农村雨水渗蓄利用(参考)

北京建筑工程学院硕士学位论文1 绪论1.1课题研究的背景及意义我国是世界上使用化肥、农药数量最大的国家，雨水冲刷所产生的农业面源污染是水环境污染、湖泊水库富营养化的主要因素。2005年，有关部门对全国部分村庄进行实地调查显示：96的村庄没有排水沟渠和污水处理系统；89的村庄将垃圾堆放在房前屋后、坑边路旁甚至水源地、泄洪道、村内外池塘，无人负责垃圾收集与处理。这就造成了下雨时，雨水与污水混流，使宝贵的雨水资源白白流走。而且，降雨会带着村庄的脏土、粪便、垃圾等，从非特定的地点进入受纳水体从而导致径流污染的发生。水土流失会使耕地减少、土地退化、泥沙淤积、洪涝灾害加剧，从而影响了水资源有效利用。水土流失还加剧了干旱发展，使生态恶化。目前，全国90%以上的农村人口生活在水土流失严重地区，因此，加强水土保持、改善生态环境将大大提高农业综合生产能力，促进农业增产增收1。我国是一个水资源短缺的国家，尤其是农村地区，不光素来干旱的西北、华北地区缺水，连年降雨量超出西北近10倍的西南、华南、华东也因为水土流失或水污染等原因而缺水。随着水资源供需矛盾的加剧，从80年代开始，雨水集蓄利用技术越来越受到广大专家、学者的关注，该技术在我国很多农村地区都已经大范围地的应用，在解决农村饮水困难、发展农业补充灌溉及生态用水等方面收到了明显的成效2-3。现代意义上的雨水利用不仅涉及到雨水集蓄利用，还与水资源的保护与利用、排水系统等基础设施的建设、生态环境规划、建筑与景观设计、雨水的调蓄排放和洪涝控制、水土保持及雨水的径流污染控制和净化处理等有着密切的关系4。建设社会主义新农村是党中央提出的统筹城乡发展的重大战略决策。随着新农村建设的推进，对村庄环境的改善和对水的需求势必会相应提高，水的供需矛盾也会随之加重。因此，面对新农村的建设，仅考虑雨水集蓄利用是不够的，需要对农村现有技术和问题进行分析，借鉴现代城市暴雨管理的科学体系，结合新农村的特点，以充分开发利用雨水资源、缓解农村水资源紧缺状况、减轻农村地区的洪涝危害、控制径流污染和改善水生态环境为目的，研究适合社会主义新农村雨洪控制与利用技术。不同的村庄有不同的特点，所采用的技术就应该有所不同。面对一个具体的项目，必须从实际出发，综合分析各方面的因素，然后确定适合该村庄的雨洪控制与利用技术。本课题就是响应新农村建设的政策，从科学化、系统化的角度出发，研究、构建新农村雨洪控制与利用的适用技术体系，并且以北京浅山区生态村为例，确定其雨洪控制与利用模式。通过本课题的研究，对新农村的雨洪控制与利用技术体系的建立和工程的决策过程具有很好的参考与指导意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状对于农村地区的雨水集蓄利用，规模最大的是泰国，泰国70%以上的人口居住在农村，其雨水收集利用已有4000多年的历史。在20世纪80年代，泰国面临比较大的饮水问题，尤其是在东北部农村地区，普遍利用传统的400-600 l的陶瓷罐来收集雨水5-6。澳大利亚在农村及城市郊区的房屋旁，普遍建造了用波纹钢板制作的圆形水仓，收集来自屋顶的雨水。据南澳大利亚的一项抽样问卷调查表明，使用雨水的居民比用城镇集中供水系统的要多。美国得克萨斯州人一般用小水池蓄存径流用于农业灌溉，成本每英亩约为60美元，而总收可达100 美元，说明集流农业技术所花的代价比一般工程要低7。对印度ANDHRA PRADESH 地区8.9 hm2 的小流域的研究表明，修建6 处由1 hm2 集流面、300 m3 蓄水池组成的系统，即可为该流域农田提供充足的补水灌溉用水8。国外经验证明，雨水集蓄利用技术在解决生活和农业生产用水上都有广泛的应用，特别在干旱、半干旱地区是解决水资源短缺问题，发展农业生产、改善生态环境的有效措施9。近年来，一些分散式的技术在国外农村地区也得到了广泛的应用，其主要目的是减少径流量，间接利用雨洪资源。如德国的乡村铺设一般采用透水路面，如人行道、步行街、自行车道、郊区道路等受压不大的地方，采用透水性地砖，砖与砖之间还采用了透水性填充材料拼接。在房舍周围、校园和公园的步行道上，由于往来行人较多，他们大多采用细碎石或细鹅卵石铺路，不仅地面透水性好，而且还不长杂草。还有，各种雨水入渗设施也在日本迅速发展，包括渗井、渗沟、渗池等，而美国的雨洪利用也多以天然入渗为主，以防洪排涝为重点，将雨水利用作为土地利用规划的一部分。国外在控制与利用山洪资源上，经常采用一些渗透、滞蓄措施1012，在道路边沟内放一些石块，既可以延缓流速，强化雨水的渗透和蒸发，也可以使一些沉淀物沉淀，见图1.1；利用洼地或者用石块筑一小型障碍使雨水暂时滞留，创造一沉淀、渗透区域，以便减少下游沉淀物及冲蚀，见图1.2；利用一混凝土渗透装置来收集、渗透路边集中管渠的雨水，而后慢慢渗入周围土壤，有时还会用一些大石块来固定装置，见图1.3。