雨水集蓄利用理論及實用意義探究

2021-04-03 13:13:18肖開冬

中國設(shè)備工程 2021年7期

肖開冬

（重慶市市政設(shè)計研究院有限公司,重慶 400000）

1 雨水資源開發(fā)利用的意義

水的問題已經(jīng)成為制約我國絕大部分地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。由于地球面積的70%是海洋，因此水資源總量的97.5%是不能直接使用的海水，淡水資源僅占2.5%，而江河，湖泊和水庫可以直接使用的淡水資源，只有淡水資源占總數(shù)的0.26%。隨著工業(yè)和城市的發(fā)展，污染物排放量顯著增加，導(dǎo)致水源污染；森林和其他植物的破壞造成生態(tài)失衡，還減少了降雨和地下水補給。鑒于水資源短缺,首先，我們要保護現(xiàn)有水源并采取有效措施來保護水源，例如在農(nóng)業(yè)中引入節(jié)水灌溉技術(shù)，處理工業(yè)用水污染和使用廢水；國家調(diào)整供水準則，提高水價等。在開源方面，南北調(diào)水工程已實施，但工程量大，建設(shè)時間長，成本高。充分開發(fā)雨水資源是一種切實可行的方法。目前，中國的自然降雨利用率僅為10%。與使用率較高的國家相比，利用潛力很大。在我國，許多地區(qū)的降雨量超過250mm，并且降雨集中在6月～9月，荒山、道路，庭院和屋頂?shù)仍O(shè)施為收集雨水創(chuàng)造了強大的條件，正是在這些地方，雨水都能被開發(fā)和利用。

2 雨水徑流的收集技術(shù)

收集和存儲雨水徑流的方法有很多種。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和所使用的儲水方法，可以分為2類，一是微型集水區(qū)，二是徑流場集水。

微集水區(qū)M WH用于在不超過100m的距離后從集水區(qū)收集地表徑流，并將其通過滲透區(qū)存儲在根區(qū)土壤中，以供植物吸收和利用。集水區(qū)和滲透區(qū)是MWH的兩個基本組成部分。它主要優(yōu)點是徑流率高，所以比大規(guī)模集水方法更有效。即使小雨也能夠提供徑流水，但它占地大，單位面積集水率低，適用于大面積和人煙稀少的地方。以色列內(nèi)蓋夫沙漠的許多地方都使用微型集水區(qū)來種植石榴樹、葡萄和飼料，效果不錯。即使在非常干燥的年份，也可以保證飼料的供應(yīng)。

徑流場集水（RFWH）RFWH用于收集集水區(qū)（A）的地表徑流，并將水流引導(dǎo)至地表水庫（SR），以通過輸入系統(tǒng)、通道、小溝槽、管道等進行存儲。這樣，SR中積聚的水量大于底部的積水量，從而使有限的水在時間和空間上更加合理的分配，它通常用于家畜飲用和灌溉農(nóng)田。

國西北地區(qū)和華北地區(qū)許多地方長期以來一直使用各種排水點來收集雨水并將其存儲在池塘和水壩中、澇災(zāi)的池塘、電熱爐、蓄水設(shè)施和其他用于人類和動物飲水或農(nóng)田灌溉的蓄水裝置。近年來，甘肅121s雨水收集工程，寧夏窯窖工程，陜西甘露工程已達到一定規(guī)模。在以色列，格夫沙漠的實際降水量僅為100mm，建造徑流場的1hm2耕地不僅存儲直接降水，還存儲20hm2的坡面徑流，耕地的水量可達到300～500mm。印度的Khadin集水區(qū)與中國的泥壩相似，這意味著斜坡表面的徑流和被洗滌的土壤都存儲在低洼山谷的壩中，在大壩裝滿之前澆水，大壩裝滿后可以種植植物或造林。

RFWH的缺點是面積大，A和SR的建設(shè)投資很大，并且從SR向農(nóng)業(yè)地區(qū)分配水的成本也很高。此外，SR的污泥問題尚未解決。

3 雨水徑流的蓄存和保護技術(shù)

集水方式，雨水徑流主要有2種存儲方式，分別直接存儲在植物根部區(qū)的土壤層和蓄水設(shè)備中。兩種存儲方法都應(yīng)嘗試防止水蒸發(fā)以保護集水，然而，MWH旨在允許盡可能多的水滲透到土壤層中并保持在那里，就是加速水的滲透；在RFWH中，則是盡可能防止水箱泄漏，以減少水的流失。

