不同集流方式對巖溶地區(qū)水柜水量的影響研究

鄒 穎，黃旭升，邵金華

（廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，南寧 530023）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，廣西大石山區(qū)正在使用的水柜6.8 萬座，工程受益人口32.94萬人，是集中供水工程無法覆蓋區(qū)域群眾飲水和生產(chǎn)的重要水源。在嚴(yán)重干旱缺水的大石山區(qū)，建設(shè)家庭水柜，利用雨水集蓄緩解水資源緊缺、解決農(nóng)村生活用水問題，是改善群眾的生活條件，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的最有效措施之一，為打贏脫貧攻堅做出了巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)前，家庭水柜在大石山區(qū)仍屬于人飲的關(guān)鍵保障水源，為了探索解決巖溶地區(qū)滲透，提升集雨水效率而保障水量的有效方法，本試驗采用水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面和對照組集雨面4種不同集雨面處理方式集流雨水，分析4 種不同集流面產(chǎn)流后的集流效率和經(jīng)濟特性，為提升家庭水柜供水保障率提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點與時間

試驗地點在廣西凌云縣邏樓鎮(zhèn)安水村雷肖屯，地處桂西大石山區(qū)，是典型的巖溶地貌；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其特點是四季分明，雨熱同期，光照充足，無霜期長；年平均氣溫18～29℃之間，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-5℃，年平均降水量658 mm，最大雨量達(dá)1024 mm，極端最少雨量270 mm。6～8 月為降雨高發(fā)期，因此，本試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為2021年6～8月。

1.2 材料

（1）土壤：采用粒徑小于5 mm 的精細(xì)土，該精細(xì)土可通過采用施工工程就近地所產(chǎn)土壤（紅壤、赤紅壤、磚紅壤等均可）加工獲得，需保證土壤含水率不得超過15%，若采挖土壤含水率過高可翻曬后再進(jìn)行精細(xì)土的加工。

（2）水泥：采用標(biāo)號為425的普通硅酸鹽水泥。

（3）水：采用符合混凝土攪拌標(biāo)準(zhǔn)的水源。

（4）固化劑：采用柳州東風(fēng)化工所產(chǎn)的新型CHF高分子復(fù)合離子土壤固化劑（SL-L）。

（5）微生物修復(fù)劑原料主要由菌種、尿素、氯化鈣等組成。①菌種：本試驗選用巴氏芽孢桿菌，是一種典型的好氧嗜堿菌，具有很高的產(chǎn)脲酶能力，成本低廉且適應(yīng)性強，能夠耐酸堿、高鹽度、高溫等惡劣的環(huán)境；②尿素：提供CO，配制培養(yǎng)基采用過濾滅菌的40%的尿素水，配制膠結(jié)液時采用普通分析純尿素即可；③氯化鈣：提供Ca2+，選用分析純固體氯化鈣顆粒；④其他：膠結(jié)液中還包括有NH4CL、NaHCO3、營養(yǎng)肉湯、蒸餾水。

（6）PE導(dǎo)流管、蓄水桶、水表（測雨水流量用）、水泥磚。

1.3 試驗方案

本試驗設(shè)置4個集雨面，即水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面、對照組集雨面，對照組集雨面只需將試點坡面清理出所需尺寸的位置并用水泥磚石圍起即可，其他條件與另外3 種材料集雨面一致。4 個集雨面設(shè)置在同一坡面上，每個集雨面長5 m，寬4 m。每個集雨面四周圍上一層水泥膠結(jié)的水泥磚，防止降雨水濺出和其它坡面雨水流入而影響數(shù)據(jù)收集；集雨面最低處出水口前安裝過濾網(wǎng)，以防泥沙堵塞管網(wǎng)；出水口后配套PE管，流入當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶水柜；同時安裝滿水蓄水桶及水表，讀取集雨量，在降雨后6～10 h內(nèi)對水表進(jìn)行讀數(shù)。具體處理方案見表1。

表1 不同處理集雨面方案

2 結(jié)果與分析

2.1 不同集流方式集流效率分析

集流效率是指集雨場收集的雨水徑流與相應(yīng)降雨量的比值，試驗區(qū)集雨工程的集雨場面積均為20 m2，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和水表讀數(shù)，可算出不同材料填充的集雨面集流效率。本試驗通過收集凌云縣的降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合每次降雨結(jié)束后觀測到的各組水表讀數(shù)，算出各組集流面每次的集雨量，測定方法分別采用水表讀數(shù)法和體積法兩種。用式（1）計算出集流效率：

