3.1 降雨特征
泸西县1959—2018年的降水量呈减少趋势,气温呈上升趋势,意味着该地区近60 a趋于暖干化,水资源情势日趋紧张。1959—2018年平均降水量为910.30 mm,降水量的月间变化显著,年内降雨量分布极为不均匀。雨季(5—10月)降水量为766.05 mm,占年总降水量的84.15%; 集中降水在夏季(6—8月),年平均507.58 mm,占年总降水量55.76%。干季(11月—次年4月)降水量为144.25 mm,仅占年总降水量的15.85%; 冬季(12月—次年2月)降水量最少,仅35.24 mm占全年降水量的3.87%。从1959—2018年的降水数据的距平百分数来看(图2),13个丰水年即涝年(11个轻涝、1个中涝、1个特涝),降雨最丰富的年为1961年,年降水量达为1 360.5 mm; 12 a为干旱年(9个轻旱、2个中旱、1个重旱),最干旱年为2011年,年降水量仅为522.3 mm,比1961年降水量1/2还少; 无旱涝年(平水年)占58.33%即35个,以1993年典型,年降水量为887.4 mm。
通过结合1959—2018年降雨数据,经降雨距平百分数的分类和年降雨量排序选择以2015年为涝年、1993年为平水年、2003年为干旱年、2011年为极端干旱年的典型代表(干旱决定着水窖尺寸的下限,为减少偶然性误差,故选择两个干旱年),这些年份分别是60 a里的年降雨量排序的9/10,5/10,1/10和最干旱的1 a(1/60)。干旱年降雨天次数最少(表1),2011年中雨以上降水次数13次,2003年中雨以上降水次数25次; 平水年降水次数介于干旱年与丰水年之间,中雨以上降雨次数30次,其中包含1次暴雨; 2015年中雨以上降雨次数38次,约2011年的3倍,约1993年的4/3倍。2015年、1993年、2003年、2011年的日降水量如图3所示。
3.2 建立水窖日水量平衡模型
3.2.1 用水情况
根据泸西县入户访问得到的调查数据可知,人畜饮水和生活用水主要来源于大气降雨。当地用水主要分为两种,其中一种是人畜饮用水,包括人(含厨房用水)和家里牲畜的饮用水,全村主要来源于家庭集雨水窖; 另一种是村民日常生活用水,如洗衣服、洗澡等,主要来源于村里公用大水窖、自来水。按照平均条件,每户人畜饮用水量按抽样调研的若干户平均水平进行计算,考虑到常住人口数和饲养牲畜数。根据当地实际情况,区域家庭平均用水量为0.030 m3/d,每头牛用水量为0.055 m3/d,每匹马用水量为0.045 m3/d,每头猪用水量为0.025 m3/d,每只鸡0.001 m3/d。按照平均条件:每户常住人口5人,并饲养了1头牛、1匹马、1头猪、4只鸡的标准来计算,则每户日均人畜用水量为:0.030+1×0.055+1×0.045+0.025+4×0.001=0.159 m3,年需水量为DY=58.035 m3。
3.2.2 产流情况
依据实地调查数据可知,该地区水窖集雨方式都是通过人字形屋顶产流进行集雨,然后流入家庭水窖之中。在雨季来临之前,村民把屋顶打扫干净,全年均为集雨时间,其中主要集雨时间为5—10月。一般情况下,雨季的第一场雨(P≥10 mm/d)不收集入水窖,一方面第一场雨水中含有屋顶的灰尘、杂质等; 另一方面用于清洗水窖中的淤泥等。待水窖清洗干净,水量清空,雨季的第二场雨(P≥10 mm/d)开始收集注入水窖。屋顶集水面积为25～200 m2,水窖尺寸大小在15～40 m3。其中,大多数村民的屋顶集水面积约为100 m2,故取F=100 m2。通过日降水量、屋顶面积、泄漏、溢出和蒸发等,计算得到日集流量Vt=0.084P,其中雨季P<3 mm,干季P<5 mm的均算作为无产流天数)。2015年、1993年、2003年、2011年的汇流潜力年降雨量分别为973.90,790.00,631.00,414.20 mm。
3.2.3 水窖日水量平衡
(1)水窖的集水时间。降雨具有时间性,每年的不同时段降雨概率与降水强度均不同,每年水窖收集雨水的时间也不尽相同。利用2015年和1993年、2003年、2011年等年份的日雨量资料,以家庭日均用水量、日集雨产流量、水窖贮水量、水窖溢出水量等条件建立日降水—用水量平衡模型。选择以10,15,20,25,30,35,40,45 m3等不同的水窖尺寸为阈值; 丰水年、平水年、干旱年、极端干旱年的年用水情况和效率。从而找出,在60 a内既能满足集雨要求,又能满足用水需求的最小容积,也就是家庭水窖的最佳尺寸。集雨时间由本年的雨季开始到次年雨季来临时结束,因此本年收集雨的水量供应到次年的旱季。2015年、1993年、2003年、2011年的收集雨水时间分别始于2015年5月12日、1993年5月3日、2003年5月19日、2011年5月16日; 次年分别始于2016年5月24日、1994年5月26日、2004年4月18日、2012年5月10日; 年集雨周期分别为378,388,335,360 d(表2),在研究中以每年收集周期为一年的代表即“收集年”。
