黄土高原雨水资源化与水土保持研究——以董志塬为例

黄土高原雨水资源化与水土保持研究——以董志塬为例
苏星;王博;晏敬
【摘要】水是宝贵的自然资源和战略性的经济资源,是经济和社会可持续发展的基础.通过对国内外雨水资源化利用现状的分析及对雨水利用前景的展望,结合董志塬实际,构建了城市和农村雨水收集、处理和利用系统,分析了董志塬地区雨水资源化利用的生态环境效应、经济效应和社会效应,并针对目前雨水资源化利用面临的实际问题,从管理、宣传、政策法规等角度提出对策,对黄土高原地区实现雨水资源化和水土保持具有重要的现实意义.
【期刊名称】《陇东学院学报》
【年(卷),期】2018(029)005
【总页数】5页(P63-67)
【关键词】黄土高原;雨水资源化;水土保持
【作者】苏星;王博;晏敬
【作者单位】陇东学院土木工程学院,甘肃庆阳745000;黄土的工程性质与工程应用省级重点实验室,甘肃庆阳745000;陇东学院土木工程学院,甘肃庆阳745000;黄土的工程性质与工程应用省级重点实验室,甘肃庆阳745000;陇东学院土木工程学院,甘肃庆阳745000
【正文语种】中文
【中图分类】TV213.9
雨水是一种宝贵的资源，而这种资源只有实现了它的价值以后，才能够称之为资源化[1]。

在黄土高原地区(董志塬)进行雨水资源化，就是要借助于现代先进的科学技术，将天然雨水进行收集、开发、利用，转化为有效资源并使其最大限度地发挥作用，在此过程中逐步提高雨水资源的利用率和利用效率，调节地区水循环，补充水资源存储量，从而达到水土保持，改善生态环境，最终实现人与自然和谐发展的目的[2]。

1 国内外雨水资源化利用发展现状
现代化的雨水资源化理念与技术，发达国家起步早于我国，经过长期的发展，相关的理念和技术已日益成熟。

在欧洲，雨水资源化起步较早利用较好是德国，它将收集的雨水资源用于植被的浇灌和厕所的冲洗，少数地区将雨水资源有效利用以后，可节约用水高达50%左右[3]。

到目前为止，德国的雨水回收利用技术已步入了标准化产业化阶段[3]。

在亚洲，处于雨水资源丰富地区的日本，也较早地走上了雨
水资源化的道路，日本人在城市房屋建筑的顶部修建了“空中花园”，设置了雨水收集利用系统，将收集的雨水资源用于植物的浇洒，而且还将雨水系统与中水道工程结合起来共同发挥更大的作用；日本的东京、大阪等地修建的大型棒球场等大型建筑物中都设有雨水收集利用系统，年集水量可达1.6-3.5万平方米,经过过滤消
毒后的雨水不仅可以用于生活除污和植物灌溉[4]，还可以解决淡水资源匮乏问题，每个雨水收集利用系统每年收集利用总雨水量在3万立方米以上，相当于一个人
近50年的用水量。

在我国，雨水资源的回收利用历史悠久，比如古代的雨水回收利用和城市暴雨防洪的经典范例：宋代江西赣州的雨水系统，曲阜的雨水渗井，新疆的“坎儿井”、北京的“倒梯形方砖、集水涵洞”雨水利用工程等。

到了
1950-1960年之间，我国还突破性地发明了隔坡梯田、鱼鳞坑等一些就地拦蓄利
用技术。

近几年来，全国各地又陆续开展了一系列雨水集流利用工程项目，如山西
的“123”工程，宁夏的“窖窑工程”，陕西的“甘露工程”，甘肃的“121”工
程及内蒙古的“11338”工程等[5]。

在现代化的城市建设中也相继增添了有关雨
水资源化的回收利用系统，如2003年天津建成的节水型水利科技大厦；2008年
国家体育馆(鸟巢)和国家游泳中心(水立方)的雨水回收利用系统等。

综上所述，尽
管我国雨水资源化利用技术在某些领域已达到了国际先进水平，但雨水资源化的整体技术水平还比较低，与一些发达国家相比还有一定的差距，集中体现在：整体技术开发水平低、标准化规范化不够、产业化水平不高、相关的法律法规制度建设不健全等。

