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【摘 要】本文通过对邢台县降雨特性及时空分布分析，结合作物需水量情况，对利用自然坡度集雨技术对单位面积集水量计算、蓄水工程容量的设计计算进行了分析。为丘陵山区农业发展、雨水利用提供科学依据。
【关键词】集雨；雨水利用技术；邢台县；丘陵区
Xingtai County hills rainwater utilization analysis
Weng Zhi-qiang,Liu Min
(Xingtai County, Hebei Province Water Authority Xingtai Hebei 054001)
【Abstract】Xingtai County, rainfall characteristics and temporal and spatial distribution analysis, combined with crop water requirements, using the natural slope of rainwater harvesting technology to calculate the per unit area of catchment, design and calculation of the capacity of water storage projects are analyzed. Provide a scientific basis for the agricultural development of the hills and mountains, rainwater utilization.
【Key words】Rainwater harvesting rainwater;The use of technology;Xingtai County;Hilly region
1. 地理情况
位于河北省南部，东经113°45′～114°38′，北纬36°58′～37°22′，东临南和县、任县；西与山西省左权、和顺、昔阳三县接壤；南与沙河市、武安市相连；北与内丘县毗邻。县境内的大沙河发源于内丘县白鹿角川的山丘区地带，流入境内后，主要支流为宋家庄川、将军墓川、浆水川和路罗川汇合流入朱庄水库，境内流域面积1102Km2，河长72Km，河源高程1120m，落差922m，河道纵坡12.8‰。七里河发源于境内西部山丘区龙尾尖后沟。全长77Km，境内河长59Km。流域面积505Km2，境内面积334Km2。河源高程400m，河口高程28.5m。河床纵坡4.82‰。七里河经南和县汇入大陆泽，上游建有东川口水库。牛尾河发源于中部张果老山及丘陵地带，由小黄河、沙底河、仙源河三条支流汇聚而成，经邢台县北侧穿过，入任县境内汇入南浬河。流域面积338Km2，在境内面积134Km2，河源高程190m，河口高程28.5m。河床纵坡3.42‰。白马河发源于境内北小庄乡的戈廖，经雀寨村、石槽、石相入任县汇入北澧河，该河全长73.5Km，流域面积485Km2，河源高程520m，河口高程30.5m。河床纵坡6.66‰，该河上游常年有水，上游建有羊卧湾水库。
2. 山区降雨特性及降雨径流关系分析
2.1 降雨量时空分布
降水量的区域分布不均匀，山区大于平原。西部山区多年平均年降雨量596.3mm，并有以白岸、路罗为中心的650mm以上的多雨区，平原区多年平均降雨量515.6mm。
降水量的年内分配集中。全年降水量75～80%集中在6～9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天甚至几天之内，特别是一些大水年份，降水更加集中。
2.2 降水频率分析
由于年降水量相对稳定，Cv值在地区分布上差别不大，除局部地区外，Cv值在0.30～0.40之间。多年平均Cv值等值线图见表1。偏差系数Cs的取值一般用Cs/Cv值来反映。Cs/Cv的选用值以最佳适线值为准。大部分站Cs/Cv值在3.0左右。
表1 水资源分区年降水量成果表
2.3 干旱指数分析。
干旱指数是反映各地气候干湿程度的指标，是蒸发能力与降水量的比值。选择在本次评价中雨量站和蒸发站相同的站点，计算各站的多年平均降水量与折算后的多年平均水面蒸发量，据此推求干旱指数。经计算，1981～2005年多年平均干旱指数2.1，山丘区在1.6～2.0之间，平原区在2.0～2.4之间。属于半湿润区。（邢台县山区多年平均蒸发量见图1）。
