近自然集雨面的技術(shù)研究進(jìn)展

段梓誠，蔣文翠，彭爾瑞，李榮亮

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650051)

我國是一個人口、土地面積較大的國家，干旱半干旱區(qū)約占國土面積的1/2，雨水利用就成為這些地區(qū)解決缺水現(xiàn)狀的方法[1]。這些地區(qū)都有一些共同特點(diǎn)：水資源嚴(yán)重匱乏或季節(jié)性匱乏；地形特征普遍溝壑縱橫，修建相關(guān)引水工程的條件十分困難；生產(chǎn)生活用水完全依靠自然降雨，然而年內(nèi)降雨分布不均，嚴(yán)重影響了這些地區(qū)的生產(chǎn)生活。雨水的收集利用便日益受到各界關(guān)注。雨水集蓄包括雨水收集、凈化、存儲和利用4個部分，雨水資源化的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是雨水的收集，雨水收集的效果好壞決定著整個雨水集蓄工程的效率發(fā)揮。

20世紀(jì)中期，雨水收集常常是利用地表的花崗巖表面、光滑的巖石坡面等自然坡面。比如，埃塞俄比亞農(nóng)村[2]主要采用屋頂和巖石的自然坡面等方式來收集雨水。一些山區(qū)也通過鐵皮、塑料或不銹鋼等材質(zhì)稍作加工作為集雨工具，貴州咯斯特山區(qū)采用塑料材質(zhì)將集雨面制作成四周高中間略低的形狀以便雨水聚集[3]。采用此類集雨面，雖制作成本低廉且對生態(tài)環(huán)境幾乎沒有影響，但集雨效率低下或耐久性差，往往收集的雨水量不滿足需求量。另一方面，混凝土集雨面雖具有不錯的集雨效率[4]，但在呼吁生態(tài)環(huán)保的今天，其高昂的造價且對土地的復(fù)墾復(fù)綠造成一定的難度，故其具體的使用還需多維考慮。因此，研發(fā)一種近自然、成本低和集雨效率不錯的集雨面是擺在專家學(xué)者面前亟待解決的難題。

1 近自然集雨面材料相關(guān)研究

作為雨水集蓄工程首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的集雨面，從產(chǎn)生到材料學(xué)、計算機(jī)學(xué)被廣泛應(yīng)用的今天，在建造材質(zhì)、建造工藝等各個方面都得到了質(zhì)的飛躍。期間眾多相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對集流面的材料和理論等諸多方面開展了深入的研究和改進(jìn)。

近年來，集雨面材料領(lǐng)域取得了很多的研究成果。一些學(xué)者以環(huán)保為前提條件，將其它領(lǐng)域的材料引入或研發(fā)一種新型的材料運(yùn)用到集雨面上。

1.1 土壤固化劑運(yùn)用到集雨面

土壤固化劑是20世紀(jì)中期出現(xiàn)的新型材料，經(jīng)過多年不斷的發(fā)展和完善，世界上已有許多國家將這項技術(shù)廣泛運(yùn)用于相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)硬化、防滲工程中，但將土壤固化劑運(yùn)用到集雨面的建設(shè)研究剛剛起步?；诖耍覈恍W(xué)者對將土壤固化劑運(yùn)用到集雨面建設(shè)中開展了深入的研究。

馮浩等[5]通過對黃土進(jìn)行特殊處理，使之添加HEC土壤固化劑和AAM水泥添加劑，并對混摻形成集流場的集流效率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該集流場的集流效率能達(dá)到78%，其集流效率可以和混凝土集流場相媲美且成本很低。樊恒輝等人對現(xiàn)有的HEC土壤固化劑的配比進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研發(fā)出了一種新型MBER土壤固化劑，相比于傳統(tǒng)的混泥土，投資減少30%～40%，集流效率可達(dá)60%～90%[6]。

樊恒輝等[7]通過對混凝土集雨場和土壤固化劑集雨場長時間的試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，土壤固化劑集雨場僅有少許表皮的脫落，但其強(qiáng)度基本不變。土壤固化劑集雨面相比混凝土集雨面有著更低廉的造價和不相上下的高集流效率等優(yōu)點(diǎn)。如果通過相關(guān)試驗(yàn)尋找到一種合適的土壤固化劑配合比，使得后期自身固化土的復(fù)墾復(fù)綠問題也迎刃而解，這未嘗不是未來的一種研究方向。