对于屋面雨水，利用渗透系统使雨水入渗补充地下水，见图1.4。 图1.1 道路边沟图 1.2 滞留措施 图1.3 混凝土渗透装置图1.4 屋面雨水渗透国外生态村的建设也充分考虑了雨洪控制与利用技术。英国南部某生态村充分利用其降雨充分的特点，村内设计了大的贮水池集蓄雨水，集蓄的雨水主要用于冲洗厕所。冲洗过马桶的水立即进行净化处理，并在芦苇湿地中进行生物回收。另外，有些住宅的屋顶上种植了草皮，既增加了美观程度又利用了雨水13。又如伦敦贝丁顿生态村的用水主要来自于雨水。雨水经过自动净化过滤器过滤后进入储水池储存，需要时用泵将水抽出，即可用于清洗卫生间、灌溉树木等14。德国的生态村几乎所有住宅的屋檐下都装有半圆形的檐沟和雨落管，认真地收集雨水，收集的雨水用途广范，有些用作冲洗厕所，有些用来浇灌绿地，也有些通过渗水池渗入地下补充地下水。另外，村庄庭前门后都有一片由住户自己种植管理的绿地，种植各种花卉、草木等，生动且美丽15。德国各地生态村屋顶上如不安装太阳能装置，就进行绿化，大大小小屋面上长满茂盛的绿草，既可控制与利用屋面雨洪，又可成为生态村住宅的一个特殊景观16。德国生态村环境景观中给人印象最深的是长满野草的土水沟和开放着芦花的渗水池，这些水景呈现出的原始和自然的美，成了生态村里一种很有特色的风景17。国外不但重视工程措施，而且制定了相应的法律法规对雨洪控制与利用给予支持。美国制定了雨洪管理条例。条例规定了新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平，所有新开发区必须实行强制的“就地滞洪蓄水”，滞洪设施的最低容量要求控制5年一遇的暴雨径流18。除制定雨洪管理条例外，联邦和各州还采取了一系列政策，如利用税收政策，发行义务债券，联邦和州给予补贴、联邦贷款、投资扣分方式鼓励人们采用新的雨洪控制措施。德国也有严格的法律法规，要求新建和改建开发区，开发后的径流量不得高于开发前的径流量，迫使开发商必须采用雨洪控制措施。德国生态村根据自己的情况制定“生态评价一览表，如慕尼黑的“生态评价一览表”中要求购房者必须收集使用雨水。德国汉堡市的生态村，政府对生态型房屋给予了资金支持，房子建好三年经测试合格后可得到8000马克的补助，而用雨水冲厕所的房屋可得到减税的优惠19。东京墨田区为了进一步在民间普及雨水利用设施，1996年10月开始建立“墨田区促进雨水利用补助金制度”，从而有效地推动了全区雨水利用工作的发展。其中补助金种类和内容见表1.120：表1.1 补助金种类和内容补助金种类内容补助额度限额地下储雨装置有效容量5m3以上每1 m3补助4万日元储雨装置的有效储水量=补助金额100万日元中型储雨装置0.5m3以上的储雨槽玻璃钢、塑料和钢制品，每1 m3补助12万日元槽容量=补助金额；高密度聚乙烯制品，每1 m3补助4.5万日元槽容量=补助金额30万日元小型储雨装置小于0.5m3的储雨罐储雨罐的价格1/2（价格中不包括工程费和消费税）2.5万日元1.2.2 国内研究现状在雨水利用方面，我国在距今约4100年夏朝的后稷便开始推行区田法。战国末期有了高低畦种植法和塘坝，明代出现了水窖。2500多年前就能拦蓄雨水用于农田灌溉，但由于社会历史等原因，我国农业仍未能摆脱“靠天吃饭”的局面21，22。20世纪5060年代，创造出鱼鳞坑、隔坡梯田等就地拦蓄利用技术23。西北山区人民有打窖蓄水供家庭用水之需的传统，南方山区也有修建山塘解决缺水困难的实践。近几年各地纷纷实施雨水集流利用工程,如甘肃的“121”工程, 陕西的“甘露工程”,山西的“123”工程,宁夏的“窖窑工程”和内蒙即将启动的“11338”工程。这些工程有计划的设置集流面、对蓄水工程采取防渗措施等，使雨水利用效率大大提高，并形成了由集流工程、蓄水工程和供水工程三个部分组成的雨水集蓄利用系统3。雨水集蓄利用工程经历了试验研究、试点示范、推广应用和蓬勃发展四个阶段，其应用范围从单纯解决饮水问题扩大到了农业灌溉上，逐步从单一利用向综合利用的方向发展，在解决农村饮水困难、发展农业补充灌溉及生态用水等方面收到了明显的成效1。雨水集蓄利用工程形式灵活多样，可根据当地的自然条件、地形地貌、降雨分布等实际情况确定不同的工程形式和布局。如西南地区通过兴建水池、水柜等,采取旱地改水田、多季节种植、发展设施农业、发展养殖业、退耕还林还竹等多种农业综合技术措施；西北、华北地区通过小微型蓄水工程，采取点浇、管道输水灌溉、滴灌、渗灌、喷灌及精细灌溉等节水灌溉技术措施，发展经济作物、旱作农业和庭院经济等7。中西部地区农民通过兴建水窖、水池和小塘坝等小微型水利工程，有效地解决了生活用水，同时配合各种节水措施，积极用于粮食、蔬菜、瓜果和牧草的抗旱补充灌溉，发展农业生产，取得了良好的经济、社会和生态效益。