雨水集蓄利用工程研究——以黃土崗雨水集蓄利用工程為例

王 希，康 璇，王秀茹，曹優(yōu)明，陳 倩，宋思銘

（北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083）

雨水集蓄利用是指采取工程措施對雨水進行收集、蓄存和調節(jié)利用的微型水利工程。它作為開源和節(jié)流并舉的一項工程措施，是緩解或解決水資源問題的一項重要舉措，也可為城鎮(zhèn)景觀工程建設提供水源，具有節(jié)水、改善生態(tài)環(huán)境的雙重效益。通過雨水集蓄利用工程，綜合利用現(xiàn)有天然雨水集蓄資源，改善農(nóng)村生活環(huán)境，提高農(nóng)村景觀質量，不僅有利于農(nóng)村水資源的可持續(xù)利用，而且對促進社會主義新農(nóng)村建設具有重要的意義。

1 國內外農(nóng)村雨水集蓄利用現(xiàn)狀

雨水集蓄利用在人類發(fā)展歷史上源遠流長，它的主要特點是采用人工高效集流和工程蓄水對雨水進行調控，能更有效地實現(xiàn)雨水的資源化，并加以開發(fā)利用。近年來，隨著全球性干旱的加劇與水資源問題的突出，國際上成立了國際雨水利用協(xié)會（IRCSA），并召開了8屆國際會議。以色列、澳大利亞、美國、印度、伊朗等國家已將雨水利用作為面向未來的戰(zhàn)略選擇[1]。

20世紀80年代以來，國內外雨水集蓄利用技術的發(fā)展突飛猛進。其中，最有名、規(guī)模最大的莫過于泰國的“泰缸”（Tai jar）工程，用1 200多萬個20 m3的家庭集流水泥水缸解決300多萬農(nóng)村人口的吃水問題，并使玉米增產(chǎn)50%，效果顯著[2]。我國甘肅的“121”工程，利用屋面和硬化面收集雨水，解決了甘肅黃土地區(qū)120多萬農(nóng)村人口的飲水困難，并進行了集雨節(jié)水灌溉的初步嘗試。目前，我國的研究主要集中在干旱半干旱區(qū)人畜飲水和集流節(jié)灌上[3]，對水景觀的建設關注較少。我們可以轉變思路，將集雨工程引入景觀建設，在創(chuàng)造一個賞心悅目的環(huán)境、提高人們生活質量的同時，更大范圍地促進水資源有效合理的利用。

2 雨水集蓄利用工程系統(tǒng)組成

雨水集蓄利用由集水工程、輸水工程、蓄水工程和供水利用工程組成。集水工程主要包括庭院集水系統(tǒng)、道路集水系統(tǒng)、坡面徑流和輸水管線系統(tǒng)。蓄水工程主要包括沉砂池的修筑、蓄水池的修建、坑塘的整理。供水利用工程主要包括人畜飲水、節(jié)水灌溉和景觀工程等3個方面。集蓄的雨水可通過手壓泵、人工提水等方式用于人畜的生活用水；節(jié)水灌溉主要有坐水種、地膜穴灌、管灌、微灌等技術措施；景觀工程則主要包括坑塘景觀平面設計、坑塘護坡工程設計和植物措施布置等。

2.1 集水工程

集水工程是為了給雨水的收集尋找和建造一個合適的場地，并在這個場地上采取一定的人工措施使雨水得以集中。集水是雨水集蓄的首要工作，只要有了一定的水量，才能加以利用。集雨場有自然和人工之分，集流面應盡量利用自然坡面，如庭院、道路、屋頂?shù)?。有條件的地方最好能選擇靠近泉水、引水渠、溪溝、道路邊溝等便于引蓄天然徑流的場所；如無引蓄天然徑流條件的，則需要開辟新的集雨場。人工集雨場需要配合一定的防滲處理，如混凝土、石塊襯砌、塑料薄膜等[4]。集雨面積的大小應根據(jù)當?shù)貜搅鞯奶攸c及水窖（水池、水柜、水塘等）的容積來確定[5]。

2.2 輸水工程

輸水系統(tǒng)的形式一般是輸水渠（管）、引水溝（渠、管）。它的實質是連接集水工程和蓄水工程的渠道，有效地將集雨場上的降水匯集起來，并傳輸?shù)匠辽俺丶右蕴幚砗筮M入蓄水系統(tǒng)內。輸水工程修建于集流面的最低處，與集流場施工同時進行[6]。