2 雨水利用前景展望
雨水是大自然水循环的产物，大自然水源变为水蒸气上升，在空中遇冷凝结下降，在下降过程中雨水会结合空气中的矿物质固体颗粒下降到地面，这种矿物质雨水是否可以直接饮用，还有待进一步研究，但是雨水降落到地面，通过渗入地面可以过滤掉雨水中含有的矿物质，不会使地下水遭到污染。

未过滤的雨水可以用来灌溉以及生活除污，经过过滤净化的雨水可以被饮用，也可以喂养家畜，而且含矿物质的雨水甚至可以通过科学合理的过滤、净化等严格处理之后，使之成为含矿物质的饮用水，继而成为商品，以达到赢利的目的。

雨水是一种潜在的优质的再生资源，它在全球范围内分布广泛、数量庞大、易于采集，而且处理也较为方便。

但是由于受季风的影响，在不同的季节、不同的地点降雨量也大不相同。

就甘肃省内而言降雨时间相对集中，降雨量也相对集中，同时还受地理位置(经纬位置)的影响，多雨季节和农作物生长的需水时节也不在同一时节，从而导致天然降雨不能被有效利用，利用率极低，更无从谈及对雨水资源化的开发与利用。

因此，要使这种有效优质的潜在资源被充分利用，必须进行雨水的收集与储存，在水资源极度匮乏的山区更是如此。

虽然山区中采集和利用雨水资源具有悠久的历史，但是数百年以来，民众对于雨水的采集和运用也始终处于较低的水平，
雨水资源并没有实现标准化的开发，没有形成规模化的应用，也没有产生大规模的经济、民生及社会效益。

而近年来，随着世界范围内自然淡水资源的日益减少和生物用水矛盾的持续加剧，雨水这一再生水资源引起了越来越多科研学者们的广泛关注，重视程度越来越高，其开发和利用的价值和范围也越来越广。

因此，在不久的将来，大范围规模化地进行雨水资源化将会得以全面实现。

3 董志塬水资源现状及影响因素
董志塬位于甘肃省庆阳市，是黄土高原最大的一块原面，有“天下黄土第一原”之称，其总面积达到27119平方千米。

董志塬上分布着7县1市的146个乡镇，总人口约为255万人(2004年统计)。

由于董志塬受土质组成单一，地下水位较低的影响，在降雨初期雨量下渗损失严重，降雨中后期又易出现超渗产流现象。

降雨在形成径流流失的同时对土壤表面造成冲刷侵蚀，带走大量表层土壤和养料。

雨后的无效蒸腾也很剧烈，造成该地区有限的雨水资源难以得到适时有效的利用[6]。

所以，董志塬地区水土流失非常严重。

据相关调查资料显示，整个董志塬地区水土流失面积高达3750万亩，大约为庆阳市总面积的91.8%，而且每年流入黄河的泥沙总量约占全省的1/3，是黄河上游水土流失最为严重的地区之一[7]。

近年来董志
塬的东西向宽度已由原来的32公里骤减为18公里，而且最窄处只有50米左右。

因此，治理水土流失迫在眉睫。

董志塬地表水、地下水资源严重匮乏，地表水仅为全省平均水平的28.1%、全国
水平的16.9%；地下水其人均占有量远远低于同类地区的水平,属于全国、全省水
资源最贫乏的地区。

但是,由于受季风、纬度、地形地貌、植被等自然条件的影响,
董志塬历年平均降水量在480～660mm,多年平均降水量为505mm,降水量年内
分布不均衡、变化大,其中7、8、9三个月天然降水资源较充沛,约占全年的60%,
高于省内中、西部地区，且以暴雨出现,降水强度大,洪暴灾害频繁发生[8]。

所以，如何开发利用有限的雨水资源,拦蓄天然降水,提高水资源的可利用率尤为重要。

同时，随着现代化城市建设的飞速发展，董志塬上，越来越多的现代化建筑物如雨后春笋般拔地而起，由此引发了一系列问题如水资源利用的增加，开采与利用地下能源导致地下水污染，过度开采地下水使人们饮水问题加剧，城市开发用水、农业用水及工业用水之间的矛盾日益突出等。

更为严重的是，地面由于地下水得不到补充而开始出现不同程度的下陷，地下水流失问题与水土流失问题之间形成了恶性循环。

虽然国家建设有引水工程，在一定程度上解决了董志塬上的用水困难问题，但是要从根本上解决饮水用水困难问题，仅靠这一种方法还是远远不够的。

所以，为了董志塬的生态平衡与长期发展，只有从董志塬当地具体的自然环境入手，运用科学合理的方法实现雨水资源化，从根本上解决问题，才能够长治久安，才能使董志塬的经济发展与生态环境和谐并进。

