理论教育 农村雨水集蓄利用:潜力影响因素分析

农村雨水集蓄利用:潜力影响因素分析

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:径流的形成过程事实上是雨水资源化的过程,包括两个阶段,即产流阶段和汇流阶段。对于入渗量较高而产流较小的下垫面,一般采取雨水就地利用方式;相反,对入渗量低而产流能力较强的区域则宜采取雨水异地集蓄利用方式。因此,可以根据植被覆盖情况确定雨水集蓄利用的形式,对于植被密度大的地区,由于地表产流少且大部分雨水被植被截留入渗,宜采用雨水就地利用方式;而对于植被密度较小的地区,则以雨水异地利用方式为主。

农村雨水集蓄利用:潜力影响因素分析

雨水集蓄利用潜力影响因素主要有降水特征因子、径流、地形特征、土壤、植被、人为因素以及雨水利用方式等。

(一)降水特征因子

降水特征主要指降水的时空分布特征,主要包括次降水强度、降水量以及降水次数等。降水特征直接影响雨水资源化的过程和数量,降水特性(降水量、降水历时、降水强度、降水过程、降水面积、暴雨中心移动方向)对降水径流的发生具有重要作用。将一个水文年内降水最大富余月与年内最大缺水月之间的间隔定义为雨水集蓄利用的时间距离,用l t表示;把区域内雨水利用率最低位置与最大缺水位置之间的距离定义为雨水集蓄利用的空间距离,用ls表示;此外,把次降水小于5mm的降水量占总降水量的比值定义为天然降水的无效系数,用P 5表示。很显然,在一定的经济技术条件下,时间距离、空间距离以及无效系数是很难或无法改变的,把它们之间的组合定义为降水特征因子,用式(2-1)表示:

式中  λp——降水特征因子,%;

l t——雨水集蓄利用的时间距离,月;

ls——雨水集蓄利用的空间距离,m;

l smax——区域最大长度,m;

P 5——天然降水的无效系数;

k 1、k 2和k 3——权重系数,对特定区域通过试验测定。

(二)径流

区域雨水集蓄利用包括三个部分:①降水直接降落到区域坑塘水面、湖面和河流水面等水体上形成的径流;②降水经过植被截留、填洼、土壤入渗后形成的地表径流;③降水入渗到土壤水库中的雨水。径流是区域雨水集蓄利用最重要的一部分水资源,径流的特性直接影响到雨水的利用方式。径流的形成过程事实上是雨水资源化的过程,包括两个阶段,即产流阶段和汇流阶段。当降水满足了植物截留、洼地蓄水和表层土壤储存后,后续降雨强度又超过下渗强度,其超过下渗强度的水量降到地面以后开始沿地表坡面流动,称为坡面漫流,始为产流的开始。如果雨量继续增大,漫流的范围也就继续增大,继而形成全面漫流,这种超渗降水往往沿坡面流动注入河槽,称为坡面径流,这种地面漫流的过程即为产流阶段。降雨产生的径流汇集到附近河网后,又从上游流向下游,最后全部流经流域出口断面,称为河网汇流,这种河网汇流过程即为汇流阶段。在这个过程中,雨水可能要逐次经过不同的下垫面,而下垫面的特性直接影响着雨水转化为径流的效率,汇流面积的大小也直接决定着区域径流量的大小。对于入渗量较高而产流较小的下垫面,一般采取雨水就地利用方式;相反,对入渗量低而产流能力较强的区域则宜采取雨水异地集蓄利用方式。

