提　要　针对黄土高原地区水资源严重短缺的态势和生态环境建设的需要，以小流域为单元，以雨水资源为研究对象，在分析不同雨水利用形式的基础上，提出雨水资源化理论潜力、可实现潜力和现实潜力三种不同潜力，并探讨了小流域雨水资源化潜力的计算原理和办法，结合设立在黄土高原的 11 个国家攻关试验区小流域，初步提出雨水资源开发利用程度的评价办法。

关键词　小流域；雨水资源化；潜力；评价

中图分类号　P426.62

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(2001)02－0140－05

1 引言

　　近年来，西北地区雨水利用发展迅猛，取得了很大效益，其中甘肃开展的“121”工程、“雨水集流节灌”工程、陕西省的“甘露”工程、宁夏南部的“窑窖农业”是雨水利用的代表和典型^[1]。事实上，雨水利用并不是一种新思想和新技术，它是一项广泛存在的传统技术，具有 2000 多年历史。近年来雨水利用能够迅速发展，主要归功于新兴雨水集蓄技术和材料的应用。但是，雨水利用的意义不仅仅局限于可以使人们收集利用雨水，更重要的是，它使人们对传统水资源的概念及其理论有了重新的认识。通过对雨水的利用，人们认识到对于一个区域来说，雨水是其水资源的最根本来源。对于一个小流域（闭合的集水单元）来说，雨水就是它的水资源。有了这样一个概念，进行水资源评价，就会得出不同的水资源数量，其结果对于合理开发利用水资源更具有理论和现实意义^[2、3]。

　　雨水资源必须经过下垫面分配，转化为地表水、土壤水和地下水，才有可能成为可以利用的资源。雨水资源所能提供的可实现潜力不但与雨水资源本身的性质（时空变异性）有关，而且与人类利用雨水的能力（利用方式、利用技术、利用规模）有关。

　　为保证经济和社会可持续发展，保证雨水资源能够持续开发利用，必须考虑到雨水资源的潜力和未来可持续发展的需要，做到量水而行。目前，在黄土高原的小流域综合治理和生态环境建设中，还没有一个合适的方法确定小流域中雨水资源的可开发量。没有这个数值，就很难确定小流域的林草植被建设发展规模和综合治理的规模。雨水资源化潜力以及评价是从本区产水角度，对水资源的数量以及可开发量进行重新认识，提出一套适合目前社会经济需求的水资源开发潜力计算办法和评价方法。

　　针对以上问题，本文以小流域为单元，以雨水资源为研究对象，在分析不同雨水利用形式的基础上，探讨小流域雨水资源化综合潜力的计算办法，并初步提出评价雨水资源开发利用程度的指标。目前，随着国家西部大开发步伐的推进，黄土高原地区将要进行大规模的生态环境建设工程，生态需水将会急剧增长。因此，研究小流域尺度上雨水资源开发利用的潜力，对于实现雨水资源的持续、高效利用和保证流域生态环境的健康发展有重要意义。

2 小流域雨水资源化及潜力

2.1 雨水资源化

　　当雨水作为一种用来满足人们生活和生产及其生态环境需要的物质资料时，它就成为雨水资源。所谓雨水资源化，就是指在雨水转化为可利用资源的过程。广义的雨水实际上就是指降水，它包括大气中降落到一定区域地面上的多种形式的液态水与固态水。一般情况下，雨水资源化有两种途径：一种是雨水的自然资源化过程，其含义是雨水通过入渗进入土壤，增加土壤水库贮水量，直接供给植物生长；一种是雨水的人为资源化过程，主要含义是经过人为干预，使雨水变为雨水资源，促进农业生产或解决人畜饮水，如各种增加雨水入渗的水土保持措施、雨水集流系统等。

2.2 小流域雨水资源化

　　小流域是黄土高原地区主要地貌单元，它是指一个完整的集水单元。由于该区土层深厚，包气带土层厚度一般在十几米至百米之间，外来地下水对流域水资源的补给作用非常微弱，常常可以忽略不计。因此，雨水是小流域尺度上水资源的惟一补给源，流域内各种形式的地表水、土壤水、地下水都是雨水经过转化而形成的。

　　所谓小流域雨水资源化就是在雨水、雨水资源和雨水资源化的内涵中赋于一定的空间属性。只有当雨水转化为一定区域内的资源时，才可能被这个区域所利用，如果雨水资源超出了区域的边界，那么对于这个特定的区域来说，就变成了无法利用的资源。