在雨洪控制方面，很多农村地区已经从单纯的防治洪水危害转变为主动调控和利用雨洪资源，通过修建大量的雨洪调控工程，以及对雨洪资源的高效利用，解决水资源缺乏的突出矛盾2。防洪、抗旱、除涝、治污与拦蓄地表水、补充地下水、涵养生态水和改善生态环境统一调度，统筹安排，通过合理的蓄、泄、滞、引、补，尽量减少洪灾损失，实现雨洪资源化24。在非点源污染控制方面，我国农村地区多采用生态技术，如水塘、湿地等措施。南方农村地区存在的多水塘景观(在农村和农田中人工修建许多面积不大的水塘)在截留农田中氮磷及农药方面具有十分重要的作用。如巢湖小流域的人工水塘的面积仅占5，但可以截留该区径流中90的养分(氮、磷)47-48。我国先后在北京、天津和安徽等地建立了人工湿地系统，以去除农业废水中的营养物质49。对安徽巢湖的湿地研究表明，有90的NP在通过湿地过程被截留，大大减少了有机物对地表水的污染50。目前，我国的一些生态村也利用湿地来控制非点源污染。如浙江省安吉县高坞岭生态村，建立人工湿地系统来控制该地区的非点源径流污染，人工湿地建立后还可以成为农家乐生态休闲游的一个观光景点25。随着新农村建设的进行和雨洪控制研究的深入，在一些生态村的规划中一般将雨洪规划纳入了其总体规划。如，北京房山十渡镇八渡农业生态示范园规划设计中就包括：雨洪利用/雨水收集与净化；结合地形的雨水收集道，净化/过滤池，回用管道等。而中国建筑技术研究院居住建筑与设备研究所对横店小康生态村的规划中就包括屋顶花园、立体绿化，绿篱、花坛代替高墙大院的设计等，既美化环境又能利用雨水26。国内也逐渐开始制定一些政策法规鼓励利用雨洪资源。如北京市规划委员会、北京市水利局印发的关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定中就鼓励并规范开发利用雨水，建设单位在建设区域内开发利用的雨水，不计入本单位的用水指标，且可自由出售。在规划市区、城镇地区等修建专用的雨水利用储水设施的单位和个人，可以申请减免防洪费。在绿色建筑评价标准（GB50378-06）中规定住区非机动车道路、地面停车场和其他硬质铺地采用透水地面，合理规划地表与屋面雨水径流途径，降低地表径流，采用各种渗透措施增加雨水渗透量。我国在雨洪控制与利用方面所取得的成绩是有目共睹的，但同时也应该意识到其技术的单一性，缺乏系统性的研究及更广泛的应用。1.3 新农村雨洪控制与利用需要解决的问题 为了有效的控制与利用农村地区的雨洪资源，研究其雨洪控制与利用模式，首先应该明确农村地区雨洪控制与利用需要解决的问题是什么。根据农村地区的雨洪控制与利用现状，借鉴国外在相关方向的研究及应用现状，提出了以下几个问题。1.3.1 雨洪控制与利用体系与技术的选择 目前农村地区的雨洪控制与利用技术总体上相对还比较落后，功能单一，尚未形成一个科学、全面的技术体系。而现代意义上的雨洪控制与利用是多元化的、系统化的。雨洪问题涉及雨水利用、洪涝控制、生态环境、径流污染控制与水土保持等多个方面，而雨洪控制与利用又有多种途径，如收集、渗透或与水景相结合等，其形式也分集中式和分散式等，其技术有工程性及非工程性之分。因此，当构建了雨洪控制与利用技术体系后，面对具体村庄的建设，在雨洪控制与利用方面，如何把握和处理利用、洪涝控制、径流污染、生态建设等的关系，是以收集为主还是渗透为主，还是多种途径并存？是以分散为主还是集中为主？该如何选择适用的技术呢？这些都是需要解答的重大问题。1.3.2 典型雨洪控制与利用装置规模的确定 降雨的随机性以及不均匀性给雨洪控制与利用带来了极大的困难。雨洪控制与利用设施的规模越大，其控制与利用的效果就会更好，同时设施的造价也就会越高。因此，应该综合村庄的经济状况、自然条件、水资源状况等各方面的因素合理的确定设施的规模，尤其是对一些常用的设施，如何来确定其经济规模，对这些技术在村庄的具体实施及实现高的效益是十分重要的。1.3.3 农村径流污染控制 面源污染一直是农村地区存在的问题，而且也已经投入了很大的精力进行治理，并且取到了一定的成效。但是，一些技术的应用水平不高，且尚未开展这些先进技术的综合应用研究，因此制约了污染的控制水平27，农村径流污染仍然是一个很大的问题，尤其是村庄内部的径流污染关注的程度不够，最有效地实施控制还有很长的路要走。雨洪利用是汇集各汇水面的径流雨水，从雨水利用的安全性考虑，在利用之前需要通过一系列污染控制措施使其达到用水水质标准后方可利用。如何结合村庄的雨洪控制与利用，采取有效的措施来控制其径流污染，这也是新农村建设时需要考虑的重要问题。1.4 本课题的研究内容 本课题将综合考虑农村地区所面临的雨洪问题，从系统化、全面化的角度出发，因地制宜地研究其适用的雨洪控制与利用模式。