2.3 蓄水工程

蓄水工程包括蓄水建筑物及其附屬設施。建筑蓄水系統(tǒng)是為了對收集的雨水進行存儲以及人為調控，以解決降雨在時間上分布不均勻，供需錯位的矛盾[7]。各地群眾在實踐中創(chuàng)造出不同的存儲形式，西北、華北地區(qū)，主要是建水窖、旱井、蓄水池、澇池、塘壩等，而南方主要為水池、水柜、水窖、水井[8]。降水在輸送入蓄水建筑物之前要經(jīng)過一定的沉淀處理，在沉砂池降低泥沙含量，利用攔污柵清潔水源，過濾掉水流中的樹葉、雜草等雜物，這就必須為蓄水建筑物增加附屬設施。

2.4 供水利用工程

集蓄后的降水可用于生活供水和生產(chǎn)供水兩方面。起初人們只是用它來滿足日常生活用水，20世紀80年代以來，雨水開始大量用于灌溉農(nóng)田。收集到的雨水通過水泵管道和原有灌溉首部連接，進入原灌溉管網(wǎng)，進行作物補灌[9]。灌溉系統(tǒng)包括首部提水設備、輸水管道和田間的灌水器等節(jié)水灌溉設備，灌溉形式要按照各地地形、氣候、作物類型、經(jīng)濟條件來選擇。大田作物多選擇管灌，即直接將水引入田間灌溉，減少了輸水過程中水的損失；果園可采用噴灌，即運用噴頭將水噴灑到空中，形成小水滴進行灌溉，這種方法節(jié)水效率高，造價也較高；茶葉、花卉等作物可選擇滴灌，滴灌是微灌的一種，是用專門的管道系統(tǒng)和設備將低壓水送到作物根部，通過滴頭均勻、準確地滴到作物根區(qū)土層中的一種灌溉方法[10]。

此外，可將雨水運用于水景觀的建設，如人工湖、坑塘護坡等。

3 基于新農(nóng)村建設的雨水集蓄利用模式

2005年黨的十六屆五中全會明確提出了建設社會主義新農(nóng)村的重大歷史任務，要求按照“生產(chǎn)發(fā)展、生活寬裕、鄉(xiāng)村文明、村容整潔、管理民主”的總體目標，扎實穩(wěn)步地推進。建設社會主義新農(nóng)村，既要發(fā)展經(jīng)濟，又要建設資源節(jié)約型社會，這就需要將雨水資源利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和景觀建設相結合，加強設施農(nóng)業(yè)建設，實施雨水集蓄利用工程，缺水地區(qū)用以節(jié)水灌溉，雨量充沛且較富裕的農(nóng)村可進行水景觀的建設。

基于集雨灌溉和景觀用水的雨水集蓄利用一般屬于雨水的異地利用，即將收集的雨水通過某一指定區(qū)域或容器供其他區(qū)域加以利用[4]。而具體到其中的哪一種模式，則要考慮到雨水集蓄利用技術的區(qū)域適應性。在長期干旱或季節(jié)性干旱的高原和山丘區(qū)，地形高低錯落，可采用天然坡面集雨。如天然坡面易造成水土流失或無天然坡面集雨條件，則需要選擇場地修建人工集雨場?？裳毓?、村莊道路進行帶狀開發(fā)，也可在各地場院和閑置土地中建立集雨場。在集雨場下游建水窖，末端連接節(jié)水灌溉首部系統(tǒng)。根據(jù)當?shù)厍闆r，選擇適當節(jié)水技術措施，進行綠地或作物灌溉，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。常用的節(jié)水工程形式有管灌、噴灌、滴灌等[11]。只有通過以上各部分的合理連接，才能實現(xiàn)集雨、蓄水、節(jié)灌一體化的雨水資源集蓄利用。

在平原區(qū)，由于缺乏天然集雨條件，可以進行集雨場的硬化以提高徑流率。集雨場也經(jīng)常選擇在道路和庭院中。用PVC、PE管或者混凝土管將雨水輸送到沉砂池，經(jīng)凈化后流入蓄水池或者水窖。如降水充足，可在離水源較近且閑置的土地修建小塘壩、人工湖等景觀建筑物，將集蓄的雨水用于水景觀和水環(huán)境的建設，為人們營造良好的生活環(huán)境。如在較干旱的地區(qū)，則可以進行節(jié)水灌溉，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)。具體實施路線見圖1。

圖1 雨水集蓄利用工程技術路線

4 黃土崗農(nóng)村雨水集蓄利用工程設計

4.1 研究區(qū)概況

豐臺區(qū)是北京市的城八區(qū)之一，位于北京市西南部，為北京4個近郊區(qū)之一。地理位置為東經(jīng)116°4′～28′，北緯 39°46′～54′，面積 304.2 km2，長住人口100余萬。屬暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，一年四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季清爽，冬季寒冷干燥。多年平均降水量589.70 mm，降水主要集中在7～9月，占年降水量的70%～80%。