4 雨水资源化
4.1 庆阳市西峰区城区雨水资源化可行性分析
4.1.1 庆阳市西峰区城区降雨特点及城市化的必要性
现代城市化进程中，绝大部分工程建设主要以石块，砂石和大体积混凝土作为主体材料，地基的处理也都比较夯实，材料硬化程度极高，几乎没有透水性，整个城区就如同是在一大块坚硬的混凝土基础上。

据庆阳市有关部门的考察结果显示，董志塬多年的平均径流系数约为0.068，而城区综合径流系数却要高达0.68，城区与农村相比，平均径流量高出10倍。

可见城市中由于路面硬化可收集的雨水资源比较多，为农村可收集雨水资源的10倍，随着城区化步伐的加快，城区面积的逐步扩大，硬化道路面积也在日益增多，城区暴雨洪峰流量也在进一步增大，则城区可以供收集和利用的雨水资源也在进一步增多。

以庆阳市西峰区城区为模板，按照新城区全年的河流、水流交汇特性，选择适用的推理计算公式，得出该区域城市化前后不同重现期出现的洪峰流量以及洪水总流量，结果见表1。

表1 庆阳市西峰区城区洪峰流量及洪水总流量在城市化前后的对比情况统计表项
目名称城市化状况重现期T(年)151****0100洪峰流量(m3/s)城市化前
2.219.1811.1316.932
3.7330.49城市化后23.0335.5941.9846.4153.5758.97洪水总量(104m3)城市化前7.9633.0847.8265.7382.88———城市化后
21.7347.0559.3672.4183.27———
通过对表1进行对比分析发现，该城区不同重现期出现的洪峰流量城市化以后比
城市化以前均显著增加。

洪峰流量增加量最为明显的是重现期1年时，其增加量
高达原来的10.5倍。

与此同时，洪水总量城市化以后比城市化以前也相应地比原
来增加了3倍。

由此可见，城市化之后，由于路面硬化导致雨水下渗困难，洪峰
流量增加，城市下垫面变薄变弱，造成城市内涝，导致水土流失，但是由于雨水资源的增多，可供收集利用的雨水也增多，所以在该城区实现雨水资源化是可行且有丰厚的先天条件，而且在城区中进行雨水资源化一方面可以增加城市水资源储备，用雨水资源代替生活用水；另一方面可以降低雨水对于城市下垫面的冲蚀影响，降低洪峰流量，防止洪灾发生。

4.1.2 城市雨水资源化理念：低影响开发理念(LID)
对于庆阳市城区而言，可以用低影响开发理念和技术(LID)来实现雨水资源化。

LID 是Low Impact Development的英文缩写，该项技术出现于20世纪90年代末，主要是用于治理城市暴雨和处理面源污染的，它的核心是从分散的，小规模的源头上对暴雨所产生的径流和污染进行控制，使其影响程度最大限度地降到最低，从而尽可能地接近于自然环境的水循环[9]。

对于实现庆阳市城区雨水资源收集和利用，LID是一种简单易行且行之有效的生态技术体系，其关键之处就在于雨水的原位收集、自然净化(过滤净化)、就近利用或回补地下水[10]。

通过这种技术可以有效防
止庆阳市城区不透水地面面积增加而导致的洪峰流量的增加、面源污染负荷的加重及径流系数的增大等一系列连锁问题[11]。

同时，这种技术还可以采用植被浅沟法、生物滞留设施及建筑屋顶绿化方法等多项措施来维持和开发先前原有的水文条件
[10]，管控庆阳市城区的径流污染，减少污染物的排放，实现董志塬地区的区域水循环可持续发展。

4.1.3 城市雨水资源化模式：城市雨水回收系统
城市雨水回收系统可大致分为四个环节，即首先将来自于屋面、路面、地面的雨水通过管道进行收集；然后进行弃流截污；其次对收集到的雨水进行科学合理地过滤、净化、消毒等处理并储存于雨水收集池中；最后，将处理后的雨水用于灌溉农作物、补充地下水、还可用于绿化、洗车场用水、道路冲洗、冲厕等生活用水和非生活用水。

