1、雨水集蓄利用技术8.1 概述雨水资源的利用有广义和狭义之分。从广义上讲，凡是利用雨水的活动都可以称为雨水利用。如兴建水库、塘坝等开发利用地表水的活动，打井开采地下水的活动以及人工增雨等活动。而狭义的雨水利用是指直接利用雨水的活动，如利用一定的集雨面收集雨水用于生活、农业生产和城市环境卫生等。本书所述及的雨水利用是指狭义上的利用。8.1.1 雨水资源开发利用的意义水是人类赖以生存的不可替代的生命资源，也是社会发展的重要经济资源。地球上 70%的面积是海洋，因而水资源总量中 97.5%是不可能直接利用的海水，淡水资源只占 2.5%，而可以直接利用的河流、湖泊和水库的淡水资源，仅为淡水资源总量的 0
2、.26%。工业和城市的发展，排污量大增，又导致水源的污染；森林等植被破坏使得生态失去平衡，也会造成雨量减少，地下水的补充量减少。目前，世界上大约有 90 个国家，40%的人口出现缺水危机，因此引起世界许多国家的关注，联合国于 1997 年发出淡水资源短缺的警报：“缺水问题将严重制约下世纪的经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。”我国水资源总量为 28000 亿 m，居世界第 6 位；人均占有量 2300m，仅为世界人均占有量的 1/4，居世界第 109 位，被列位世界 13 个贫水国之一。我国 660 多个城市中，缺水城市达 300 多个，其中严重缺水城市 108 个。据统计，全国城市目前日
3、缺水量达 1600万 m，每年因缺水损失工业产值 1200 多亿元。全国农村每年缺水约 300 亿 m，有 5000多万人和 2.5 亿头牲畜饮水困难。特别是进入 90 年代以来，干旱日益严重，全国每年受旱面积达 2000 多万 hm，因干旱粮食减产达 150 亿 kg 左右。面对水资源的紧缺局面，解决的办法是开源节流，首先要保护现有的水源，采取行之有效的措施节约水源，如农业上实施节水灌溉技术，工业上治理水污染、利用废水，国家调节供水政策，提高水价等。在开源方面实施南水北调工程，但工程量大，工期长、耗资大。而充分开发雨水资源则是切实可行的办法。目前我国对天然降雨的利用率只有 10%，与国外利用
4、率高的国家相比，可利用的潜力很大。我国降水量在 250mm 以上的地区很广，且降雨集中在 69 月，荒坡山地、路面、场院和屋顶等设施为聚集雨水创造了有力条件，这些地方都可以进行雨水的开发利用。8.1.2 雨水集蓄利用的发展与展望（一）国内外发展概况雨水利用是一项古老的使用技术，远在公元前 2000 多年的中东地区，就有收集雨水用于生活和灌溉。在阿富汗、伊朗、巴基斯坦和中国的新疆，2000 多年前就建造了坎儿井用于灌溉。约 1500 年前以色列的纳巴秦人利用年降雨量仅 100mm 的雨水资源，在沙漠中种出庄家。在墨西哥、秘鲁和南美的安第斯山山坡上，1000 多年前就建造起来能灌能排的雨养梯田。几
5、百年前印第安人就收集雨水种植玉米、南瓜和甜瓜。本世纪中期，以色列制订了“沙漠花园”计划，实施多种形式的雨水集蓄工程，在沙漠上种出了庄家，产生了巨大的经济效益。80 年代以来，雨水集流系统得到迅速发展，在一些多余的国家也得到发展，雨水利用范围也从生活用水向城市用水和农业用水发展，如东南亚的尼泊尔、菲律宾、印度和泰国，非洲的肯尼亚、博茨瓦纳、纳米比亚、坦桑尼亚和马里等国。工业发达国家，如日本、澳大利亚、美国、新加坡、法国、瑞典等国都在开发利用雨水。特别是联合国19811990 年的“ 国际饮水及卫生十年”计划的实施，使雨水利用的现代化技术得到迅速发展和推广。1982 年 6 月在美国夏威夷召开了第
