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，曹優明，陳 倩，宋思銘

（北京林業大學水土保持學院，北京 100083）

雨水集蓄利用是指采取工程措施對雨水進行收集、蓄存和調節利用的微型水利工程。它作為開源和節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，也可為城鎮景觀工程建設提供水源，具有節水、改善生態環境的雙重效益。通過雨水集蓄利用工程，綜合利用現有天然雨水集蓄資源，改善農村生活環境，提高農村景觀質量，不僅有利于農村水資源的可持續利用，而且對促進社會主義新農村建設具有重要的意義。

1 國內外農村雨水集蓄利用現狀

雨水集蓄利用在人類發展歷史上源遠流長，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，能更有效地實現雨水的資源化，并加以開發利用。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展突飛猛進。其中，最有名、規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多萬農村人口的吃水問題，并使玉米增產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120多萬農村人口的飲水困難，并進行了集雨節水灌溉的初步嘗試。目前，我國的研究主要集中在干旱半干旱區人畜飲水和集流節灌上[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，在創造一個賞心悅目的環境、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、道路集水系統、坡面徑流和輸水管線系統。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、屋頂等。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當地徑流的特點及水窖（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，并傳輸到沉砂池加以處理后進入蓄水系統內。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造出不同的存儲形式，西北、華北地區，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，進行作物補灌[9]。灌溉系統包括首部提水設備、輸水管道和田間的灌水器等節水灌溉設備，灌溉形式要按照各地地形、氣候、作物類型、經濟條件來選擇。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村的重大歷史任務，要求按照“生產發展、生活寬裕、鄉村文明、村容整潔、管理民主”的總體目標，扎實穩步地推進。建設社會主義新農村，既要發展經濟，又要建設資源節約型社會，這就需要將雨水資源利用與農業生產和景觀建設相結合，加強設施農業建設，實施雨水集蓄利用工程，缺水地區用以節水灌溉，雨量充沛且較富裕的農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域或容器供其他區域加以利用[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域適應性。在長期干旱或季節性干旱的高原和山丘區，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贰⒋迩f道路進行帶狀開發，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，末端連接節水灌溉首部系統。根據當地情況，選擇適當節水技術措施，進行綠地或作物灌溉，保障農業生產。常用的節水工程形式有管灌、噴灌、滴灌等[11]。只有通過以上各部分的合理連接，才能實現集雨、蓄水、節灌一體化的雨水資源集蓄利用。

在平原區，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境的建設，為人們營造良好的生活環境。如在較干旱的地區，則可以進行節水灌溉，發展高效農業。具體實施路線見圖1。

圖1 雨水集蓄利用工程技術路線

4 黃土崗農村雨水集蓄利用工程設計

4.1 研究區概況

豐臺區是北京市的城八區之一，位于北京市西南部，為北京4個近郊區之一。地理位置為東經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，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%。

黃土崗農村雨水集蓄利用工程根據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花鄉黃土崗村，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 研究區雨水收集利用的必要性與可行性

花卉產業已成為黃土崗村的經濟支柱產業，該村也是京南最為出名的花卉基地。隨著花卉養植和銷售的迅速發展，花卉灌溉用水日益增多，加上黃土崗村屬綠化隔離地區，村中的綠地養護、苗木種植及各企事業單位的綠化增多，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，同時對美化區域環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：根據地面土地利用類型的徑流系數和土地利用類型面積以及當地的平均年降雨量進行計算，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；P為一定重現期的暴雨量，單位mm。

本項目區中，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取值為0.9，綠化地徑流系數取值為0.55，透水性停車場徑流系數取值為0.65。根據以上取值，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階段護岸護坡新理念、新技術的發展與應用，城鎮園林綠化的大面積展開，都為城鎮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，可輸送到綠化區域進行澆灌。（3）在中心園區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。

根據生態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?；螂s粒。本設計中選用的是平流式沉砂池，設計規格為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。從經濟合理的角度出發，在本方案設計中，選用規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、邊護的區段循環作業流程?；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。根據景觀需要，護坡采用拋石護岸的設計方式，土工膜由湖底經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“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。若發現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，以涵養地下水資源，促進地下水的良性循環。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，規模較小，故不會產生不利影響。雨水集蓄利用工程對雨水進行收集、凈化并加以利用，有助于推進項目區新農村建設，深化農村改革，增加農民收入。我國有效降雨在250mm以上的地區，都可以進行雨水資源的開發利用，在保證生活用水的前提下，進行水景觀的建設，為當地居民提供一個親水休閑、和諧、高質量的城鎮生活環境。該工程為城鎮及新農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村景觀的建設具有重要的指導和借鑒意義。

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