本课题的研究内容主要包括：（1） 构建新农村雨洪控制与利用技术体系及其决策程序；（2） 以北京浅山区生态村为研究对象，基于其社会和自然条件，分析其降雨特点，计算可利用的雨洪资源量，推荐适合北京浅山区的洪峰流量计算方法；（3） 在对北京浅山区几个典型生态村调研分析的基础上，提出适用于北京浅山区生态村雨洪控制与利用模式；（4） 研究确定适合北京浅山区生态村的几种典型雨洪控制与利用设施的规模；（5） 分析北京浅山区生态村的径流污染状况，制定相应的径流污染控制措施。北京建筑工程学院硕士学位论文2 新农村雨洪控制与利用技术体系的构建2.1 农村地区雨洪控制与利用现状分析目前，我国农村地区雨洪控制与利用的主要措施为：充分利用田间工程和水利工程集蓄雨水；集雨节灌农业；完善分洪、滞洪工程28。但是，农村地区目前在雨洪控制与利用方面还存在以下问题：（1）农村地区相对比较贫困，往往存在资金不足、雨水利用系统与当地经济发展不相适应的问题。（2）在很多地区还是科技含量低的传统技术占主导地位，比如水窖工程、部分农艺技术等，这些技术虽简单易行，但科技含量不高，效率比较低。而先进技术的推广应用比较缓慢29。（3）现有的雨洪利用技术大多应用在干旱缺水的农村地区，所以往往仅考虑最大可能地用一些工程措施收集雨水，没有考虑采取措施让更多的雨水下渗补充地下水。（4）雨水利用没有很好地与生态景观及环境建设相结合。（5）大多数村庄在雨洪方面缺乏合理的规划和设计。（6）目前的雨水利用技术过于单一，缺乏技术集成和对流域雨水整体联合利用的方法和模式，多数农村地区的雨洪控制与利用技术还未形成一个科学的体系。 通过上面的分析可知，广大农村地区的雨洪控制与利用方面主要存在两个问题：一方面是缺乏合理的规划；另一方面是技术比较落后、单一，没有形成体系。2.2 新农村村庄规划时应注意的雨洪问题如果缺乏合理的规划与设计，后期实施一些雨洪控制与利用设施时可能会受到不同程度的限制。以深圳（浦东）（新兴城市）为例，由于缺乏合理的规划，出现了分流制雨、污水排水系统混接、乱接和雨水本身的污染严重的现象，使花费巨大投资的排水系统几乎成为两套污水系统，水污染依然十分严重，整个系统也没有考虑径流削减控制和雨水资源的合理利用，水涝和缺水问题并存，不得不投入巨大的人力物力重新规划和考虑对策，且难度非常大。还有不少的村镇在发展过程中，由于资金和规划的落后，在包括雨水的排放系统在内的基础设施也存在不健全或根本没有等巨大隐患。因此，应该以新农村建设为契机，吸取城市建设中的经验和教训，在村庄规划时就科学合理地考虑村庄的雨洪控制与利用问题，结合农村的特点，主要考虑以下几个方面：（1） 如果条件允许，村庄的交通组织及土地利用方式要有利于雨水的调蓄排放及净化。 （2）对于十分缺水的村庄，雨水的直接收集利用十分重要，因此，材料的使用上应该多考虑适合集雨的材料。（3）对于不是十分缺水的村庄，合理控制村庄的径流量和径流污染就十分重要，在村庄开发、规划过程中，可采取以下措施来减少雨洪径流量 30： 尽量模仿开发前的状况，使更多雨水渗入地下。地形的设计上有利于硬化区域的雨水直接排入植被区、浅洼地、渗水沟等，让雨水在这些地方下渗。 通过合理的规划尽量减少地表径流量。主要通过增加透水材料的使用、聚集住宅区以减少不透水地面、减小道路宽度等方法实现。 （4）尽量保留现有的池塘、沟渠，将生态技术纳入空间规划，将雨洪控制与景观建设、土地规划等紧密结合起来。只有做到事先合理的规划，才能防患未然。因此，合理的村庄规划对于村庄的雨洪控制与利用十分重要。 2.3 新农村雨洪控制与利用技术体系面对新农村的建设，除了在村庄规划时考虑雨洪问题外，更重要的是如何选择一些适用的技术来有效的控制和利用村庄的雨洪资源。首先需要借鉴现代城市暴雨管理科学体系31，构建新农村的雨洪控制与利用技术体系。然后结合新农村的发展和特点，提出雨洪控制与利用措施的选择程序。2.3.1 新农村雨洪控制与利用技术体系随着新农村建设的推进，农村的雨洪控制与利用也应该向多元化、系统化的方向发展。基于多年的城市洪涝控制与雨水利用经验4，并通过综合研究与分析，将雨水利用与村庄的洪涝控制、径流污染控制、水土保持紧密结合起来，充分考虑经济、资源、生态环境、景观建设及其他相关技术等各方面的因素，本课题提出图2.1所示简化的新农村雨洪控制综合性适用技术体系。 图2.1 雨洪控制与利用技术体系 图1给出的技术体系可分为几个子系统，这些子系统库由相互交叉或关联的特性，其中一些措施也具有扩展和交叉性，比如人工湿地和一些塘类措施，既有洪涝控制的作用又有径流污染控制的作用，经过合理的设计后还具有雨水利用的作用。根据具体条件的不同（村庄性质、地形地质条件、经济状况、环境水资源状况等），雨洪控制与利用措施的组合和实施重点会有所不同。因此，应该根据村庄的特点来选择不同的措施，具体见2.3.2。