6、一届雨水集流利用的国际会议，成立了国际雨水集流系统协会。1995 年 6 月在中国北京召开了第七届雨水集流系统协会，进一步推动了雨水的开发利用。我国雨水集蓄工程也有着悠久的历史，早在 2500 年前，安徽寿县就修建了大型平原水库，拦蓄雨水，用于农田灌溉。秦汉时期，在汉水流域的丘陵地区修建了库塘，对雨水进行拦蓄和调节。在西北黄土高原等干旱半干旱山区人民在同干旱作斗争的过程中，创造了许多雨水利用技术，如土窖、大井口、坎儿井和蓄水塘等设施外，还改进了修筑梯田、沟筑土坝、粮草轮作等就地蓄雨措施，发挥了很大的作用。但由于社会历时的原因，这些措施并未得到迅速的发展，仍未摆脱农业生产“靠天吃饭”的局面。解放
7、后，特别是 80 年代以来，由于北方干旱日益严重，水资源日益紧缺，在国际雨水集流事业的推动下，国家重视了这方面的研究。从 80 年代就开始了雨水利用技术和水资源持续发展问题的研究。“七五”期间北京开展了城市雨洪利用技术研究。80 年代末以来，各地发展较迅速，如甘肃省实施的“121”雨水集流工程（每户建 100m左右的雨水集流场，打 2 眼水窖，发展 1 亩庭院经济），内蒙古实施的“112”集雨节水灌溉工程（一户建一眼旱井或水窖，采用坐水种和滴灌技术，发展 2 亩抗旱保收田），宁夏的“窖水蓄流工程”，陕西的“甘露工程”，还有山西、河南、河北等省（区）雨水集蓄工程。这些有效的雨水集蓄措施的研究和应
8、用，取得一批成果，产生了明显的经济效益、社会效益和生态效益，展现出强大的生命力。（二）我国雨水集蓄利用发展中存在的问题现在雨水集蓄利用是近几年在干旱半干旱地区涌现出的一件崭新事物，虽取得不少成绩，但还有许多问题需要探索、研究和加以解决，归纳起来，主要有以下几点：（1）对雨水集蓄工程的重要性认识不足。进入 90 年代以来，北方干旱日益严重，水资源日趋紧张，解决的办法习惯于拦截地表径流（如修水库）和开采地下水（如打井），或者寄希望于跨流域调水，而对当地雨水资源开发认识不足，未把它当作解决缺水的一个重要途径，对水环境效益的认识更淡漠。不仅雨水较少的地区应当重视，雨水较多的地区也应当重视，事实上雨水越
9、多的地区越适合开发利用，应当充分认识到这一点。（2）发展的不平衡。目前，雨水集蓄工程在黄土高原地区的甘肃、宁夏、山西、陕西，华北平原的河北、河南等省（区）发展较快，西南地区的贵州、四川、云南也有少量发展，其他地区尚未广泛开展。即使同一省份发展也不平衡。（3）综合性系统化的研究不够。过去开展了不少研究，但大都是单项的研究。雨水集蓄工程包括雨水的引导、聚集、储存和高效利用等方面。因此，要达到高产高效优质的目的，必须对雨水的聚集、存储、节水灌溉技术、农业栽培技术和管理技术进行综合研究，使之形成一个技术体系，并进行推广。（4）缺乏统一的标准和规范。甘肃省已于 1997 年 5 月发布了地方标准甘肃省雨