图1 邢台县山区多年平均蒸发量
2.4 年径流系数计算。
多年平均年径流系数的地区分布与年径流深相似。在太行山的迎风坡，呈现一条与山脉弧形走向一致的年径流系数大于0.2的高值地带。年径流系数的最高值为0.35，出现在路罗一带。年径流系数由高值带向东部逐渐减小。山前平原区的年径流系数在0.05以下。
全县多年平均年径流系数为0.219。山丘区和平原多年平均年径流系数分别为0.234、0.042。
3. 坡地单位面积集水量和蓄水工程容量计算
在丘陵，坡地坡度较大，该区坡度一般在10°～15°度之间，集流效率高。雨水集蓄工程适应土地零星分散、建造常规水利工程难以实现的地方。在干旱的丘陵区，集雨工程也可作为一种有效的补充灌溉措施。
3.1 单位面积集水量计算。
在自然降雨条件下，自然集水面的径流产生过程十分复杂，与降雨量、降雨强度、雨型、前期土壤含水量、植被盖度和坡度等都有关系。根据对邢台县丘陵区降雨径流关系分析，采用年降雨径流系数作为坡面集流面集流效率计算，则单位面积集水量可用下式计算：
Wa= k×η×Rp×M (2)
式中：k为单位换算系数；M为集水面积（耕地面积），hm2；Rp为对应P频率的年降水量，mm；η为山场集流面集流效率；Wa为天然降雨条件下单位面积年集水量，m3/hm2。 按照枯水年计算，年降水量为428.6mm，降雨径流系数采用0.25，则有效降雨为107.2mm。单位面积集水量为1072 m3/hm2。不同保证率降雨情况下单位面积集水量见表2。
表2 天然山场单位面积集水量计算结果
3.2 集水工程容积计算。
按照技术、经济合理的原则 ，确定蓄水工程的容积是集水工程建设的一个重要方面。影响蓄水容积的主要因素有地形、土质条件、不同用途要求、当地经济水平、技术能力等。蓄水设备的容积可按下式计算（2）：
V=K×W 1-α （1）
式中：V为蓄水容积，m3；W为耕地面积可集水量，m3；α为蓄水工程蒸发、渗漏损失量，取0.05～0.1；K为容积系数，在半干旱区，灌溉供水工程取0.6～0.9。
式（1）中的W按下式计算：
Wp=K1×Rp×F（2）
式中：K1为单位换算系数；Rp为设计频率为P的年净雨量，mm；F为耕地面积，hm2；Wp为计算的耕地面积内可集水量， m3。
例如，在耕地面积为0.45hm2下端建设蓄水池，设计雨量按平水年计算，计算蓄水池容积。
按照设计要求，先计算耕地面积的可集水量：
Wp=K1×Rp×F=10×138.9×0.45=625.0（m3）
按（3）式计算蓄水池的容积：
V＝K×W/（1－α）＝0.8×625.0/（1－0.05）＝526（m3）
储存系统是集水系统的一个有机组成部分，该区常用的蓄水设备有池塘、水窑等。蓄水设备的大小和位置的选择，用考虑集流、灌溉、地形等条件，即选择降雨后能形成地表径流且有一定集水面积的地方；而且选在灌溉农田附近，引水、取水都比较方便的位置。
4. 雨水补灌技术
在半干旱农牧交错带的丘陵和山区，可利用有利地形集聚雨水用于基本农田的补充灌溉，发展高效农业。在充分利用天然降水的同时，采用人工措施对农作物实施补灌。从2005年以来，董家沟利用坡地集雨，采用水窖和农田微地形集雨技术，结合地膜覆盖技术，取得良好效果。
4.1 微型水利工程集水补灌技术。
集雨面：利用坡面汇集雨水蓄积在池塘，在作物需水关键期输送到附近农田。应选择或修成平整光滑的坡面以增大有效径流量。汇流坡面直接采用作物种植面积，把汛期降雨集中时产流收集起来，储存在水窑中。
蓄水工程：其功能包括蓄水和保持良好水质。为防止泥沙进入，应在蓄水工程前修建沉沙池，在水流人口处建拦污栅。蓄水工程的形式有水窖、水池、水罐等。
集雨补灌的配套技术：由于集雨水量有限，水量只能用于作物的关键期补充灌溉，补充天然降水的不足。在输水过程中要基本杜绝渗漏和蒸发损失，要采取滴灌、小管出流等节水灌溉技术，还需要与基本农田建设、土壤改良、筛选高效耐旱作物品种、保护性耕作等技术及种植结构调整措施相结合。
以种植玉米为例，在平水年，玉米作物的全生长期，只有6月分缺水24.1mm，枯水年全生长期缺水74.3mm。根据该区降雨径流关系分析，枯水年可集净雨量99.6mm。在存储，灌溉过程中，按照10%损失量计算，可利用净水量89.6mm，而缺水74.3mm，利用耕地坡面集雨，能满足一年一熟玉米补充灌溉的水量。