黃土崗農(nóng)村雨水集蓄利用工程根據(jù)需要選擇在黃土崗花卉種植中心，該項目點位于北京市豐臺區(qū)花鄉(xiāng)黃土崗村，占地面積12 hm2，分別建設4個高科技溫室，屋頂和大棚面積為39 431 m2，道路等硬化面積為19 212 m2，綠化面積為36 073 m2，透水型停車場面積為25 000 m2。

4.2 研究區(qū)雨水收集利用的必要性與可行性

花卉產(chǎn)業(yè)已成為黃土崗村的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，該村也是京南最為出名的花卉基地。隨著花卉養(yǎng)植和銷售的迅速發(fā)展，花卉灌溉用水日益增多，加上黃土崗村屬綠化隔離地區(qū)，村中的綠地養(yǎng)護、苗木種植及各企事業(yè)單位的綠化增多，灌溉用水量急劇上升。另一方面，每當雨季暴雨來臨時，黃土崗村臨近的京開路、豐南路、四環(huán)路積水無法排出，給行人和車輛造成了很多不便。

此項建設任務的完成將會減緩水資源的供需矛盾，節(jié)約地下水的開采量，減少暴雨來臨時街道積水給行人、汽車造成的不便，同時對美化區(qū)域環(huán)境也具有十分重要的意義。

可收集的雨水資源量計算方法為：根據(jù)地面土地利用類型的徑流系數(shù)和土地利用類型面積以及當?shù)氐钠骄杲涤炅窟M行計算，見式（1）。

式中：Vp為年集流供水量，單位m3；Si為第i種集流材料的集流面積，單位m2；Ki為第i種集流材料的徑流系數(shù)；P為一定重現(xiàn)期的暴雨量，單位mm。

本項目區(qū)中，查詢《北京市簡明暴雨書冊》，暴雨量按5 a一遇，24 h降雨量152mm取值計算；大棚、屋頂和道路等硬化面徑流系數(shù)取值為0.9，綠化地徑流系數(shù)取值為0.55，透水性停車場徑流系數(shù)取值為0.65。根據(jù)以上取值，計算結果見式（2）。

蓄水池和人工湖蓄存設計容量為6 160 m3，匯水量可以滿足蓄水需求?，F(xiàn)階段護岸護坡新理念、新技術的發(fā)展與應用，城鎮(zhèn)園林綠化的大面積展開，都為城鎮(zhèn)雨水集蓄綜合利用工程提供了強有力的示范作用和技術支持。因此，該工程是可行的。

4.3 雨水收集利用工藝流程

工藝流程如下。（1）在建設地院內硬化的基礎上，建造地下封閉式蓄水池，設有沉砂池，與排水管線相連接，通過雨水井箅子收集雨水，至蓄水池儲存。（2）在溫室大棚檐下安裝接水槽，通過收集雨水管路直接進入蓄水池。蓄水池裝有水泵，可輸送到綠化區(qū)域進行澆灌。（3）在中心園區(qū)預留綠化空地修建小型人工湖，通過水泵從蓄水池提水至人工湖，既形成景觀水面，又起到調蓄作用。多余雨水通過蓄水池和人工湖的溢流管道，排放到市政排水管道。如圖2。

4.4 工程設計

圖2 雨水利用工藝流程

4.4.1 集雨管道 沿道路和建筑物需鋪設雨水管線及水溝2 980 m，收集雨水至沉砂池。遇到大到暴雨，多余的雨水通過溢流管線外排，進入市政排水管道。

根據(jù)生態(tài)大棚的走向和棚面交匯間距，每隔10m用Φ110PVC管垂直連接棚頂，Φ300混凝土管連接PVC管匯入Φ800的混凝土管主管道，主管道距離大棚1m，所收集雨水直接流入各大棚蓄水池。

在硬化路面修建集雨槽，每隔20m留口，上覆雨箅子，以利于道路和綠化地帶的雨水收集，收集的雨水進到沉淀池沉淀后再進入蓄水池。集雨槽為0.4m×0.4m矩形斷面，磚砌結構，0.01 m厚的砂漿抹面，設計長度為400m。集雨管網(wǎng)布設見圖4。

4.4.2 沉砂池 修建沉砂池的目的是去除水中自重很大、能自然沉降的較大粒徑沙粒或雜粒。本設計中選用的是平流式沉砂池，設計規(guī)格為3 m×2 m×2m。沉砂池分兩格，中間設置攔污柵。

4.4.3 蓄水池 在項目區(qū)4個高科技溫室地下分別建設25m×15m×4 m的蓄水池1座，設計蓄水容量為1 500m3，且每座蓄水池設有3 m×2 m×2 m的沉砂池1座，以清潔水源。蓄水池為封閉式矩形結構，混凝土預制板封頂，不影響棚內的栽植，并可以保證冬季不結冰。另外，在每個蓄水池安裝泵站一座，泵組2套，用來抽蓄水池中的水，一組供棚內水簾夏季室內降溫之用，一組供綠化及室內澆灌之用。

