第二节　雨水集蓄利用潜力及评价

一、雨水集蓄利用潜力的基本概念

雨水集蓄利用潜力是指在一定的技术经济条件下，在某一特定区域的一定时段内，运用工程和非工程等综合技术措施，将自然或人工集流面上的天然降水进行收集和储存，并对降水进行开发利用的最大能力。雨水资源和其他自然资源不同，开发利用必须限制在某一区域的一定时段内，这是由雨水资源内在的形成和转化规律决定的，而其他自然资源的开发利用潜力，一般则不受时间因素的限制。首先，只有通过资源化过程转化为一定区域内的可利用量时，雨水才可能被这个区域所利用，如果超出了区域的边界，那么对于这个特定的区域来说，雨水就变成了无法利用的资源。同时，雨水的资源化过程，也就是通过人工干预从水文循环中获取能够为人类所利用水资源的一种方式与方法。其次，雨水集蓄利用潜力是一个动态概念，在不同的科学技术水平条件下，其大小是各不相同的。应该说，随着科学技术水平的不断提高，雨水集蓄利用潜力无限接近于降水资源总量。根据雨水资源内在的形成和转化规律，一方面，在区域尺度不是足够大的条件下，径流形成发生在区域外部，受区域内部条件影响非常微小；另一方面，雨水资源的开发利用，在时间上循环往复，而且前一时段雨水资源的开发利用，对后一时段雨水资源的形成影响甚微。因此，概括地讲，雨水集蓄利用潜力具有时间和空间尺度特征，不同的时空尺度下，其潜力有所不同。同时，在不考虑经济技术条件以及雨水利用对环境影响的情况下，降水量是有可能被全部利用的，这就是雨水资源集蓄利用的理论潜力。但在特定的经济技术条件下，无论采取何种技术措施，总是无法实现对降水量的全部收集利用，在此情况下，雨水集蓄利用的最大开发能力即为雨水集蓄利用潜力。

二、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lt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P5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，%；

lt——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；

lsmax——区域最大长度，m；

P5——天然降水的无效系数；

k1、k2和k3——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坡向对日照时数和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；

A1——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

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。

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；

WnE——蒸发损失量，m3；

WnR——径流量，m3；

WnS——入渗量，m3；

WnP——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。

三、雨水集蓄利用潜力评价方法

（一）基于GIS的区域雨水集蓄利用潜力评价

1.评价模型基本思想

区域雨水集蓄利用潜力的实现一般是利用宏观分区或网格化的方法，将一个大区域划分为若干个适合于进行区域评价的小单元，并认为所有评价单元内各影响因素一致。基本评价单元划分遵循尺度概念，尽管一个大区域被划分为若干个小单元，但实际上，各单元仍然被控制在某一尺度的“小区域”内反映区域信息，并服从于区域整体评价的需要。通过分析区域内雨水集蓄利用潜力诸影响因子，确定各项数理指标，并利用GIS等技术，集成多种来源、多种尺度以及多种类型数据，建立空间数据库，按照模型参数要求提取各相关专题信息，运用统计分析法，分析雨水集蓄利用潜力与诸影响因子之间的关系，进而建立以雨水集蓄利用可实现潜力为因变量，以诸影响因子评价指标为自变量的评价模型。

根据上述分析，所建立的评价模型，实际上是以区域雨水集蓄利用可实现潜力为因变量，以诸影响因素为自变量的统计回归模型。降水是雨水集蓄利用的对象，降水因子所蕴含的物理意义即可反映这一过程，并在土壤、植被、地形地貌和人为因素等辅助因子作用下，产生现实的雨水集蓄利用潜力。根据以上思路，借助概率论基本原理可知，影响区域雨水集蓄利用潜力的气候因素、土壤因素、地形地貌因素、植被因素与人为因素之间的关系是一个典型的乘法事件。据此，可用式（2-6）表达：

式中　Ra——雨水集蓄利用可实现潜力；

A——系数；

P——气候因素；

S——土壤因素；

T——地形地貌因素；

Z——植被因素；

H——人为因素。

2.模型参数确定

利用模型定量评价区域雨水集蓄利用潜力分布状况，要求所选取的评价参数应具备以下特点：①宏观性，即指标能反映区域影响因子的宏观特征；②计算方便性，即评价指标具有数量化的概念，以适应定量评价的要求；③易于获取，使评价易于实现；④适于GIS处理，即指标均可直接或间接地由地理空间数据获得，同时适应于特定的GIS工具软件。

