應用雨水集蓄利用技術，解決邊遠山區(qū)飲水困難

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簡介： 針對江西省邊遠山區(qū)地勢較高處農(nóng)村人口的飲水困難,進行了"雨水集蓄利用"技術可行性分析,并詳細介紹生活雨水集蓄利用技術的運用.
關鍵字：雨水集蓄技術 農(nóng)村人口 飲水困難

1. 江西省農(nóng)村人口飲水現(xiàn)狀

農(nóng)民供水工程是統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，改善和提高農(nóng)民生活質量，促進農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎設施，是“千村示范、萬村整治”建設和農(nóng)村公共衛(wèi)生體系建設的主要組成部分，也是實現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前提條件。千萬農(nóng)民飲用水工程建設的受益對象是經(jīng)濟社會發(fā)展水平較低的農(nóng)村和經(jīng)濟收入不高、生活水平偏下的農(nóng)民，實施千萬農(nóng)民飲用水工程是實踐“三個代表” 重要思想的具體體現(xiàn)。

我省不同區(qū)域、不同類型的缺水現(xiàn)狀，一是工程型缺水，二是資源型缺水，三是水質型缺水。初步統(tǒng)計：我省農(nóng)業(yè)人口約3200萬，860萬戶。缺水約297萬戶，1104萬人。其中工程型缺水約228萬戶，848萬人，占全省農(nóng)村人口與農(nóng)戶的26.5%；資源型缺水8.6萬戶，32萬人，占全省農(nóng)村人口與農(nóng)戶的1%；水質型缺水60萬戶，224萬人，占全省農(nóng)村人口與農(nóng)戶的7%。江西省從2000年開始，實施農(nóng)村飲水項目工程，解決了93萬農(nóng)村人口的飲水問題，僅為農(nóng)村缺水人口的8.4%左右。

我省農(nóng)村水資源較為豐富，但受經(jīng)濟發(fā)展水平的制約，我省農(nóng)村還有許多地方?jīng)]有水處理工程和供水管網(wǎng)，特別是我省邊遠山區(qū)地勢較高處的農(nóng)戶，由于經(jīng)費與用水量較小的原因，目前還無法建立水處理工程和供水管網(wǎng)。飲用水既不衛(wèi)生也不方便。大部分群眾仍然直接飲用江河湖庫水、坑塘水及淺層地下水，成為我省農(nóng)村進一步提高生活質量，實現(xiàn)小康目標的一大瓶頸。

根據(jù)我省農(nóng)村人口飲用水現(xiàn)狀，為了加強我省水資源管理、優(yōu)化配置、合理開發(fā)水資源，提供安全、衛(wèi)生的自來水，有效地控制水源性疾病的傳播，保障人民群眾健康。根據(jù)現(xiàn)有供水工程的數(shù)量、所取水源情況、供水能力、供水量、供水人口、供水水質、水價、發(fā)展規(guī)劃等相關情況，以及當前社會與經(jīng)濟發(fā)展對飲用水的新變化和新要求，并通過對調查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，江西省灌溉排水發(fā)展中心針對我省邊遠山區(qū)地勢較高處農(nóng)村人口的飲水困難，提出了“雨水集蓄利用”的技術建議，以利當?shù)馗骷壦▌眨┬姓芾聿块T，采取“雨水集蓄利用技術”，使我省邊遠山區(qū)地勢較高處的農(nóng)村勞動力，從繁重的背、挑、拉等取水勞動中解放出來，改善生存環(huán)境，提高當?shù)厝罕姷慕】邓健?/span>

2 雨水集蓄利用的可行性

2．1 可行性分析

我國有著長遠的雨水利用歷史。特別是對那些地面水和地下水極端缺乏的干旱山區(qū)，雨水是唯一有潛力的水資源，降水作為可利用的水資源，應當充分利用。本文所指的雨水利用是指對原始狀態(tài)下的雨水進行利用，或對雨水在最初轉化階段時的利用。