(三)地形特征

在地形特征因子中,坡度、坡向、坡长、分水岭与谷底及河面的相对高差都对降雨径流的产生具有很大影响。①坡度直接影响径流汇流,一方面,坡度越大,汇流时间越短,径流损失越小;但另一方面,坡度越大,径流能量越大,径流损失也就越大。②坡向对日照时数太阳辐射强度有重要影响,进而对蒸发产生影响。土壤含水量随坡向不同而变化,北坡光照强烈,蒸发量相对较大,土壤初始含水量低,径流量也就小。由此可见,对地形地貌条件的考虑最终可归结到坡面上,但对区域尺度而言,显然不可能顾及到某一具体的坡面上,具体可以根据区域内地貌类型情况进行宏观区分,选用一个能反映一定区域宏观地形状况的综合度量指标进行评价。按照“地面越是平坦,雨水集蓄利用难度越小,能够实现的雨水集蓄利用潜力越大”的思路,将坡度小于25°的面积占整个区域面积的比例定义为地形特征因子,具体可用式(2-2)表示:

式中 λs——地形对雨水资源化的影响系数;

A 1——坡度大于25°的面积,m2

A——区域总面积,m2

(四)土壤

土壤也就是集流面下垫面,主要通过影响土壤入渗速率来间接影响径流。由于土壤类型、质地、肥力、利用方式的不同,导致土壤入渗速率变化具有明显的地域差异。正常情况下,土壤对径流的影响程度一般通过入渗量来表征,而入渗量的大小取决于土壤孔隙度,孔隙度是决定水分流入深层土层阻力的重要因素。土壤孔隙度随土壤类型不同而异,砂土的孔隙度最大,入渗量最高,而重黏土或壤土的孔隙度较小,入渗量则也相对较小。由此可见,对沙壤土区域宜采用雨水就地利用方式,对黏土和壤土区域则宜采用异地利用方式。

(五)植被

植被因素对降雨径流具有积极作用,良好的植被覆盖度可以显著减缓坡面降雨径流损失,提高区域雨水资源利用率。植被通过截留、渗漏的形式保存水分,起到保持水土、减少径流、防止洪涝的作用。植被厚度、植被种类、灌木盖度、草本盖度、倒木、枯立木、森林郁闭度和树龄等对地表径流的影响各不相同,也就是说植被密度决定着渗透系数的大小,植被密度越大,渗透系数越大,反之亦然。因此,可以根据植被覆盖情况确定雨水集蓄利用的形式,对于植被密度大的地区,由于地表产流少且大部分雨水被植被截留入渗,宜采用雨水就地利用方式;而对于植被密度较小的地区,则以雨水异地利用方式为主。

(六)人为因素(www.daowen.com)

人类活动对降雨径流的影响主要是通过工程措施(水平梯田、水平阶、集雨水窖等)、生物措施(植树种草等)和耕作措施对水文循环过程产生的影响,其表现形式主要是改变降雨径流平衡要素,改变蒸发与降水径流比例,影响降水径流与入渗到土壤中水分的比例以及径流在时间与空间上的重新分布等。

(七)雨水利用方式

按上述雨水利用的空间分类方式,区分就地利用与异地利用两种方式,分别计算不同雨水利用方式对雨水集蓄利用潜力的影响。

1.雨水就地利用方式

雨水降落到下垫面后,主要通过入渗、径流、蒸发、植物截留等环节耗散,雨水就地利用量一般是指入渗到土壤中的这部分水量。由此可见,就地利用方式下雨水资源化潜力系数也就是区域平均渗透系数。

其中W=W nE+W nR+W nS+W nP

式中 λnU——就地利用方式雨水资源化潜力系数;

W——降落到下垫面的雨水总量,m3

W nE——蒸发损失量,m3

W nR——径流量,m3

W nS——入渗量,m3

W nP——植物截流量,m3

——就地利用区域平均渗透系数。

在某一个区域内,径流可依据水文测验计算得到,蒸发可参考气象资料计算得到,植物截留则一般采用经验方法确定,而入渗量则一般无法直接测定。因此,就地利用方式下,雨水资源化潜力影响系数可用式(2-4)表示:

2.雨水异地利用方式

雨水异地利用是指将甲地的天然降水通过一定方式的雨水集蓄利用工程加以收集、储存并在乙地高效利用的过程。异地利用方式下,雨水资源化潜力系数可用式(2-5)表示:

式中 λdU——异地利用方式雨水资源化潜力系数;

——异地利用区域平均集流效率,%;

其他符号意义同前。

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