石家庄市雨水利用浅析之水力论文

　　1.1选题背景
　　水是人类生存和发展不可替代的资源，是社会、经济可持续发展的重要物质基础，也是生态环境的控制性要素。随着国民经济和社会的发展，人口不断增加，城市化和工业化进程加快，工业用水、城乡生活用水和生态建设用水大幅度增加，水资源的供需矛盾日益突出，人们开始感到可用水资源的匮乏。而雨水资源作为城市地区可利用的潜在资源，将成为解决21世纪水资源的重要途径之一。
　　为减少地面径流量，减少城市排水和河道的压力，增加可利用水源，涵养地下水，缓解地下水位下降等，城市雨水资源利用是必要性。雨水资源利用将是城市开发水资源、节约用水、减轻城市洪涝灾害、缓解排水管道负担、减少污染负荷、改善城市水环境状态的有效措施。应用雨水作为非饮用生活水将越来越具有可行性与必要性论文。
　　本文选取石家庄市作为研究对象，是因为石家庄市处于华北中部，是严重缺水的北方城市，几十年来主要依靠开采地下水来维持生产及生活用水，目前已累计超采15亿m3左右（2005年数据）。强制性野蛮开采，造成市区部分地区地下水干涸，地下水水质恶化。因此，在气象格局及水资源总量短期内不会发生太大变化的形势下，节约用水这个问题就必须引起我们所有人的重视。本文通过对石家庄市降雨资料、城市用地类型、城市居民用水总量及成本研究说明城市雨水有效利用对缓解城市用水紧张的作用。
　　2.1地理特点论文
　　石家庄市位于河北省中南部，地处太行山东麓，华北平原西缘。东临衡水市，南部与邢台市毗邻，西部与山西省接壤，北部与保定市交界。全市南北长148km,东西宽172km，总面积14077km2。
　　西部为太行山区，平均海拔1000m左右，最高峰为西北部海拔2281m的南坨梁。山区面积7322.6km2，占全市面积的52%。京广铁路以东为广阔的冀中平原，海拔30~100m，地势平坦，面积6754.4km2，占全市面积的48%。
　　石家庄市地处中纬度欧亚大陆东岸，属于暖温带大陆性季风气候。太阳辐射的季节性变化显著，地面的高低气压活动频繁，四季分明，寒暑悬殊，雨量集中于夏秋季节。干湿期明显，夏冬季长，春秋季短。夏季经常达到34度。
　　总降水量为401.1-752.0毫米，时空分布不均。其中西部山区雨量为628.4-752.0毫米；其它地区为401.1-595.9毫米。冬季降雪量偏多，总雪量为10.0-19.2毫米。大雪虽给交通带来一些不便，但对小麦越冬起到保护作用，为春季返青提供了有利的水分条件。春季降水偏少，季总雨量为11.0-41.7毫米。夏季雨量分布不均，降雨量为145.2-516.4毫米。
　　2.2水文特性论文
　　石家庄市降水主要受大气环流天气系统和地形条件的影响。全市多年平均年降水量538.3mm，平水年（P=50%）降水量509.5mm，偏枯年（P=75%）降水量408.3mm。
　　石家庄市降水量地域分布不均，西部山区明显多于东部平原，暴雨区分布在太行山脉的迎风区。小觉至岗南水库的滹沱河河谷以北和磁河上游，因地形抬升作用比较明显，降水量随高程增高而增加，迎风坡山区形成一个多雨区，平均年降雨量600~730mm；滹沱河河谷以南险隘河狮子坪一带，另形成一个多雨中心，平均年降水600~640mm；在赞皇县西南槐河上游，受地形抬升作用又形成一个多雨区，平均年降600~667mm。
　　滹沱河河谷平均年降雨量为500~550mm，山区平均年降雨量形成三个高区、两个低谷互相间隔的布局。平原地区平均年降水量在432~539mm之间，大部分在500mm以下，分布比较均匀，东部无极、晋州和藁城北部一带为华北平原的少雨中心区，平均年降水量在470mm以下。
　　年内降水分配极不均匀。全年降水量75%~80%集中在6月~9月的汛期，而汛期降水量又主要集中在7月中下旬至8月上中旬的30天甚至更短的时间内。降水量的年际变化很大，年降水量变差系数Cv一般在0.27~0.48之间。
　　2.3.1石家庄市水资源利用现状论文
　　全市截止到2000年已建成大型水库4座，总库容量31.29亿m3，兴利库容13.75亿m3，中型水库7座，总库容2.91亿m3，兴利库容1.61亿m3，小型水库216座，总库容1.359亿m3，兴利库容0.784亿m3；另外还有塘坝691处，总库容0.209亿m3；目前全市有引水工程22处，现状供水能力5.5亿m3，提水工程2618处，现状供水能力8337万m3，另外全市还有集雨工程12628处。
