濟南市南部山區雨水資源化分析＊

李 梅 王洪波 陳淑芬 張克峰

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

濟南市南部山區雨水資源化分析＊

李 梅 王洪波 陳淑芬 張克峰

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

我國許多城市,特別是北方城市面臨水資源嚴重短缺的問題。而雨水利用是實現可持續水資源的有效手段。濟南市南部山區地域廣闊,是濟南市泉域地下水的補給區,該區域雨水的利用對修復生態環境、提高市區地下水水位有重要的意義。基于南部山區特有的地形地貌和生態環境,本文分析了該地區年降雨、月降雨和降雨分布頻率的特點,并進一步對南部山區雨水利用方式進行了探討,提出可采用增加入滲集水,植樹造林、增加草地覆蓋率等生物蓄水方法和坡面集水、溝道工程、河道攔蓄、水庫調蓄等工程措施實現南部山區的雨水資源化。

南部山區;降雨特性;雨水利用;資源化

隨著水資源緊缺以及暴雨洪水災害的頻繁發生,雨洪資源的利用越來越受到世界各國的重視。雨水資源化是解決水資源短缺的一條有效途徑,遵循了水資源可持續利用的原則。濟南市南部山區面積廣闊,具有獨特的地理環境,多年平均降雨量為648mm,全年降水的65%集中在夏季,有較豐富的雨水資源[1]。南部山區是濟南市泉域地下水的補給區,充分利用南部山區雨水資源對恢復南部山區的生態環境、保持濟南市地下水水位和保證泉群常年正常噴涌具有重要意義。

1 濟南市南部山區概述

1.1 南部山區地形地貌

濟南市南部山區為泰山余脈,地處魯中山地北緣單斜山地丘陵區,地勢南高北低,海拔高度在30-990m之間,自南往北為山谷丘陵和沖積平原,高差達900m。以斷層劃分的濟南市南部山區,西起馬山斷裂,東至東塢斷裂,南部以長城嶺地表分水嶺為界,北至南外環,總面積1 500km2[2]。在南部山區灰巖和裂隙巖溶發育的地方,易于大氣降水的滲入和地下水的積蓄,大量大氣降水和地表徑流,滲入地下形成豐富的裂隙巖溶水,地下水水質較好,是濟南泉群直接或間接補給區,多年平均地下水天然資源補給量為5.795×108m3/a。南部山區內大型水庫有臥虎山水庫和錦繡川水庫,主要河流有玉符河和北大沙河。

1.2 南部山區生態環境

南部山區植被綠化覆蓋率約在40%左右,且多屬純林,水土保持和涵養水源的能力較差,造成嚴重的水土流失,暴雨時易造成山洪暴發,水泥沙石順坡而下,沖毀村莊農田,破壞淤積庫塘河道等排灌設施,使庫塘容積變小,效益降低[3]。南部山區內的臥虎山水庫和錦繡川水庫是濟南市南部地區生活飲用水重要的水源基地。可滿足濟南市南部區域30萬人的生活用水。但現在兩水庫水質均受到不同程度的污染,共檢出76種有機污染物,已經影響到居民的用水水質。南部灰巖地區溝谷是地下水重要補給源區,但目前溝谷內生態環境惡化,植被稀少,垃圾、渣土堆積,耕種農田,修建道路、住房,使許多原本滲漏的河道、溝谷嚴重淤積,入滲能力降低,水源涵養條件差。

2 南部山區降雨特性分析

2.1 降雨的多年分布特性

南部山區歷年降雨情況見圖1。年降雨量主要集中在500-800mm之間,南部山區多年平均降水量為648mm。1964年降雨量最大,為1 075mm;1968年降雨量最小,為355mm;年際變化較大,降雨量最大年份幾乎是最小年份的三倍。通過對1956-2005年這50年降雨資料的頻率統計,降雨量集中在450-850mm之間的累計頻率為72%,年降雨量低于450mm的累計頻率為14%,年降雨量高于850mm的累計頻率為14%。

圖1 年降雨量統計

2.2 降雨的月分布特性

南部山區多年月平均降雨量見圖2。圖中可看出,南部山區的降雨存在明顯的季節性,夏季由于暖濕氣團的影響,雨量充沛,降雨主要集中在6-8月份,這三個月的降雨量超過了420mm。12-3月的降雨量較少,這四個月的降雨量不超過40 mm,不超過全年降雨量的6%,說明濟南市南部山區月降雨情況分配嚴重不均衡。降雨特性使南部山區在夏季極易產生洪澇災害,大量的雨水集中形成徑流沖刷區內河道,造成河道下游及水庫淤積嚴重,對濟南市區的排洪管網也產生極大的壓力,不利于直接對雨水進行蓄存利用,需要采取一定的措施進行雨水的收集、蓄存和利用。