4.4.4 人工湖 人工湖的修建，主要是為了中心園區(qū)內景觀的需要，開挖并作防滲處理，以蓄存雨水，形成景觀水面，設計面積為200 m2，設計水深1 m，蓄水容量160m3，拋石護岸，坡比為1∶2。因為項目區(qū)內土壤為砂壤土，滲透性大，故需要做防滲處理。（1）防滲類型的選擇。目前國內防滲類型主要選擇土工膜防滲和粘土減滲兩種方法，結合項目區(qū)內情況，考慮到修建面積和建設目的，本設計選擇復合土工膜防滲技術。在人工湖防滲工程中，其厚度控制范圍在0.3～0.6mm，幅寬為4～6 m，小于0.3 mm的土工膜在焊接過程中不易控制，容易破壞。從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，在本方案設計中，選用規(guī)格為一布一膜即選用0.5mm厚復合土工膜，為便于水生植被的生長，覆土50 cm。（2）防滲設計。復合土工膜防滲采取邊挖、邊鋪、邊夯、邊護的區(qū)段循環(huán)作業(yè)流程?；A底層夯實整平清理干凈后鋪設復合土工膜，最后覆土50 cm做為覆蓋基面，便于水生植物扎根生長。根據(jù)景觀需要，護坡采用拋石護岸的設計方式，土工膜由湖底經(jīng)過護岸基礎壓在塊石之下，其基本的施工方案為土工膜由護岸后兜起，形成一個整體的防滲體系。具體設計見圖3。（3）施工注意事項。土工膜的鋪設：土工膜的攤鋪工作，以人工鋪設為主。在鋪設過程中，膜與膜之間及膜與基面之間要壓平貼緊，不宜將膜拉得過緊，一般要略松一點，不能在膜底留有氣泡，盡量減少裁減，在接縫處理上不應出現(xiàn)“十”字縫，橫縱縫應以“T”字縫為宜，邊鋪膜邊蓋保護層土料。由于鋪設面積較大，必須選擇寬幅較大的產(chǎn)品以減少接頭用料[12]。護岸頂端土工膜應翻卷埋于地下，并留出高于設計水位線0.5m的范圍。焊縫處理：土工膜在鋪設過程中預留有搭接余量，接頭可采用熱粘、膠粘、搭接等方法，本工程設計采用膠粘，接縫寬50mm。若發(fā)現(xiàn)土工膜的刺破或撕破之處，一定要用3倍于破損面積的土工膜膠粘貼補好。預留沉降余量：在土工膜的鋪設過程中應預留由于基底微量沉降而出現(xiàn)的拉伸余量，預防不必要的拉裂。每隔5m折疊5 cm，用覆面材料壓住，但不能亂折而影響防滲質量。施工時對土工膜的保護：嚴禁穿高跟鞋或帶丁的鞋在膜上踩踏，施工車輛、機械不得直接碾壓土工膜，更不宜采用重型設備。采用人工鋪設方式，用手推車運送覆面材料。

4.4.5 透水性停車場設計 為了涵養(yǎng)地下水資源，停車場應建設成為透水型停車場。停車場設計采用25×25×20 cm的混凝土停車場草坪磚替代硬化地面，以涵養(yǎng)地下水資源，促進地下水的良性循環(huán)。施工時，先將基礎清理干凈并夯實整平，再將草坪磚直接鋪設并鋪平碾壓，鋪設面積25 000m2。具體工程布置見圖4。

5 結 語

雨水集蓄利用是多方面的綜合技術體系，而不是單一方面的工程。它的具體應用實施必須要考慮區(qū)域的具體情況，包括降水、地形等各個方面。由于雨水集蓄利用工程屬于微型水利工程，規(guī)模較小，故不會產(chǎn)生不利影響。雨水集蓄利用工程對雨水進行收集、凈化并加以利用，有助于推進項目區(qū)新農(nóng)村建設，深化農(nóng)村改革，增加農(nóng)民收入。我國有效降雨在250mm以上的地區(qū)，都可以進行雨水資源的開發(fā)利用，在保證生活用水的前提下，進行水景觀的建設，為當?shù)鼐用裉峁┮粋€親水休閑、和諧、高質量的城鎮(zhèn)生活環(huán)境。該工程為城鎮(zhèn)及新農(nóng)村的雨水集蓄利用提供了新思路，對雨水集蓄利用工程和社會主義新農(nóng)村景觀的建設具有重要的指導和借鑒意義。

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