2.3 小流域雨水资源化潜力

　　对小流域雨水资源化潜力的讨论可分为 3 个层次：一是理论潜力，二是可实现潜力，三是现实潜力。

2.3.1 理论潜力

　　由于大气降水是陆地上各种形态水资源总的补给来源，它是一个流域或封闭地区当地水资源量的最大值。因此，小流域雨水资源理论潜力应为该流域的降水总量，其计算方法为：

Rt=P×A×10³

其中，Rt 为小流域雨水资源的理论潜力 (m³)；P 为流域降水量 (mm)；A 为小流域的面积 (km²)。

2.3.2 可实现潜力

　　实际上，小流域的雨水资源是不可能完全被开发利用的。由于自然条件和技术经济水平的限制，人们只能利用部分的雨水资源。参考联合国粮农组织 (FAO) 提出的有效降水量概念，我们可以将黄土高原的雨水资源化可实现潜力定义为：在一定自然和技术经济条件下，通过已有的利用方式和技术，雨水资源中可以开发利用的最大量。一般来讲，黄土高原小流域的需水要求主要是指生活、生产和生态环境建设等 3 个方面。所以，资源化就是指雨水可以转化为生活、生产和生态环境能够使用的物质资源的过程。

　　在黄土高原地区，一般情况下，经过下垫面的转化，雨水就变成为地表水、地下水及土壤水 3 种形式，土壤水是其中的主要形式。雨水入渗到土壤中后，是否还能够被算做可开发利用的部分。其实，对于植物而言，其它水资源（雨水资源、地表水资源、地下水资源）只有转化为土壤水时才能被植物吸收利用，植物直接吸收的是土壤水。因此，对于农业生产及生态环境需水来讲，雨水转变为土壤水，即可认为转变为现实可以利用的水资源。

　　一定区域的可实现潜力与区域的降水特性（雨量、雨强、降雨历时等）、地形、土壤特性、降水前的土壤含水量、作物种类及生育阶段、耕作措施等因素有关，同时，也与社会的科学技术、经济水平有关。

　　依据雨水资源可实现潜力的定义，构建如下表达式：

Ra=λ_R×P×A×10³

其中，Ra 为雨水资源可实现潜力 (m³)；P 为降水量 (mm)；A 为面积 (km²)；λ_R 为降雨调控系数，与技术、经济水平有关，λ_RP 是指可以调控的雨水资源量。

　　在黄土区，降雨入渗深层渗漏过程微弱。这是由于一方面，黄土层覆盖深厚，一般深度均在数十米甚至百米以上，水分难以入渗到深层；另一方面，黄土高原地区有 3/4 的土壤质地组成轻壤土为主，土壤容重为 1.2～1.4g/cm³, 土壤持水能力较高，2m 土层最大储水量高达 382～640mm，而黄土高原年平均降水量多数地方为 300～600mm，土壤本身即可容纳当年的全部降雨，形成一个巨大的土壤水库。

2.3.3 现实潜力

　　现实潜力是指当前利用方式和技术下已经实现的水资源利用量。现实潜力 Rr 与可实现潜力 Ra 的计算公式形式基本一致，但现实潜力计算公式中的λR 代表当前流域降雨调控能力的现实水平。

3 雨水资源化的方式

　　雨水利用的主要思想在于通过地表微形改变，入渗能力的改变等方式，来改变雨水在地表上的分配变化，以及地表径流汇集方式，延长地表径流汇集时间，或改变地表径流运动路径等达到径流局部汇集，实现雨水利用的目的。根据这一思想，我们将其分为 3 种主要方式，即微地形改变雨水就地利用，微地形改变雨水叠加利用，改变地表入渗能力雨水异地利用，下面将着重对其 3 种利用方式加以分析。

3.1 微地形改变雨水就地利用方式

　　该种方式是指通过地表微地形的改变，如夷平、垄起等来增加地表土壤入渗能力，或者聚集雨水就地利用的一种方式。水土保持措施中的梯田、鱼鳞坑、水平沟、水平阶等就是这种方式的具体应用范例。该方式在水土流失较为严重的山区、丘陵区的坡耕地上应用非常广泛，且效益十分显著。