对于棉花来讲，利用耕地坡面集雨，在平水年，单位面积可集水量132.3mm，棉花全生长期考虑天然降雨后还缺水130.2mm，基本能满足全生长期补充灌溉用水；而在枯水年，就不能满足补充灌溉用水需求了，全生长期缺水40.6mm。丘陵区雨水补灌技术水量平衡计算见表3。
表3 丘陵区雨水补灌技术水量平衡计算
4.2 地膜覆盖节水技术。
（1）半干旱山区的坡耕地和梯田上，利用覆膜技术和膜侧种植技术，就地集雨，就地利用，达到集水、保墒、抗旱的目的。
根据当地气候、降雨量年内分配、地膜集流效率及作物生育期需水情况来确定。常规的做法是在田地中，间隔30厘米左右，覆膜40厘米左右，在膜垄的两侧种植作物。这种种植方法比常规种植方法空地面积大，采光、通风条件优越，水分比无覆盖的田间多出近一倍，作物生长良好。
（2）在干旱区，在充分利用降雨资源的同时，结合地膜覆盖技术，可进一步达到节水的目的。由于薄膜的气密性强，地膜覆盖后能显著地减少土壤水分蒸发，使土壤湿度稳定，并能长期保持湿润，有利于根系生长。根据有关实验资料，采用地膜覆盖技术，节水效果一般达到30%～50%。在丘陵区，在充分利用天然降水的同时，采用集雨补灌和地膜覆盖技术相结合的农业用水模式，取得了良好的效果。通过董家沟村部分地块实践，特别在干旱年份，集雨水窑为保证农业稳产发挥了重要作用。
这里地处山前黄土丘陵地带，农业生产长期以来靠天吃饭。2005年，开展旱地坡面集雨工程以后，使村里的60亩旱地变成了水浇地。2007年，这个村虽遭受了春季连续干旱无雨，在建有集水池的地方，耕地做到了适时灌溉和播种，粮食产量也比以前有了明显提高。
5. 结论
利用坡面收集雨水，集雨技术简单易行，降雨集存系统工程投资小，工程完成后，可在不需要燃料和电力条件下提供水量，而且能适应各种复杂地形，蓄水工程规格宜大则大、宜小则小、宜方则方、宜圆则圆，便于施工和维护。
坡面集雨，利用现有耕地面积集蓄水量，因此，集蓄的水量较小，只能作为农作物的补充灌溉。但在丘陵干旱区，没有水源的情况下，充分利用天然降水，结合集雨补灌和地膜覆盖的节水技术，是解决该区农业发展的一项有效措施。
在干旱区，根据地形的特点，利用土地自然坡度集蓄雨水，使降雨成为一种额外的水量来源。它直接来源于降雨，无污染，收集储存后直接用于农田灌溉，为加速山区农业和经济发展发挥重要作用。
［文章编号］1619-2737（2012）06-19-649
［作者简介］ 文志强（1983-），男，籍贯：河北邢台县人，职称：助理工程师，长期从事水文水资源评价工作。
【关键词】集雨；雨水利用技术；邢台县；丘陵区
Xingtai County hills rainwater utilization analysis
Weng Zhi-qiang,Liu Min
(Xingtai County, Hebei Province Water Authority Xingtai Hebei 054001)
【Abstract】Xingtai County, rainfall characteristics and temporal and spatial distribution analysis, combined with crop water requirements, using the natural slope of rainwater harvesting technology to calculate the per unit area of catchment, design and calculation of the capacity of water storage projects are analyzed. Provide a scientific basis for the agricultural development of the hills and mountains, rainwater utilization.
【Key words】Rainwater harvesting rainwater;The use of technology;Xingtai County;Hilly region
1. 地理情况
