简介： 针对江西省边远山区地势较高处农村人口的饮水困难,进行了"雨水集蓄利用"技术可行性分析,并详细介绍生活雨水集蓄利用技术的运用.
关键字：雨水集蓄技术 农村人口 饮水困难
1. 江西省农村人口饮水现状
农民供水工程是统筹城乡发展，改善和提高农民生活质量，促进农村经济社会发展的重要基础设施，是“千村示范、万村整治”建设和农村公共卫生体系建设的主要组成部分，也是实现农村农业现代化的前提条件。千万农民饮用水工程建设的受益对象是经济社会发展水平较低的农村和经济收入不高、生活水平偏下的农民，实施千万农民饮用水工程是实践“三个代表” 重要思想的具体体现。
我省不同区域、不同类型的缺水现状，一是工程型缺水，二是资源型缺水，三是水质型缺水。初步统计：我省农业人口约3200万，860万户。缺水约297万户，1104万人。其中工程型缺水约228万户，848万人，占全省农村人口与农户的26.5%；资源型缺水8.6万户，32万人，占全省农村人口与农户的1%；水质型缺水60万户，224万人，占全省农村人口与农户的7%。江西省从2000年开始，实施农村饮水项目工程，解决了93万农村人口的饮水问题，仅为农村缺水人口的8.4%左右。
我省农村水资源较为丰富，但受经济发展水平的制约，我省农村还有许多地方没有水处理工程和供水管网，特别是我省边远山区地势较高处的农户，由于经费与用水量较小的原因，目前还无法建立水处理工程和供水管网。饮用水既不卫生也不方便。大部分群众仍然直接饮用江河湖库水、坑塘水及浅层地下水，成为我省农村进一步提高生活质量，实现小康目标的一大瓶颈。
根据我省农村人口饮用水现状，为了加强我省水资源管理、优化配置、合理开发水资源，提供安全、卫生的自来水，有效地控制水源性疾病的传播，保障人民群众健康。根据现有供水工程的数量、所取水源情况、供水能力、供水量、供水人口、供水水质、水价、发展规划等相关情况，以及当前社会与经济发展对饮用水的新变化和新要求，并通过对调查数据进行统计分析，江西省灌溉排水发展中心针对我省边远山区地势较高处农村人口的饮水困难，提出了“雨水集蓄利用”的技术建议，以利当地各级水利（务）行政管理部门，采取“雨水集蓄利用技术”，使我省边远山区地势较高处的农村劳动力，从繁重的背、挑、拉等取水劳动中解放出来，改善生存环境，提高当地群众的健康水平。
2 雨水集蓄利用的可行性
2．1 可行性分析
我国有着长远的雨水利用历史。特别是对那些地面水和地下水极端缺乏的干旱山区，雨水是唯一有潜力的水资源，降水作为可利用的水资源，应当充分利用。本文所指的雨水利用是指对原始状态下的雨水进行利用，或对雨水在最初转化阶段时的利用。
雨水集蓄利用工程中的蓄水工程的容积一般不大于500 m3，而且绝大部分是采取防渗措施的蓄水工程。我国开展雨水集蓄利用的地区都在山区。降雨的就地分布特性、居住的分散性以及地形条件决定了雨水集蓄利用只能分散进行。同时雨水集蓄利用工程主要是以农户、或以几个农户为单位进行。因此，雨水集蓄利用工程的规模都很小。其特点是投资少，成效快。
2．2雨水集蓄利用与常规的雨水利用区别
雨水集蓄利用工程一般都包括集、蓄、用三部分。这三部分与常规的雨水利用都有所不同。雨水集蓄利用工程采取工程措施来富集雨水并加以收集，集雨效率较高。常规的雨水利用一般是在天然坡面上拦集，集流效率低；雨水集蓄利用工程通过修建蓄水工程对雨水进行调节利用，调节能力强。而常规雨水利用主要是对雨水当时、就地的利用，雨水的储存主要是储存于土壤空隙，因而调节能力较低；由于雨水集蓄利用工程有较高的雨水集蓄能力，因此能对雨水进行高效利用。与常规雨水利用的方式相比，雨水集蓄利用工程是一种对雨水资源更高的控制利用形式和发展阶段。
针对我省边远山区地势较高处的农户，雨水集蓄利用工程的建设，主要由集流场、沉淀池、水窖组成。设计标准为：屋面集流场50m2，沉淀池5m3，水窖30m³。
2．3雨水集蓄利用工程的效益
⑴ 解放劳动力、发展经济、增加收入。雨水集蓄利用工程实施以前，山区地势较高处的饮水困难农户每天需到1～5km外找水挑水1～3次，每次往返1～2h，费时费力。若水就在院子里或者自来水入户，则节省工时和劳动力。根据调查结果估算，实施了生活雨水集蓄利用工程的地区，平均每户每年可节省50～100个工日，按每工日10元计，则为500～1000元/户年。将节省的劳力用于外出打工、种植和发展养殖生产、庭院经济、从事家务劳动以及发展其他产业，必定增加农户的经济收入。
