地区修建了库塘，对雨水进行拦蓄和 调节。在西北黄上高原等干旱半干旱山区和源区。人们在同二r 早作斗争的过 程中，创造了许多雨水利用技术，如t 窖、大口井，坎儿片和蓄水塘等设施， 山东大学硕士学位论文 而且还改进了修筑梯田、沟筑上坝、粮草轮作等就地蓄雨措施，发挥了很大 的作用。 雨水作为一种气候资源被人们自发地开发利用己有几千年的历史。在中 东地区，远在公元前2 0 0 0 多年就收集雨水用于生活和灌溉。在阿富汗、伊 朗、巴基斯坦，2 0 0 0 多年前就修建了坎儿井用于灌溉。约1 5 0 0 年以前，纳 巴泰人的沙漠商队利用当地的少量雨水灌溉种出了庄稼，并且建起了一系列 城市，成为灿烂一时的沙漠文明。在墨西哥、秘鲁和南美的安弟斯山山坡上， 多年前就修建了能灌排的雨养梯田。几百年前印第安人就收集雨水种植玉 米、南瓜和甜瓜。 然而，从1 9 世纪末，2 0 世纪初开始，随着现代技术的兴起，先是地下 水的开采在许多地方逐渐取代了雨水利用技术。接着，以控制洪涝灾害、利 用河川径流和开采地下水为目标的当代水利工程的修建，又为社会经济的发 展，特别是农业的持续稳定增长，发挥了很大的作用，取得了巨大的效益。 雨水利用渐渐被人们遗忘。但是，人类社会经济的进一步发展，人口的不断 增长，对有限的水资源提出了越来越高的要求，水资源的紧缺已成为许多地 方制约经济发展的因素。同时，大型水利工程引发越来越多的生态环境问题 也迫使人们思考和寻找其他出路。 自2 0 世纪8 0 年代以来，由于人口、资源和环境尤其是水资源危机的进 一步加剧，面对地表水的匮乏、地下水位下降、水质恶化等水资源问题，使 得人们对阿水资源的开发利用产生了极大的兴趣并进行了广泛的研究，雨水 集流系统得到迅速发展，雨水利用范围也从生活用水向农业和城市用水方向 发展，并己初步显示出雨水资源丌发利用的巨大潜力。特别是联合国在夏威 夷召丌第一届国际雨洪水集流利用会议后，迄今为止，国际上已经召丌了十 届国际雨洪水收集利用会议，推进了国际雨水利用的研究和进展。发展中国 家，如东南亚的印度、菲律宾和泰国，非洲的肯尼亚、博茨瓦纳和纳米比亚 等国家：工业发达国家，如同本、澳大利亚、美国、新加坡等国部在丌发利 用雨水。特别是联合国“国际饮水及丁j 尘十年”计划的实施，使雨水利用 技术得到迅速发展和推广。1 9 8 2 年6 月在美国复威夷召丌了第一届雨水集流 利用际会议，受到了广泛关i t ，嗣后成立了凼际雨水集流系统协会 6 山东大学硕士学位论文 ( i n t e r n a t i o n a lr a i n w a t e rc a t c h m e n ts y s t e m sa s s o c i a t i o n 。i r c s a ) 。此 后每两年一次的定期雨水集流利用国际会议到现在已丌t a 次，其间也召开 了很多国家和地区参加的区域性会议。第七届国际雨水集流系统大会于1 9 9 5 年6 月在北京召丌，来自3 2 个国家和地区的近2 0 0 名代表参加了会议，其 中外宾9 0 多人。1 9 9 8 年第八届国际雨水集流系统大会在我国江苏徐州市召 开，来自3 0 多个国家和地区1 5 0 多位学者参加了会议，其中外宾8 0 多人， 会议收到有关论文1 0 0 余篇。我国于1 9 9 5 年1 2 月底在甘肃召开了全国第一 届雨水利用大会，1 9 9 8 年与国际会议同时召丌了第二届全国内水利用大会。 2 0 0 0 年我国雨水集蓄利用学术交流会在大连召开，主要研究局部集流系统的 雨水利用。这些雨水集蓄利用会议的召开进一步推动了雨水资源开发利用的 发展进程，促进了国际间雨水利用的交流与研究。 近十年来，越来越多的国家涉入城市雨水利用这个新兴的技术领域，进 行了很多有效尝试，并应用先进技术取得了明显的结果目前国际上，城市 雨水利用研究t b 较广泛。