圖2 月平均降雨量圖

2.3 降雨頻率分析

2.3.1 降雨頻率模型

皮爾遜Ⅲ型曲線是當前水文計算中常用的頻率曲線,該曲線對降雨頻率分析具有一定的優勢。皮爾遜Ⅲ型曲線是一條一端有限一端無限的不對稱單峰曲線,工程水文計算中,指定頻率P所相應的隨機變量為xp,指定頻率P為:

式中,Γ(α)為Γ函數;α0為皮爾遜Ⅲ型曲線零點與系列零點的距離。α0、α、β可通過1956-2004年降雨數據的離差系數、偏差系數計算得到。

便于制表,水文中通常稱為離均系數,指定頻率P可表達為為:

已知數據帶入公式,計算得出,α=162.3 β=0.07 a0=-1580.72

則指定頻率P所相應的隨機變量xp滿足:

2.3.2 模擬結果分析

把南部山區1956-2004年降雨數據計算得到的實際頻率曲線和根據式(4)計算得到的理論頻率曲線在海森機率紙上采用描點法繪制出來,比較實際頻率曲線和理論頻率曲線的擬合情況,調整離差系數CV,直到和實際頻率曲線擬合較好為止。從圖中可得到,理論頻率曲線和實際情況擬合誤差在10%以內[4]。得出年降雨量在1000mm以上的頻率是2%,年降雨量在640mm以上的頻率是50%,對降雨頻率分析主要是用來預報暴雨洪水,對南部山區進行皮爾遜Ⅲ型頻率曲線分析主要是為了研究南部山區的降雨特性和降雨規律,為進一步利用該地區的雨水利用的措施提供依據。

3 南部山區雨水利用措施

3.1 生物蓄水

濟南市南部山區水土流失較嚴重,土壤植被生態系統的蓄水保水能力弱,可通過地表微地形的改變,盡可能多的將降雨形成的地表徑流蓄積起來,提高雨水利用程度,可采用以下措施。

(1)增加入滲集水:根據雨水的可儲性通過地表微地形的改變,增加地表土壤入滲能力,通過“土壤水庫”的儲蓄調節功能,使雨水徑流就地攔蓄入滲,減少地表徑流損失,提高植物根區的土壤含水量和水分利用效率,達到雨水資源的高效利用[5]。可在南部山區的西營鎮、柳埠鎮、仲宮鎮和高而鄉等地修建大面積的水土保持梯田,水平階、水平槽和魚鱗坑等。

(2)防止蒸發,增加雨水利用:市南部山區植被覆蓋率低,蒸發能力很強,降雨集中在6-9月份,在雨水被土壤接納成為土壤水分后,受光、熱和風力作用會產生蒸發,耕作或播種后,如在地表附加一層覆蓋物,可降低地表蒸發所損耗的水分,保持土壤含水率,為農作物的生長提供保障,提高土壤蓄水保墑效果,同時,某些覆蓋物還能增加土壤有機質含量,培肥地力。

(3)植樹造林,蓄積雨水:如果南部山區森林覆蓋率由現在的25.9%提高到30%,貯蓄雨水的功能將提高185萬m3,相當于2個大明湖的水量。增加植樹造林面積、保護自然植被、逐步調整南部山區農業生產結構、進行小流域治理等措施,以達到保護土壤表層、涵養水源、實現資源開發與環境保護協調發展的目的。

(4)增加草地覆蓋率,增加雨水入滲:南部山區植被綠化覆蓋率較低,可在水土流失嚴重的裸巖石礫地分布區以荊條、酸棗、胡枝子等灌木和黃背草、蔥草、白楊草等草本植物為主進行封山綠化,可使裸巖石礫地逐步轉化為荒草地。再進一步通過植樹造林,轉化為林地。南部山區的平均地表滲透率為0.23,占總區面積30%的荒草地建設轉變為林地后,每年可增加蓄水能力4億m3。

3.2 工程調蓄措施

(1)坡面集水:南部山區內山多坡陡,坡面截流可以促進雨水入滲,避免徑流沖刷。坡長較短的坡面以魚鱗坑、竹節溝、水平階等造林整地措施為主,坡長較長的坡面還要增設截流溝。截流溝還要與縱向的排水溝相連,把徑流引入蓄水設施或強滲漏地段內。這些措施在增加坡面入滲的同時,還為坡面林木生長提供了必要的水分。