(2)水窖贮水量逐日变化过程。当C=10 m3,2015年、1993年、2003年、2011年缺水天数均很多,分别有54,124,70,141 d出现水窖无水状态,主要连续出现在旱季的1—4月,发生在收集雨水的开始阶段和次年收集雨水前期(图4)。当C=15 m3,各年缺水天数均仍较严重,2015年、1993年、2003年、2011年缺水天数分别为19,114,36,123 d,主要集中出现在旱季。当C=20 m3,平水年、干旱年仍缺水,1993年、2003年、2011年缺水天数分别为50,7,123 d。当C≥25 m3,2015年和2003年均无出现水窖无水状况,当C=25 m3,1993年有18 d水窖无水状态,主要连续出现在1993年5月12日—5月22日和次年1994年5月1日—3日; 2011年有123 d水窖无水状态,主要连续出现在2011年5月23日—30日、2011年12月19日—2012年1月3日、2012年1月8日—3月4日、3月14日—4月7日、4月18日—5月5日。当C=30,35,40,45 m3时,1993年、2015年水窖枯水天数分别为11,123 d,之后均未发生变化,生活用水分别需要外来补给水1.749,19.577 m3。水窖无水天数主要集中出现在集雨开始(5月)和次年旱季(1—5月上旬)。在一定水窖尺寸阈值内,随着水窖尺寸的增加,水窖有效储集水量增加、提供的有效利用水量增加(表3)、溢出的水量减少(表4); 水窖无水天数相应的减少; 但是水窖尺寸达到一定阈值后,水窖有效储集水量、有效利用水量、溢出的水量、水窖无水天数均与其无关,受控于集雨面积和降水(强度、时间)分布。
3.3 模拟水窖最佳尺寸
不同水窖尺寸在不同旱涝年份条件下的雨水有效利用率(图5)。在相同的水窖尺寸下,雨水有效利用率总体上:丰水年(2015年)<平水年(1993年)<干旱年(2003年)<极端干旱年(2011年),雨水有效利用率与有效收集运用的雨水、年末水窖剩余水量、当年降水情况、渗漏等相关。2011年雨水有效利用率达到最大值(80.04%)的水窖最小尺寸为15 m2,2003年雨水有效利用率最大(75.40%)的水窖最小尺寸为25 m2,1993年雨水有效利用率最大(68.02%)的水窖最小尺寸为30 m2; 2015年雨水有效利用率最大(58.27%)时,水窖最小尺寸为20 m2。当C=25 m3,ξ(C)可达66.88%,当C=30 m3,ξ(C)可达到67.62%。雨水有效利用率大意味着当年对雨水需求量大,干旱年雨水的需求量最大,丰水年最小,平水年介于两者之间,当C在某阈值内,Wp随着水窖尺寸的增大而增大; 当C超过某阈值时,Wp不再增大。
不同水窖尺寸在不同旱涝年份(丰水年、平水年、干旱年、极端干旱年)下的水窖有效供水率不同(图5)。当C=10 m3,2015年、1993年、2003年、2011年水窖供水率分别为85.71%,67.96%,79.61%,60.72%。当C=15 m3,2015年、1993年、2003年、2011年水窖供水率分别为94.97%,70.54%,89.25%,66.02%。当C=20 m3,2015年、1993年、2003年、2011年水窖供水率分别为100.00%,87.08%,97.91%,65.74%。当C=25 m3,2015年、2003年、2011年水窖供水率已经达到最大值,分别为100.00%,100.00%,65.74%; 此时,1993年为95.35%。当C=30 m3,1993年的水窖供水率达到最大值97.16%,由于1993年5月12日—5月22日出现了11 d连续干旱天气,故1993年水窖供水率低于2003年。
当C=25 m3,2015年、2003年、2011年水窖供水率都达到最大值,其中丰水年(2015年)需要C=20 m3; 极端干旱年(2011年)则只需要C=15 m3。当C=30 m3,1993年达到水窖供水率最大值。当10 m3≤C<25 m3,常年水窖供应率期望值E(C)均随着水窖尺寸的增大而提高; 当C=25 m3,E(C)可达95.59%,当C=30 m3,E(C)可达到96.64%以上; 当C>30 m3,E(C)不再随着水窖尺寸的增大而提高。在平水年(1993年),水窖容积在C=25 m3比C=30 m3少收集有效利用水量1.113 m3; 在干旱、丰水年均无变化; ξ(C)提高0.74%,E(C)提高1.05%。考虑到修筑成本和人工费,故家庭水窖最佳尺寸为25 m3。水窖模拟水窖逐日贮水量(W)与实地监测水位(H)基本走势一致(图6),证实了水量平衡模型的实效性。