3.建模数据的GIS集成与提取

根据评价参数数据处理需要，评价模型涉及的源数据主要包括：研究区边界图、多年降水量原始数据、土壤类型分布图及其土壤因素相关参数数据、区域植被数据和选定代表人为因素的数据以及区域径流数据。这些数据具有典型的多类型、多比例尺和形态多样的特点，必须进行GIS空间集成，使其统一到雨水集蓄利用潜力评价对数据要求的整体框架内。利用ArcGIS分别数字化研究区域边界图和土壤图；用图形分析软件Surfer处理汛期降水、径流数据，生成相应的等值线图，再建立起Surfer与ArcGIS之间的数据交换接口，使Surfer图文数据转换为相应的ArcGIS矢量数据，最后经投影变换，将各项模型参数所需数据集成为一个规范的GIS空间数据库。

基于GIS的区域雨水集蓄利用潜力评价思想，将携带各项影响因子信息的空间数据依次与研究区边界图进行空间叠加（Overlay）。在叠加结果图的属性库中，以多边形的编号来统计各专题信息的参数值。在GIS属性库中，对多边形而言，每一个多边形便具有包括降水、径流、土壤、地形、植被以及人为影响因素等在内的全部雨水集蓄利用潜力评价信息。经过上述分析处理，就可以将各建模参数数据进行汇总，形成一个以多边形单元数量为记录总数，以各建模参数为记录字段的一个多边形对应6个字段的数据文件，它实际上构成了一个包括各项模型参数在内的数据矩阵。基于GIS的区域雨水集蓄利用潜力评价技术路线框图见图2-1。

根据模型选定参数，结合研究区域实际状况，对模型进行分析验证，从而进一步对区域雨水集蓄利用潜力进行评价，实现对区域雨水集蓄利用潜力的估算与分析。

（二）基于集对分析法的区域雨水集蓄利用潜力评价

1.集对分析原理

集对分析是我国学者赵克勤于1989年提出的一种处理不确定性问题的系统分析方法，其核心思想是把确定、不确定视作一个确定不确定系统。在这个确定不确定系统中，确定性与不确定性在一定条件下互相转化、互相影响、互相制约，并可用一个能充分体现其思想的确定不确定公式（u=a+bi+cj）来统一地描述各种不确定性，从而把对不确定性的辩证认识转换成一个具体的数学工具。其中u表示联系度，对于一个具体问题即为联系度，a表示同一度，b表示差异度，c表示对立度，i表示差异不确定度系数，i∈[-1，1]，j为对立度系数，计算时恒取-1。其中i在-1～1之间变化，体现了确定性与不确定性之间的相互转化，随着i→0，不确定性明显增加，而i取-1或者1，都是确定的。联系度u与差异不确定度系数i是该理论的基石。该理论包括了随机、模糊、灰色等常见不确定性。

雨水集蓄利用作为一个庞大的系统工程，其中包含了许多确定和不确定因素。因此，区域雨水集蓄利用潜力评价，实质上是一个同时具有确定性评价指标和评价标准以及具有不确定性评价因子与其含量变化相结合的分析过程。将集对分析方法用于雨水集蓄利用潜力评价，可视待评区域雨水集蓄利用系统的某项指标和标准将其分为两个集合，这两个集合构成一个集对，若该指标处于评价级别中，则认为是同一；若处于相隔的评价级别中，则认为是对立；若指标在相邻的评价级别中，则认为是差异。取差异不确定度系数i在-1～1之间变化，越接近所要评价的级别，i值越接近1，越接近相隔的评价级别，i值越接近-1。根据集对分析联系度表达式中的同一度、差异度、对立度数值及其相互间的联系、制约与转化关系，进行雨水集蓄利用潜力评价。

2.雨水集蓄利用潜力评价集对分析方法

基于集对分析法的雨水集蓄利用潜力评价，首先将评价区域的各个指标与评价标准构筑一个集对。对于某一区域的雨水集蓄利用潜力来说，设有N个评价指标，其中有S个评价指标优于标准，有P个较标准为差，有F个未测或缺乏比较，则该区域的联系度表达式为

式中　i——差异不确定度标记；

j——差异对立度标记。

设则a、b、c依次为同一度、差异度、对立度，将式（2-7）简写为

根据集对分析理论，式（2-8）中的同一度、对立度是相对确定的，而差异度则相对不确定；同时由于a、b、c三者是对同一问题不同侧面的全面刻画，因而三者彼此之间存在相互联系、制约与转化关系。依据a、b、c三者大小关系及定量分析，可以分析区域雨水集蓄利用潜力情况。进一步分析评价指标的数值与评价雨水集蓄利用潜力分级标准之间的数量关系，可以看出，即使不同区域的雨水集蓄利用潜力处于同一级别，也会因为评价指标值的差异，而使雨水集蓄利用潜力有所不同。由此，相对于分级标准可继续进行同一、差异、对立的集对分析。