1.2 高分子化合物運(yùn)用到集流面

集雨場的建造往往比較復(fù)雜，尋求更經(jīng)濟(jì)、簡便且環(huán)保的集雨材料是雨水資源利用的重要研究方向。高分子化合物由于其化學(xué)惰性、優(yōu)良的防水性和操作簡易等特征，成為新型集雨材料的潛在研究對象?；诖耍S多學(xué)者展開了深入的研究。

王百田等[8]通過對拍光處理的坡面以及經(jīng)高分子化合物固結(jié)處理的表層土壤坡面的集流能力進(jìn)行分析，得出高分子材料的固結(jié)處理利于提高坡面的集流效率。徐玉芹等[9]將有機(jī)硅運(yùn)用到集雨面上，施工過程簡單，僅僅只需在整理后的土壤上噴涂溶液即可。試驗(yàn)過程中雖部分溶液噴灑到附近草坪上，但草坪依舊正常生長。周振民[10]通過對不同材料以及不同場地的集流效果進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明甲基硅酸鈉和硅烷偶聯(lián)劑處理后的集流場集流效率明顯增加，適宜用于雨水集流場中集雨面的處理。莫永京等[11]認(rèn)為玻璃纖維水泥土具有很強(qiáng)的區(qū)域適應(yīng)性，并具有工程性好、使用周期長、成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于構(gòu)建集流面。李巧珍等[12]使新型高分子有機(jī)硅運(yùn)用到表面構(gòu)建，使土壤表面結(jié)構(gòu)致密形成保護(hù)膜，從而獲得高達(dá)70%以上的集流效率。而且采用該材料的集流面成本相對較低、施工也相對簡單。

馮浩等[13]發(fā)現(xiàn)高分子聚合物具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加降雨入滲、調(diào)控坡面徑流的作用，是適宜于黃土區(qū)應(yīng)用的高效、成本低的降雨徑流調(diào)控材料。吳淑芬等[14]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高分子聚合物(聚丙烯酸、脲醛樹脂、聚乙烯醛)處理的坡面，其對坡面徑流和防止土壤侵蝕是非常有效的。

高分子化合物類集流場相比于土壤固化劑集流場，雖然在耐久性等方面不及土壤固化劑類集流場，但其更簡便的施工工藝且對環(huán)境影響較小的優(yōu)點(diǎn)是土壤固化劑集流場所不及的。

1.3 生物材料運(yùn)用到集雨面

目前傳統(tǒng)的集雨面的材料主要有塑料膜、瀝青、混凝土、黏土夯實(shí)及多種新型高效材料等[15]。但以往的材料可能對當(dāng)?shù)赝寥喇a(chǎn)生不利影響，由此可能會產(chǎn)生一系列環(huán)境問題。而利用生物材料不僅不會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，還可以改良土壤，防止受水風(fēng)侵蝕等，使土壤更利于植物的生長[15]?；诖?，許多學(xué)者展開了深入的研究。

李莉等[16]的研究結(jié)果表明，生物土壤結(jié)皮可以使土壤的入滲速率降低，減幅達(dá)8.3%；熊好琴等[17]研究結(jié)果同時也表明生物土壤結(jié)皮的發(fā)育導(dǎo)致土壤入滲降低。周貴連等[18]在半干旱區(qū)的研究結(jié)果表明，人工培育的生物土壤結(jié)皮可顯著改變土壤的顆粒組成、明顯降低土壤入滲效果，其集雨面的平均集雨效率可達(dá)60.86%，且使用年限較長，并具有提高土壤抗蝕性的作用。

馮學(xué)贊等[19]分析了地衣集雨面(干旱半干旱地區(qū))的可行性，認(rèn)為地衣集雨面作為優(yōu)秀的綠色環(huán)保集雨材料在改善干旱半干旱生態(tài)環(huán)境的同時可以緩解水資源匱乏的問題。

王登奎等[20]在半干旱地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，將新型生物材料“生物炭”[21]作為集雨覆蓋材料，“生物炭”不僅改進(jìn)和優(yōu)化了生物農(nóng)膜性能，降低了成本，且提高了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

生物型集雨材料是一種優(yōu)秀的修建集雨面的綠色材料。生物型集雨材料對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，宜在很多地區(qū)推廣應(yīng)用，尤其是干旱半干旱地區(qū)，生物型集雨材料不僅能用來收集雨水，而且能改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

2 近自然集雨面營造技術(shù)相關(guān)研究

除了集雨面材料之外，后續(xù)的集雨面面積確定和集雨面施工等等環(huán)節(jié)都是營造整個雨水收集系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。