⑵ 改善了生活习惯，提高了生活质量，促进了农村精神文明的建设。据调查，饮水困难农民过去一盆水洗一家人的脸，更谈不上洗衣和洗澡。实施农村饮水解困工程之后，可为农户提供较充足的水量，改善农民的卫生习惯，有了充足的用水，还可以在农户的房前屋后栽树种花，美化环境，提高生活质量，促进精神文明建设。
⑶ 减少疾病，提高农民的健康水平。农村有些地方不但饮水困难，而且水质不好，含氟含砷含重金属、大肠杆菌超标等现象严重。很多农民都有氟斑牙、拉肚子等疾病。实施了农村饮水解困工程后，将大大改善农村饮水不卫生、不安全的状况，农户喝上洁净卫生的水后，必定提高农民的健康水平，并且大大降低农民因为治病而花费的医药费用。
3 生活雨水集蓄利用系统与技术
简单的雨水集蓄利用系统如下图所示。主要由集雨面、集雨槽、贮水容器和出水口等组成，还有首次冲洗、处理、过滤和输送设备等。
3．1 集雨面
生活雨水集蓄利用最常用的集雨面是屋面。屋面的结构和材料影响着屋面收集雨水时的稳定性和收集的雨水的质量。屋面的材料主要有瓦楞铁、石棉板、各种瓦和石板等。这些材料都比较适合作为屋面收集雨水。在雨水集蓄利用较多的地区，瓦楞铁的应用日渐增多。
集雨面在一定程度上决定了进入贮存设备的雨水量和水质。虽然在降雨强度较大时有一部分水会溅出集雨面，降雨结束后还有一部分雨水存留在集雨面上，但损失的多少主要取决于集雨面的入渗性能。损失的多少通常用径流系数表示。表1是几种屋面材料的集雨特性。
3．2 集雨槽
集雨槽的主要作用有两个：一是将屋面收集的雨水聚集起来；二是将聚集的雨水输送到贮存设备内。集雨槽的材料和形状多种多样，有工厂生产的PVC集雨槽，也有家庭用竹子或铁皮制作的集雨槽；断面形状有矩形、半圆形、三角形。为了降低系统的造价，在一些雨水
表1 屋面材料的集雨特性表
|
材料 |
径流系数 |
说 明 |
|
镀锌铁皮 |
>0.9 |
水质好，表面光滑、温度高，微生物生存困难 |
|
瓦 |
0.6～0.9 |
瓷面瓦收集的雨水质量好； 非瓷面瓦容易积存泥土和微生物；污染物易存留于接缝处 |
|
石棉板瓦 |
0.8～O.9 |
新石棉板收集的雨水质量好；有微孔，降低了径流系数，用久后会积存泥土，甚至生长苔藓 |
|
作物秸秆 |
O-2 |
收集的雨水质量差；有机物分解后进入水中，收集的雨水较浑浊 |
集蓄利用较多的地区常采用当地可获得的价格较低的材料。如用镀锌的薄铁皮经剪切和弯折而成为等腰三角形断面的集雨槽。
集雨槽一般安装在靠近屋面的屋檐下，在屋檐下的安装集雨槽的设计应合理，要求既能将聚集的雨水全部输送到贮水容器内，也不浪费材料。
流量是集雨槽设计的一个主要参数之一，可由下式计算：
式中 Q——流量，m3／s；
A——集雨槽的过流断面，m2；
V——集雨槽内的水流速度，m／s；
n——集雨槽的摩阻系数(取0.01～0.015)；
R——水力半径(R=A／×)，m；
×——湿周，m；
S——集雨槽倾斜度。
屋面面积为50m2的集雨系统集雨槽的参数见表2。
表2 屋面面积为50m2的集雨槽参数表
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断面形状 |
矩形 |
矩形 |
半圆形 |
等腰直角三角形 |
|
集雨槽倾斜度 |
O.5％ |
1％ |
1％ |
1％ |
|
材料宽度(mm) |
214 |
189 |
150 |
175 |
|
集雨槽深度(mm) |
71 |
63 |
48 |
62 |
|
集雨槽宽度(mm) |
71 |
63 |
96 |
124 |
|
断面面积(mm2) |
5041 |
3969 |
3617 |
3844 |
3．3 首次冲洗
屋面和集雨槽内常积存一些尘土、树叶等杂物。在下一次降雨时，这些杂物就会随雨水进入贮水容器内，造成雨水的污染和水质下降。首次冲洗装置的作用就是将这些污染物排放到贮水容器之外。
首次冲洗装置一般有以下3种：
⑴ 手动冲洗机构：最简单的办法是在降雨开始前将进入贮水容器的水管移开，将污物排在贮水容器的外面，待污物排尽后，再将进水管移回原来的位置。这种冲洗方式也称手动冲洗，其优点是结构比较简单，缺点是自动化水平较低，需有人在降雨开始前移开水管，并在冲洗干净后移回原来的位置，可靠性比较低。
⑵ 翻转水槽式冲洗机构：当降雨开始时，首先收集到的混有污物的雨水从水槽的后端进入挂在水槽前端的吊桶内。当吊桶内的雨水和污物达到一定的重量后，水槽就会向前翻转，收集到的雨水从水槽的前端进入贮水容器内，完成首次冲洗过程。
⑶ 浮球式冲洗机构：当降雨开始时，收集到的混有污物的雨水首先进入一个集污桶内。集污桶内有一个浮球。随着雨水进入集污桶，浮球不断上升，最终将集污桶的进口关闭，雨水开始进入贮水容器内。