根据分析所选雨水集蓄利用潜力评价指标，可知评价指标都为成本型指标，具体计算可采用式（2-9）进行：

式中　S1、S2、S3——分别为对应于同一、差异、对立事件的评价标准门限值；

x——各个待评区域的雨水资源状况指标值；

m——第m个待评区域；

n——第n个评价指标。

由联系度式（2-7）计算结果，根据同一度、差异度和对立度大小可以对各个待评区域的雨水集蓄利用潜力进行评价排序。根据式（2-9）的计算结果，分别取其平均值，得到各个评价区域的平均联系度，由中同一度、差异度和对立度的大小来确定待评区域雨水集蓄利用潜力所属的等级阶段。

（三）基于物元分析法的区域雨水集蓄利用潜力评价

1.物元分析理论

（1）基本模型。根据物元分析理论，给定事物的名称N，它关于特征c的量值为ν，以有序三元R=（N，c，ν）作为描述事物的基本元，简称物元。如果事物N有多个特征，它以n个特征c1，c2，…，cn和相应的量值ν1，ν2，…，νn描述，则物元可表示为式（2-10），这时R为n维物元，简记R=（N，c，ν）。

（2）经典域与节域物元。当N0为标准事物，关于特征ci量值范围ν0i=[a0i，b0i]时，经典域的物元可表示为式（2-11）；由各标准事物N0确定关于特征ci的量值范围νp=[api，bpi]所组成的物元Rp称为节域物元。节域物元可表示为式（2-12），其中[a01，b01]∈[ap1，bp1]（i=1，2，…，n）。

（3）关联函数及关联度。关联函数表示物元的量值取值为实轴上一点时，物元符合要求的范围程度，其函数值即为关联度。由于可拓集合的关联函数可用代数式来表达，从而实现对不相容问题的定量化描述。令有界区间x0=[a，b]的模定义为：|x0|=|b-a|，某一点x到区间x0=[a，b]的距离可用式（2-13）表示：

其关联函数K（x）定义为

式中　ρ（x，x0）——点x与有限区间x0=[a，b]的距离；

ρ（x，xp）——点x与有限区间[ap，bp]的距离；

x、x0、xp——分别为待评物元的量值、经典域物元的特征范围和节域物元的特征范围。

（4）综合关联度和等级评定。综合关联度Kj（Nx）表示待评事物Nx符合某等级j的隶属程度，可由式（2-15）计算：

式中　Kj（xi）——待评事物关于等级j评价指标i的关联度（j=1，2，…，n）；

ai——评价指标的权系数。

其中，按式（2-14）计算且当Kj（xi）≥1.0时，表示被评价对象超过标准对象上限，数值越大，开发潜力越大；当0≤Kj（xi）≤1.0时，表示被评价对象符合标准对象要求的程度，数值越大，越接近标准上限；当-1.0≤Kj（xi）≤0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件，且值越大，越易转化，当Kj（xi）≤-1.0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，且又不具备转化为标准对象的条件。如果待评事物关于某个等级的综合关联度最大，则待评事物Nx属于该等级，即Kj0=max（Kj（xi））则评定事物Nx属于等级j0。

2.区域雨水集蓄利用阶段和评价指标

依据物元分析理论，将区域雨水集蓄利用阶段各特征值及相应标准作为经典物元，待评区域雨水集蓄利用特征值作为待评物元，可对区域雨水集蓄利用进行综合评价，即将区域雨水集蓄利用进行阶段分级，确定评价指标及指标值，然后由关联函数计算待评物元特征指标与经典物元特征指标关联度，加权求和得出待评物元关于各等级的综合关联度，进而分析雨水集蓄利用目前所属的阶段。

（1）区域雨水集蓄利用阶段。资源系统是自然和社会相互作用的动态系统，其开发利用程度随着社会需求的增加和经济技术水平的提高而不断增加，但这种增加的潜力相对有限。区域雨水集蓄利用即是在一定自然条件和社会经济技术水平约束下进行，根据目前雨水集蓄开发利用状况，可分为V1、V2、V33个阶段。

1）V1阶段——自然阶段。该阶段基本没有雨水集蓄利用工程，雨水资源工程化控制程度低，雨水利用谈不上综合利用与管理。然而，该阶段雨水利用开发潜力巨大，我国大部分地区目前雨水集蓄利用程度都处于此阶段。

2）V2阶段——发展阶段。该阶段雨水集蓄工程已具有一定规模，雨水资源工程化控制程度较高，雨水集蓄利用技术已具有一定理论基础和实践经验，但雨水资源的进一步开发利用仍具有较大潜力。

3）V3阶段——饱和阶段。该阶段雨水资源工程化控制程度高，雨水资源开发利用程度已接近极限，进一步开发利用潜力很小，由于配套实施了综合集水、配水和用水措施，雨水资源的综合管理达到相当高的水平。

（2）区域雨水集蓄利用潜力评价指标。区域雨水集蓄开发利用指标很多，评价指标的选取要求能够从不同方面、不同角度客观反映区域雨水利用供需关系以及开发利用状况，区域雨水集蓄利用潜力评价指标主要包括：

