济南市南部山区雨水资源化分析＊

李 梅 王洪波 陈淑芬 张克峰

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)

济南市南部山区雨水资源化分析＊

李 梅 王洪波 陈淑芬 张克峰

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)

我国许多城市,特别是北方城市面临水资源严重短缺的问题。而雨水利用是实现可持续水资源的有效手段。济南市南部山区地域广阔,是济南市泉域地下水的补给区,该区域雨水的利用对修复生态环境、提高市区地下水水位有重要的意义。基于南部山区特有的地形地貌和生态环境,本文分析了该地区年降雨、月降雨和降雨分布频率的特点,并进一步对南部山区雨水利用方式进行了探讨,提出可采用增加入渗集水,植树造林、增加草地覆盖率等生物蓄水方法和坡面集水、沟道工程、河道拦蓄、水库调蓄等工程措施实现南部山区的雨水资源化。

南部山区;降雨特性;雨水利用;资源化

随着水资源紧缺以及暴雨洪水灾害的频繁发生,雨洪资源的利用越来越受到世界各国的重视。雨水资源化是解决水资源短缺的一条有效途径,遵循了水资源可持续利用的原则。济南市南部山区面积广阔,具有独特的地理环境,多年平均降雨量为648mm,全年降水的65%集中在夏季,有较丰富的雨水资源[1]。南部山区是济南市泉域地下水的补给区,充分利用南部山区雨水资源对恢复南部山区的生态环境、保持济南市地下水水位和保证泉群常年正常喷涌具有重要意义。

1 济南市南部山区概述

1.1 南部山区地形地貌

济南市南部山区为泰山余脉,地处鲁中山地北缘单斜山地丘陵区,地势南高北低,海拔高度在30-990m之间,自南往北为山谷丘陵和冲积平原,高差达900m。以断层划分的济南市南部山区,西起马山断裂,东至东坞断裂,南部以长城岭地表分水岭为界,北至南外环,总面积1 500km2[2]。在南部山区灰岩和裂隙岩溶发育的地方,易于大气降水的渗入和地下水的积蓄,大量大气降水和地表径流,渗入地下形成丰富的裂隙岩溶水,地下水水质较好,是济南泉群直接或间接补给区,多年平均地下水天然资源补给量为5.795×108m3/a。南部山区内大型水库有卧虎山水库和锦绣川水库,主要河流有玉符河和北大沙河。

1.2 南部山区生态环境

南部山区植被绿化覆盖率约在40%左右,且多属纯林,水土保持和涵养水源的能力较差,造成严重的水土流失,暴雨时易造成山洪暴发,水泥沙石顺坡而下,冲毁村庄农田,破坏淤积库塘河道等排灌设施,使库塘容积变小,效益降低[3]。南部山区内的卧虎山水库和锦绣川水库是济南市南部地区生活饮用水重要的水源基地。可满足济南市南部区域30万人的生活用水。但现在两水库水质均受到不同程度的污染,共检出76种有机污染物,已经影响到居民的用水水质。南部灰岩地区沟谷是地下水重要补给源区,但目前沟谷内生态环境恶化,植被稀少,垃圾、渣土堆积,耕种农田,修建道路、住房,使许多原本渗漏的河道、沟谷严重淤积,入渗能力降低,水源涵养条件差。

2 南部山区降雨特性分析

2.1 降雨的多年分布特性

南部山区历年降雨情况见图1。年降雨量主要集中在500-800mm之间,南部山区多年平均降水量为648mm。1964年降雨量最大,为1 075mm;1968年降雨量最小,为355mm;年际变化较大,降雨量最大年份几乎是最小年份的三倍。通过对1956-2005年这50年降雨资料的频率统计,降雨量集中在450-850mm之间的累计频率为72%,年降雨量低于450mm的累计频率为14%,年降雨量高于850mm的累计频率为14%。