2.3.2 雨洪控制与利用系统及措施的选择程序 通过上面的分析可知，雨洪控制与利用是一个复杂而庞大的体系，包含很多功能不同的具体措施。但是，当面对一个具体的项目时，应该按照什么决策程序或步骤来选择适合的系统和具体措施呢？这就需要综合考虑村庄的条件以及这些措施的适用条件，科学地进行选择，具体程序见图2.2。图2.2 雨洪控制系统与措施选择程序（1） 基础资料分析1）首先对村庄的现状资料进行收集分析，具体包括村庄的地质与地形地貌条件、气候与水文条件、水资源与水利状况、农业状况、社会经济状况等。2）分析村庄的发展前景，是以农业为主、工业为主、种植业为主还是旅游业为主等。3）对村庄环境状况及径流状况进行分析、测定，具体可通过实验测定。4）对村庄的土地限制因素进行分析，主要包括汇流面积、土壤类型、坡度及其他因素。（2）具体措施的选择 1）根据上面基础资料的分析，确定村庄存在的主要雨洪问题，进而确定村庄优选的雨洪控制子系统。比如村庄如果十分缺水，就应该优先选择雨水利用子系统下的一些雨水直接利用措施。根据村庄的主要雨洪问题，优选该雨洪问题所对应的雨洪控制子系统下的措施，然后再选择其他子系统所对应的措施。 2）在1）的基础上，根据土地限制因素筛选掉一些措施。（见图2.3、2.4，表2.1）。 3）分析通过1）、2）后所选择的措施产生的一些效应，是否符合整个村庄的形象，是否为村民所接受（可调研）。然后，筛选掉一些不符合的措施。（见表2.2）。 4）分析通过1）、2）、3）后所选择的措施的成本是否与该村的经济状况相符，是否为村民所接受。然后筛选掉一些在成本上难以接受的措施。 5）分析通过1）、2）、3)、4）后所选择的措施是否需要特别的维护管理，如果需要，村里是否能安排专人负责，或者是否能保证给予充分的管理以保证良好的运行。如果可以保证，可以不考虑该条，如果不可以保证，则选择一些对维护管理要求较低的措施。 6）最终确定适合村庄的具体措施。说明： 土地限制 不同的村庄有不同的土地状况和地形地貌，不同的雨洪控制与利用措施在土地方面有不同的限制，主要限制因素包括：汇流面积、土壤类型、坡度以及其他的诸如地下水位等因素。 本课题列举几种比较常用的雨洪措施与一些土地限制因素之间的关系，具体见图2.3、2.4，表2.1 32 ，以供参考。图2.3 部分雨洪措施与汇流面积的关系图2.4 部分雨洪措施与土壤类型的关系表2.1 其他限制因素的影响措施陡坡高地下水位靠近基岩是否涉及边坡稳定问题最大深度限制占地空间大的限制热效应延时滞留干塘+湿塘/湿地+植被浅沟/过滤带/+渗透措施+生物过滤（洼地、过滤带、雨水花园）+ 一般无此限制 通过合理设计可以克服 受到限制 产生的效益表2.2 一些常用雨洪措施可产生的效益措施直接效益间接效益净化水质减少径流量降低洪峰流量补充地下水动植物生境的创造不增加温度美化环境娱乐效益公共安全公众接受延时滞留干塘+湿塘+人工湿地+渗透措施+绿地+砂滤池+生物过滤（洼地、过滤带、雨水花园）+雨水回用+ 一般可以提供 通过调整设计可以提供 很少能提供2.4 北京浅山区生态村雨洪控制模式研究技术路线 由于新农村的范围过于广大，因此，本课题选取其中的一种典型类型北京浅山区生态村作为研究对象，以上面的分析为基础，研究其雨洪控制与利用模式，其技术路线见图2.5。图2.5 北京浅山区生态村雨洪控制模式研究技术路线2.5 小结1 在对农村地区雨洪控制与利用现状分析的基础上，提出新农村雨洪控制与利用技术体系。2 当面对一个具体的项目时，分析了选择其合适的系统和具体措施的步骤及决策程序。3 以北京浅山区生态村为研究对象，提出其雨洪控制与利用模式研究的技术路线。北京建筑工程学院硕士学位论文3北京浅山区概况分析3.1 北京浅山区的分布及特点33，34北京市山区总面积10 417. 5 km2，占全市总土地面积的62%，见图3.1，3.2。它具有丰富的农林、矿产资源和独特人文、自然景观的旅游资源，且处于城区上风向和水源上游，是首都的重要生态屏障和水源涵养地。 图3.1北京地形分布比例示意图 图3.2北京山区分布比例示意图北京浅山生态景观建设区主要指昌平、平谷、房山、密云等7 个山区区县的前山、丘陵地带，面积约为8万hm2 ，人口97.9万。浅山区山场广阔，植被以灌丛、灌草丛为主，土层较薄，水分状况较差，水土流失严重。由于浅山区特殊的地理特点，与深山区相比距离市区较近，自然景观和人文景观较多，旅游资源丰富，主要为景观生态建设区。因此，很多浅山区村庄已开发了观光及农家乐等旅游项目，而浅山区生态村就是这种以民俗生态旅游业为主的村庄。3.2 北京山区的自然状况3.2.1地质与地形地貌3.2.1.1地质北京地质构造处于华北地台中部一燕山沉降带的西段，在漫长的地质历史发展中，经历多次构造运动的影响，形成复杂的构造格局，主要分为褶皱构造和断裂构造。