1）雨水资源控制率I1：用年人工集蓄雨水总量与多年平均区域降水量之比来表示，%。

2）农业灌溉中雨水灌溉所占比例I2：雨水灌溉耕地面积与区域内耕地总面积之比，%。

3）生活用水中雨水所占比例I3：生活用水中雨水用量与区域内生活总用水量之比，%。

4）工业用水中雨水所占比例I4：工业用水中雨水用量与区域内工业总用水量之比，%。

5）生态环境用水中雨水所占比例I5：生态环境用水量中雨水用量与区域内生态环境总用水量之比，%。

把V1、V2、V33个阶段作为3个等级，各等级评价指标的指标值根据区域雨水集蓄利用状况进行分级并选取适当数值，在上述基础上结合建立的模型对区域雨水集蓄利用潜力进行评价。

（四）基于灰色关联分析法的区域雨水集蓄利用潜力评价

1.灰色关联分析模型

灰色关联评价系统是根据所给出的评价标准或比较序列，通过计算参考序列与各评价标准或比较序列的关联度大小，通过判断该参考序列与比较序列的接近程度来评定该参考序列的等级。

灰色关联评价系统模型构建具体步骤如下：

（1）确定参考序列和比较序列。设实测样本序列数即参考序列为m个，包含n个评价指标，则第i实测样本序列可表示为

Xi={xi（1），xi（2），…，xi（n）}（i=1，2，…，m）

将分级标准作为比较序列，共分s级。因此，第j级标准的比较序列可表示为

Yj={yj（1），yj（2），…，yj（n）}（j=1，2，…，s）

（2）归一化处理。由于系统中各因素的量纲不一定相同，而且有时量值的数量级相差悬殊，这样的数据很难直接进行比较，且它们的几何曲线比例也不同。因此，需要对原始数据消除量纲，转换为可比较的数据序列，也就是进行归一化处理：①使各序列无量纲化；②使各序列基本处于同一数量级。

（3）求关联系数。关联系数可用式（2-16）表示：

式中　aij（k）——关联系数；

Δij（k）——{xi（k）}与{yj（k）}在第i点第k项的绝对差，k=1，2，…，n；

mjinmkinΔij（k）——二极最小差；

mjaxmkaxΔij（k）——二极最大差；

Y——分辨系数，其取值在0～1之间，一般取Y=0.5。

由于评价标准并非一具体数值，而是一个区间，故定义yj（k）=[aj（k），bj（k）]，则

式中　aj（k）、bj（k）——分别为指标k第j个级别的上限与下限。

（4）求加权关联度。加权关联度可用式（2-18）表示：

式中　Vij——加权关联度；

w（k）——第k指标权重，k=1，2，…，n；

aij（k）——关联系数。

关联度分析实质上是对序列数据进行空间几何关系比较，通过对两序列加权关联度大小的比较，得到Vmax，即可确定该实测评价样本所属的等级。然后根据不同实测评价样本序列与比较序列即标准序列比较所得的Vmax，可以对评价样本进行排序，从而实现排序和等级分类。

2.区域雨水集蓄利用潜力分级和评价指标

（1）区域雨水集蓄利用潜力分级。同基于物元分析法的区域雨水集蓄利用潜力评价中区域雨水集蓄利用阶段分级。

（2）区域雨水集蓄潜力评价指标。同基于物元分析法的区域雨水集蓄利用潜力评价中区域雨水集蓄利用潜力评价指标。

四、雨水集蓄利用潜力评价指标体系

（一）雨水集蓄利用潜力评价程序

雨水集蓄利用潜力评价不能仅限于某一、两个方面的评价，其与生态、经济、技术和社会方面的许多因子密切相关，不同因子由于其性质和特征的不同，对雨水集蓄利用的影响不同，其评价指标和方法亦各有区别，对其评价应从社会适应性、经济合理性、技术可行性及生态环境合理性等多方面进行综合评价，并且要结合区域雨水资源特点，以提高区域雨水集蓄利用潜力为基本出发点，以经济合理性和技术可行性评价为主，以其他评价为辅进行综合评价。这种多目标评价要运用系统论思想和方法，采用定性分析与定量分析相结合方法，对区域雨水集蓄利用潜力进行全面和客观的描述和评价。

1.雨水集蓄利用潜力评价目标

雨水集蓄利用潜力评价不仅包括对生态、经济、技术、社会各要素现状的调查与评价，而且还需要评价不同的雨水利用方式所导致生态过程、经济结构、技术和社会组成的动态变化，是有益的还是有害的，其目的是维持雨水资源的高效利用、持续发展和稳定性。评价指标可从生态、经济、技术和社会方面来讨论，主要反映雨水集蓄利用技术的生产可持续性、生态可持续性、技术合理性和社会适应性。