集雨面營造技術(shù)中首要關(guān)鍵的就是確定集雨面面積的大小，影響集雨面面積因素中最直接就是集雨面的集雨效率。另一方面，影響集雨效率的因素又有集雨面材料、水文氣象特征和地形地貌等等。由于集雨場的坡度影響徑流的流速，因此，坡度也是集雨效率的一個影響因子。一般而言，對于滲透系數(shù)較高的材料，集雨場的坡度越大，其集雨效率也會越大，但是對于滲透系數(shù)較低的材料而建設(shè)成的集雨場卻影響不是很大。

集雨面的施工技術(shù)也是雨水收集系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)。張志成[22]對雨水集蓄利用工程中混凝土集流面、塑模防滲集流面、片(塊)石襯砌集流面、棚面集流面、土質(zhì)集流面和自然集流面的施工進(jìn)行了簡單的總結(jié)，以供類似工程施工時參考。

另一方面，一些學(xué)者基于某種材料也對其施工技術(shù)做了相關(guān)研究。莫永京等[23]研發(fā)了一種集雨面材料及其施工技術(shù)。其研發(fā)的集雨材料和施工方法所建設(shè)的集雨面具有較好的強(qiáng)度和抗?jié)B性，符合集雨面建造的要求。若根據(jù)需要還可以將集雨面復(fù)墾復(fù)綠，不會對生態(tài)環(huán)境造成影響。樊恒輝[24]研發(fā)了一種利用土壤固化劑加固土修建集雨面的施工及養(yǎng)護(hù)方法。

3 近自然集雨面相關(guān)理論研究

傳統(tǒng)的雨水理論基礎(chǔ)：就地攔蓄入滲利用理論、覆蓋抑蒸利用理論、富集疊加利用理論、坡地雨水利用理論和地表徑流調(diào)控及模型試驗(yàn)理論等等。一些學(xué)者基于傳統(tǒng)雨水理論展開研究或?qū)鹘y(tǒng)雨水利用理論和其它理論相結(jié)合運(yùn)用到具體案例中。

陳道云等[25]研究結(jié)果表明，集雨場的集流效率和單位面積集雨面的集水量和集雨面坡度、降水量和雨強(qiáng)呈正相關(guān)。朱強(qiáng)等[26]研究表明集流效率與次降雨量、雨強(qiáng)及材料的前期含水率呈正比關(guān)系，并且得出全年集雨效率公式。朱興平等[27]在總結(jié)已有雨水利用有關(guān)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了雨水利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系。張景國[28]對雨水地面徑流過程進(jìn)行了分析，并基于運(yùn)動流理論模擬雨水地面徑流過程，得到了分析結(jié)果，還通過與傳統(tǒng)推理法的比較，找出了傳統(tǒng)方法的不足之處。苗魚池[29]通過試驗(yàn)表明，不同土壤下產(chǎn)流、產(chǎn)沙與雨強(qiáng)和坡度分別呈線性和冪函數(shù)關(guān)系，雨強(qiáng)對區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙影響程度總體高于坡度。羅丹竹等[30]通過試驗(yàn)表明，坡面土壤顆粒組成對坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙具有重要影響。

丁志斌等[31]基于極限強(qiáng)度理論，得出了一場降雨的收集調(diào)蓄過程中初期雨水和潔凈雨水累積量的變化規(guī)律，并給出在重現(xiàn)期下的計算公式。劉鵬等[32]基于雨水管道設(shè)計流量公式，推求了對一場降雨進(jìn)行收集的過程中，初期雨水和潔凈雨水的變化規(guī)律，并給出計算公式和某重現(xiàn)期下初期雨水與潔凈雨水的關(guān)系曲線。李宇超等[33]基于海綿城市理論，對西北地區(qū)雨水資源的利用提出了相關(guān)建議。王陽[34]基于海綿城市理論，將雨水利用和城市公園設(shè)計相結(jié)合。徐海順[35]基于生態(tài)雨水基礎(chǔ)設(shè)施理論，提出中國城市新區(qū)生態(tài)雨水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃理論框架和方法論體系。

傳統(tǒng)的雨水利用理論發(fā)展至今已經(jīng)相當(dāng)成熟，未來相關(guān)理論的發(fā)展方向可能是：將傳統(tǒng)的雨水利用理論與其它學(xué)科理論結(jié)合起來并運(yùn)用到具體案例中，比如，將干擾生態(tài)學(xué)原理運(yùn)用到雨水收集利用中[36]。

4 總結(jié)和展望

4.1 雨水收集技術(shù)總結(jié)