北京浅山区（低山）主要是由沉积岩、变质岩和岩浆岩组成的。绝大部分岩体和构造体系裸露地表，可直接得到大气降水的补给。岩石的富水性和贮存条件受断裂、层理、裂隙、节理、溶隙、溶洞等控制，不同的岩性、裂隙、节理及岩溶的发育条件和发育程度不同，地下水的富集程度也不同。3.2.1.2 地形地貌北京山区西部属太行山山脉，北部属燕山山脉。总的地势为西北高，东南低。西山以线性摺皱为主，呈北东 南西走向，岭谷相间分布较明显。北山是一系列挤压褶皱和断块山地，褶皱不明显，但断裂清晰(见图3.3)。图3.3北京山区地形地貌北京低山区的地貌按海拔高程可大致分为以下类型：（1）低山带：海拔800 米以下，面积5704.14 平方公里。这里山场广阔，起伏较和缓，土层较薄，水分状况较差，植被以灌丛、灌草丛为主，其下为山地淋溶褐土或粗骨性褐土。人畜破坏较大，水土流失严重。（2）山地沟谷河道：面积1077.52 平方公里，山区中线状负地形，是居住、生产和交通的重要场所(指标以沟谷中含村或耕地为限)。（3）丘陵：相对高度小于200 米的低缓山丘，面积279.76 平方公里。植被稀疏低矮、土壤瘠薄干燥，土层小于30 厘米的薄土层占全部丘陵面积的1/2 以上，侵蚀强烈，水土流失严重。3.2.2 气候与水文3.2.2.1气候北京山区气候特征除具有北京地区气候四季分明、季风显著、降水集中、雨热同季等特征外，主要表现垂直变化显著。低山丘陵区（浅山区）夏季炎热多雨，时有旱情出现，但有暴雨、泥石流、冰雹等自然灾害的威胁。3.2.2.2 水文北京山区大小河流众多，它们分属海河流域的大清河、永定河、北运河、潮白河与蓟运河五个水系。全市山区多年平均径流量为16.1亿m3，人均水量为987m3，耕地公顷均水量12540m3，水资源年际变幅大，山区最大径流量47亿m3，最小6.0亿m3，相差8倍。3.2.3 土壤与植被在800 米以下的低山区，植被条件差，多为山地淋溶褐土分布。在碳酸盐母质上，为山地碳酸盐褐土。北京低山区土壤垂直地域分布见图3.4。图3.4 北京低山区土壤垂直地域分布山区碳酸盐褐土区的气候较干旱，植被稀疏，水土流失严重。自然植被多为耐旱喜钙的灌草丛，覆盖度低，多裸岩或裸地。广大低山地区占优势的群落是次生落叶灌丛或灌草丛。3.3 北京山区水资源面临的问题3.3.1 水资源短缺水资源紧缺状况加剧，20世纪90年代入库水量比70年代减少了70%以上33。随着北京经济的发展以及山区生态环境的改善对水的需求的不断增加，水资源严重紧缺的矛盾日益突出。据统计，建国以来曾先后有74 万人缺水吃。山区高寒地带，尤其是西部、北部边缘地区缺水极为严重。自1979 年秋后至80 年代中期，北京市连续干旱少雨。原来没有饮水困难的村庄也出现了困难，原来解决过的又重新出现困难。由于降雨的不均匀性，据统计，过去120 年间，北京山区发生春旱110 年，占92 %。80年代后出现连续干旱，造成大面积的减产，进入20 世纪90 年代，北京市水旱灾害频繁交替出现，严重影响了山区农民生产、生活，成为制约山区经济社会可持续发展的最主要因素35。3.3.2 山洪、泥石流由于山区地表径流大，不会出现内涝，但历时短、强度大的暴雨会引起山洪爆发，甚至出现泥石流。据统计，山区有40 %的面积处于暴雨活动频繁的山洪泥石流易发区,1990 年以来发生4 次较大的泥石流灾害。50 年代泥石流灾害主要集中在西山区的房山和门头沟境内,而60 年代到现在则主要集中在北部燕山地区的密云和怀柔境内36。3.3.3 生态、水土流失据1990 年调查，山区有森林面积16.33 万公顷，占山区面积的23.93，林木面积36.17 万公顷，覆盖率为35.9。由于森林覆盖率低，且多次生疏幼林，涵养水分和保持水土能力差。同时，山区暴雨日数多、强度大，坡度较陡，水蚀强烈，水土流失严重33。据建国初期统计,北京有水土流失面积6640.92 km2,2000年遥感调查,虽经50年的治理，北京市山区仍有水土流失面积4 088.91 km2 ，占山区总面积的39. 3% ，其中轻度侵蚀2974.7 km2，中度侵蚀面积为1114.2 km237。3.3.4 地下水位下降据统计，19802000年系列山区地下水资源量多年平均值为10.95亿m3，年均可开采量为1.45亿m3。随着经济的快速发展，人口的增加，长期超量开采地下水的结果致使地下水位严重下降，致使1999年2004年，地下水位持续下降，其中，地下水位由1950年的5m下降到2004年的20m，严重者达50m38。如昌平地区，地下水水位23年累计下降了10.35m，如图3.5所示。图3.5 昌平平原区19782000年地下水埋深变化曲线北京的地下水主要接受山区河谷潜流补给，同时还接受大气降水及河水入渗，而山区地下水主要靠降水入渗补给。