石濟瑄

摘 要：為實現(xiàn)雨水的循環(huán)利用，解決干旱缺水地區(qū)儲水難、水質(zhì)條件差、經(jīng)費投資高的難題。根據(jù)調(diào)查地區(qū)現(xiàn)實狀況，我們利用立式伸拉卷簾門窗（窗簾）等原理通過再創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計制作成低碳節(jié)能環(huán)保衛(wèi)生、操作簡便、安裝快捷、移動方便、制作簡單、成本低、群眾易接受、工程化制造以及市場和推廣應(yīng)用前景廣闊的產(chǎn)品，可轉(zhuǎn)化為運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可移動卷簾式水窖集雨面。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū)；干旱缺水；卷簾式；集雨面

中圖分類號：S277.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0235-03

1 選題經(jīng)過

干旱缺水是當(dāng)今和未來世界面臨的最嚴峻的問題，我國西北地區(qū)是世界上干旱缺水較為嚴重的地區(qū)，水源匱乏，常年干旱，降雨稀少并且年內(nèi)分配不均，缺水形勢較為嚴峻，尤其是在供水基礎(chǔ)設(shè)施相對較為落后的廣大農(nóng)村地區(qū)，用水保障性更差。在地表水和地下水極端缺乏的干旱山區(qū)，雨水是唯一有潛力的水資源。所以尋找一種收集、利用雨水的方法是解決當(dāng)?shù)刭Y源短缺問題的有效途徑。

為了改善民生，國家先后在西北缺水地區(qū)大規(guī)模推廣雨水集流工程，興建了一批集雨水窖，在雨季儲水，旱季作為備用水源使用。項目實施后改善了西北缺水地區(qū)的用水狀況，在一定程度上緩解了用水矛盾。我的家鄉(xiāng)內(nèi)蒙古呼和浩特市清水河縣就地處西北晉陜蒙黃土高原和內(nèi)蒙古高原過渡的邊緣地帶，常年干旱少雨，水資源缺乏，當(dāng)?shù)厝罕娪行藿ê稻鸭曩A水的傳統(tǒng)經(jīng)驗，水窖是這一地區(qū)集蓄雨水的主要設(shè)施。我通過對清水河縣水窖施工、集雨模式、工程投資、運行管理及經(jīng)濟效益進行分析，水窖集雨節(jié)灌工程雖然單位面積投資較高，但日常管理費用較低，有經(jīng)濟效益顯著的特點，是解決干旱地區(qū)分散居住群眾生產(chǎn)用水的有效途徑之一，蓄積雨水、在解決人畜飲水的基礎(chǔ)上，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)在干旱地區(qū)具有重大的戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義。但是干旱半干旱地區(qū)雨量稀少，小雨多大雨少，在降小雨形不成地表徑流的情況下，水窖的雨水蓄積量很難滿足，不容樂觀；即使降大雨急雨，因泥沙雜質(zhì)淤積，其水質(zhì)和其他衛(wèi)生狀況也難以保證，令人擔(dān)憂；同時導(dǎo)致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短，難度較大[1]。

我在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雨水集流工程集水面存在很大的缺陷，根據(jù)我們對清水河縣雨水集流工程的調(diào)查了解，傳統(tǒng)的地面集雨工程逐漸顯現(xiàn)出的不足主要有以下三個方面[2]：

首先，傳統(tǒng)雨水集流工程的集雨面，一般有天然坡面集雨水窖蓄水、道路路面集雨水窖蓄水、庭院屋面（大棚棚面、人工集水場）集雨水窖集水3種利用模式。（1）天然坡面集雨水窖降小雨時難以形成地表徑流，干旱年份集雨量很低，同時由于雨季暴雨頻次較高，暴雨沖刷力較強，載泥量高、雜質(zhì)攜帶量大，導(dǎo)致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大（一般每年需清淘一次水窖）。（2）道路路面集雨水窖受地形等諸多因素制約，水窖位置有一定局限性，一般距離較遠，同時認為污染因素較大。（3）庭院屋面（大棚棚面、人工集水場）集雨水窖位置和集雨面受地形和位置制約，有水窖不一定有庭院屋面和大棚，有庭院屋面和大棚不一定有水窖，一般干旱地區(qū)由于受水源條件制約，溫室大棚很少，同行房屋大棚和水窖需建在同一地點，而且一般100平方米屋頂只能滿足1眼30立方米水窖的集水量。人工混凝土集雨場的工程造價相對較高（每個3000-5000元）、占地面積較大（100平方米左右/個），加之由于熱脹冷縮造成裂縫等原因，使用壽命較短（一般3-5年需要維修）工程造價較高。