10、水集蓄利用工程技术标准。其他有的省尚处于试验、示范阶段，有的省已在小面积推广，有的省还未开展，缺乏科学的分析和指导，也影响了发展速度和工程质量。因此各地应根据当地情况，通过试验、示范和推广应用，总结出地方标准，进而制定全国的标准，更好地指导雨水集蓄工程的发展。（三）雨水集蓄工程技术的发展前景广阔我国是一个水资源不丰富的国家，每公顷可用耕地占有量只有世界平均的 1/2，而北方地区又远低于全国水平。干旱缺水已成为工农业生产发展的制约因素，特别是西北地区的陕、甘、宁、青、新等省（区）及内蒙古，土地辽阔，总面积占全国的 40%，但水资源不足全国的 10%，多数地区年降雨量在 400mm 以下，且降雨年
11、内分配均匀，多集中在 69月，且以暴雨形式出现，造成水土流失。但这些地区却是我国重要的农牧业区，光热条件好，可供开发的耕地和草地资源潜力很大，而干旱缺水是制约这里土地和草地资源优势发挥的主要因素，相当部分耕地是没有灌溉就没有农业的地方，这里又是老少边穷地区，群众生活较贫困。南方地区虽降雨较多，但降雨分配不均，再加上地势坡度大，径流很快流入沟底，不易取用，季节性干旱几乎每年都出现。西南地区石灰岩山区分布广，岩溶发育，裂缝多，漏水严重，雨水虽多，但山高水低，很难利用。沿海诸岛屿，虽然雨量丰富，但由于其面积小，河流短，雨后径流很快流入大海，再加上土层薄，地下水也很缺乏，生产生活用水都十分困难。滨海地
12、区地表水污染严重，地下水多为咸水，淡水资源也十分缺乏。上述这些地区，由于地形条件和经济条件的限制，兴建骨干水利工程不但投资大，工期长，施工难度大，而且难以全面解决灌溉问题。因此，如何充分利用当地降雨资源，发展灌溉，提高作物产量，脱贫致富，不但是当地迫切需要解决的问题，也是我国农业生产中的一个战略性问题。我国是一个农业大国，广大的农村，上亿个农户，房前屋后庭院面积达 340 多万hm。由于雨水集蓄工程一般规模小，分布较散，不会造成不利的环境影响，且有利于生态保护。因此，凡有效降雨在 250mm 以上的地区，都可开发雨水资源，除解决生活用水外，实施节水灌溉，秋水春用，变被动抗旱为主动抗旱，这是我国
13、 21 世纪水资源可持续利用的一个有效途径，开发利用前景十分广阔。8.2 雨水集蓄工程的组成雨水集蓄工程是指对降雨进行收集、汇流、存储以及进行节水灌溉的一套系统。一般由集雨系统、输水系统、蓄水系统和灌溉系统组成。8.2.1 集雨系统集雨系统主要是指收集雨水的集雨场地。首先应考虑具有一定产流面积的地方作为集雨场，没有天然条件的地方，则需人工修建集雨场。为了提高集流效率，减少渗漏损失，要用不透水物质或防渗材料对集雨场表面进行防渗处理。（一）影响集流效率的主要因素（1）降雨特性对集流效率的影响集流效率随着降雨量及雨强的增加而增加。多年平均降雨量越小的地区，说明该地区越是干旱，小雨量、小雨强的降雨也就
14、多，全年的集流效率也就越低。（2）集流面材料对集流效率的影响雨水集流的防渗材料有很多种，各地实验结果表明以混凝土和水泥瓦的效率最高，可达 70%80%。这是因为这类材料吸水率低，在较小的雨量和雨强下即能产生径流。而土料防渗效率差，一般在 30%以下。同一种防渗材料在不同地方全年集流效率亦有差别，这主要是各地施工质量差别所造成。不同材料集流场在不同降水量及保证率情况下全年集流效率见表 8-1。表 8-1 不同材料集流场在不同降水量及保证率情况下全年集流效率表（3）集流面坡度对集流效率的影响一般来说，集流面坡度较大，其集流效率也较大。因为坡度较大时可增加流速，可减少降雨过程中坡面水流的厚度，降雨停