　　2009年全市自产水量为6.51亿立方米，比上年偏少0.741亿立方米，偏少幅度10.2%，比多年平均偏少3.40亿立方米，偏少幅度34.3%。2009年石家庄市入境水量5.65亿立方米，其中山西省流入石家庄市的地表水量为5.38亿立方米，全市入境水量比去年减少0.056亿立方米。其中滹沱河入境水量最大，为2.35亿立方米，占41.6%；绵河入境水量为2.37亿立方米，占42.0%；甘陶河入境水量0.653亿立方米，占11.6%；沙河入境水量0.270亿立方米，占4.8%。2009年石家庄市出境水量为2.40亿立方米，比去年减少0.204亿立方米。出境水量主要为石津渠灌溉引水量和南水北调中线总干渠京石段向北京供水量，其中向北京供水0.611亿立方米。
　　2.3.2地下水资源开发利用现状
　　2009年全市地下水资源总量（矿化度≤2gL）为17.30亿立方米，其中平原地下水资源量12.43亿立方米，山区地下水资源量8.24亿立方米，山区与平原之间的重复水量为3.37亿立方米。2009年全市地下水资源总量比去年减少2.40亿立方米,比多年平均多2.54亿立方米
　　2.4石家庄市雨水利用的必要性
　　石家庄市多年平均水资源总量为21.16亿m3，依此计算人均水资源量为238m3，低于全省平均值，约为全国平均的1/10。亩均水资源量239m3，略高于全省平均值，约为全国平均的1/7~1/8。据1993年国际人口行动提出的《可持续利用的水》报告，人均水资源量少于1700m3为用水紧张地区，少于1000m3为缺水地区，少于500m3为严重缺水地区。以此可见，我市人均水资源远低于国际公认的水资源紧缺标准，且达不到人均水资源占有量500m3的水资源极度紧缺标准。
　　由于多年来地下水连续超采，造成石家庄市地下水埋深大面积急剧下降，平原区已形成石家庄市区工业开采型漏斗和高邑～赵县一带的农业开采型漏斗。由于农业灌溉用水超采形成的地下水降落漏斗跨越石家庄市和邢台市，涉及我市的赵县、元氏、高邑县，地下水埋深自北向南逐渐增大，高邑城关地下水最大埋深53.43米。
　　21世纪石家庄市将进入城市化高速发展的时期，到21世纪30年代，石家庄市城区人口预计将由218万增加到270万左右。城市人口的迅速增长，将使城市人均占有水量不断下降，缺水形势将更加严重。因此，发展雨水利用具有重要的意义。
　　2.5石家庄市雨水利用潜力分析
　　1.绿地入渗量计算
　　石家庄市城区人口约占218万人，城市面积为1.82*108m2，绿地覆盖率平均为31%，人均绿地面积为25m2。根据石家庄市城市化发展水平，到2030年，城市面积逐渐增加到2.3*108m2,绿地覆盖率将达到38%以上，人均绿地面积将增加到34m2。
　　由于城市绿地的存在，可大大增加降雨对地下水的入渗补给，同时减少城市雨洪灾害。根据《中华人民共和国国家标准—建筑与小区雨水利用工程技术规范》（征求意见稿2005）查的草地入渗系数为0.4～0.85,按0.5计算，全市平均降雨量为538.3mm，则现有绿地面积降雨入渗量由下式计算：
　　F渗=∂*P*A
　　式中:F渗—降雨入渗量万m3；
　　∂—入渗系数；
　　P—降雨量(mm)；
　　A—绿地面积(m2）；
　　则降雨入渗量F渗=0.5*0.5383*1.82X108m2*0.31=1521万m3。则同理可得2030年降雨入渗量为2352万m3。
　　2.城区雨洪量计算
　　根据城市的下垫面特征，城市的汇水面主要分为不透水面(建筑物和道路)和绿地，所以城区雨洪资源量公式可以简化为：
　　Q=R不透水面+R绿地
　　式中：R不透水面=不透水面积×降雨量×径流系数
　　R绿地=绿地面积×降雨量×径流系数
　　由于石家庄市区69％的面积是不透水面积，使城市的雨洪水量大量增加，汇流时间缩短，造成城市下游地区的洪水威胁加剧。若把雨洪水量蓄积起来作为城市人工回灌水源或杂用水水源，也将大大增加城市水资源量。现将石家庄市雨洪水量按不透水面积和绿地面积分别计算，根据《中华人民共和国国家标准—建筑与小区雨水利用工程技术规范》查的不透水面积的径流系数为0.8～0.9，这里取0.8，绿地面积径流系数为0.15，则现状不透水面积和绿地面积分别占城市建成区面积的69%和31%，汛期降雨量占全年降雨量的75%，则全市雨洪水量Q计算如下：