2.评价指标体系构建原则

对区域雨水集蓄利用这样的复杂系统来说，目前还难以用少数几个指标来描述系统的状态和变化，需要采用多个指标组成一个有机的整体，通过建立指标体系来描述系统的发展状况。同时区域雨水集蓄利用是特定区域的系统工程，加之该技术必然与水资源的合理配置相结合。因此，评价指标一般由较多的影响因子构成，这些因子相互作用、相互制约，反映着区域雨水集蓄利用的整体状态。评价指标体系可依据区域特征和雨水集蓄利用目标进行构造，其特征主要表现为在时间上反映雨水集蓄利用的程度和趋势，在空间上反映生态系统的整体布局和结构，在数量上反映雨水集蓄利用的规模，从不同层次上反映雨水集蓄利用系统的环境效应。一方面，评价因子的选择是否合理对评价结果的正确性有极为重要的影响；另一方面，评价因子的选择又不可能面面俱到，而是要在众多的指标中筛选出那些最灵敏的、便于度量而且内涵丰富的主导性指标作为评价指标。因此，要针对具体的区域，可以选择主要的指标或增加、修改部分代表性指标。一方面要求反映研究区域的地域特征；另一方面更要注重单项指标在体系中的指示作用。为此，区域雨水集蓄利用潜力综合评价指标体系构建应遵循以下原则：

（1）全面性。建立特定区域的综合评价体系，首先遵守全面性原则，即所建立的指标要能够全面反映区域雨水集蓄利用情况，包括社会、经济、防洪、生态环境及水源开发等各个方面。指标的内容和范围既要包括该系统与外部环境的相互关系，又要包括系统本身的各项特征参数，这些指标既有定量的，也有定性的；既有短期的，也有长期的；既要分析直接的因素，又要考虑间接的因素；既包括局部的影响因素，又要包括整体的影响因素。

（2）简单性。区域雨水集蓄利用是特定区域的一个相对较为简单的系统，因而在评价指标的制定中，要借鉴区域水资源配置指标体系构建经验，避免繁琐性，应充分把握好区域雨水集蓄利用的特点，抓住主要方面，使分析计算及相应工作更加简捷。

（3）科学性。综合评价体系在全面简单的基础上还要突出科学性，这就要求每个层次及指标在制定和计算过程中都必须科学、合理、准确，尽可能完整、准确地反映所评价对象，实现科学性、完整性和简单性的统一。

（4）目的性。该系统指标的建立，重在分析区域雨水集蓄利用技术的合理性和科学性，因而该评价体系应该围绕合理配置展开，使评价的结果能够清楚反映评价的意图。

（5）客观性。指标必须客观存在，符合区域实际情况，避免选择受人为影响严重的指标。指标必须简明扼要，具有独立内涵，能够充分反映区域雨水资源的本质特征，且不存在重复设置。

（6）独立性。系统的状态可以用多个指标来描述，但这些指标之间往往存在信息交叉。因此，应在诸多交叉信息中，选择具有代表性和独立性较强的指标参与评价过程，指标之间尽量避免互相重叠，不存在运算或因果关系。

（7）动态性。时间尺度上的持续性是资源可持续利用的主要特征之一，并且雨水资源在数量、质量、空间上都随着时间发生动态变化。因此，在构建指标体系时，必须选择相应的指标来标度系统的动态，将时间显性或隐性地包含在指标体系之中，使评价模型具有“活性”。

（8）可比性。选取指标必须尽可能如实反映措施与效应之间的关系，确定环境改善与环境功能增加之间的关系，即剂量反应关系。也就是说措施数量与效应之间存在函数或者易于统计的数学关系。

（9）可操作性。指标必需的资料容易获得，必需的计算方法容易操作，尽量避免计算复杂、采集困难的指标。

（10）层次性。雨水集蓄利用综合评价系统包括社会适应性、经济合理性、技术可行性及生态环境合理性评价子系统，每一子系统又可以用众多的具体指标进行标度，最终合成一个指标来描述系统的可持续利用状态。因此，指标体系的设置也应具有层次性，所选用指标要能同时反映单项效果与综合效果、局部效果和整体效果、微观效果和宏观效果等。

3.指标体系建立程序与方法

区域雨水集蓄利用系统虽然结构较为简单、层次不多，但是各子系统之间既有相互作用，又有相互间的输入和输出，某些元素及子系统的改变有可能导致整个系统由优到劣或由劣到优的重大变化。因此，要建立一个具有科学性、全面性、简单性和目的性的综合评价指标体系，需要进行周密的考虑，避免指标的偏离。区域雨水集蓄利用综合评价体系建立一般包括以下几个步骤：

（1）指标设置。采用系统分析、频度统计法。系统分析即根据资源可持续利用系统特征，可以不受条件的限制，凡是能够描述该系统各层次状态的所有指标应尽可能一一列出，这样做的目的是全方位地考虑问题，防止重要指标的遗漏。采用频度统计法对目前的研究报告、论文进行统计，选用使用频率较高的指标。