图1 年降雨量统计

2.2 降雨的月分布特性

南部山区多年月平均降雨量见图2。图中可看出,南部山区的降雨存在明显的季节性,夏季由于暖湿气团的影响,雨量充沛,降雨主要集中在6-8月份,这三个月的降雨量超过了420mm。12-3月的降雨量较少,这四个月的降雨量不超过40 mm,不超过全年降雨量的6%,说明济南市南部山区月降雨情况分配严重不均衡。降雨特性使南部山区在夏季极易产生洪涝灾害,大量的雨水集中形成径流冲刷区内河道,造成河道下游及水库淤积严重,对济南市区的排洪管网也产生极大的压力,不利于直接对雨水进行蓄存利用,需要采取一定的措施进行雨水的收集、蓄存和利用。

图2 月平均降雨量图

2.3 降雨频率分析

2.3.1 降雨频率模型

皮尔逊Ⅲ型曲线是当前水文计算中常用的频率曲线,该曲线对降雨频率分析具有一定的优势。皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰曲线,工程水文计算中,指定频率P所相应的随机变量为xp,指定频率P为:

式中,Γ(α)为Γ函数;α0为皮尔逊Ⅲ型曲线零点与系列零点的距离。α0、α、β可通过1956-2004年降雨数据的离差系数、偏差系数计算得到。

便于制表,水文中通常称为离均系数,指定频率P可表达为为:

已知数据带入公式,计算得出,α=162.3 β=0.07 a0=-1580.72

则指定频率P所相应的随机变量xp满足:

2.3.2 模拟结果分析

把南部山区1956-2004年降雨数据计算得到的实际频率曲线和根据式(4)计算得到的理论频率曲线在海森机率纸上采用描点法绘制出来,比较实际频率曲线和理论频率曲线的拟合情况,调整离差系数CV,直到和实际频率曲线拟合较好为止。从图中可得到,理论频率曲线和实际情况拟合误差在10%以内[4]。得出年降雨量在1000mm以上的频率是2%,年降雨量在640mm以上的频率是50%,对降雨频率分析主要是用来预报暴雨洪水,对南部山区进行皮尔逊Ⅲ型频率曲线分析主要是为了研究南部山区的降雨特性和降雨规律,为进一步利用该地区的雨水利用的措施提供依据。

3 南部山区雨水利用措施

3.1 生物蓄水

济南市南部山区水土流失较严重,土壤植被生态系统的蓄水保水能力弱,可通过地表微地形的改变,尽可能多的将降雨形成的地表径流蓄积起来,提高雨水利用程度,可采用以下措施。

(1)增加入渗集水:根据雨水的可储性通过地表微地形的改变,增加地表土壤入渗能力,通过“土壤水库”的储蓄调节功能,使雨水径流就地拦蓄入渗,减少地表径流损失,提高植物根区的土壤含水量和水分利用效率,达到雨水资源的高效利用[5]。可在南部山区的西营镇、柳埠镇、仲宫镇和高而乡等地修建大面积的水土保持梯田,水平阶、水平槽和鱼鳞坑等。

(2)防止蒸发,增加雨水利用:市南部山区植被覆盖率低,蒸发能力很强,降雨集中在6-9月份,在雨水被土壤接纳成为土壤水分后,受光、热和风力作用会产生蒸发,耕作或播种后,如在地表附加一层覆盖物,可降低地表蒸发所损耗的水分,保持土壤含水率,为农作物的生长提供保障,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。

(3)植树造林,蓄积雨水:如果南部山区森林覆盖率由现在的25.9%提高到30%,贮蓄雨水的功能将提高185万m3,相当于2个大明湖的水量。增加植树造林面积、保护自然植被、逐步调整南部山区农业生产结构、进行小流域治理等措施,以达到保护土壤表层、涵养水源、实现资源开发与环境保护协调发展的目的。