在MWH中，通常采用覆蓋植物秸稈或覆蓋塑料片等措施來防止土壤蒸發(fā)。使用植物秸稈轉(zhuǎn)移技術(shù)有效地解決了覆蓋塑料薄膜后水分滲透過慢的問題。RFWH中儲水的有效性主要受滲透到池壁和池底的限制。控制滲透的一些傳統(tǒng)方法是用粘土，柔性薄膜、瀝青、土壤分散劑和混凝土來進行表面處理。實驗研究和生產(chǎn)實踐都表明，連續(xù)的非干燥粘土是一種很好的密封材料，且成本低廉，因此，在我國黃土高原的中西部地區(qū)使用紅土來防止?jié)B漏。用柔性膜瀝青混凝土進行表面處理，雖然處理和維護成本很高，但蓄水庫具有大容量和使用壽命長，就像近年來在黃土高原上使用的薄殼混凝土窖一樣。

4 集蓄雨水利用技術(shù)

水是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，灌溉面積僅占世界耕地的15%，卻生產(chǎn)了幾乎占糧食總產(chǎn)量的50%。實踐和實驗表明，即使在整個生長期未完全灌溉作物，但在收獲用水的關(guān)鍵時期僅灌溉了一兩次關(guān)鍵水，作物的產(chǎn)量仍可大大提高。在干旱和半干旱地區(qū)，水資源短缺是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵因素。但是，天然降水是一種極其重要的可用水資源，尚未得到充分利用，使用率約為降雨的30%～40%。任有60%～70%的降水流失到地表徑流和無效的蒸發(fā)過程中，降水的生產(chǎn)效率僅為0.3～0.6 kg/m3，所以，收集和儲存雨水用于灌溉和使用的潛力巨大。在北部建立集水系統(tǒng)，降水量將比以前多10倍，將被存儲在土壤層和淺層含水層中。

近年來，我國在解決干旱和干旱地區(qū)的飲用水問題上做了大量工作，在促進農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。1968年，陜西省米脂縣用池塘和水壩在溝中儲水，灌溉4.13hm 2得到66kg/hm2是山坡土地產(chǎn)量的12倍；甘肅省榆中市的年降雨量僅為3～43mm每公頃耕地分配18m2的聚流場和2個45m3的水窖可以使小麥的產(chǎn)量比對照提高3倍。

此外，人們還收集雨水徑流用于生活用水。在古羅馬時期的羅馬和威尼斯，雨水收集系統(tǒng)被設(shè)計為飲用水和生活用水主要來源。長期以來，中國北方許多地區(qū)因雨水徑流的收集和儲存而解決人畜飲水問題。到1986年底，寧夏固原市已有超過70,000臺水窖，上面裝有少量水井、池塘水壩，并解決了112,000～330000頭牛和161,900只羊的飲用水。1972年～1987年，陜西的甘露工程，窯爐修復(fù)與開挖運河相結(jié)合，解決了干旱地區(qū)大牲畜飲水554.48～83.18萬的問題，年節(jié)水勞動力66.54萬，當(dāng)年經(jīng)濟效益2億元。甘肅省與之相對應(yīng)，開展的121個雨水收集工程在一年多的時間里解決了131.7萬人和118.7萬頭牲畜飲水。此外，收集在城市街道和一些建筑物上的雨水也可用于城市消防、沖廁、綠化城市、給草坪澆水等。該地區(qū)的雨水可以直接攔蓄入滲，也可以通過專用的滲透過濾裝置向地下水注入水以補充地下水。

5 結(jié)語

隨著水資源日益短缺，不僅在干旱和半干旱地區(qū)，人們非常重視雨水資源的開發(fā)和有效利用，世界各國都開始了雨水利用熱潮。同時，這項技術(shù)在日益完善，但從國內(nèi)來看，仍然缺少許多方面系統(tǒng)的深入研究。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：集水區(qū)研究的集水效率水平主要取決于集水區(qū)和集水材料的處理，當(dāng)前使用的各種收集材料和處理不能令人滿意或價格過高，例如混凝土集水區(qū)或集水效率低；例如原土夯實。因此，迫切需要研究一種高效、低成本、方便處理收集材料的新方法，以及一種盡可能收集雨水徑流的處理方法，以提高收集效率，降低成本。

目前關(guān)于雨水庫的結(jié)構(gòu)形狀和防滲材料的研究已有許多實踐經(jīng)驗和研究成果。但是，現(xiàn)有的儲水設(shè)施結(jié)構(gòu)包括許多建筑技術(shù)，還需要進一步改進，還必須開發(fā)和使用新的儲層設(shè)施。