　　R不透水面=不透水面积×降雨量×径流系数
　　=1.82X108×0.69×0.8×0.5383×0.75=3993万m3
　　R绿地=绿地面积×降雨量×径流系数
　　=1.82X108×0.31×0.75×0.5383×0.15=336万m3
　　Q=3993+336=4329万m3
　　由此可推断2030年城市雨洪水量为5055万m3
　　3.城区雨洪利用量计算
　　根据石家庄市城市雨水利用情况和降雨特点，并参照国内其他城市雨水利用率确定情况，石家庄市城市雨水利用率按40%计算，2007年可利用雨洪水量为1731万m3，2030年可利用雨洪水量是2022万m3。
　　4.城区雨水利用量计算
　　城市雨水利用量为城市雨洪利用量和绿地入渗量之和，则可算出2007年、2030年城市雨水利用量分别为3252万m3和4374万m3，见表3-4；
　　雨水利用量（104m3) 2007 2030
　　绿地入渗量 1521 2352
　　城区雨洪量 4329 5055
　　城区雨洪利用量 1731 2022
　　城区雨水利用量 3252 4374
　　
　　表3-4石家庄市城市雨水利用潜力计算
　　据调查分析石家庄市区人均用水定额为320L/人.d，2007年石家庄市区用水量如下：
　　单位：亿m3
　　工业用水量 城镇公共用水 居民生活用水量 生态环境用水量
　　总量 其中地下水 总量 其中地下水 总量 其中地下水 总量
　　0.6409 0.6409 0.5962 0.2462 1.0377 0.4653 0.9849
　　2.5石家庄市雨水利用效益分析
　　1.经济效益分析
　　根据调查石家庄市的自来水水费为3.2元/吨，处理一吨污水需要0.9元，由于雨水水质较好，处理一吨雨水的价格在0.1元到0.2元之间，据2007年雨水利用量计算，相同吨位的自来水需要0.3252*3.2=1.04亿元，而雨水只需要0.15*0.3252=0.048亿元，可见这部分雨水如果能够有效利用起来将会为市政和师市民节省将近1亿的开支。
　　同时，小区雨水利用工程可以减少需由政府投入的用于大型污水处理厂、收集污水管线和扩建排洪设施的资金。将地面雨水就近收集并回灌地下，不仅可以减少雨季溢流污水，改善水体环境，还可以减轻污水厂负荷，提高城市污水厂处理效果，雨水蓄水池和分散的渗渠系统可降低城市洪水压力和节省封闭路面下的排水管网负荷。
　　2.环境效益分析
　　1雨水蓄水池作为人工湿地系统对环境的影响
　　湿地系统是指天然的或人工的、长久的或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、淡水、半咸水或咸水的水体，在城市规划中，除考虑城市的实用性外，对城市的生态系统和景观方面的要求也越来越高。城市中的湿地系统在美化环境、调节气候和为居民提供休憩空间方面有着重要的社会效益。雨水蓄水池作为城市湿地系统的一部分对美化城市景观和增强城市的生态效应能起到很好的作用。
　　2雨水渗透对环境的影响
　　随着经济的发展、社会的进步，不透水面的径流系数一般为0.8左右，因此，若仅考虑将雨水径流快速排出，将造成地下水位及水资源缺乏，洪涝严重。利用雨水渗透能够有效的改善水环境。据研究表明，利用雨水渗透设施涵养地下水、抑制暴雨径流的作用明显，采用渗透设施可以使雨水径流消减1/6。雨水的渗透和回灌可有效控制地面沉降，防止地下水污染，还可以增加地面蒸发、调节气候，对提高空气中湿度，缓解温室效应，增加降雨均有一定帮助。
　　地下水，没有从战略高度认识雨水资源的重要性。另一方面，由于没有确立雨水是资源的概念，使得大量的雨水资源白白的浪费掉了。
　　结论：
　　城市雨水利用是一个方兴未艾的具有广阔发展和应用前景的研究领域，它涉及到城市雨水资源的科学管理、雨水径流的污染控制、雨水作中水等杂用水源的直接收集利用、用各种渗透设施将雨水回灌地下的间接利用、城市生活小区水系统的合理设计及其生态环境建设等多个方面，是一项涉及面广泛复杂的系统工程。

《石家庄市雨水利用浅析之水力论文》

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