位于河北省南部，东经113°45′～114°38′，北纬36°58′～37°22′，东临南和县、任县；西与山西省左权、和顺、昔阳三县接壤；南与沙河市、武安市相连；北与内丘县毗邻。县境内的大沙河发源于内丘县白鹿角川的山丘区地带，流入境内后，主要支流为宋家庄川、将军墓川、浆水川和路罗川汇合流入朱庄水库，境内流域面积1102Km2，河长72Km，河源高程1120m，落差922m，河道纵坡12.8‰。七里河发源于境内西部山丘区龙尾尖后沟。全长77Km，境内河长59Km。流域面积505Km2，境内面积334Km2。河源高程400m，河口高程28.5m。河床纵坡4.82‰。七里河经南和县汇入大陆泽，上游建有东川口水库。牛尾河发源于中部张果老山及丘陵地带，由小黄河、沙底河、仙源河三条支流汇聚而成，经邢台县北侧穿过，入任县境内汇入南浬河。流域面积338Km2，在境内面积134Km2，河源高程190m，河口高程28.5m。河床纵坡3.42‰。白马河发源于境内北小庄乡的戈廖，经雀寨村、石槽、石相入任县汇入北澧河，该河全长73.5Km，流域面积485Km2，河源高程520m，河口高程30.5m。河床纵坡6.66‰，该河上游常年有水，上游建有羊卧湾水库。
2. 山区降雨特性及降雨径流关系分析
2.1 降雨量时空分布
降水量的区域分布不均匀，山区大于平原。西部山区多年平均年降雨量596.3mm，并有以白岸、路罗为中心的650mm以上的多雨区，平原区多年平均降雨量515.6mm。
降水量的年内分配集中。全年降水量75～80%集中在6～9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天甚至几天之内，特别是一些大水年份，降水更加集中。
2.2 降水频率分析
由于年降水量相对稳定，Cv值在地区分布上差别不大，除局部地区外，Cv值在0.30～0.40之间。多年平均Cv值等值线图见表1。偏差系数Cs的取值一般用Cs/Cv值来反映。Cs/Cv的选用值以最佳适线值为准。大部分站Cs/Cv值在3.0左右。
表1 水资源分区年降水量成果表
2.3 干旱指数分析。
干旱指数是反映各地气候干湿程度的指标，是蒸发能力与降水量的比值。选择在本次评价中雨量站和蒸发站相同的站点，计算各站的多年平均降水量与折算后的多年平均水面蒸发量，据此推求干旱指数。经计算，1981～2005年多年平均干旱指数2.1，山丘区在1.6～2.0之间，平原区在2.0～2.4之间。属于半湿润区。（邢台县山区多年平均蒸发量见图1）。
图1 邢台县山区多年平均蒸发量
2.4 年径流系数计算。
多年平均年径流系数的地区分布与年径流深相似。在太行山的迎风坡，呈现一条与山脉弧形走向一致的年径流系数大于0.2的高值地带。年径流系数的最高值为0.35，出现在路罗一带。年径流系数由高值带向东部逐渐减小。山前平原区的年径流系数在0.05以下。
全县多年平均年径流系数为0.219。山丘区和平原多年平均年径流系数分别为0.234、0.042。
3. 坡地单位面积集水量和蓄水工程容量计算
在丘陵，坡地坡度较大，该区坡度一般在10°～15°度之间，集流效率高。雨水集蓄工程适应土地零星分散、建造常规水利工程难以实现的地方。在干旱的丘陵区，集雨工程也可作为一种有效的补充灌溉措施。
3.1 单位面积集水量计算。
在自然降雨条件下，自然集水面的径流产生过程十分复杂，与降雨量、降雨强度、雨型、前期土壤含水量、植被盖度和坡度等都有关系。根据对邢台县丘陵区降雨径流关系分析，采用年降雨径流系数作为坡面集流面集流效率计算，则单位面积集水量可用下式计算：
Wa= k×η×Rp×M (2)
式中：k为单位换算系数；M为集水面积（耕地面积），hm2；Rp为对应P频率的年降水量，mm；η为山场集流面集流效率；Wa为天然降雨条件下单位面积年集水量，m3/hm2。 按照枯水年计算，年降水量为428.6mm，降雨径流系数采用0.25，则有效降雨为107.2mm。单位面积集水量为1072 m3/hm2。不同保证率降雨情况下单位面积集水量见表2。
表2 天然山场单位面积集水量计算结果
3.2 集水工程容积计算。
按照技术、经济合理的原则 ，确定蓄水工程的容积是集水工程建设的一个重要方面。影响蓄水容积的主要因素有地形、土质条件、不同用途要求、当地经济水平、技术能力等。蓄水设备的容积可按下式计算（2）：
V=K×W 1-α （1）
式中：V为蓄水容积，m3；W为耕地面积可集水量，m3；α为蓄水工程蒸发、渗漏损失量，取0.05～0.1；K为容积系数，在半干旱区，灌溉供水工程取0.6～0.9。
式（1）中的W按下式计算：
Wp=K1×Rp×F（2）
式中：K1为单位换算系数；Rp为设计频率为P的年净雨量，mm；F为耕地面积，hm2；Wp为计算的耕地面积内可集水量， m3。
例如，在耕地面积为0.45hm2下端建设蓄水池，设计雨量按平水年计算，计算蓄水池容积。
