雨水收集在減緩洪水與泥沙淤積中的作用

[摩洛哥]　M.D.哈斯納維 等

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試驗與研究

雨水收集在減緩洪水與泥沙淤積中的作用

[摩洛哥]M.D.哈斯納維 等

摘要：流域土壤侵蝕引起的水庫泥沙淤積問題是摩洛哥水資源管理面臨的挑戰之一，水文模型的長足進步為資料充分的地區提供了多種適用的工具，就雨水收集而言，STORM模型就是其中一種。雖然應用STORM模型模擬農村地區雨水收集存在某些限制，但是通過農村集雨工程與STORM模型小型蓄水池之間的類比，仍然可對梨溝工程(采用瓦勒拉尼機械整地技術)對減緩洪水、泥沙輸移及水庫泥沙淤積的影響進行模擬分析。該成果有助于深化基于可持續發展與氣候變化影響的雨水收集對水資源開發影響的研究，為水資源脆弱群體提供合適的對策措施。

關鍵詞：雨水收集技術；洪水；泥沙；STORM模型；梨溝工程；水資源管理

摩洛哥在地表水資源開發方面已經取得了顯著進步，水資源總量達到175億m3。然而隨著泥沙輸移量的相應增加，全國水庫的庫容損失也達到了10%左右，這凸顯了目前常用的森林墾殖與農田開墾等工程措施的缺陷。理論和實踐中常見的水土保持工程技術雖然對于減緩洪水與控制侵蝕有預期的效果，但是并沒有得到充分有效的強制實施。盡管如此，水土保持工程對洪水與泥沙輸移的影響還是得到了廣泛的研究。目前，遙感(RS)、地理信息系統(GIS)與數字地形模型(DTM)等空間信息技術與HEC-HMS模型、STORM模型及其他水文模型模擬技術的發展進步既方便了基礎數據的獲取，也提升了水文-降雨-洪水模擬的水平。

為了評估農村與城市地區雨水收集技術及其對洪水與泥沙輸移的影響，本文選取穆盧耶(Moulouya)河上游某一地區近500 km2小流域作為研究區域。研究涉及的3種雨水收集類型分別是：以滿足地方農作物供給或補充灌溉不足需要的農業與天然土地雨水收集、以飲用水供給為目的的雨水收集，以及減少滲透與蒸發的雨水收集。本文對雨水收集對于水資源調配的影響進行了現場調查，除了減少徑流與減小水流流速之外，雨水收集還明顯地減緩了洪水強度、減少了洪水量；通過減少泥沙的侵蝕與輸移，進而減緩了泥沙的淤積；另外，飲用水、灌溉和地層水人工補灌等均可從雨水收集中獲益。

1研究區域

本文研究的主要問題是雨水收集技術的工程設計與規模，研究區域為穆盧耶河上游流域米德勒特省某一地區的小流域，模擬計算采用了STORM模型，研究需要準備的數據包括地理位置、水文氣象和專項地圖等。

2材料與方法

農村地區雨水收集的重要性體現在其雙重影響方面，即既改善了居民的生活條件，又減緩了洪水與大壩水庫泥沙淤積。對于干旱或半干旱氣候地區，雨水收集還有助于農作物與植物的生長，因為需要大量的降雨用于貯蓄徑流以提高土壤入滲量。

2.1農村地區雨水收集技術

本文研究的農村地區雨水收集技術主要是指微型集水流域的微型雨水收集工程，除了農村地區家庭與農作物供水采用的是外部儲水箱(在摩洛哥特指“metfia”)之外，其他雨水收集技術主要與水土保持工程有關。雨水收集技術主要包括水平臺階、水平臺地、植樹造林、植物籬、石坎梯田、瓦勒拉尼(Vallerani)機械整地技術(一種適用于干旱與沙漠地區的機械化雨水收集技術，它采用了德國瓦勒拉尼博士設計并注冊專利的特制耕梨)、生態格網、秸稈還田、竹節溝、徑流過濾帶、半月形植被，以及水平梯田等。