丰水年地下水补给充足，水位上升，枯水年地下水补给少，用水量大，水位相应下降。3.4 北京浅山区的建设及经济发展伴随开发利用和建设，人为活动频繁，对环境、植被等破坏加大，影响了浅山区的自然和人文景观生态环境。因此，该区生态环境建设的重点是控制不合理的人为活动，避免旅游开发破坏生态环境和旅游产生的垃圾污染环境，营建风景林，建设名特优果品生产和林果良种繁育基地，保护水资源涵养区，建立水土保持示范教育基地，发展节水型高效农业，建设以生态旅游和观光农业为特色的景观生态环境，发展生态经济39。3.5 北京山区雨洪控制与利用现状3.5.1 现状分析1997 年10 月，北京市委、市政府针对山区抗灾能力差，生产力水平低，农民增收缓慢的突出矛盾，着手解决山区水资源与社会经济协调发展问题，开发山水资源，制定了北京市山区水利富民工程规划。水利富民工程包括8项子工程，其中与雨洪控制与利用相关的工程包括以下几方面40：（1）“五小”水利工程“五小”水利工程是指小水窖、小水池、小泵站、小塘坝、小水渠工程，是解决北京山区干旱缺水,保证山区春耕播种、果树灌溉、抗旱浇地的重要小型水利工程。至2003 年，水利富民五小水利工程共完成6.11万处，新增蓄水能力403 万m3，五小工程效益面积达到3. 35 万hm2 。（2）雨洪利用工程利用山区优越的地形地势，修建各种雨洪利用工程，收集雨水和融雪径流，是干旱、半干旱地区解决果粮需水问题、改善人畜饮水困难的重要举施。至2003 年，山区县共完成雨洪利用工程9 300 处。雨洪利用工程增加蓄水量203 万m3 ,实际蓄水量达到205 万m3 ，解决山区果粮抗旱灌溉面积1. 71 万hm2。（3）水土保持生态环境建设工程从1997 至2002 年间，全市七个山区县累计治理水土流失面积818 km2 ，山区水土流失面积从1996 年的4 332 km2减至2002 年的3 514 km2 。土壤侵蚀模数从1996 年1 296t/ (km2 a) 减至2002 年的1 199 t/ (km2 a) 。（4）网络化工程水利工作者与农户一起，结合具体实际，在山区推广实施了一系列水利设施网络化工程，这些工程有的以塘坝为主要水源，有的以中心调蓄池为主要水源,有的以机井泵站为主要水源，有的以山泉水为主要水源。还有，山区群众根据北京山区夏季雨量比较集中且不易拦蓄的特点，因地制宜，通过修建路边、地边、河边、院边小水窖、小水池、小水渠、小塘坝、小泵站等小型水利工程，拦蓄天上水，有效地解决了人畜饮水和农田灌溉的困难，为山区水资源利用、开发提供了重要的途径和可能。图3.6为北京山区的集雨利用系统示意41。图3.6 北京山区集雨利用系统3.5.2 存在的问题 通过上面的介绍可知，北京山区实行的水利富民工程取得了很好的成绩，增强了山区的抗旱能力，改善了山区的生态环境，富裕了山区农民。但是，还存在以下问题： (1) 在雨洪利用方面，还是仅注重了集雨技术，比如：水窖、塘坝等，技术相对比较落后，功能较单一；在雨洪控制方面，也多是采取一些传统的集中式水利措施，没有考虑一些经济、生态的分散式措施。 (2) 从总体上看，在村庄内部很少实施雨洪控制与利用措施，如果有也仅停留在传统的集雨措施，没有跟上新农村建设的步伐。 因此，本论文以浅山区生态村为研究对象，分析各种雨洪控制与利用技术措施在村庄的适用性，提出村庄的雨洪控制与利用模式。北京建筑工程学院硕士学位论文4 北京浅山区雨洪状况分析4.1 北京降雨分析4.1.1 降水的地理分布北京市降水量的大小主要取决于地形（见图4.1）42在西南、西北山前地区，年降水量可达700mm左右，为一多雨区；平原地区年降水量为600650mm；在背山区降水量较少，只有400600mm。降水的年际、年内变化十分悬殊。（见图4.2，4.3）图4.1 北京市降雨地形图4.1.2 降雨的时间分布北京降水量集中在49 月，占年雨量的90以上， 103 月雨量不足10。从图4.2可看出，降水量更集中在夏季69 月，占年雨量的79.6%，其中78 两月降水量占夏季降水量的62.9，所以 7 月下旬到 8 月上旬为降雨高峰，这期间降水不仅集中，而且常常以暴雨形式出现。由于降水季节分配不均，不仅给北京农业生产带来不利影响33，也增加了雨洪控制与利用的难度。图4.2 19802005年月均降雨量4.1.3 降水的变率北京降雨不仅季节变化大，而且年际变化也大。根据北京实测降水量记录以来的资料统计，最多年降水量为1406 毫米（1959 年），最少年降水量为242 毫米（1869 年），建国后最少年为261.8 毫米（1965 年），前者为后者的5.8 倍，最少年降水量不足常年降水量的一半。 图4.3为北京19802005年的降雨折线图，由图可见北京市年降水量总体呈现减少的态势。