雨水集蓄利用工程中的蓄水工程的容積一般不大于500 m³，而且絕大部分是采取防滲措施的蓄水工程。我國開展雨水集蓄利用的地區(qū)都在山區(qū)。降雨的就地分布特性、居住的分散性以及地形條件決定了雨水集蓄利用只能分散進行。同時雨水集蓄利用工程主要是以農(nóng)戶、或以幾個農(nóng)戶為單位進行。因此，雨水集蓄利用工程的規(guī)模都很小。其特點是投資少，成效快。

2．2雨水集蓄利用與常規(guī)的雨水利用區(qū)別

雨水集蓄利用工程一般都包括集、蓄、用三部分。這三部分與常規(guī)的雨水利用都有所不同。雨水集蓄利用工程采取工程措施來富集雨水并加以收集，集雨效率較高。常規(guī)的雨水利用一般是在天然坡面上攔集，集流效率低；雨水集蓄利用工程通過修建蓄水工程對雨水進行調節(jié)利用，調節(jié)能力強。而常規(guī)雨水利用主要是對雨水當時、就地的利用，雨水的儲存主要是儲存于土壤空隙，因而調節(jié)能力較低；由于雨水集蓄利用工程有較高的雨水集蓄能力，因此能對雨水進行高效利用。與常規(guī)雨水利用的方式相比，雨水集蓄利用工程是一種對雨水資源更高的控制利用形式和發(fā)展階段。

針對我省邊遠山區(qū)地勢較高處的農(nóng)戶，雨水集蓄利用工程的建設，主要由集流場、沉淀池、水窖組成。設計標準為：屋面集流場50m²，沉淀池5m³，水窖30m³。

2．3雨水集蓄利用工程的效益

⑴ 解放勞動力、發(fā)展經(jīng)濟、增加收入。雨水集蓄利用工程實施以前，山區(qū)地勢較高處的飲水困難農(nóng)戶每天需到1～5km外找水挑水1～3次，每次往返1～2h，費時費力。若水就在院子里或者自來水入戶，則節(jié)省工時和勞動力。根據(jù)調查結果估算，實施了生活雨水集蓄利用工程的地區(qū)，平均每戶每年可節(jié)省50～100個工日，按每工日10元計，則為500～1000元/戶年。將節(jié)省的勞力用于外出打工、種植和發(fā)展養(yǎng)殖生產(chǎn)、庭院經(jīng)濟、從事家務勞動以及發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)，必定增加農(nóng)戶的經(jīng)濟收入。

⑵ 改善了生活習慣，提高了生活質量，促進了農(nóng)村精神文明的建設。據(jù)調查，飲水困難農(nóng)民過去一盆水洗一家人的臉，更談不上洗衣和洗澡。實施農(nóng)村飲水解困工程之后，可為農(nóng)戶提供較充足的水量，改善農(nóng)民的衛(wèi)生習慣，有了充足的用水，還可以在農(nóng)戶的房前屋后栽樹種花，美化環(huán)境，提高生活質量，促進精神文明建設。

⑶ 減少疾病，提高農(nóng)民的健康水平。農(nóng)村有些地方不但飲水困難，而且水質不好，含氟含砷含重金屬、大腸桿菌超標等現(xiàn)象嚴重。很多農(nóng)民都有氟斑牙、拉肚子等疾病。實施了農(nóng)村飲水解困工程后，將大大改善農(nóng)村飲水不衛(wèi)生、不安全的狀況，農(nóng)戶喝上潔凈衛(wèi)生的水后，必定提高農(nóng)民的健康水平，并且大大降低農(nóng)民因為治病而花費的醫(yī)藥費用。

3 生活雨水集蓄利用系統(tǒng)與技術

簡單的雨水集蓄利用系統(tǒng)如下圖所示。主要由集雨面、集雨槽、貯水容器和出水口等組成，還有首次沖洗、處理、過濾和輸送設備等。

3．1 集雨面

生活雨水集蓄利用最常用的集雨面是屋面。屋面的結構和材料影響著屋面收集雨水時的穩(wěn)定性和收集的雨水的質量。屋面的材料主要有瓦楞鐵、石棉板、各種瓦和石板等。這些材料都比較適合作為屋面收集雨水。在雨水集蓄利用較多的地區(qū)，瓦楞鐵的應用日漸增多。