3.2 微地形改变雨水叠加利用方式

　　这种方式是微地形改变雨水就地利用的深入与发展，是在微地形改变雨水就地利用的基础上，将临近地表雨水汇集其上加以利用的一种叠加利用方式。如我们常常见到的隔坡梯田，梯田田面可就地蓄集雨水供作物利用，梯田上部的雨水又汇集到田面之上，还可供作物利用。其优点可加大梯田供水量，同时又可减轻劳动强度，当然这种方式也有一定的特殊要求，一般坡面上常常种植草被，减少径流强度及含沙量，增加坡面稳定性。近年来，山西、甘肃等地采用的大垄沟覆膜栽培技术（山西亦叫集流聚肥改土技术）亦属于这一范畴。其做法是在大垄上覆膜，减少土壤入渗，将雨水汇集到沟内供作物利用，作物除利用沟内降水外，还可利用垄上雨水，也是一种叠加利用方式。该种方式适用范围广，在山区、丘陵区，甚至干旱半干旱地区的川地上亦可应用，其效益也相当显著。

3.3 微地形改变雨水异地利用方式

　　这是一项古老而亟待复苏的利用方式，也是近年来采用十分广泛的一种方式。它是指通过修建或利用已有集流地，将集流场的雨水蓄集在修建的蓄水设施中供异地利用的一种方式。一般由 3 部分组成，集流场、蓄水设施及利用设施，或者说由集流系统、蓄水系统及利用系统 3 部分构成。

　　这种方式主要是利用业已修好的集流场，如路面、屋顶、庭院等，将其产生的地表径流收集、存贮，供异地利用，或者是根据坡面耕地，如梯田、川地等的供水需求，在坡面人工硬化地面，新修集流场，集水设施，汇集存、贮雨水，供异地利用。集流场的大小根据当地降雨、土壤状况来确定。

4 不同雨水利用方式下的潜力计算方法

　　上述 3 种雨水利用方式基本上概括了目前雨水利用的所有主要方式。不同利用方式有着不同的转化能力，即当一种利用方式固定下来后，它所能实现的雨水资源化潜力就可以计算了。下面分别讨论上述三种雨水利用方式下的雨水资源化潜力。理论潜力的计算比较简单，只要知道给定区域的降水和面积，就可以直接计算，所以不再详细讨论。现实潜力是指在区域现有的雨水利用方式和技术下，已经实现的雨水资源开发量，它的计算公式形式同可实现潜力相同，只是公式中的参数意义不同。因此，以下主要以不同雨水利用方式下的雨水资源可实现潜力为主进行讨论。

4.1 雨水就地利用方式下的可实现潜力计算公式

　　该种方式是通过地表微地形的改变来增加地表土壤入渗能力，所有能够入渗到土壤水库中的雨水都有可能被植物吸收利用，而降雨地表径流如果流出本地块，就算做损失部分。因此，对于就地利用方式，其可实现潜力的计算公式应当表达如下：

Ra=λ_R×P×A×10³

其中，λ_R 值的确定是难点。λ_R 的值决定于两个方面，一方面决定于雨水利用工程的质量，比如水平梯田，其建设标准越高，拦蓄雨水的作用发挥越大；另一方面决定于降雨的特性（雨量，雨强和降雨历时），同样的雨水利用工程分布在不同的降雨区域，其调控径流的能力是不同的。雨水利用工程的质量主要取决于投资、施工和管理水平，通过调查，可以选择有高标准雨水利用工程的区域作为确定降雨调控系数λ_R 的前提，收集有关降雨径流资料，然后利用室内人工降雨模拟试验，根据试验结果确定λ_R。

4.2 雨水叠加利用方式的可实现潜力计算公式

　　雨水叠加利用工程实际上可以分为两个部分：产水区 A1 和用水区 A2，雨水只有被集中在用水区才有可能被利用。因此，这种利用方式下的可实现潜力应当包括两个部分：用水区本身集蓄的雨水加上产水区供给的径流。

Ra=λ_RA2×（λ_RA1×A1＋A2）×P×10³

其中，λ_RA1 为 A1 区的降雨调控系数，λ_RA2 为 A2 区的降雨调控系数，可以通过野外降雨径流资料或室内模拟降雨试验确定。

4.3 雨水异地利用方式的可实现潜力计算公式

　　这种方式的所能实现的雨水资源化可实现潜力主要取决于集流场的面积 A 和降雨调控系数λ_R（也称集流效率），其可实现潜力计算公式可以表达为：

Ra=λ_R×P×A×10³

对于一个特定的集流场来说，只要有不同材料处理的集流试验研究结果，就可以确定径流调控系数λ_R。

5 小流域雨水资源利用评价

　　对于一个特定的小流域，如果我们掌握了这个流域的降雨、入渗、地形、土壤资料，以及现有的雨水利用方式和面积，那么，只需要补充一定的降雨径流试验，依据本文提出的雨水资源化潜力计算办法，我们就可以计算出不同雨水利用方式的雨水资源化理论潜力、可实现潜力和现实潜力。再结合小流域的需水情况，从而对流域雨水资源的开发利用状况进行初步评价。