(2)溝道工程:南部山區年降雨量在790mm以上的頻率為20%,降雨量大且集中,而區內溝壑縱橫,如果充分利用其自身的地形對雨水進行集蓄利用,可發揮南部山區的地形優勢,溝道是降雨匯集和洪水排泄的場所,也是截流促滲的最佳位置。

(3)河道攔蓄工程:濟南市南部山區內有兩大河流,分別為玉符河與北大沙河,充分利用這兩大河流集蓄汛期的雨水回灌地下,是南部山區雨水利用的重點。宜采用生物治河和工程治河相結合,使其形成良性循環。這樣即可通過改善河道的生態環境來增加河道的蓄水能力,又可通過河道蓄水能力的提高來灌溉更多的農田、植被、樹林以改善河道周圍的生態環境。

(4)水庫調蓄工程:南部山區已建有各類攔蓄工程296座,采用水庫來蓄存雨水非常重要。南部山區大型水庫有臥虎山水庫、錦繡川水庫等,中型水庫有崮頭水庫、釣魚臺水庫、石店水庫等,小型水庫有巖棚水庫、南高而水庫、坡里莊水庫等,總庫容2.02億m3,興利庫容1.31億m3,最大攔蓄能力為2.63億m3,控制流域面積748.3 km2[6]。在水庫安全運行情況下,充分利用洪水資源,多攔蓄洪水量,為汛后乃至來年供水提供相當的水量。

4 結 語

南部山區是濟南市泉域地下水的補給區,該區域雨水利用可修復生態環境、提高市區地下水水位。南部山區降雨汛期主要集中在6-8月份,占全年降雨量的65%,月降雨量分配嚴重不均衡。所以在南部山區采用增加入滲集水、防止蒸發,植樹造林、增加草地覆蓋率等生物蓄水方法和坡面集水溝道工程河道攔蓄工程水庫調蓄工程等工程調蓄措施來進行雨水的利用,此外,還建議采取制定雨水利用的相關法規與政策、加強監督加大宣傳力度等措施來實現雨水資源化。

(編輯:溫武軍)

[1]趙承忠,李炳,馬宇熹.濟南市雨洪資源利用的思考[J].山東水利,2006,(8):92-93.

[2]王立紅,秦艷紅.濟南市地下水補給區景觀格局研究[J].山東師范大學學報,2005,20(4):58-61.

[3]李梅,李佩成,于曉晶.濟南市南部山區雨水利用模式探討[J].節水灌溉,2008,(3):36-38.

[4]李梅.濟南雨洪控制與利用研究(博士后研究工作報告)[D].西安:長安大學,2009:42-44.

[5]于曉晶,李梅,張學楊.濟南市南部山區雨水資源化途徑探討[J].青島理工大學學報.2007,28(10):388-390.

[6]王敏.濟南市南部山區水環境現狀評價及保護性開發影響研究[D].濟南:山東師范大學,2002.

AbstractMany cities in China,especially in northern cities facing seriouswater shortage problem.Rainwater utilization is an effective way to implement sustainable water resource.The vast south mountains area is the springs area groundwater recharge zone.The use of rain water in the region is of great significance for renovating ecological environment and improving the groundwater level.Based on the unique topography and geomorphy and ecological environment of southern mountains,the characteristics of annual and monthly rainfall and rainfall frequency in the area were analyzed in the paper.Furthermore,the approach of rainwater utilization were also discussed.As results,the biotechnologies forwater storage,such as infiltration catchment,afforestation and increasing grassland coverage,aswell as the engineering approaches,for example,catchment slope,channel engineering,river impoundment and reservoir storage,were introduced to implement rainwater resources of southern mountain.

Key wordssouth mountains;rainfall characteristic;rainwater utilization;resource

Analysis of Ra inwater Utilization in SouthM ounta in Area of Jinan

L IM ei WANG Hong-bo CHEN Shu-fen ZHANG Ke-feng
(School ofMunicipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan Shandong 250101,China)

TU991.1

A

1002-2104(2010)03專-0473-03

2010-03-16

李梅,博士,副教授,主要研究方向為水資源保護與規劃、非常規水源利用。

＊建設部科技計劃項目(No.2008-K7-19);山東省資源節約型社會科技支撐體系建設專項(No.2008JY01);科技部國際科技合作與交流計劃項目(No.2007DFB70200)。