翻转水槽式冲洗机构和浮球式冲洗机构都存在一个共同的缺点，即每次降雨结束后都要把吊桶或集污桶内的雨水和污物排出。
3．4贮水容器
雨水集蓄利用系统的设计过程中，贮水容积是一个关键参数，它决定了系统的建造成本。贮水容积的大小取决于当地的降雨和气候情况、集雨面的大小、集流面的材料、用水情况等因素。
计算贮水容积不仅要考虑用水需求，还要考虑降雨和雨水的收集情况。在降雨比较充沛、集雨面足够大的地区，主要考虑用水需求。在降雨少或降雨在时间上分布不均的地区，主要根据降雨确定贮水容器的容积。一般计算过程中，两种情况同时考虑。
下面以一个3户农户的雨水集蓄利用系统为例，介绍贮水容积的计算过程。
用水需求：人口11人，每人每天用水45L，总用水量为14.85m3/月。
降雨及集雨情况：集雨面为150m2(3个屋面)。材料为石棉板瓦，径流系数为0.8。江西省平均年降雨1620mm。每年收集的雨水(假定为全部收集)150×1.62×O.8=194.4m3。平均每月可收集雨水194.4/12=16.2m3。
可见，要想使全年的供水满足生活用水需求，每月的用水量不应超过14.85m3。而每年能够收集到的雨水大于用水的需求，由于江西省雨水时空分布不均匀，年内不同季节的变幅很大,所以除了设计合理的雨水集蓄系统外，还需要一个合理的用水管理计划。每月可收集的雨水量可根据降雨数据计算得到。通过计算累计收集的雨量和累计用水量之间的差值（表3）得出要求的最大贮水容积。可以看到最大贮水容积发生在6月，为22.71 m3。本例按标准设计建造30m³水窖，可以满足最大需水2月份的用水要求。
贮水容器的建造可根据建造地点的情况，建于地下或地上，通常称为水罐或水窖。贮水
容器的形状一般以圆柱型最多。建造材料有预制混凝土、钢、塑料、钢筋混凝土和砖等。贮水容器除了要不透水并有一定的容积外，还应满足下列要求：设有溢流口，溢流口的设置和出流不能对贮水容器和它的建筑基础造成损害；能防止一些害虫(如蚊子)等的寄生；不透光，以防微生物的繁殖；通风，以防厌氧生物的生存；便于清洗：对收集的雨水不会造成污染；容器上口要设有围栏以防水孩坠落等。
表3 贮水容积计算表
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月份 |
降雨量 (mm) |
收集的雨水 (m3) |
累计收集的雨水(m3) |
用水量 (m3) |
累计用水量 (m3) |
累计收集的雨水与累计用水量之差 (m3) |
|
10 |
100 |
12.00 |
12.00 |
14.85 |
14.85 |
-2.85 |
|
11 |
78 |
9.36 |
21.36 |
14.85 |
29.70 |
-8.34 |
|
12 |
76 |
9.12 |
30.48 |
14.85 |
44.55 |
-14.07 |
|
1 |
66 |
7.92 |
38.40 |
14.85 |
59.40 |
-21.00 |
|
2 |
110 |
13.20 |
51.60 |
14.85 |
74.25 |
-22.65 |
|
3 |
186 |
22.32 |
73.92 |
14.85 |
89.10 |
-15.18 |
|
4 |
264 |
31.68 |
105.60 |
14.85 |
103.95 |
1.65 |
|
5 |
285 |
34.20 |
139.80 |
14.85 |
118.80 |
21.00 |
|
6 |
138 |
16.56 |
156.36 |
14.85 |
133.65 |
22.71 |
|
7 |
95 |
11.40 |
167.76 |
14.85 |
148.50 |
19.26 |
|
8 |
92 |
11.04 |
178.80 |
14.85 |
163.35 |
15.45 |
|
9 |
130 |
15.60 |
194.4 |
14.85 |
178.20 |
16.2 |
|
总计 |
|
194.4 |
|
178.2 |
|
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4 结束语
生活雨水集蓄利用系统的建设，工程布局要合理，要按设计图纸施工，配套设施齐全。结构尺寸达到图纸要求，水池无渗水、垮塌、沉陷现象，土建质量必须符合设计标准。材料符合设计要求，灰浆饱满，外形美观，环境卫生，管道安装和机电设备安装规范。