15、止后坡面上的滞留水也减少，因而可提高集流效率。下垫面材料相同，不同坡度对集流效率的影响差别也较大，为了提高集流效率，集流场纵坡应不小于 1/10。集 流 效 率（%）多年平均降水量保证率（% ） 混凝土 塑模覆砂水泥土 水泥瓦 机瓦 青瓦黄土夯实沥青路面自然土坡50 80 46 53 75 50 40 25 68 875 79 45 25 74 48 38 23 67 740050095 76 36 41 69 39 31 19 65 650 80 46 52 75 49 40 26 68 875 78 41 46 72 42 34 21 66 730040095 75 34 40 67 37
16、 29 17 64 550 78 41 47 71 41 34 20 66 675 75 34 40 66 34 28 17 64 520030095 73 28 33 62 30 24 13 62 4（4）集流面前期含水量对集流效率的影响前次降雨造成集流面含水量高时，首先应考虑现有的集流面，如沥青公路路面、乡村道路、场院和天然坡度地等。现有的集流面面积小，不能满足集水量要求时，则须修建人工防渗集流面来补充。防渗材料有很多种，要本着因地制宜、就地取材、集流效率高和工程造价低的原则选用。若当地砂石料丰富，运输距离较近时，可优先采用混凝土和水泥瓦集流面。因这类材料集流效率高，而且寿命长，成本低，施
17、工简单，干净卫生。若当地人均耕地较多，可采用土地轮休的办法，用塑料膜覆盖部分耕地作为集流面，第二年该集流面转为耕地，再选另一块耕地作为集流面，这种材料集流效率较高，但塑料膜寿命较短。在有条件的地方，可结合小流域治理，利用荒山坡地作为集流面，并按设计要求修建截流沟和输水沟，把水引入蓄水设施。8.2.2 输水系统输水系统是指输水沟（渠）和截流沟。其作用是将集雨场上的来水汇集起来，引入沉沙池，而后流入蓄水系统。要根据各地的地形条件、防渗材料的种类以及经济条件等，因地制宜地进行规划布置。对于因地形条件限制离蓄水设施较远的集雨场，考虑长期使用，应规划建成定型的土渠。若经济条件允许，可建成 U 形或矩形的
18、素混凝土渠。利用公路、道路作为集流场且具有路边排水沟的，截流输水沟（渠）可从路边排水沟的出口处连接，修到蓄水设施。路边排水沟及输水沟（渠）应进行防渗处理，蓄水季节应注意经常清除杂物和浮土。利用山坡地作为集流场时，可依地势每隔 2030m 沿等高线布置截流沟，避免雨水在坡面上漫流距离过长而造成水量损失。截流沟可采用土渠，坡度宜为 1/301/50。截流沟应与输水沟连接，输水沟宜垂直等高线布置，并采用矩形或 U 形素混凝土渠或用转（石）砌成。利用已经进行混凝土硬化防渗处理的小面积庭院或坡面作为集流场的，可将集流面规划成一个坡向，使雨水集中流向沉沙池的入水口。若汇集的雨水较干净，也可直接流入蓄水设施