东南亚的尼泊尔、菲律宾、印度、泰国，非洲的肯 尼亚、博茨瓦纳、坦桑尼亚，以及日本、德国、澳大利亚、美国、新加坡、 法国等发达国家都采取了多种技术开发和利用城市雨水，其中日本和德国的 城市雨水利用处于领先地位，城市雨洪水利用的应用范围广、设施齐全、利 用方法多种多样，并且制定了一系列关于雨洪水利用的政策法规，建立了比 较完善的雨水收集和雨水渗透系统。收集的雨水有很多方面的用途，如冲洗 厕所、洗车、浇洒庭院、洗涤衣物、屋顶花园用水，还可作为发生火灾时的 应急用水；雨水渗透可形成地下水回灌系统等。 我国的雨洪水利用发展可以概括为三个阶段：利用雨水解决生活用水为 主的初级阶段、利用雨水解决生产用水的中级阶段和利用阿水解决生态用水 的高级阶段。1 9 8 0 年以前利用阿水主要解决缺水地区生活用水问题；从1 9 8 0 年丌始一直到1 9 9 7 年，主要注重于收集阿水用f 发展农业生产：从1 9 9 7 年 丌始直到现在，雨水利用已逐渐由解决生活和生产用水的基础上，向生念供 水方向发展，其中林草植被建设生态需水和城市地f 水位下降区雨水回补是 生念用水阶段的营点。 目前，我囡的研究主要集中在干旱半 早地区生活饮水，集流节灌和生 山东大学硕士学位论文 态环境建设等问题上，同时对集蓄雨水补灌地下水及城市集流等问题也展开 了研究。北京计划在2 0 0 8 年前将人均水面由现在的1 5 万肌2 扩展到3 万盯， 要在新建小区和旧城区改造过程中再添水景。而水源，专家认为，北京可利 用的雨水每年有7 亿所3 的巨大潜力。上海浦东国际机场航站楼已经建有完善 的陌水收集系统用来收集浦东国际机场航站楼的屋面雨水，在暴雨季节收集 的水量为每公顷5 0 0 m ，这些雨水均被有效的处理并加以利用。而今，全国 很多城市都在仿效以上几个城市的雨水利用工程和应用技术，例如大庆市某 小区根据大庆的降雨资料及小区主要用地指标的分析，研究城市雨水的集蓄 用于小区绿化和道路浇洒的可行性。总之，全国已经掀起城市雨水利用的热 潮，如何充分利用城市雨水，实现城市区域的良性水循环已经提上日程。 1 4 雨水集蓄利用的理论及技术 1 4 1 雨水集蓄利用理论研究 8 0 年代以前，国内外有关雨水集蓄的研究多集中在雨水径流的导引、收 集、蓄存的技术和方法方面。随着研究的深入，人们发现雨水利用科学与水 土保持科学、环境科学、生态农业科学的关系越来越紧密，特别是计算机和 系统工程学科的迅速发展，人们对雨水利用研究的深度和广度均有大幅度的 提高，研究逐渐深入到系统模型以及设计参数的确定方面。 在降水模型方面，b u t t o n 认为降雨强度不仅影响集水系统的产流效率， 而且还决定着集水系统结构的最长寿命，影响工程的结构尺寸，为此，他通 过对降雨强度一历时关系曲线的研究，建立了沙漠条件下的降雨模型。 s h a r m a 在印度干旱地区的沙漠粘土集水场观测了降阿、产流，用线性回归方 法观测数据，从而得出集水效率和降雨l 临界值。 在径流模型方面，k a r r i e l 等针对干旱的n e g e v 沙漠地区提出了一种经验 性的预算径流量的方法，即通过经验公式来预算出一定设计频率下某一时段 内的径流。z a s l a v s k y 等根据降阿量、降雨强度和历时及分配情况，考虑到 影响入渗的坡度和t 壤表面的不均匀性，建藏了确定性径流模型。 在集水系统模掣方面，h i l l e l 提出应用运动波方丰q 和动力方程束建立 山东大学硕士学位论文 m c w h 系统模型。b o e r s 等提出用线性回归模型结合土壤水平衡模型来初步设 计干旱地区的m c w h 系统，其后又提出用运动波模型来设计m c w h 系统，f i n k 等 利用单位过程线方法建立了沙漠条件下的r f w h 系统产流模型。 在上述研究基础之上，雨水集蓄利用研究已经逐渐走向系统化、全面化。 在1 9 9 0 年，a r m o l ds t o c k l e 对农村水资源模拟模型加以修改，以确定补充灌 溉的最佳田间蓄水池尺寸及灌溉决策。