城市雨水回收系统示意图如图1所示。

图1 城市雨水回收系统
4.2 农业(农村)雨水资源化
4.2.1 董志塬地区农村雨水资源化的影响
在传统农业和现代农业的共同发展中，梯田作为一种优良的农业工程，在水土保持和水资源利用方面给了我们启迪，梯田是既可以蓄水保湿又能固土减洪的农业工程，是干旱山区发展农业生产，提高粮食产量的有效途径。

据统计，在甘肃省中东部的20个干旱县已经建成了高标准水平梯田1820万余亩，梯田每年可以蓄集雨水量59亿立方米，减少水土流失约为6000万立方米。

并且在梯田建设中配套完成的
小流域治理共为615万亩，年拦蓄洪量达到了1.65亿立方米，极大地缓解了干旱地区的洪灾威胁，这些地区的水土流失总面积已经由原来的9821万亩变为如今的6875万亩，而且每年可增加粮食产量高达13亿千克，获取近20亿元的经济收入。

所以，在黄土高原农村地区实施梯田工程是一项重要的、具有划时代意义的、可以改善民生、带来经济效益的利国利民的优质农业工程。

同时，在黄土高原农村地区，将LID低影响开发技术与梯田的建设理念相结合，
利用雨水收集、净化、利用系统，解决干旱地区(山区)人畜饮水困难问题，在乡村应用庭院雨水收集、净化、利用系统是行之有效的。

据有关权威部门调查数据显示，
经过广泛的宣传推广，截至1995年底，甘肃省中东部已累计完成混凝土雨水收集系统1450万平方米，解决了甘肃省内27个干旱县，75万人和44万头大型牲畜的饮水困难问题，利用雨水收集、净化、利用系统收集的雨水资源灌溉了15万亩山田，取得了良好的效果。

要解决上述这些问题，假设通过常规的水利规划建设来解决，则最少需要近三年的时间来投资建设，耗资将达到1.6亿元人民币，人力、物力、财力的耗费将是“121”雨水集流工程的2倍。

据相关的数据统计结果显示，在缺水地区(特别是山区)，一个带有过滤、净化设备的60立方米左右大小的水窖，仅需要投入资金大概3500元人民币，却可以基本解决一个农户五口之家一年当中最干旱季节(1～3月)时的饮水问题。

在全年降水量不足为400mm的状况下，每
户一口水窖，经过过滤之后的雨水资源便可以满足跨年度大旱时期的人畜生活饮水需求。

综上所述，雨水收集和利用(雨水资源化)工程不仅能够处理黄土高原地区(尤其是山区)的人畜饮水问题，而且还能发展庭院农作物经济，使其产生更高的经济效益，从而改善山区人民的生活居住条件。

与此同时，通过收集雨水，拦蓄洪流，还可以减缓黄土高原水土流失的现状，保护生态环境。

由此可见，在董志塬地区全面实施雨水资源的开发和利用以后，其经济、社会和生态效益都是尤为可观的。

4.2.2 农村雨水回收系统示意图
农村雨水回收系统，首先是通过径流收集表面将雨水引入有滤网的排水沟，然后经过初步的过滤沉淀处理后将沉淀物拦截，接着再将过滤后的雨水储存于蓄水池中，最后，一部分雨水通过蓄水池与农业灌溉系统和渗水沟相接，用于农作物灌溉和补充地下水；另外一部分雨水经过再次过滤净化处理后，可作为农村人畜饮用水和生活用水。

农村雨水回收系统示意图如图2所示。

4.3 雨水资源化开发利用过程中需注意的问题
4.3.1 在雨水资源化的同时保护水循环不被破坏
在雨水资源化的同时，应当注意对大自然水环境的保护，防止造成大自然水循环的
二次破坏，其重点在于雨水的采集需适量，因为雨水是大自然水循环的产物，地面水经过蒸发升空，再遇冷凝结降落，一部分雨水用于保持地面土壤湿度，一部分雨水下渗成为地下水，剩余的雨水则汇入江河湖泊经过再次蒸发升空，进入到下一次的水循环之中。

所以在雨水资源化的同时，注意保护大自然水循环，要用一部分收集来的雨水反哺地下水和水循环的水流量。

图2 农村雨水回收系统
4.3.2 加强对雨水资源化的布局和管理
雨水资源化的运用是一个繁杂的系统工程，但是如果在城市建设布局初期，就能合理地对雨水资源收集、净化、利用系统加以应用或推广，再结合当地的土地利用计划、水利规划建设等系统，那么，城市雨水收集利用系统的开发与利用会给城市总体水资源储备等方面带来良好的影响。