19、，可不另设输水渠。8.2.3 蓄水系统蓄水系统包括储水体及其附属设施，其作用是存储雨水。（一）储水体各地群众在实践中创造出不同的存储形式，北方地区最常见的是建水窖和蓄水池。各地应根据地形地貌特征、经济条件、施工技术和当地材料来选型。1 窖水窖按其修建的结构不同可分为传统型土窖、改进型水泥薄壁窖、盖碗窖、窑窖、钢筋混凝土窖等；按采用的防渗材料不同又可分为胶泥窖、水泥砂浆抹面窖、混凝土和钢筋混凝土窖、人工膜防渗窖等。由于各地的土质条件、建筑材料及经济条件不同，可因地制宜选用不同结构的窖形。在建窖中，对用于农田灌溉水窖与人畜饮水窖在结构要求上有所不同。根据黄土高原群众多年的经验，人饮窖要求窖水温度尽
20、可能不受地表和气温的影响，窖深一般要达到68m，保持窖水不会变质，能够长期使用，而灌溉水窖则不受深度的限制。适合当前农村生产的几种窖形结构如下：（1）水泥砂浆薄壁窖水泥砂浆薄壁窖（见图 8-1）是由传统的人饮窖经多次改进、筛选成型。窖体结构包括水窖、旱窖和窖口窖盖三部分。水窖位于窖体下部，是主体部位，也是蓄水的位置所在，形似水缸；旱窖位于水窖上部，由窖口经窖脖子（窖筒）向下逐渐呈圆弧形扩展，至中部直径（缸口）后与水窖部分吻接。这种倒坡结构，受土壤力学结构的制约，其设计结构尺寸是否合理直接关系到水窖的稳定与安全；窖口窖盖是起稳定上部结构的作用，防止来水冲刷，并连接提水灌溉设施。水泥砂浆薄壁窖近似
21、“坛式酒瓶”。窖深 77.8m，其中水窖深 4.54.8m，底径33.4m，中径 3.84.2m，旱窖深 2.53.0m，窖口径 0.81.1m。窖体由窖口以下 5080cm 处圆弧形向下扩展至水窖中径部位，窖台高 30cm。蓄水量一般在 4050m左右。水泥砂浆薄壁窖的防渗处理分窖壁防渗和窖底防渗两部分。为了使防渗层与窖体土层紧密结合并防止防渗砂浆整体脱落，沿中径以下的水窖部分每隔 1.0m，在窖壁上沿等高线挖一条宽 5cm、深 8cm 的圈带，在两圈带中间，每隔 30cm 打混凝土柱，品字形布设，以增加防渗砂浆与窖壁的连续性和整体性。图 8-1 水泥砂浆薄壁窖窖底结构以反坡形式受力最好，即
22、窖底呈圆弧形，中间低 0.20.3m，边角亦加固成圆弧形。在处理窖底时，首先要对窖底原状土轻轻夯实，增强土壤的密实程度，防止底部发生不均匀沉陷。窖底防渗可根据当地材料情况因地制宜选用。一般可分为：胶泥防渗，可就地取材，是传统土窖的防渗形式。首先要将红胶泥打碎过筛、浸泡拌捣呈面团状，然后分两层夯实，厚度 3040cm，随后用水泥砂浆墁一层，作加固处理。混凝土防渗。在处理好的窖底土体上浇筑 C19 混凝土，厚度 1015cm。此窖型适宜土质比较密实的红、黄土地区，对于土质松疏的沙壤土地区和土壤含水量过大地区不宜采用。（2）混凝土盖碗窖混凝土盖碗窖（见图 8-2）形状类似盖碗茶具，故名盖碗窖。混凝土
23、盖碗窖的窖体包括水窖与窖盖窖台两部分。水窖部分结构与水泥砂浆薄壁窖基本相同，只是增大了中径尺寸和水窖深度，增加了蓄水量。窖盖窖台为薄壳型钢筋混凝土拱盖，在修整好的土模上现浇成型，施工简便。帽盖上布置圈梁、进水管、窖口和窖台。混凝土帽盖布置少量钢筋铅丝，形同蜘蛛网状。图 8-2 混凝土盖碗窖混凝土盖碗窖窖盖矢高 1.41.5m，球台直径为 4.5m，矢高与球台直径的比值一般为0.310.33。窖深 6.5m（不含底防渗层厚度），壁厚 6cm，底径 3.23.4m，中径 4.2m，窖口径 1.0m。蓄水量在 60m左右。此窖型适宜于土质比较松软的黄土和砂石壤土地区。打窖取水，提水灌溉和清淤等都比较