(4)增加草地覆盖率,增加雨水入渗:南部山区植被绿化覆盖率较低,可在水土流失严重的裸岩石砾地分布区以荆条、酸枣、胡枝子等灌木和黄背草、葱草、白杨草等草本植物为主进行封山绿化,可使裸岩石砾地逐步转化为荒草地。再进一步通过植树造林,转化为林地。南部山区的平均地表渗透率为0.23,占总区面积30%的荒草地建设转变为林地后,每年可增加蓄水能力4亿m3。

3.2 工程调蓄措施

(1)坡面集水:南部山区内山多坡陡,坡面截流可以促进雨水入渗,避免径流冲刷。坡长较短的坡面以鱼鳞坑、竹节沟、水平阶等造林整地措施为主,坡长较长的坡面还要增设截流沟。截流沟还要与纵向的排水沟相连,把径流引入蓄水设施或强渗漏地段内。这些措施在增加坡面入渗的同时,还为坡面林木生长提供了必要的水分。

(2)沟道工程:南部山区年降雨量在790mm以上的频率为20%,降雨量大且集中,而区内沟壑纵横,如果充分利用其自身的地形对雨水进行集蓄利用,可发挥南部山区的地形优势,沟道是降雨汇集和洪水排泄的场所,也是截流促渗的最佳位置。

(3)河道拦蓄工程:济南市南部山区内有两大河流,分别为玉符河与北大沙河,充分利用这两大河流集蓄汛期的雨水回灌地下,是南部山区雨水利用的重点。宜采用生物治河和工程治河相结合,使其形成良性循环。这样即可通过改善河道的生态环境来增加河道的蓄水能力,又可通过河道蓄水能力的提高来灌溉更多的农田、植被、树林以改善河道周围的生态环境。

(4)水库调蓄工程:南部山区已建有各类拦蓄工程296座,采用水库来蓄存雨水非常重要。南部山区大型水库有卧虎山水库、锦绣川水库等,中型水库有崮头水库、钓鱼台水库、石店水库等,小型水库有岩棚水库、南高而水库、坡里庄水库等,总库容2.02亿m3,兴利库容1.31亿m3,最大拦蓄能力为2.63亿m3,控制流域面积748.3 km2[6]。在水库安全运行情况下,充分利用洪水资源,多拦蓄洪水量,为汛后乃至来年供水提供相当的水量。

4 结 语

南部山区是济南市泉域地下水的补给区,该区域雨水利用可修复生态环境、提高市区地下水水位。南部山区降雨汛期主要集中在6-8月份,占全年降雨量的65%,月降雨量分配严重不均衡。所以在南部山区采用增加入渗集水、防止蒸发,植树造林、增加草地覆盖率等生物蓄水方法和坡面集水沟道工程河道拦蓄工程水库调蓄工程等工程调蓄措施来进行雨水的利用,此外,还建议采取制定雨水利用的相关法规与政策、加强监督加大宣传力度等措施来实现雨水资源化。

(编辑:温武军)

[1]赵承忠,李炳,马宇熹.济南市雨洪资源利用的思考[J].山东水利,2006,(8):92-93.

[2]王立红,秦艳红.济南市地下水补给区景观格局研究[J].山东师范大学学报,2005,20(4):58-61.

[3]李梅,李佩成,于晓晶.济南市南部山区雨水利用模式探讨[J].节水灌溉,2008,(3):36-38.

[4]李梅.济南雨洪控制与利用研究(博士后研究工作报告)[D].西安:长安大学,2009:42-44.

[5]于晓晶,李梅,张学杨.济南市南部山区雨水资源化途径探讨[J].青岛理工大学学报.2007,28(10):388-390.

[6]王敏.济南市南部山区水环境现状评价及保护性开发影响研究[D].济南:山东师范大学,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专-0473-03

2010-03-16

李梅,博士,副教授,主要研究方向为水资源保护与规划、非常规水源利用。

＊建设部科技计划项目(No.2008-K7-19);山东省资源节约型社会科技支撑体系建设专项(No.2008JY01);科技部国际科技合作与交流计划项目(No.2007DFB70200)。