4.3.3 加强对雨水资源化的宣传和应用
政府和管理层应该通过使用各种媒体渠道，对普通民众进行广泛宣传、全面科学普及雨水资源化知识，让他们深刻意识到雨水资源是一种便利的、尤为重要的、珍贵的、不可肆意浪费的水资源，让他们充分了解到进行科学合理的收集和利用雨水资源是解决目前黄土高原地区水资源匮乏问题的主要途径之一，让他们全面认识到雨水经过过滤、净化等科学合理的方法处理之后是可以替代日常生活用水的。

在一些公益性的公共设施或者民用设施中加入雨水收集、净化、利用系统，让雨水资源化成为普遍现象。

只要普通民众认识到雨水资源化的重要性和必要性，认同雨水资源化开发利用的方式方法，对水资源保护持有高度的参与意识，那么，雨水资源的开发和利用才能取得显著成效[12]。

4.3.4 创建雨水资源化综合管理平台、建立健全法律法规制度
首先，想要实现雨水资源化综合管理体系就要借助现代的网络化管理。

在网络平台进行管理也是一项庞大而且繁杂的工程，其中包括网络数据采集、数据的筛选、定
义标准、分析研究，应对策略、具体措施等一系列需求，需要经过设计、评审、测试、改正、应用等步骤进行数据的采集、分析和汇总，最终形成有综合管理能力，可以垂直检查的水资源网络管理平台，而且该平台必须接受政府直接管理和监督。

其次，国家必须要建立健全相应的法律法规制度。

立法是国家的根本，建立与水资源保护相关的法律是地区实现水资源持续发展利用的根本保障，要设立专门的水资源和水环境综合管理的政府职能机构，将法制观念深入人心[12]。

5 结束语
董志塬地区的经济发展是甘肃省西部大开发战略重要的一环，而严重制约董志塬地区经济发展的主要因素之一就是水资源匮乏。

所以，雨水资源化不仅能从根本上改善董志塬地区的用水问题，而且也能节省更多的资金，改善人们的生活质量。

与此同时，雨水资源化也间接地保护了地下水不会被过度开采，保护了地下水循环，从而达到水土保持的目的，使董志塬地区的经济与环境和谐发展。

雨水资源化的开发应用，就是让水资源得到充分利用的同时，既保护了大自然的水循环不被破坏，又解决了黄土高原地区(特别是农村地区)的人畜饮水困难问题，而且在发展农作物灌溉方面也取得了巨大的成效。

因此，在董志塬地区实行雨水资源化是非行不可且行之有效的方法，更是董志塬地区实现水土保持的关键与核心。

参考文献：
【相关文献】
[1]吴普特,高建恩.黄土高原水土保持与雨水资源化[J].中国水土保持科学2008(01):107-111.
[2]吴普特.雨水资源化与现代节水农业[J].中国农业科技导报,2007(01):15-20.
[3]严国敏.科技之窗项目雨水收集利用的效益分析[D].苏州:苏州科技学院,2017:4-5.
[4]孙楠,长纤维高速过滤器在雨水资源化中的应用[D].南京:东南大学,2007:3-4.
[5]秦灏,江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究[D].扬州:扬州大学,2007:1-2.
[6]黄乾,赵蛟,谭媛媛,张立国.北方农业雨水利用实践与发展前景展望[J].节水灌溉,2006(4):22-25.
[7]张正秀,张洞若,杨恒.危机西部荒漠化全景全录[M].甘肃人民出版社,2006.
[8]翟有吉.雨水利用对干旱地区的作用与发展前景——庆阳地区集雨节灌工作回顾与展望[J].甘肃农业,2001(7):35-36.
[9]周飞祥.城市降雨径流污染及其控制的研究进展[J].建设科技,2014(12):68-71.
[10]伍升高.LID理念在工程实践中的应用[J].建筑工程技术与设计,2017(16):505-506.
[11]罗贤达.城市下垫面地表径流过程模拟研究与分析[D].苏州:苏州科技学院,2014:50-53.
[12]沈瑞.城市雨水资源化利用研究[D].合肥:合肥工业大学,2010:38-39.。