尤其是近几年，年降水量减少的趋势更是明显，已经连续8年（19992006）降雨量均小于多年平均值，这是新中国成立以来首次出现的情况。趋势线图4.3 19802006降雨折线图为了表明降水量年际间的变化特征，常用年降水变率作为衡量某一地区降水变化的一个指标，用绝对变率和相对变率来表示。变率大反映逐年降水量变差大不稳定，反之则差异小稳定。表4.1 北京降水变率年份年均降水量（mm）绝对变率（mm）相对变率（%）最多降水量（mm）年代最少降水量（mm）年代1950-1980644.2182.12814061959261.819651981-2006527.9131.325812.81994266.919991950-20065983.7158.92714061959261.81965注：绝对变率计算公式：。式中：D 为绝对变率，Xi为逐年降水量；为平均降水量；为统计年数；相对变率计算公式：V=D/。从气候角度看，年降水相对变率25，则该地区旱涝频繁。从表4.1可见，北京的旱涝灾害是较为频繁的。通过以上分析可知，由于北京年际降水量及年内降水量的不均匀分布，就造成了北京出现旱涝交替的气候现象。4.1.4 降水保证率降水量、降水变率分别表示平均概念和极值偏离程度，但这些都不能阐明各种不同降水量出现的机率。在建设一些水利设施时往往需要知道某种降水量出现的机率。这就需要计算当地降水的保证率。保证率是指某一数值以上（或以下）降雨所出现的机率的总和，以百分数表示。 表4.2是北京近26年及55年降水资料统计：年降水量500 毫米，保证率均在50以上，600 毫米降水量的保证率均在35以上，而500 毫米降水量的保证率虽大，但属偏旱年份。所以，从保证率也可看出北京水资源的不足，而且从近26年及55年保证率的比较来看，近几年的降雨量明显下降。表4.2 北京各时间段年降水量的保证率 年降水量（mm）项目200300400500600700800900100027年出现次数，198020062726201395100保证率（）1009677503519456年出现次数，19512006565445352414862保证率（）1009682644425151144.2 北京山区雨洪资源量分析4.2.1北京山区降雨资源总量的计算由于大气降水是陆地上各种形态水资源的来源，因此，降雨资源总量便是一个小流域的水资源量的最大值。（不计入境径流量）计算方法为： （4.1）其中年降雨资源总量(m3)F汇水面积(m2)H年降雨量(mm) 已知北京山区的面积为10417.5 km2，统计19561979年24年的降雨资料，得不同保证率下的雨洪资源量34见表4.3，山区年均雨洪资源量为65.0亿立方米， 统计19802006年27年的降雨资料，得北京山区的年均雨洪资源总量为55.0亿立方米，可见近几年雨洪资源量明显下降。表4.3 不同保证率下的雨洪资源量降雨量雨洪资源量全市山区平原降雨量雨洪量降雨量雨洪量降雨量雨洪量626（mm）105.1(亿m3)622.5（mm）65.0(亿m3)631.7（mm）40.1(亿m3)各种保证率下的降雨量及雨洪资源量P=25%730.0123716.075750.048P=50%607.2102598.062600.038（40）P=75%500.884486.050474.030（34）P=95%388.165361.038335.021（27）P=99%319.354293.030259.017（24）4.2.2 北京山区径流量的计算4.2.1.1径流系数法计算方法为： （4.2）式中年径流量(m3)径流系数，北京山区的径流系数=0.28134F:汇水面积(m2)H年降雨量(mm)其中，径流系数综合反映了各种径流损失，其大小取决于流域面积内的植被覆盖情况、地面铺装、地面坡度、降雨持续时间、降雨强度等因素。下垫面不同，其径流系数也不同，可查表4.4。表4.4 径流系数43下垫面种类径流系数硬屋面、没铺石子的平屋面、沥青屋面0.80.9铺石子的平屋面0.60.7绿化屋面（精细型）0.4绿化屋面（粗放型）0.6混凝土和沥青路面0.80.9块石等铺砌路面0.50.6干砌砖、石及碎石路面0.4非铺砌的土路面0.3草地0.35水面1耕地0.30树林0.18 由文献34可得北京山区的径流系数为0.281。但是，由于资料系列较短，后来人为活动的影响可能导致年径流系数有所减小。当然，此值可用于对整个山区的径流量的估算。经计算得，北京山区的年均径流量（19802005）为15.7亿立方米。各年径流量见图4.4，可见近几年（19802006年）的年均径流量相比前几年（19561979年）明显减小。19561979年均径流量19802006年均径流量图4.4 北京山区的年降雨径流量由4.1的降雨分析可知