24、方便，质量可靠，使用寿命长，但投资较高。（3）素混凝土肋拱盖碗窖素混凝土肋拱盖碗窖是在混凝土盖碗窖的基础上，将钢筋混凝土帽盖改进为素混凝土肋拱帽盖，省掉了 30kg 钢筋和 20kg 铅丝，其他部分结构尺寸与混凝土盖碗窖完全一样。素混凝土肋拱帽盖厚度为 6cm，是在修整好的半球状土模表面上由窖口向圈梁辐射形均匀开挖 8 条宽 10cm、深 68cm 的小槽，窖口外沿同样挖一条环形槽，帽盖混凝土浇筑后，拱肋与混凝土壳盖形成一整体，肋槽部分混凝土厚度由拱壳的 6cm 增加到 1214cm，即成为混凝土肋拱，起到替代钢筋的作用。素混凝土肋拱盖碗窖的适应性更强，便于普遍推广。（4）混凝土拱底顶盖圆柱形
25、水窖该窖型是甘肃省常见的一种形式（见图 8-3），主要由混凝土现浇弧形顶盖、水泥砂浆抹面窖壁、三七灰土翻夯窖基、混凝土现浇弧形窖底、混凝土预制圆柱形窖颈和进水管等部分组成，其技术数据见表 8-2。表 8-2 混凝土拱底顶盖圆柱形水窖技术数据表容积(m)直径(m)壁厚(m)窖深(m)挖方(m)填方(m)混凝土(m)砂浆(m)水泥(m)砂(m)石子(m)水(m)15 2.2 3.0 3.9 20.5 3.6 1.12 0.82 0.63 1.60 0.78 0.920 2.4 3.0 4.4 26.8 4.6 1.29 1.01 0.75 1.89 0.9 0.925 2.6 3.0 4.7 32
26、.9 5.27 1.47 1.16 0.85 2.16 1.03 1.130 3.0 3.0 4.2 37.9 5.2 1.7 1.22 0.93 2.27 1.19 1.4图 8-3 混凝土拱底顶盖圆柱形水窖（5）混凝土球形窖该窖型为甘肃省的一种形式（见图 8-4），主要由现浇混凝土上半球壳、水泥砂浆抹面下半球壳、两半球结合部圈梁、窖颈和进水管等部分组成。其技术数据见下表 8-3。表 8-3 混凝土球形窖技术数据表容积(m)直径(m)壁厚(m)挖方(m)填方(m)混凝土(m)砂浆(m)水泥(m)砂(m)石子(m)水(m)15 3.1 4.0 33.3 16.9 1.6 0.15 0.58 0
27、.85 1.07 0.920 3.4 4.0 42.3 20.5 1.87 0.19 0.69 1.01 1.24 0.925 3.6 4.0 51.0 22.6 2.13 0.21 0.78 1.15 1.41 1.030 3.9 4.0 59.6 23.5 2.36 0.24 0.86 1.28 1.56 1.2图 8-4 混凝土球形窖（6）砖拱窖这种窖型是为了就地取材，减少工程造价而设计的一种窖型（见图 8-5），适用于当地烧砖的地区。砖拱窖的水窖部分结构尺寸与混凝土盖碗窖相同，窖盖属盖碗窖的一种形式，为砖砌拱盖。矢高 1.74m，窖口直径 0.8m，球体直径 4.5m。窖盖用砖错位压茬分层砌筑。砖拱窖施工技术简易、灵活，既可在土模表面自下而上分层砌筑，又可在打开挖窖体土方后再分层砌筑窖盖。图 8-5 砖拱窖（7）窑窖窑窖按其所在的地形和位置可分为平窑窖和崖窑窖两类。平窑窖一般在地势较高的平台上修建，其结构形式与封闭式蓄水池相同（参阅封闭式蓄水池）。将坡、面、路壕雨水引入窑窖内，再抽水（或自流）浇灌台下农田。崖窑窖是利用土质条件好的自然崖面或可作人工剖理的崖面，先挖窖，然后在窖内建窖。俗称窑窖（见图 8-6）。