（2）初步选择评价指标。从分析各评价因素的逻辑关系入手，对评价方案做出条理清晰、层次分明的系统分析，从整体最优原则出发，考虑局部服从整体、宏观结合微观、长远结合近期，综合多种因素，确定评价方案的总目标。然后，对目标按其构成要素之间的逻辑关系进行分解，形成系统完整的评价指标体系。初步选出的评价指标应包括各种效果与影响的定性分析和定量分析指标。

（3）确立评价指标体系。为了使评价指标体系能够满足指标体系建立的原则，还需要开展进一步的筛选工作。筛选工作分为前期“一般性指标”筛选和后期“具体指标”筛选。筛选指标时应尽量选择那些可能受到该系统直接或间接影响的指标，选择那些具有时间和空间动态特征的指标。指标筛选方法有：频度统计法、理论分析法、专家咨询法、主成分分析法和独立分析法。按照上述方法，由最后选出的独立性指标和主成分指标共同构成评价指标体系。

（二）雨水集蓄利用潜力评价指标体系建立

区域雨水集蓄利用潜力综合评价指标是用来度量、分析区域雨水集蓄利用程度的重要手段，它既是区域雨水资源利用现状与水平的表达，也是区域雨水资源合理配置和高效利用的反映。构建的指标体系须全面、完整、准确地反映雨水资源属性，并能从多角度、全方位对雨水资源利用进行综合评价，在遵循科学性、系统性、可表征性、可操作性等原则的基础上，借鉴国内外有关雨水集蓄利用研究成果作为指标选择的依据，从影响区域雨水资源集蓄利用的社会适应性、经济合理性、技术可行性和生态环境合理性4个方面出发，选择35个评价指标，建立由目标层（A）、准则层（B）、指标层（C）3个层次组成的区域雨水集蓄利用潜力综合评价指标体系。区域雨水集蓄利用潜力综合评价指标体系层次结构见表2-2。

五、区域雨水集蓄利用潜力计算及评价

（一）雨水集蓄利用潜力计算原则

1.区域水量平衡原则

在某一封闭的区域内，雨水是唯一的外界水源补给，在一定时段内，区域的雨水补给量与输出量之差等于区域内各类水体蓄变量之和。水资源输出包括径流流失、蒸发蒸腾及向区域外的水资源输出，其中，径流与蒸发蒸腾损失量是可以通过人工措施进行调控的，雨水资源化的目的就是尽量减少径流流失、蒸发蒸腾损失，促使其向有利于雨水资源利用的方向转化。

2.承载力有限原则

区域内耗水类型主要包括生活、生产、生态三个方面，其中生态用水除特殊要求外，一般只采用雨水就地利用方式既可满足其需水量。同时，由于区域内总降水量与集流面积有限，因此可利用雨水资源与承载力也相对有限，从而使得生产、生活与生态供水存在一定限制。因此，任何一个区域的水资源都不可能实现超限供给，雨水资源的利用亦不例外。

3.技术经济约束原则

从雨水集蓄利用技术的内涵来看，每一项技术都具备一定的径流调控能力，但同时也存在一定的自然、社会、经济等适用范围和限制条件。为实现径流调控能力，需要辅以一系列工程措施，同时需要一定的工程建设费用。一般而言，费用越高，集流效果越好，在相同的供水要求下所需集流面越小。因此，在不同的技术经济条件约束下，雨水集蓄利用工程在区域内存在不同的布局与规模。

（二）雨水集蓄利用潜力计算方法

区域雨水集蓄利用潜力是指区域内的降水中能被资源化且为人类社会经济活动所利用的量。根据最新研究成果，结合雨水集蓄利用实践，区域雨水集蓄利用潜力一般可划分为理论潜力、可实现潜力与现实潜力。

1.理论潜力

由于大气降水是陆地上各种形态水资源的补给来源，它是一个流域或封闭地区当地水资源量的最大值。因此，区域雨水集蓄利用理论潜力实质上就是该区域的降水总量，具体可按式（2-19）计算：

式中　Wt——区域雨水集蓄利用理论潜力，m3；

Pp——设计频率下的区域降水量，mm；

A——雨水集蓄利用区域面积，km2。

2.可实现潜力

实际上，任何一个区域的雨水是不可能完全资源化并被开发利用的。一方面，由于自然条件和技术经济水平的限制，人们只能利用部分雨水资源；另一方面，经济、社会与环境的协调发展也不允许对水资源进行完全意义上的开发利用。参考联合国粮农组织（FAO）提出的有效降水量概念，我们可以将区域雨水集蓄利用可实现潜力定义为：在一定自然和技术经济条件下，按照经济、社会、环境协调发展的要求，依托已有利用方式和工程技术手段可以开发利用的最大雨水资源量。一般来讲，区域需水主要包括生活、生产和生态三个方面。因此，雨水资源化事实上就是指雨水转化为资源并能够被生活、生产和生态加以利用的过程。