1 9 9 1 年，s u s h i lp a n d e y 在雨水径流 集蓄与补充灌溉系统基础上建立了系统优化模型。该模型由生物物理子模型 和经济子模型构成，生物物理子模型由描述产量对灌溉的反应、土壤水分平 衡、降雨径流关系和降雨与蒸发预测等次子模型构成，经济子模型包括价格 预测和决策规定两个次子模型。该模型的最终目标是，在给定的整个系统面 积下获得汇水区、蓄水池、利用区的最优值。m a h o o 等设计了雨水径流蓄集 的r f l h 系统。其设计依据是根据最优产量设计最适系统。系统模型有四个子 系统：气象因素、土壤水蓄存模型、作物模型和集水区降雨一径流模型。 陈智汉等通过试验研究，提出在黄土高原地区利用( 涝) 池、( 水) 窖联蓄 系统进行山坡地雨洪径流集存技术，根据修建目的、配套规模，得出了相应 的集流场面积的确定公式及蓄水容积的确定公式。管华在进行豫西山地农业 灌溉雨水集流系统研究中，以灌溉定额为参数，建立集流场面积、储水窖容 积和灌溉定额三者之间的关系，计算出了单位耕地面积所需的集流场面积和 储水窖容积。 近年来，许多高新科技也逐渐应用于雨水集蓄利用系统。如印度，在半 干旱地区应用地理信息系统输入相应的地理及土壤信息，则可预测出该地的 雨水集蓄潜力及雨水集蓄的适应性。这种方法不仅适用于干旱半干旱地区， 同样也适用于降肉量丰富但时空分白不均的湿涧地区。 综合国内外雨水集蓄利用理论研究，主要集中在如下几个方面： ( 1 ) 阿水就地拦蓄入渗利用理论 根掘内水的可储性，通过对地表微地形的改变，人工修建集流拦蓄工程， 增加地表土壤入渗能力，发挥“t 壤水库”的储蓄调常功能，使雨水径流就 地拦蓄入渗，减少地表径流损失，提高植物根区的卜壤含水量和水分利用效 率，达到陶水资源的岛效利用。这种技术的理沦依抛伍f 通过对地面坡度即 9 山东大学硕士学位论文 地表径流水力坡度的降低，截短径流流经长度，减缓径流运移速度，从而增 加地表径流在一定区域的滞留时间，达到增加土壤入渗的目的。土壤入渗量 的增加，一方面可以提高土壤贮水量，供地表植物吸收利用，另一方面还可 以补充地下水储量，同时还可以降低坡面径流冲昂4 作用力，达到减缓坡地水 土流失的目的，如水平梯田、水平阶、水平槽和鱼鳞坑等工程。 ( 2 ) 雨水邻地富集叠加利用理论 根掘降水的再分配性和可移动性，借助自然和人工集流面，将雨水径流 进行富集叠加，使多个地块雨水叠加到一处，减少集流区水分无效消耗，增 加农田区水分供应，从而达到农田生态系统的稳产高产。由于这种技术不仅 利用区域本身所直接接收的天然降水，而且利用区域相邻部位的地表径流， 事实上是一种雨水资源的富集叠加，故称之为雨水叠加利用技术。该技术与 雨水就地利用技术的区别在于，它充分利用了自然地形，利用径流的天然汇 集作用将其输送到指定的区域，而所指定的区域，通过整平原来坡面，不仅 可接收区域本身降水，增加土壤的贮水能力，而且区域又接纳了上部或邻近 区域的地表径流。这种技术，对于降水量较少的地区，尤其是区域本身降水 不能满足其用水需求时，效果十分显著。该技术将接收雨水的区域称之为入 渗区，而把其上部或邻近区域即提供地表径流的区域称之为集流区。究竟入 渗区与集流区面积选多大，二者合适的比例( 平坡比) 是多少等等，都是值得 深入研究与探讨的问题。 ( 3 ) 雨水集蓄异地利用理论 根掘降水的可贮性和可移动性，借助自然坡面( 沟壑、荒地、坡耕地等或 人工修筑集流面) ，将多个地块和多个时段的雨水径流进行汇集，并将其存 储在某一指定区域或容器供其它区域利用的种技术。该技术的适用范围较 广，除适用于缺水的干旱，半干旱地区外，也适用于水资源较为丰富的湿润 半湿润区域，还适用于道路建设发达的工矿、乡镇、县城及中小城市等地区。 这种技术特点在于充分利用汛期流失的“多余”径流量，减少地表入渗而用 于无效蒸发的那部分水量，同时减少了水上流失量。