雨水收集在减缓洪水与泥沙淤积中的作用

[摩洛哥]　M.D.哈斯纳维 等



试验与研究

雨水收集在减缓洪水与泥沙淤积中的作用

[摩洛哥]M.D.哈斯纳维 等

摘要：流域土壤侵蚀引起的水库泥沙淤积问题是摩洛哥水资源管理面临的挑战之一，水文模型的长足进步为资料充分的地区提供了多种适用的工具，就雨水收集而言，STORM模型就是其中一种。虽然应用STORM模型模拟农村地区雨水收集存在某些限制，但是通过农村集雨工程与STORM模型小型蓄水池之间的类比，仍然可对梨沟工程(采用瓦勒拉尼机械整地技术)对减缓洪水、泥沙输移及水库泥沙淤积的影响进行模拟分析。该成果有助于深化基于可持续发展与气候变化影响的雨水收集对水资源开发影响的研究，为水资源脆弱群体提供合适的对策措施。

关键词：雨水收集技术；洪水；泥沙；STORM模型；梨沟工程；水资源管理

摩洛哥在地表水资源开发方面已经取得了显著进步，水资源总量达到175亿m3。然而随着泥沙输移量的相应增加，全国水库的库容损失也达到了10%左右，这凸显了目前常用的森林垦殖与农田开垦等工程措施的缺陷。理论和实践中常见的水土保持工程技术虽然对于减缓洪水与控制侵蚀有预期的效果，但是并没有得到充分有效的强制实施。尽管如此，水土保持工程对洪水与泥沙输移的影响还是得到了广泛的研究。目前，遥感(RS)、地理信息系统(GIS)与数字地形模型(DTM)等空间信息技术与HEC-HMS模型、STORM模型及其他水文模型模拟技术的发展进步既方便了基础数据的获取，也提升了水文-降雨-洪水模拟的水平。

为了评估农村与城市地区雨水收集技术及其对洪水与泥沙输移的影响，本文选取穆卢耶(Moulouya)河上游某一地区近500 km2小流域作为研究区域。研究涉及的3种雨水收集类型分别是：以满足地方农作物供给或补充灌溉不足需要的农业与天然土地雨水收集、以饮用水供给为目的的雨水收集，以及减少渗透与蒸发的雨水收集。本文对雨水收集对于水资源调配的影响进行了现场调查，除了减少径流与减小水流流速之外，雨水收集还明显地减缓了洪水强度、减少了洪水量；通过减少泥沙的侵蚀与输移，进而减缓了泥沙的淤积；另外，饮用水、灌溉和地层水人工补灌等均可从雨水收集中获益。

1研究区域

本文研究的主要问题是雨水收集技术的工程设计与规模，研究区域为穆卢耶河上游流域米德勒特省某一地区的小流域，模拟计算采用了STORM模型，研究需要准备的数据包括地理位置、水文气象和专项地图等。

2材料与方法

农村地区雨水收集的重要性体现在其双重影响方面，即既改善了居民的生活条件，又减缓了洪水与大坝水库泥沙淤积。对于干旱或半干旱气候地区，雨水收集还有助于农作物与植物的生长，因为需要大量的降雨用于贮蓄径流以提高土壤入渗量。

2.1农村地区雨水收集技术

本文研究的农村地区雨水收集技术主要是指微型集水流域的微型雨水收集工程，除了农村地区家庭与农作物供水采用的是外部储水箱(在摩洛哥特指“metfia”)之外，其他雨水收集技术主要与水土保持工程有关。雨水收集技术主要包括水平台阶、水平台地、植树造林、植物篱、石坎梯田、瓦勒拉尼(Vallerani)机械整地技术(一种适用于干旱与沙漠地区的机械化雨水收集技术，它采用了德国瓦勒拉尼博士设计并注册专利的特制耕梨)、生态格网、秸秆还田、竹节沟、径流过滤带、半月形植被，以及水平梯田等。