集雨面在一定程度上決定了進入貯存設備的雨水量和水質。雖然在降雨強度較大時有一部分水會濺出集雨面，降雨結束后還有一部分雨水存留在集雨面上，但損失的多少主要取決于集雨面的入滲性能。損失的多少通常用徑流系數(shù)表示。表1是幾種屋面材料的集雨特性。

3．2  集雨槽

集雨槽的主要作用有兩個：一是將屋面收集的雨水聚集起來；二是將聚集的雨水輸送到貯存設備內。集雨槽的材料和形狀多種多樣，有工廠生產(chǎn)的PVC集雨槽，也有家庭用竹子或鐵皮制作的集雨槽；斷面形狀有矩形、半圓形、三角形。為了降低系統(tǒng)的造價，在一些雨水

表1                    屋面材料的集雨特性表

材料

徑流系數(shù)

說   明

鍍鋅鐵皮

>0.9

水質好，表面光滑、溫度高，微生物生存困難

瓦

0.6～0.9

瓷面瓦收集的雨水質量好；

非瓷面瓦容易積存泥土和微生物；污染物易存留于接縫處

石棉板瓦

0.8～O.9

新石棉板收集的雨水質量好；有微孔，降低了徑流系數(shù)，用久后會積存泥土，甚至生長苔蘚

作物秸稈

O-2

收集的雨水質量差；有機物分解后進入水中，收集的雨水較渾濁

集蓄利用較多的地區(qū)常采用當?shù)乜色@得的價格較低的材料。如用鍍鋅的薄鐵皮經(jīng)剪切和彎折而成為等腰三角形斷面的集雨槽。

集雨槽一般安裝在靠近屋面的屋檐下，在屋檐下的安裝集雨槽的設計應合理，要求既能將聚集的雨水全部輸送到貯水容器內，也不浪費材料。

流量是集雨槽設計的一個主要參數(shù)之一，可由下式計算：

式中　Q——流量，m³／s；

      A——集雨槽的過流斷面，m²；

      V——集雨槽內的水流速度，m／s；

      n——集雨槽的摩阻系數(shù)(取0.01～0.015)；

      R——水力半徑(R=A／×)，m；

      ×——濕周，m；

      S——集雨槽傾斜度。

屋面面積為50m²的集雨系統(tǒng)集雨槽的參數(shù)見表2。

表2                  屋面面積為50m²的集雨槽參數(shù)表

斷面形狀

矩形

矩形

半圓形

等腰直角三角形

集雨槽傾斜度

O.5％

1％

1％

1％

材料寬度(mm)

214

189

150

175

集雨槽深度(mm)

71

63

48

62

集雨槽寬度(mm)

71

63

96

124

斷面面積(mm²)

5041

3969

3617

3844

3．3 首次沖洗

屋面和集雨槽內常積存一些塵土、樹葉等雜物。在下一次降雨時，這些雜物就會隨雨水進入貯水容器內，造成雨水的污染和水質下降。首次沖洗裝置的作用就是將這些污染物排放到貯水容器之外。

首次沖洗裝置一般有以下3種：

⑴ 手動沖洗機構：最簡單的辦法是在降雨開始前將進入貯水容器的水管移開，將污物排在貯水容器的外面，待污物排盡后，再將進水管移回原來的位置。這種沖洗方式也稱手動沖洗，其優(yōu)點是結構比較簡單，缺點是自動化水平較低，需有人在降雨開始前移開水管，并在沖洗干凈后移回原來的位置，可靠性比較低。