2.2流域模擬基礎數據

2.2.1基礎數據準備與流域基本特性

(1) 次流域劃分。利用GIS進行次流域的劃分，以便可以從研究區域30 m分辨率的DTM中提取水文模型的輸入數據，如DTM數據、DTM修正與河道辨識等。利用DTM圖，還確定了研究區域的各次流域等值線、主要河道以及3個主要出口站。

(2) 土壤類型圖。采用聯合國糧農組織(FAO)提供的全球數字土壤圖(DSM)，確定研究區域各類土壤的類型與組成；根據土壤組成，研究區域大致可分為兩類地區，即山地(43.2%沙、38.5%細沙和18.3%黏土)與平原(72.8%沙、10.5%細沙和16.8%黏土)。現場查勘與FAO的DSM分析成果基本一致，差異僅在于河道河岸外側土壤為礫石。

(3) 土地使用圖。通過2組數字地圖的疊加，確定研究區域的土地使用，選取的土地使用類型包括房屋、農業耕地、灌木地和荒地等。

(4) 坡度圖。通過DTM的處理，提取劃分次流域的不同坡度值，明確了5種坡度類型。80%以上區域的坡度值小于0.01 m/m，屬于非常平坦的地區。

(5) 地圖疊加。作為STORM模型模擬計算的基礎工作，疊加了研究區域的所有地圖，獲取了各次流域的基本特性與幾何特性(表1)。

2.2.2降雨數據

通過基于區域氣候模型的氣象數據與長時段降雨系列數據的聯合使用，研究區域內數十年的降雨數據資料得以充分利用。本文氣象模擬采用的是基于日實測降雨的HADRM3P/HADCM3模型，進行STORM模型模擬計算還需要準備降雨、氣溫和蒸發等數據。

由于缺乏短歷時(<24 h)降雨數據，需要依靠基于日氣象模型數據的再分析模型對長時段數據資料進行檢驗分析，其目的是，依據日降雨數據重構短歷時(h)降雨周期。本文所采用的方法曾在布斯庫拉(Bouskoura)流域進行過驗證：首先，構建以1~10 d為時段的年最大值數據系列，采用岡貝爾(Gumbel)統計分布進行適線，確定2~200 a重現期值；然后，采用蒙特卡羅(Montana)方法，建立各重現期的強度-歷時-頻率(IDF)關系，以此獲得設計暴雨。其中，蒙特卡羅方法參數a、b取值由下式確定：

表1　試驗區各次流域特征

式中，I為重現期T(a)、歷時t(min)的暴雨強度；a和b為重現期T(a)的蒙特卡羅參數；t為暴雨歷時，min；T為重現，a。

在進行STORM模型的連續模擬計算時，采用IDF關系，依據每日降雨的小時降雨重現期，將氣象模型的日降雨轉換為小時降雨。此外，為簡便起見，將整個模擬計算時段的氣溫與蒸發量設定為常數。最后，采用C語言編制程序，將小時數據轉換為與STORM模型格式兼容的數據文件，確定最大時段雨量分布圖。

2.3STORM模型軟件

STORM模型是一種適用于城市與農村集水區水平衡循環計算的水文模擬軟件，可以為各類雨水收集技術工程(包括“綠色”穹頂、集水箱、地層覆蓋、沼澤、溝渠、水管和蓄滯洪區等)的設計提供長時段徑流模擬計算。使用該模型軟件不僅可以對雨水收集技術工程與設施進行設計，而且還可以模擬其對于次流域出口站徑流的影響。鑒于目前版本的STORM模型尚未包括水土保持工程，本文采用該模型中類似的蓄滯洪區(蓄滯水池)代替水土保持工程和梨溝工程(采用瓦勒拉尼機械整地技術)。