其次，收集雨水受有機物質(zhì)、地表塵土、人畜糞便污染明顯，與人為活動密切相關(guān)。傳統(tǒng)雨水集流工程的集水窖，一般都建在農(nóng)戶房前屋后地勢低洼處，集水面主要為農(nóng)戶的院落地面和院落周圍的菜地和莊稼地，集流雨水經(jīng)地面自然坡度或人工構(gòu)造的坡度流向集水窖。平時集水面經(jīng)地面自然坡度或人工構(gòu)造的坡度流向集水窖。平時集水面上經(jīng)常有人及畜禽活動，田地和菜地因種植需要而噴灑化肥、農(nóng)藥，這均導(dǎo)致地面集雨水質(zhì)和衛(wèi)生狀況較差，部分水窖水質(zhì)腐敗發(fā)臭，甚至喪失人畜飲用功能。

然后，由于雨季暴雨頻次較高，沖刷力較強，傳統(tǒng)地面集雨工程載泥量高、雜質(zhì)攜帶量大，導(dǎo)致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大。為了盡可能地提高和改善集水面的集水量和集水水質(zhì)，我們通過深入調(diào)查研究和實踐提出：因地制宜，在可行的條件下，將傳統(tǒng)雨水集流工程的集雨面改造成“可移動卷簾式水窖集雨面”的創(chuàng)新設(shè)計思路，并制作了模型，解決了上述關(guān)鍵性技術(shù)難題，受到了有關(guān)專家的肯定和認可。

2 作品目的及基本思路

本作品的主要目的是：實現(xiàn)雨水資源的循環(huán)再利用，提高和改善缺水地區(qū)水窖的集水量和水質(zhì)，在小雨形不成地表徑流的情況下k額有效集流，同時改善集雨水窖的水質(zhì)和衛(wèi)生情況，減少泥沙雜質(zhì)淤積，延長水窖清淘周期[3]。

本作品的基本思路是：利用各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等原理，經(jīng)過消化吸收，創(chuàng)新設(shè)計，拆裝制作，達到移花接木、為我利用的目的，制作成低碳節(jié)能衛(wèi)生環(huán)保、經(jīng)濟適用、群眾易接受、工廠化制造以及市場和推廣前前景廣闊，可轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的可移動卷簾式水窯集雨面，在降水前將其放到水窯周圍，根據(jù)地形組合后拉開固定，形成斜坡雨面；雨后利用可移動助力卷簾機將房滲集雨面卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或者就地存放下次降雨時再用。

3 作品的結(jié)構(gòu)

模型結(jié)構(gòu)展示圖1所示，本作品的基本結(jié)構(gòu)是：由各種類型的助力卷簾機、可卷防滲集于面和折疊式固定支架以及雨水集流裝置4部分組成[4]。

（1）各種助力卷簾機：可選擇各種類型的卷簾助力器和卷簾機組裝而成。（2）可卷簾防滲集雨面：選擇無毒、可卷、防滲、輕便、防老化、耐用雨布制作而成。（3）便攜式固定支架：制作成可拉伸式的便攜式可調(diào)防銹固定支架，另外根據(jù)需要配備4個圖釘式固定掛鉤和若干個固定器。（4）雨水集流裝置：梯形集流水槽。

4 工作原理、效率

4.1 本作品的工作原理

本作與各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等的工作原理基本相同。主要應(yīng)用了齒輪耦合、傳動、助力以及其他力學(xué)、電學(xué)等物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)方面的原理。工作原理：是在降雨前將其放到水窯周圍，根據(jù)地形組合后拉開固定，形成斜坡集雨面；雨后利用可移動助力卷簾機將滲透集雨卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或者就地存放下次降雨時再用。

4.2 本作品的效率分析

（1）利用防滲集雨面收集自然降雨，特別是在小雨形不成地表徑流的情況下，集水面可有效避免滲透，大幅度提高水窯的集水量。根據(jù)理論測算和實地實驗數(shù)據(jù)表明：每降10毫米雨，100平方米集雨面可收集1立方米（噸）的雨水，1個30立方米（噸）煩擾中型水窯只要300毫米雨量即可儲滿（300毫米*100平方米=30立方米），半干旱地區(qū)年平均降雨量大多在300毫米左右，用1個100平方米的本集雨面組合即可滿足1個30立方米（噸）的中型水窯的集雨儲水要求，還沒有考慮用水后再補充集雨的因素，完全可以滿足1個農(nóng)村大家庭5—6口人（5—6口人*15kg/人*365天/年=27.38—32.85噸）一年的生活用水需要（以上是按照國務(wù)院批準(zhǔn)的《關(guān)于農(nóng)村人畜飲水工作的暫行規(guī)定》中關(guān)于北方農(nóng)村生活、生產(chǎn)用水量標(biāo)準(zhǔn)和本人深入農(nóng)村實際調(diào)查的平均數(shù)據(jù)進行計算的）[5]。