⑵ 翻轉水槽式?jīng)_洗機構：當降雨開始時，首先收集到的混有污物的雨水從水槽的后端進入掛在水槽前端的吊桶內。當?shù)跬皟鹊挠晁臀畚镞_到一定的重量后，水槽就會向前翻轉，收集到的雨水從水槽的前端進入貯水容器內，完成首次沖洗過程。

    ⑶ 浮球式?jīng)_洗機構：當降雨開始時，收集到的混有污物的雨水首先進入一個集污桶內。集污桶內有一個浮球。隨著雨水進入集污桶，浮球不斷上升，最終將集污桶的進口關閉，雨水開始進入貯水容器內。

翻轉水槽式?jīng)_洗機構和浮球式?jīng)_洗機構都存在一個共同的缺點，即每次降雨結束后都要把吊桶或集污桶內的雨水和污物排出。

 3．4貯水容器

雨水集蓄利用系統(tǒng)的設計過程中，貯水容積是一個關鍵參數(shù)，它決定了系統(tǒng)的建造成本。貯水容積的大小取決于當?shù)氐慕涤旰蜌夂蚯闆r、集雨面的大小、集流面的材料、用水情況等因素。

計算貯水容積不僅要考慮用水需求，還要考慮降雨和雨水的收集情況。在降雨比較充沛、集雨面足夠大的地區(qū)，主要考慮用水需求。在降雨少或降雨在時間上分布不均的地區(qū)，主要根據(jù)降雨確定貯水容器的容積。一般計算過程中，兩種情況同時考慮。

    下面以一個3戶農(nóng)戶的雨水集蓄利用系統(tǒng)為例，介紹貯水容積的計算過程。

    用水需求：人口11人，每人每天用水45L，總用水量為14.85m³/月。

    降雨及集雨情況：集雨面為150m²(3個屋面)。材料為石棉板瓦，徑流系數(shù)為0.8。江西省平均年降雨1620mm。每年收集的雨水(假定為全部收集)150×1.62×O.8=194.4m³。平均每月可收集雨水194.4/12=16.2m³。

    可見，要想使全年的供水滿足生活用水需求，每月的用水量不應超過14.85m³。而每年能夠收集到的雨水大于用水的需求，由于江西省雨水時空分布不均勻，年內不同季節(jié)的變幅很大,所以除了設計合理的雨水集蓄系統(tǒng)外，還需要一個合理的用水管理計劃。每月可收集的雨水量可根據(jù)降雨數(shù)據(jù)計算得到。通過計算累計收集的雨量和累計用水量之間的差值（表3）得出要求的最大貯水容積?？梢钥吹阶畲筚A水容積發(fā)生在6月，為22.71 m³。本例按標準設計建造30m³水窖，可以滿足最大需水2月份的用水要求。

貯水容器的建造可根據(jù)建造地點的情況，建于地下或地上，通常稱為水罐或水窖。貯水

容器的形狀一般以圓柱型最多。建造材料有預制混凝土、鋼、塑料、鋼筋混凝土和磚等。貯水容器除了要不透水并有一定的容積外，還應滿足下列要求：設有溢流口，溢流口的設置和出流不能對貯水容器和它的建筑基礎造成損害；能防止一些害蟲(如蚊子)等的寄生；不透光，以防微生物的繁殖；通風，以防厭氧生物的生存；便于清洗：對收集的雨水不會造成污染；容器上口要設有圍欄以防水孩墜落等。

表3                           貯水容積計算表

月份

降雨量

(mm)

收集的雨水

(m³)

累計收集的雨水(m³)

用水量

(m³)

累計用水量

(m³)

累計收集的雨水與累計用水量之差  (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

總計

194.4

178.2

4  結束語

生活雨水集蓄利用系統(tǒng)的建設，工程布局要合理，要按設計圖紙施工，配套設施齊全。結構尺寸達到圖紙要求，水池無滲水、垮塌、沉陷現(xiàn)象，土建質量必須符合設計標準。材料符合設計要求，灰漿飽滿，外形美觀，環(huán)境衛(wèi)生，管道安裝和機電設備安裝規(guī)范。