表2　兩種間隔犁溝工程蓄水量模擬計算結果

3研究成果與討論

為了研究犁溝工程對于徑流的減緩作用，本文將犁溝設計成傾斜的正弦曲線形狀，以此計算犁溝蓄水量。考慮30 cm與50 cm間隔2種犁溝工程型式，模擬計算結果見表2。

3.1徑流影響

為了更加準確地評估雨水收集對徑流的影響，本文將3種工況，即該研究中最終工況與自然環境工況和不采用雨水收集工況進行了比較。為此需要獲取自然環境工況下的徑流，本文采用HEC-HMS模型進行各次流域出口站的水文徑流計算。模擬計算采用了基于土壤類型、土地利用、區域治理及水文狀況的SCS-CN徑流曲線法，選取1959年實測降雨過程(實測小時降雨峰值為4.7 mm)，計算獲得研究區域3個出口站的水文徑流，其徑流峰值分別為9.8，32.2 m3/s和18.2 m3/s。

將自然環境工況下計算的徑流與雨水收集工況和非雨水收集工況下基于STORM模型計算的徑流(這3種情況下徑流峰值分別為32.3,27.5 m3/s和40.3 m3/s)進行比較，且僅以最大出口2站的徑流峰值為比較對象，本文評估了雨水收集的影響。分析結果表明，自然環境工況下基于HEC-HMS模型計算的徑流與非雨水收集工況下基于STORM模型計算的徑流之間的差異可能源自于各模型參數取值的不同；但是如果僅考慮基于STORM模型計算的徑流峰值，采用犁溝單項工程就可以使得徑流峰值減小32%。

3.2泥沙影響

與此同時，本文對雨水收集對泥沙侵蝕輸移及大壩水庫泥沙淤積的影響也進行了分析。除了泥沙總量減少之外，基于水土保持工程的雨水收集技術對于泥沙輸移的另一個影響是減少了犁溝之間淤積泥沙的含沙量。然而采用模型計算很難確定泥沙影響，需要依靠現場觀測分析或小型水力學實驗室試驗加以研究。

對于每場次降雨-徑流，50 cm間距犁溝工程減少的徑流量大約為43 725 m3。假定輸移泥沙的含沙量為10 ~30 g/L，則由于徑流減少帶來的直接減沙量為437 ~1 312 t，這意味著每場次降雨-徑流的平均減沙強度大約為2 t/km2。假定泥沙淤積物的干容重約為1.4 t/m3，流域下游大壩水庫的泥沙減淤量大約為625 m2(平均)至1 000 m2(最大)，相應地每場次降雨-徑流的減沙強度為1.32 m3/km2(平均)至2 m3/km2(最大)。假定干旱地區每年大約發生20~50場次較大的降雨-徑流，則每年下游大壩水庫的泥沙減淤強度可達26.4~66 m3/km2或37~92 t/km2。若以本文500 km2研究區域為例，每年泥沙減淤量可達1.32~3.3萬m3或1.85~4.625萬t。最后假定本文研究區域流域出口處建壩且大壩使用壽命為50 a，則泥沙減淤總量預計大約可達116萬m3(平均)至165萬m3(最大)。

4結論

(1) 適宜的水資源開發技術既應體現可持續發展的原則，也應重視其應對水危機與水災害的預防作用。

(2) 以摩洛哥穆盧耶河上游某一地區小流域為例，本文研究成果對以河流為尺度的可持續水資源開發的影響展開評估起到了促進作用。

(3) 作為水資源可持續開發的主要環節之一，雨水收集技術有助于提高可用水資源的利用率，但容易被人們所忽略。本文提供的方法可評估雨水收集對減緩洪水、泥沙輸移及泥沙淤積的影響。

(4) 通過提高降雨入滲量(這部分降雨本應該轉化為徑流)，雨水收集技術強化了地下水的補給。

(5) 氣候變化增加了極端降雨頻率，對于由此引發的災害，雨水收集技術也能夠起到預防作用。

董耀華譯

(編輯：朱曉紅)

(譯者簡介：董耀華，男，長江水利委員會長江科學院，教授級高級工程師。)

中圖法分類號：P331.1

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)02-0036-04

收稿日期：2015-09-21