（2）應(yīng)用防滲集雨面收集的雨水，可極大的改善水窯的水質(zhì)。集雨水質(zhì)主要由化學(xué)需氧量、氨氮和總磷控制；集雨水受有機物質(zhì)、地表塵土、人畜糞便污染明顯，與人為活動密切相關(guān)，據(jù)實地觀察和有關(guān)檢測結(jié)果表明：不同類型集雨水源地集雨場中，本作品和大棚棚面集雨面是水窯集雨的最好水源場地，水質(zhì)最佳，可達到農(nóng)村安全飲水標(biāo)準(zhǔn)。但大棚棚面、集雨面受地形和位置制約，有水窯不一定有大棚，有大棚不一定有水窯，一般干旱地區(qū)由于受水源條件制約，溫室大棚很少，本集雨面是目前提高水窯集雨量、改善水質(zhì)的最有效途徑；其次是水泥地面和瓦屋面集雨面，經(jīng)過過濾沉淀和自凈，基本可達到農(nóng)村三級飲用水標(biāo)準(zhǔn)。但人工混凝土水泥集雨場的造價較高（30—50元/平方米）占地面積較大（100平方米左右/個），加之由于熱脹冷縮造成裂縫等原因，使用壽命較短（一般3—5年需維修或重修）。屋面集雨受水窯位置制約，房屋和水窯需建在同一地點，而且一般100平方米屋頂只能滿足1眼30立方米水窯的集水量；第三是道路集雨面的水窯位置有一定局限性，一般距離較遠，同時人為污染因素較大；傳統(tǒng)自然坡面集雨工程，由于雨季暴雨頻率較高，暴雨沖刷力較強，載泥量高，導(dǎo)致水窯實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大（一般2—3年需清淘一次水窯）。而應(yīng)用本作品不受和位置的制約，沒有泥沙和雜志淤積，一般情況下，水窯無需清淘，即可取得干凈衛(wèi)生、水質(zhì)良好、符號人畜安全飲用水標(biāo)準(zhǔn)的自然降水水源。

（3）在降雨前將本作品放到水窯周圍，根據(jù)地形組合后拉開固定，形成斜坡集雨面；雨后利用助力卷簾機將防滲集雨面卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或就地存放下次降雨時再用。不僅解決了缺水地區(qū)水資源短缺問題，提高了集雨量和水質(zhì)，實現(xiàn)了雨水資源循環(huán)利用；而且能耗低、無排放，低碳節(jié)能衛(wèi)生環(huán)保。同時操作簡便，安裝快捷、移動方便；工藝簡單，制作容易；成本低、經(jīng)濟適用、群眾易接受，工廠化制造以及市場和推廣前景廣闊。

5 主要制作過程

我們利用節(jié)假日、休假時間，通過深入實地調(diào)查、查閱資料，請教技術(shù)人員、農(nóng)民、工人叔叔，研究機械原理、購置機械配件，經(jīng)多次試驗、反復(fù)調(diào)試，由設(shè)計不合理到逐步改進、改善，設(shè)計制作成功了本作品[6]。

（1）實地調(diào)查、查閱資料、消化吸收、確定思路。多次深入清水河縣窯溝鄉(xiāng)、城關(guān)鎮(zhèn)等地的農(nóng)村進行調(diào)查，通過與有經(jīng)驗的當(dāng)?shù)剞r(nóng)民座談交流，結(jié)合多方查閱相關(guān)資料，從而掌握了第一手材料和相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，通過分析進一步確定了設(shè)計思路。圍繞提高水窖集雨量、改善水質(zhì)衛(wèi)生、減少泥沙淤積等主要目的；借鑒各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等原理；因地制宜、結(jié)合實際，明確確定了低碳節(jié)能、衛(wèi)生環(huán)保、操作簡便、安裝快捷、移動方便、工藝簡單、制造容易、成本較低、經(jīng)濟適用、群眾易接受、工廠化制造以及市場和推廣前景廣闊、可轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力等創(chuàng)新理念和思路。（2）虛心請教、研究原理、購置配件、制作安裝：利用一切機會，虛心向技術(shù)人員、農(nóng)民、工人叔叔請教，研究其工作原理、結(jié)構(gòu)原理以及制作方法。通過多次網(wǎng)上查找，市場考察，選定并購置了制作本作品需要的各種配件和材料以及工具等，進行制作安裝。（3）反復(fù)設(shè)計、試驗調(diào)試、改進完善、分析總結(jié)：在制作本作品的過程中，多次發(fā)現(xiàn)有不合理或需要改進的地方，我都不怕麻煩，多次進行設(shè)計，并提出多種創(chuàng)新設(shè)計方案，進行優(yōu)選，并在制作安裝過程中反復(fù)設(shè)計、試驗調(diào)試，直至滿意為止。