　　用 WDmax 表示小流域雨水资源最大可以开发的程度：WDmax 可以表达如下：

WDmax=Ra/Rt×100%

其中，Ra 为可实现潜力；Rt 为理论潜力。

　　用 WDreal 表示小流域雨水资源实际开发的程度：WDreal 可以表达如下：

WDreal=Rr/Rt×100%

其中，Rr 为现实潜力；Rt 为理论潜力。

　　用 Wd 表示小流域的实际需水程度，则 Wd 可以表达如下：

Wd=Rd/Rt×100%

式中，Rd 为实际需水量；Rt 为理论潜力。

　　雨水资源的开发必须坚持可持续利用和可持续发展的原则，因此，对雨水资源开发利用的评价就是检验现有的雨水资源利用现状是不是符合这一原则。一方面，雨水资源的开发要满足一定区域内的需求，另一方面，雨水资源的开发潜力并不是无穷大的，制定的开发规模和相应的需水量一定要有一个合适的程度，决不能超过雨水资源的承载力。

　　一般情况下，会出现以下 4 种情况：

　　（1）WDmax＞Wd＞WDreal, 表明小流域所制定的雨水资源开发规模较符合实际，尽管对雨水资源的开发利用还不能满足区域需水的要求，但还可以通过增加雨水利用工程措施或其它措施大力开发雨水资源。

　　（2）Wd＞WDmax＞WDreal，表明小流域所制定的雨水利用规模已超出雨水资源最大所能提供的潜力，必须对所制定的规划进行修改。

　　（3）WDmax＞WDreal＞Wd，表明小流域所制定的雨水利用规模对雨水资源的利用还很不充分，没能发挥出雨水资源的潜力，应当对规划进行调整，适当地扩大雨水利用的规模。

　　（4）WDmax=Wd=WDreal，表明小流域所制定的雨水开发规模已经到达雨水资源的最大潜力，而且实际的开发能力也符合所要求的开发规模，如能达到这样的结果，就真正实现了雨水资源的高效开发利用，现实中，这样的情况很少能出现。

　　以设立在黄土高原水土流失区 11 个国家科技攻关试验区小流域为例，这 11 个试验区小流域代表着黄土高原不同社会、生态、经济典型地区，面积在 5.7 到 12.9km² 之间，人口密度为每平方公里 44～257 人，降雨量在 400～600mm 之间，经过近 20 年的水土保持综合治理，小流域平均治理度达 80% 左右^[4]，是黄土高原小流域水土流失高度治理的典型代表。综合考虑小流域的人畜饮水、农业生产及林草植被生态的需水要求，计算小流域当前的需水量与雨水资源理论潜力的比值即 Wd 的结果是：当降雨设计频率为 50% 时，11 个试验区小流域的需水量与理论供水量之比为 55%～96%，平均为 66%，当降雨设计频率为 75% 时，11 个试验区小流域的需水量与理论供水量之比为 65%～122%，平均为 78%，当降雨设计频率为 90% 时，11 个试验区小流域的需水量与理论供水量之比为 81%～173%，平均为 101%。可以看出，这 11 个试验区小流域目前制定的计划用水量与流域的雨水资源理论潜力总量相比已经达到相当高的比例。当遇到中等偏旱年（降雨设计频率为 75%）时，计划用水量几乎占到雨水资源理论潜力总量的 80%，实际上，就目前的社会经济技术水平而言，要将雨水资源 80% 的理论潜力值开发出来还不太可能，这样高的比例还无法达到，计划用水的保证率相当低。这种现象反映出目前黄土高原高度治理下的小流域制定的用水计划还不十分合理，应该选择一个较高保证率的用水规划。

6 小结

　　(1) 在对雨水、雨水资源及雨水资源化等概念阐述的基础上，针对黄土高原的小流域水资源的特点，提出并讨论了小流域雨水资源化的概念；

　　(2) 通过对雨水资源化潜力的分析和讨论，提出了雨水资源化潜力的计算原理和办法；

　　(3) 在分析和总结不同雨水利用方式特点的基础上，提出了不同利用方式下潜力的计算办法；

　　(4) 从小流域雨水资源化的角度出发，结合实例，讨论了小流域尺度上水资源开发利用程度的初步评价办法。

参考文献

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