在涉及到集雨面的優(yōu)劣時，生態(tài)、高效、耐久和經(jīng)濟(jì)都應(yīng)該列入到效果評價體系里。這4個方面的結(jié)合，才能體現(xiàn)出一種集雨場的好壞。朱強(qiáng)等[26]對一些傳統(tǒng)集雨材料的性價比做了分析研究，認(rèn)為水泥瓦、混凝土、黃土夯實(shí)是性價比較高的集雨方式。但考慮到目前并沒有具體的集雨面效果評價體系，因此可以參考一些工程效益評價體系，可以將其一些方法運(yùn)用到集雨面效果評價體系的建立上面來。

呂森[37]采取模糊綜合指數(shù)評價法進(jìn)行城市雨水利用環(huán)境效益的評價研究。首先構(gòu)建各基層指標(biāo)的隸屬函數(shù)，使其轉(zhuǎn)化成變幅0～1的無量綱數(shù)，從而獲得對每個指標(biāo)的模糊評分。然后，將各項指標(biāo)的評分值與其權(quán)重相乘，獲得二級指標(biāo)的評價值。依此類推，由基層到高層，直至最后復(fù)合成一個具體數(shù)值，即城市雨水利用綜合指數(shù)。李乃平[38]基于LEED體系，根據(jù)非線性規(guī)劃法和本地化約束條件，建立雨水多目標(biāo)應(yīng)用模型。此模型為當(dāng)?shù)鼗晁畱?yīng)用決策提供了一種工具。譚月桐[39]基于WSUD理論利用層次分析法(AHP)建立起高校雨水管理措施評價體系，并運(yùn)用Yaahp10.3軟件計算出指標(biāo)權(quán)重。秦永昊等[40]分析雨水集蓄利用不同方法，通過建立合理模糊數(shù)學(xué)模型，對各種雨水集蓄利用方法進(jìn)行權(quán)重比較，得出最優(yōu)化結(jié)果。夏國恩等[41]通過將決策支持系統(tǒng)(DDS，Decision support system)引入到丘陵山地雨水集蓄中，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，為研究者提供決策支持。向杰等[36]基于干擾生態(tài)學(xué)原理，把干擾度測算方法運(yùn)用于雨水集蓄綜合環(huán)境效益評價里，從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益3個方面選取適合的評價指標(biāo)和方法來構(gòu)建評價體系。趙西寧等[42]基于黃土高原地區(qū)水文特點(diǎn)，運(yùn)用AHP原理，遵循科學(xué)等原則，構(gòu)建了小流域雨水資源化綜合效益評價體系。

另一方面，修建人工集流場勢必會對環(huán)境造成影響。目前，在全球都關(guān)注環(huán)境問題的情況下，生態(tài)效益就顯得尤其重要。當(dāng)然，我國有些地區(qū)環(huán)境問題并不突出。但從長遠(yuǎn)來看，這種矛盾肯定是存在的。因此，如何解決好集雨場土地復(fù)墾復(fù)綠問題就成為修建集雨場不得不考慮的問題。一般而言，生物材料集流場可以提高集雨效率且對環(huán)境無影響；拼接式集流場[43]也可以做到不破壞地表土的結(jié)構(gòu)和成分，雨前鋪設(shè)，雨后收走，簡便方便。因此，在國家大力提倡“金山銀山不如綠水青山”的今天，這兩種集雨場具有非常廣闊的發(fā)展前景。

4.2 雨水收集技術(shù)展望

(1)從集雨面材料角度出發(fā)。借鑒各領(lǐng)域新型材料，發(fā)明新型環(huán)保高效耐久經(jīng)濟(jì)的材料，可能是未來集流面材料的研究重點(diǎn)。另一方面，也可以在現(xiàn)有的材料上進(jìn)一步研究，比如利用現(xiàn)有成熟的土壤固化劑，通過試驗(yàn)尋求一種適合的配合比，損失集雨面一定的集雨效率換取后期復(fù)墾復(fù)綠的目的。

(2)從集雨面營造技術(shù)出發(fā)。我國近自然集雨面營造技術(shù)研究起步晚但發(fā)展快，在建設(shè)過程中還存在諸多不足，主要表現(xiàn)在未能結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理建設(shè)，存在照搬照套已有雨水收集方法且后續(xù)對生態(tài)環(huán)境影響較大。近自然集雨面的營造應(yīng)從多個維度考慮，結(jié)合近期工程效果和長遠(yuǎn)的生態(tài)影響提出更多科學(xué)合理的建設(shè)方案。

最后，集雨面效果評價體系一直是雨水收集利用領(lǐng)域的空白，建立符合需求的雨水收集效果評價體系可能成為未來集雨面研究領(lǐng)域的一個方向。