本作品經(jīng)過多次改進完善。較大的改進就有2次，如：第一次設(shè)計制作的傘型集雨面，由于面積較大，受大風(fēng)的影響，在實地試驗時，由于風(fēng)力較大，操作受到一定影響。因此第二次我又將其設(shè)計為扇形組合式，并加固了固定支架，設(shè)計了方便踩入地面的圖釘式固定掛鉤和固定器，同時提出可加設(shè)電動或手搖助力卷簾裝置的設(shè)計思路，雖然有效的解決了這一問題，但在實地試驗時，受地形限制，操作不方便。第三次才改進為現(xiàn)在的樣子，但因條件所限，并考慮在參評時攜帶方便，因此制作成模型進行展示。其他細節(jié)問題我也曾在實驗中反復(fù)試驗、逐步完善。同時撰寫成5000字左右的論文，盡管這樣，還有一些細節(jié)問題還有待于在今后的實踐中繼續(xù)研究與開發(fā)，直至形成更加完善、更加實用的發(fā)明專利產(chǎn)品。

一分耕耘，一分收獲。經(jīng)過我們的不懈努力，一件嶄新的可移動卷簾式水窖集雨面終于誕生了，也許它還有很多缺點和不足之處，有待于進一步改進，但對我自己來說是一次大膽的嘗試，是一次很有創(chuàng)新意義的體驗和實踐，特別是受到有關(guān)專家和當(dāng)?shù)剞r(nóng)村老百姓的高度評價，為此我感到非常欣慰，十分自豪。

6 作品特點

（1）科學(xué)性：解決了傳統(tǒng)水窖集雨面的諸多弊端，沒有滲漏、小雨即可形成徑流、提高了水窖集水量；干凈衛(wèi)生、改善了水窖的水質(zhì)；減少了泥沙和雜志淤積，水窖實際儲水容積不受影響，水窖無需清淘。（2）先進性：解決了缺水地區(qū)水資源短缺問題，提高了集雨量和水質(zhì)，實現(xiàn)了雨水資源循環(huán)利用；能耗低無排放，安全低碳節(jié)能衛(wèi)生環(huán)保。經(jīng)網(wǎng)上查新，未見相同和類似研究，他人研究的混凝土固定集雨面主要存在受地形限制，成本高、易損壞、使用期短等問題。（3）實用性：操作簡便、安裝快捷、移動方便；工藝簡單、制造容易；成本低、經(jīng)濟適用、群眾易接受，工廠化生產(chǎn)以及市場和推廣應(yīng)用前景廣闊。

7 存在問題和改進建議

由于該集雨面受地形和大風(fēng)的影響，集雨范圍和風(fēng)力較大時操作受到一定影響。因此將其設(shè)計成小型組合式，同時加固了固定支架，同時可加設(shè)電動或其他助力卷簾裝置，即可解決這一問題。其他細節(jié)問題有待于在實踐中反復(fù)試驗、繼續(xù)研究與開發(fā)，直至形成更加完善、更加實用的發(fā)明專利產(chǎn)品。

8 結(jié)語

可移動卷簾式水窖集雨面解決了傳統(tǒng)水窖集雨面的諸多弊端，沒有滲漏、小雨即可形成徑流、提高了水窖集水量；干凈衛(wèi)生、改善了水窖的水質(zhì)；減少了泥沙和雜志淤積，水窖實際儲水容積不受影響，水窖無需清淘。解決了缺水地區(qū)水資源短缺問題，提高了集雨量和水質(zhì)，實現(xiàn)了雨水資源的循環(huán)利用；能耗低無排放，安全低碳節(jié)能環(huán)保。經(jīng)查新檢索，未見相同和類似集雨面研究，該項目研究處于國內(nèi)外領(lǐng)先地位。本作品操作簡便，安裝快捷、移動方便；工藝簡單，制造容易；成本低、經(jīng)濟適用、群眾易接受，工廠化生產(chǎn)以及市場和推廣應(yīng)用前景廣闊，可應(yīng)用于我國西北廣大干旱半干旱地區(qū)以及世界同類地區(qū)。

參考文獻

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