2.2流域模拟基础数据

2.2.1基础数据准备与流域基本特性

(1) 次流域划分。利用GIS进行次流域的划分，以便可以从研究区域30 m分辨率的DTM中提取水文模型的输入数据，如DTM数据、DTM修正与河道辨识等。利用DTM图，还确定了研究区域的各次流域等值线、主要河道以及3个主要出口站。

(2) 土壤类型图。采用联合国粮农组织(FAO)提供的全球数字土壤图(DSM)，确定研究区域各类土壤的类型与组成；根据土壤组成，研究区域大致可分为两类地区，即山地(43.2%沙、38.5%细沙和18.3%黏土)与平原(72.8%沙、10.5%细沙和16.8%黏土)。现场查勘与FAO的DSM分析成果基本一致，差异仅在于河道河岸外侧土壤为砾石。

(3) 土地使用图。通过2组数字地图的叠加，确定研究区域的土地使用，选取的土地使用类型包括房屋、农业耕地、灌木地和荒地等。

(4) 坡度图。通过DTM的处理，提取划分次流域的不同坡度值，明确了5种坡度类型。80%以上区域的坡度值小于0.01 m/m，属于非常平坦的地区。

(5) 地图叠加。作为STORM模型模拟计算的基础工作，叠加了研究区域的所有地图，获取了各次流域的基本特性与几何特性(表1)。

2.2.2降雨数据

通过基于区域气候模型的气象数据与长时段降雨系列数据的联合使用，研究区域内数十年的降雨数据资料得以充分利用。本文气象模拟采用的是基于日实测降雨的HADRM3P/HADCM3模型，进行STORM模型模拟计算还需要准备降雨、气温和蒸发等数据。

由于缺乏短历时(<24 h)降雨数据，需要依靠基于日气象模型数据的再分析模型对长时段数据资料进行检验分析，其目的是，依据日降雨数据重构短历时(h)降雨周期。本文所采用的方法曾在布斯库拉(Bouskoura)流域进行过验证：首先，构建以1~10 d为时段的年最大值数据系列，采用冈贝尔(Gumbel)统计分布进行适线，确定2~200 a重现期值；然后，采用蒙特卡罗(Montana)方法，建立各重现期的强度-历时-频率(IDF)关系，以此获得设计暴雨。其中，蒙特卡罗方法参数a、b取值由下式确定：

表1　试验区各次流域特征

式中，I为重现期T(a)、历时t(min)的暴雨强度；a和b为重现期T(a)的蒙特卡罗参数；t为暴雨历时，min；T为重现，a。

在进行STORM模型的连续模拟计算时，采用IDF关系，依据每日降雨的小时降雨重现期，将气象模型的日降雨转换为小时降雨。此外，为简便起见，将整个模拟计算时段的气温与蒸发量设定为常数。最后，采用C语言编制程序，将小时数据转换为与STORM模型格式兼容的数据文件，确定最大时段雨量分布图。

2.3STORM模型软件

STORM模型是一种适用于城市与农村集水区水平衡循环计算的水文模拟软件，可以为各类雨水收集技术工程(包括“绿色”穹顶、集水箱、地层覆盖、沼泽、沟渠、水管和蓄滞洪区等)的设计提供长时段径流模拟计算。使用该模型软件不仅可以对雨水收集技术工程与设施进行设计，而且还可以模拟其对于次流域出口站径流的影响。鉴于目前版本的STORM模型尚未包括水土保持工程，本文采用该模型中类似的蓄滞洪区(蓄滞水池)代替水土保持工程和梨沟工程(采用瓦勒拉尼机械整地技术)。