一般情况下，经过下垫面的转化，雨水就成为地表水、地下水及土壤水中的一种，其中土壤水是其主要表现形式之一。无论从广义还是狭义的水资源概念和定义来看，土壤水并非水资源的范畴。然而，对于植物而言，能够直接吸收利用的是土壤水，而其他水资源（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其吸收利用。因此，对于农业生产及生态环境需水来说，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。正因为如此，可以认为一定区域的雨水资源可实现潜力与区域降水特性（雨量、雨强、降雨历时等）、地形、土壤特性、降水前土壤含水量（土壤前期含水量）、作物种类及生育阶段、耕作措施等因素有关，同时，也与区域经济发展水平和付诸于雨水集蓄利用工程本身的技术有关。

依据雨水集蓄利用可实现潜力定义，构建式（2-20）：

式中　We——雨水集蓄利用可实现潜力，m3；

λe——雨水集蓄利用可实现潜力系数；

其他符号意义同前。

3.现实潜力

雨水集蓄利用现实潜力是指当前利用方式、技术水平和利用规模下，能够调控利用和已经实现的雨水资源利用量。现实潜力Wy是在可实现潜力We的基础上，综合考虑区域经济、社会发展对雨水集蓄利用的需求与组织管理水平等多种因素共同作用和影响的结果，是某一区域当前降水调控能力和水平的真实体现。

依据雨水集蓄利用现实潜力定义，构建式（2-21）：

式中　Wy——雨水集蓄利用可实现潜力，m3；

λy——雨水集蓄利用现实潜力系数；

其他符号意义同前。

（三）不同雨水利用方式下的潜力计算

1.雨水资源利用方式

雨水集蓄利用是指通过改变地表微观形状、调控土壤入渗能力等方式，有效改变雨水在地表上的分配变化以及地表径流汇集方式，延长地表径流时间，或改变地表径流运动路径等途径，继而达到径流局部汇集，实现雨水集蓄利用的目的。目前，我国雨水集蓄利用主要包括就地利用、异地利用和叠加利用三种方式。不同的雨水集蓄利用方式，势必对应不同的雨水集蓄利用潜力。

（1）就地利用方式。通过夷平或者隆起地表，改善径流汇集条件，增加雨水入渗量，如川台地、水平梯田、鱼鳞坑等雨水利用方式。

（2）异地利用方式。通过修建小型集流场和一定数量的蓄水设施，将某一区域的降水汇集、存储并供其他区域利用的雨水利用方式。雨水汇集区域一般包括居民点、道路、人工集流场等，利用途径包括解决生活用水、发展农业灌溉和恢复生态植被等，该利用方式一般涉及集流场、蓄水设施和供水设施等。

（3）叠加利用方式。在充分利用当地降水，实现雨水就地利用的基础上，将邻近区域的地表径流加以汇集并在本区域进行利用的一种雨水集蓄利用方式。如隔坡梯田、垄沟种植、垄膜沟播技术，分别将梯田坡面部分、垄上部分、膜上部分的降水汇集和截留到作物种植区域并加以利用，实现了对雨水的叠加利用。事实上，雨水叠加利用是雨水就地利用和异地利用的集合。

2.不同雨水利用方式下的潜力计算

不同的雨水集蓄利用方式有着不同的雨水资源转化能力，即当某一区域的雨水集蓄利用方式确定后，它所能实现的雨水资源化潜力也就确定了。在前述雨水集蓄利用潜力计算方法讨论中，分别提出了雨水集蓄利用理论潜力、可实现潜力和现实潜力。其中，理论潜力计算简单，只要给定区域降水和面积，就可以直接计算确定，但理论潜力对真正意义上的雨水集蓄利用意义、作用都不大，为此，不再进行详细讨论。现实潜力是指在区域当前雨水利用方式、技术水平和利用规模下，能够调控利用和已经实现的雨水资源利用量，对雨水集蓄利用规划不具备指导作用，本处亦不做重点讨论。因此，本节主要针对前述提出的三种雨水集蓄利用方式，计算确定雨水集蓄利用可实现潜力。

（1）雨水就地利用可实现潜力。

该种方式是通过雨水集蓄利用区域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，而降雨形成的地表径流如果流出本地块，就认为是损失部分。因此，对于就地利用方式，按式（2-20）计算可实现潜力时，雨水集蓄利用可实现潜力系数λe值实际上就是雨水集蓄利用工程下垫面的就地利用系数，也就是雨水利用区域的平均入渗系数。