实际上是将无效蒸发的 水量或者区域内“多余”的地表径流，通过汇集存储加以凋蓄用于异处的 种水资源高效利用技术，与水序的调蔷功能有点类似。改技术的理沦依掘 0 山东大学硕士学位论文 非常明显，就是设法汇集存贮多余的地表径流，进行适时异地高效利用。生 产中常见的形式为“集流场十存贮设施十利用方式”所组合而成的集流灌溉 系统，而集流场目前多以自然坡面、水泥路面、房顶以及其它各种硬地面。 水土保持工程中的淤地坝系统，通过在沟道中修建筑水坝，将沟道两边山坡 上的径流蓄集在塘坝中，可以直接灌溉坝地，或者将澄清水引入下面的窑窖 池中，作为发展高效农业的水源，这也是一种典型的雨水异地集蓄利技术； 另外，目前国外比较流行的城市雨洪利用系统也都属于f 向水集蓄异地利用技 术的范畴。 ( 4 ) 覆盖抑蒸利用理论 根据干旱、半干旱地区无效蒸发剧烈的实际，耕作和播种后，在地表附 加一层覆盖物，可降低、控制或回收利用地表蒸发所造成的水分损耗，提高 土壤蓄水保墒效果，同时，某些覆盖物还能增加土壤有机质含量，培肥地力。 常用的覆盖材料主要有秸秆、麦糠、野草、绿肥、牧草及作物残茬等。 ( 5 ) 农田生态系统的“五水转化”与雨水资源评估理论 “五水转化”理论在农田生态系统中，雨水、地表水、地下水、土壤水 和植物水是相互转化的，这一水分循环过程称为“五水转化”。五水转化可 以看作是水分通过不同界面发生的形态变化，例如蒸发、散发、凝结、下渗 等是根据不同的热力条件，由雨水转化为气态、液态或固态的水，所以地表 水、土壤水和地下水都是来源于雨水。可见，雨水是五水转化中不同形式水 分的根本来源。这些不同状态的水都处于开放的系统，相互之间进行着频繁 的物质和能量交换，水分转化的综合过程构成了宏观的全球水分循环。陶水 利用的实质是调控大气、地表水分转化过程中水分的状态变化，增加可供家 庭生活、农业灌溉的水资源。不同降雨条件下水分转化情况见表卜1 ，从五 水转化过程来看，雨水利用的目的就是在大气和地表水分转化中增加液态水 的数量，提高集流面产流效率，或者晚减少水分因垂直交换的消耗，增加水 平方向水的汇集，为生活和农业灌溉用水提供水源。我国干旱、半干旱地区 山于水分的垂直运动强烈，降水很快通过蒸发消散到空中，造成地面水源贫 乏。因此，在这蝗地l 通过雨水集流系统的建设，提高产流率和水源存储能 力，具有巨大的潜在经济和社会效益。 山东大学硕士学位论文 表卜1 中国不同降水地带水分运动方向的变化 降水量( m m )水分水半压明 水分垂亘压列 备注 r a i n f a l lr u n o f f e v a p o r a ti o n c h a r a c t e r i s t i c s 小于4 0 0 微弱强烈蒸发能力远远大于降水量 4 0 0 _ 一8 0 0逐渐增强 仍占主导蒸发能力一直大于降水量 8 0 0 - 一1 2 0 0 增加减缓水平与垂直水分交换相等 1 2 0 0 _ 一1 5 0 0 强烈稳定土壤饱和、产流增加 大于1 5 0 0绝对优势稳定 降水量题远大于蒸发能力 1 4 2 雨水集蓄利用技术研究 ( 1 ) 雨水径流的导引技术 、 雨水径流的导引技术主要是对集水区的处理技术。集水区的处理主要利 用自然坡面、植被管理、地表处理和化学材料处理等。 ( 2 ) 雨水汇集技术 雨水汇集是指利用天然或人工修筑的汇流面，汇集雨水形成的地表径流 以备高效利用。在干旱半干旱地区，通过人工修筑集流面，更有利于雨水的 汇集。目前生产上常用的集流面有混凝土、塑料薄膜、水泥土夯实、三七灰 土夯实、原土夯实等处理形式。但目前人工修筑的集流面仅用于庭院或试验 区，尚未广泛使用。 另外，根据集流系统的规模和采取的蓄水方式，可分为微型集水区集水 和径流场集水两类：微型集水区集水( m c w h ) 包括集水区和入渗区两个基本组 成部分，是从集水区上收集地表径流，经过不大于l o o m 的距离汇