表2　两种间隔犁沟工程蓄水量模拟计算结果

3研究成果与讨论

为了研究犁沟工程对于径流的减缓作用，本文将犁沟设计成倾斜的正弦曲线形状，以此计算犁沟蓄水量。考虑30 cm与50 cm间隔2种犁沟工程型式，模拟计算结果见表2。

3.1径流影响

为了更加准确地评估雨水收集对径流的影响，本文将3种工况，即该研究中最终工况与自然环境工况和不采用雨水收集工况进行了比较。为此需要获取自然环境工况下的径流，本文采用HEC-HMS模型进行各次流域出口站的水文径流计算。模拟计算采用了基于土壤类型、土地利用、区域治理及水文状况的SCS-CN径流曲线法，选取1959年实测降雨过程(实测小时降雨峰值为4.7 mm)，计算获得研究区域3个出口站的水文径流，其径流峰值分别为9.8，32.2 m3/s和18.2 m3/s。

将自然环境工况下计算的径流与雨水收集工况和非雨水收集工况下基于STORM模型计算的径流(这3种情况下径流峰值分别为32.3,27.5 m3/s和40.3 m3/s)进行比较，且仅以最大出口2站的径流峰值为比较对象，本文评估了雨水收集的影响。分析结果表明，自然环境工况下基于HEC-HMS模型计算的径流与非雨水收集工况下基于STORM模型计算的径流之间的差异可能源自于各模型参数取值的不同；但是如果仅考虑基于STORM模型计算的径流峰值，采用犁沟单项工程就可以使得径流峰值减小32%。

3.2泥沙影响

与此同时，本文对雨水收集对泥沙侵蚀输移及大坝水库泥沙淤积的影响也进行了分析。除了泥沙总量减少之外，基于水土保持工程的雨水收集技术对于泥沙输移的另一个影响是减少了犁沟之间淤积泥沙的含沙量。然而采用模型计算很难确定泥沙影响，需要依靠现场观测分析或小型水力学实验室试验加以研究。

对于每场次降雨-径流，50 cm间距犁沟工程减少的径流量大约为43 725 m3。假定输移泥沙的含沙量为10 ~30 g/L，则由于径流减少带来的直接减沙量为437 ~1 312 t，这意味着每场次降雨-径流的平均减沙强度大约为2 t/km2。假定泥沙淤积物的干容重约为1.4 t/m3，流域下游大坝水库的泥沙减淤量大约为625 m2(平均)至1 000 m2(最大)，相应地每场次降雨-径流的减沙强度为1.32 m3/km2(平均)至2 m3/km2(最大)。假定干旱地区每年大约发生20~50场次较大的降雨-径流，则每年下游大坝水库的泥沙减淤强度可达26.4~66 m3/km2或37~92 t/km2。若以本文500 km2研究区域为例，每年泥沙减淤量可达1.32~3.3万m3或1.85~4.625万t。最后假定本文研究区域流域出口处建坝且大坝使用寿命为50 a，则泥沙减淤总量预计大约可达116万m3(平均)至165万m3(最大)。

4结论

(1) 适宜的水资源开发技术既应体现可持续发展的原则，也应重视其应对水危机与水灾害的预防作用。

(2) 以摩洛哥穆卢耶河上游某一地区小流域为例，本文研究成果对以河流为尺度的可持续水资源开发的影响展开评估起到了促进作用。

(3) 作为水资源可持续开发的主要环节之一，雨水收集技术有助于提高可用水资源的利用率，但容易被人们所忽略。本文提供的方法可评估雨水收集对减缓洪水、泥沙输移及泥沙淤积的影响。

(4) 通过提高降雨入渗量(这部分降雨本应该转化为径流)，雨水收集技术强化了地下水的补给。

(5) 气候变化增加了极端降雨频率，对于由此引发的灾害，雨水收集技术也能够起到预防作用。

董耀华译

(编辑：朱晓红)

(译者简介：董耀华，男，长江水利委员会长江科学院，教授级高级工程师。)

中图法分类号：P331.1

文献标志码：A

文章编号：1006-0081(2016)02-0036-04

收稿日期：2015-09-21