当天然降水与下垫面接触后（不计蒸发），一部分降水直接向土壤入渗被直接利用，其余部分降水则形成地面径流。根据就地利用定义，则就地利用系数可按式（2-22）计算：

式中　μai——第i种雨水就地利用下垫面的利用系数；

Kai——去除植物截留后第i种雨水就地利用下垫面的降水利用系数，一般可取0.95～0.98；

Rai——第i种雨水就地利用下垫面的降水径流深，mm；

其他符号意义同前。

将式（2-22）代入式（2-20），可以得到雨水就地利用可实现潜力：

式中　Wea——雨水就地利用可实现潜力，m3；

m——计算区域内不同种类的雨水就地利用下垫面数量；

Aai——计算区域内第i种雨水就地利用下垫面的面积，km2；

其他符号意义同前。

前述概念中的入渗系数与径流系数为互补关系，即入渗系数越大，径流系数越小。其中，径流系数是指同一时间段内，区域面积上的径流深度（mm）与降水量（mm）的比值，不同的土地利用类型其径流系数取值各不相同。同时，在径流汇集过程中，由于地形、渗透以及地面水土保持等措施的拦蓄作用，径流量会有一个折减。因此，在用坡地径流资源公式计算雨水资源时，必须考虑折减系数。根据相关资料文献可得到丘陵区（山区）径流系数和折减系数取值范围，不同土地利用类型下径流系数与折减系数见表2-3。

（2）雨水异地利用可实现潜力。

对雨水异地利用方式而言，雨水集蓄利用可实现潜力系数事实上就是雨水集蓄利用工程集流效率，也就是降水径流系数，具体可用式（2-24）表示：

式中　λbj——第i种雨水异地利用下垫面的径流系数；

Kbj——去除植物截留后第j种雨水异地利用下垫面的降水利用系数，一般可取0.95～0.98；

Rbj——第j种雨水异地利用下垫面的降水径流深，mm；

其他符号意义同前。

将式（2-24）代入式（2-20），可以得到雨水异地利用可实现潜力计算公式（2-25）：

式中　Web——雨水异地利用可实现潜力，m3；

n——计算区域内不同种类的雨水异地利用下垫面数量；

Abj——计算区域内第i种雨水异地利用下垫面的面积，km2；

其他符号意义同前。

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λbj。

（3）雨水叠加利用可实现潜力。

雨水叠加利用工程实际上是雨水就地利用与雨水异地利用的组合，可以分为两个部分：用水区A1和产水区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（就地利用部分）加上产水区供给的径流（异地利用部分）。具体计算可用式（2-26）表示：

式中　Wec——雨水叠加利用可实现潜力，m3；

WA1ea——雨水叠加利用用水区可实现潜力，m3；

WA2eb——雨水叠加利用产水区可实现潜力，m3。

将式（2-23）、式（2-25）分别代入式（2-26）可得：

式中　AA1ai——雨水叠加利用第i种用水区面积，km2；

AA2bj——雨水叠加利用第j种产水区面积，km2；

其他符号意义同前。

（四）区域雨水集蓄利用评价

区域雨水集蓄利用必须坚持可持续利用和可持续发展的原则，一方面，雨水资源的开发要尽量满足一定区域内的用水需求；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能力。结合区域雨水资源潜力和需水状况，对区域雨水集蓄利用状况进行初步评价。用Rmax表示小区域雨水集蓄利用最大可以开发的程度：

式中　Rmax——雨水集蓄利用最大开发程度，m3；

We——雨水集蓄利用可实现潜力，m3；

Wt——雨水集蓄利用理论潜力，m3。

如果用Rr表示区域雨水资源集蓄利用实际开发程度，则有式（2-29）：

式中　Rr——雨水资源集蓄利用实际开发程度，%；

Wr——雨水集蓄利用实际开发利用量，m3；

其他符号意义同前。

如果用Rd表示区域的雨水集蓄利用实际需水程度，则有式（2-30）：

式中　Rd——雨水集蓄利用实际需水程度，%；

Wd——雨水集蓄利用实际需水量，m3；

其他符号意义同前。

在前述定义的基础上，区域雨水集蓄利用评价可分为下列4种情况：

（1）Rmax＞Rd＞Rr，表明制定的区域雨水资源集蓄开发利用规模较符合实际，尽管对雨水资源的集蓄利用不能满足区域需水要求，但可通过增加雨水集蓄利用工程和其他措施大力开发雨水资源。

（2）Rd＞Rmax＞Rr，表明制定的区域雨水资源集蓄利用开发规模已超出了雨水资源最大所能提供的潜力，必须对制定的规划进行修改。

（3）Rmax＞Rr＞Rd，表明制定的区域雨水集蓄利用规模对雨水资源的利用还很不充分，没能有效发挥雨水资源的利用潜力，应当对规划进行调整，适当扩大雨水利用规模。

（4）Rmax=Rd=Rr，表明制定的区域雨水集蓄利用开发规模已经达到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。但在现实中，这样的情况一般很少能够出现。