式中：E為集流效率，%；W為集雨量，m3；P為次降雨量，mm；S為集流區(qū)面積，m2。

經(jīng)計算，各組集雨面集流效率計算結(jié)果見表2和圖1。

表2 不同處理集雨面集流效率

圖1 不同處理集雨面的集流效率

（1）從表2和圖1可以看出，在其他條件相同的情況下，4 種不同集雨面集流效率由大到小的順序為：微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面＞固化劑+水泥土集雨面＞水泥土集雨面＞對照組集雨面。

（2）微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)處理集流效果最好，集流效率在80%～90%之間，平均值為88.2%。這是由于微生物修復(fù)產(chǎn)物中的碳酸鈣與有機多肽類物質(zhì)會滲入巖石裂縫處，有機多肽含有的羥基會與碳酸鈣中的C-O鍵之間形成氫鍵，使得CO鍵發(fā)生偏移，改變巖石裂縫周圍環(huán)境，可較好填充修復(fù)裂縫，所以這兩種材料在較小的降雨量下即可產(chǎn)生徑流。而對照組，即天然集雨面，由于該地區(qū)為大石山區(qū)巖溶地貌，土地分布零星，土壤覆蓋層薄，質(zhì)地疏松，孔隙度大，降雨大部分通過巖溶裂隙和石灰?guī)r漏斗流入地下，在較小的降雨量下不易形成徑流，所以其集流效率最低，平均值為22.5%。

（3）固化劑+水泥土集雨面和水泥土集雨面的集流效率均在60%以上，填充了固化劑的集雨面集流效果會好一些，平均集流效率為81.1%。本試驗采用的新型CHF土壤固化劑是一種由強氧化劑、離子型高分子活化劑、分散劑和固化催化劑等有機組分形成的復(fù)合制劑，是無毒無害無污染的新型低碳節(jié)能環(huán)保類產(chǎn)品，不會對水質(zhì)及周邊環(huán)境造成污染，與水泥、石灰等無機膠凝材料共同使用相互兼容并迅速反應(yīng)，達(dá)到優(yōu)勢互補，可從根本上改變土壤的力學(xué)性能，在抗?jié)B性和水穩(wěn)定性方面性能尤為突出，滲透系數(shù)低、抗剪強度高。因此，它的集流效果只是整體略低于微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面的集流效果。

2.2 不同集流方式經(jīng)濟特性分析

除了集流效率，集流面處理方式是否經(jīng)濟合理也是評估其能否推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。不同集流方式成本分析比較見表3。從表3可以看出，水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面和對照組集雨面4種集流方式的經(jīng)濟投入分別為278、443、448、95 元/m2，成本最高為微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面，其次是固化劑+水泥土集雨面，兩者成本相近。對照組集雨面成本最低，為95元/m2；水泥土集雨面的成本介于中間，為278 元/m2，與成本最高的兩個集雨面處理方式相比，價格差別主要是由材料費差異造成，因為本次試驗集流面面積不大，試驗中用到的固化劑或是微生物修復(fù)材料不需要很多，大約為原材料的1/5。值得注意的是，固化劑+水泥土集雨面和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面兩種集流方式的造價最高，但也是集流效率最高的，兩者的集流效率均大于80%。因此，固化劑+水泥土和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)兩種處理方式適合大面積推廣雨水集蓄利用的地區(qū)采用。

表3 不同集流方式成本分析比較

3 結(jié)語

（1）針對大石山區(qū)巖溶地貌特征，在鋪水泥土的前提下，采用微生物修復(fù)材料對巖石表面細(xì)小裂縫進(jìn)行修復(fù)，或者采用土壤固化劑，可以提高水柜集雨面的集流效率。

（2）集流面建設(shè)應(yīng)遵循“因地制宜”的原則，從經(jīng)濟和集流效率兩方面綜合考慮，對于水泥土處理方式，可以普遍應(yīng)用于各種零散的集流面；對于固化劑+水泥土和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)兩種處理方式，在大面積推廣應(yīng)用中可以作為首選。