按照设计要求，先计算耕地面积的可集水量：
Wp=K1×Rp×F=10×138.9×0.45=625.0（m3）
按（3）式计算蓄水池的容积：
V＝K×W/（1－α）＝0.8×625.0/（1－0.05）＝526（m3）
储存系统是集水系统的一个有机组成部分，该区常用的蓄水设备有池塘、水窑等。蓄水设备的大小和位置的选择，用考虑集流、灌溉、地形等条件，即选择降雨后能形成地表径流且有一定集水面积的地方；而且选在灌溉农田附近，引水、取水都比较方便的位置。
4. 雨水补灌技术
在半干旱农牧交错带的丘陵和山区，可利用有利地形集聚雨水用于基本农田的补充灌溉，发展高效农业。在充分利用天然降水的同时，采用人工措施对农作物实施补灌。从2005年以来，董家沟利用坡地集雨，采用水窖和农田微地形集雨技术，结合地膜覆盖技术，取得良好效果。
4.1 微型水利工程集水补灌技术。
集雨面：利用坡面汇集雨水蓄积在池塘，在作物需水关键期输送到附近农田。应选择或修成平整光滑的坡面以增大有效径流量。汇流坡面直接采用作物种植面积，把汛期降雨集中时产流收集起来，储存在水窑中。
蓄水工程：其功能包括蓄水和保持良好水质。为防止泥沙进入，应在蓄水工程前修建沉沙池，在水流人口处建拦污栅。蓄水工程的形式有水窖、水池、水罐等。
集雨补灌的配套技术：由于集雨水量有限，水量只能用于作物的关键期补充灌溉，补充天然降水的不足。在输水过程中要基本杜绝渗漏和蒸发损失，要采取滴灌、小管出流等节水灌溉技术，还需要与基本农田建设、土壤改良、筛选高效耐旱作物品种、保护性耕作等技术及种植结构调整措施相结合。
以种植玉米为例，在平水年，玉米作物的全生长期，只有6月分缺水24.1mm，枯水年全生长期缺水74.3mm。根据该区降雨径流关系分析，枯水年可集净雨量99.6mm。在存储，灌溉过程中，按照10%损失量计算，可利用净水量89.6mm，而缺水74.3mm，利用耕地坡面集雨，能满足一年一熟玉米补充灌溉的水量。
对于棉花来讲，利用耕地坡面集雨，在平水年，单位面积可集水量132.3mm，棉花全生长期考虑天然降雨后还缺水130.2mm，基本能满足全生长期补充灌溉用水；而在枯水年，就不能满足补充灌溉用水需求了，全生长期缺水40.6mm。丘陵区雨水补灌技术水量平衡计算见表3。
表3 丘陵区雨水补灌技术水量平衡计算
4.2 地膜覆盖节水技术。
（1）半干旱山区的坡耕地和梯田上，利用覆膜技术和膜侧种植技术，就地集雨，就地利用，达到集水、保墒、抗旱的目的。
根据当地气候、降雨量年内分配、地膜集流效率及作物生育期需水情况来确定。常规的做法是在田地中，间隔30厘米左右，覆膜40厘米左右，在膜垄的两侧种植作物。这种种植方法比常规种植方法空地面积大，采光、通风条件优越，水分比无覆盖的田间多出近一倍，作物生长良好。
（2）在干旱区，在充分利用降雨资源的同时，结合地膜覆盖技术，可进一步达到节水的目的。由于薄膜的气密性强，地膜覆盖后能显著地减少土壤水分蒸发，使土壤湿度稳定，并能长期保持湿润，有利于根系生长。根据有关实验资料，采用地膜覆盖技术，节水效果一般达到30%～50%。在丘陵区，在充分利用天然降水的同时，采用集雨补灌和地膜覆盖技术相结合的农业用水模式，取得了良好的效果。通过董家沟村部分地块实践，特别在干旱年份，集雨水窑为保证农业稳产发挥了重要作用。
这里地处山前黄土丘陵地带，农业生产长期以来靠天吃饭。2005年，开展旱地坡面集雨工程以后，使村里的60亩旱地变成了水浇地。2007年，这个村虽遭受了春季连续干旱无雨，在建有集水池的地方，耕地做到了适时灌溉和播种，粮食产量也比以前有了明显提高。
5. 结论
利用坡面收集雨水，集雨技术简单易行，降雨集存系统工程投资小，工程完成后，可在不需要燃料和电力条件下提供水量，而且能适应各种复杂地形，蓄水工程规格宜大则大、宜小则小、宜方则方、宜圆则圆，便于施工和维护。
坡面集雨，利用现有耕地面积集蓄水量，因此，集蓄的水量较小，只能作为农作物的补充灌溉。但在丘陵干旱区，没有水源的情况下，充分利用天然降水，结合集雨补灌和地膜覆盖的节水技术，是解决该区农业发展的一项有效措施。
在干旱区，根据地形的特点，利用土地自然坡度集蓄雨水，使降雨成为一种额外的水量来源。它直接来源于降雨，无污染，收集储存后直接用于农田灌溉，为加速山区农业和经济发展发挥重要作用。
［文章编号］1619-2737（2012）06-19-649
［作者简介］ 文志强（1983-），男，籍贯：河北邢台县人，职称：助理工程师，长期从事水文水资源评价工作。