雨水集蓄利用工程研究——以黄土岗雨水集蓄利用工程为例

王 希，康 璇，王秀茹，曹优明，陈 倩，宋思铭

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

雨水集蓄利用是指采取工程措施对雨水进行收集、蓄存和调节利用的微型水利工程。它作为开源和节流并举的一项工程措施，是缓解或解决水资源问题的一项重要举措，也可为城镇景观工程建设提供水源，具有节水、改善生态环境的双重效益。通过雨水集蓄利用工程，综合利用现有天然雨水集蓄资源，改善农村生活环境，提高农村景观质量，不仅有利于农村水资源的可持续利用，而且对促进社会主义新农村建设具有重要的意义。

1 国内外农村雨水集蓄利用现状

雨水集蓄利用在人类发展历史上源远流长，它的主要特点是采用人工高效集流和工程蓄水对雨水进行调控，能更有效地实现雨水的资源化，并加以开发利用。近年来，随着全球性干旱的加剧与水资源问题的突出，国际上成立了国际雨水利用协会（IRCSA），并召开了8届国际会议。以色列、澳大利亚、美国、印度、伊朗等国家已将雨水利用作为面向未来的战略选择[1]。

20世纪80年代以来，国内外雨水集蓄利用技术的发展突飞猛进。其中，最有名、规模最大的莫过于泰国的“泰缸”（Tai jar）工程，用1 200多万个20 m3的家庭集流水泥水缸解决300多万农村人口的吃水问题，并使玉米增产50%，效果显著[2]。我国甘肃的“121”工程，利用屋面和硬化面收集雨水，解决了甘肃黄土地区120多万农村人口的饮水困难，并进行了集雨节水灌溉的初步尝试。目前，我国的研究主要集中在干旱半干旱区人畜饮水和集流节灌上[3]，对水景观的建设关注较少。我们可以转变思路，将集雨工程引入景观建设，在创造一个赏心悦目的环境、提高人们生活质量的同时，更大范围地促进水资源有效合理的利用。

2 雨水集蓄利用工程系统组成

雨水集蓄利用由集水工程、输水工程、蓄水工程和供水利用工程组成。集水工程主要包括庭院集水系统、道路集水系统、坡面径流和输水管线系统。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饮水、节水灌溉和景观工程等3个方面。集蓄的雨水可通过手压泵、人工提水等方式用于人畜的生活用水；节水灌溉主要有坐水种、地膜穴灌、管灌、微灌等技术措施；景观工程则主要包括坑塘景观平面设计、坑塘护坡工程设计和植物措施布置等。

2.1 集水工程

集水工程是为了给雨水的收集寻找和建造一个合适的场地，并在这个场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。集雨场有自然和人工之分，集流面应尽量利用自然坡面，如庭院、道路、屋顶等。有条件的地方最好能选择靠近泉水、引水渠、溪沟、道路边沟等便于引蓄天然径流的场所；如无引蓄天然径流条件的，则需要开辟新的集雨场。人工集雨场需要配合一定的防渗处理，如混凝土、石块衬砌、塑料薄膜等[4]。集雨面积的大小应根据当地径流的特点及水窖（水池、水柜、水塘等）的容积来确定[5]。

2.2 输水工程

输水系统的形式一般是输水渠（管）、引水沟（渠、管）。它的实质是连接集水工程和蓄水工程的渠道，有效地将集雨场上的降水汇集起来，并传输到沉砂池加以处理后进入蓄水系统内。输水工程修建于集流面的最低处，与集流场施工同时进行[6]。

2.3 蓄水工程

蓄水工程包括蓄水建筑物及其附属设施。建筑蓄水系统是为了对收集的雨水进行存储以及人为调控，以解决降雨在时间上分布不均匀，供需错位的矛盾[7]。各地群众在实践中创造出不同的存储形式，西北、华北地区，主要是建水窖、旱井、蓄水池、涝池、塘坝等，而南方主要为水池、水柜、水窖、水井[8]。降水在输送入蓄水建筑物之前要经过一定的沉淀处理，在沉砂池降低泥沙含量，利用拦污栅清洁水源，过滤掉水流中的树叶、杂草等杂物，这就必须为蓄水建筑物增加附属设施。

2.4 供水利用工程

集蓄后的降水可用于生活供水和生产供水两方面。起初人们只是用它来满足日常生活用水，20世纪80年代以来，雨水开始大量用于灌溉农田。收集到的雨水通过水泵管道和原有灌溉首部连接，进入原灌溉管网，进行作物补灌[9]。灌溉系统包括首部提水设备、输水管道和田间的灌水器等节水灌溉设备，灌溉形式要按照各地地形、气候、作物类型、经济条件来选择。大田作物多选择管灌，即直接将水引入田间灌溉，减少了输水过程中水的损失；果园可采用喷灌，即运用喷头将水喷洒到空中，形成小水滴进行灌溉，这种方法节水效率高，造价也较高；茶叶、花卉等作物可选择滴灌，滴灌是微灌的一种，是用专门的管道系统和设备将低压水送到作物根部，通过滴头均匀、准确地滴到作物根区土层中的一种灌溉方法[10]。

此外，可将雨水运用于水景观的建设，如人工湖、坑塘护坡等。

3 基于新农村建设的雨水集蓄利用模式

2005年党的十六届五中全会明确提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，要求按照“生产发展、生活宽裕、乡村文明、村容整洁、管理民主”的总体目标，扎实稳步地推进。建设社会主义新农村，既要发展经济，又要建设资源节约型社会，这就需要将雨水资源利用与农业生产和景观建设相结合，加强设施农业建设，实施雨水集蓄利用工程，缺水地区用以节水灌溉，雨量充沛且较富裕的农村可进行水景观的建设。

基于集雨灌溉和景观用水的雨水集蓄利用一般属于雨水的异地利用，即将收集的雨水通过某一指定区域或容器供其他区域加以利用[4]。而具体到其中的哪一种模式，则要考虑到雨水集蓄利用技术的区域适应性。在长期干旱或季节性干旱的高原和山丘区，地形高低错落，可采用天然坡面集雨。如天然坡面易造成水土流失或无天然坡面集雨条件，则需要选择场地修建人工集雨场。可沿公路、村庄道路进行带状开发，也可在各地场院和闲置土地中建立集雨场。在集雨场下游建水窖，末端连接节水灌溉首部系统。根据当地情况，选择适当节水技术措施，进行绿地或作物灌溉，保障农业生产。常用的节水工程形式有管灌、喷灌、滴灌等[11]。只有通过以上各部分的合理连接，才能实现集雨、蓄水、节灌一体化的雨水资源集蓄利用。

在平原区，由于缺乏天然集雨条件，可以进行集雨场的硬化以提高径流率。集雨场也经常选择在道路和庭院中。用PVC、PE管或者混凝土管将雨水输送到沉砂池，经净化后流入蓄水池或者水窖。如降水充足，可在离水源较近且闲置的土地修建小塘坝、人工湖等景观建筑物，将集蓄的雨水用于水景观和水环境的建设，为人们营造良好的生活环境。如在较干旱的地区，则可以进行节水灌溉，发展高效农业。具体实施路线见图1。

图1 雨水集蓄利用工程技术路线

4 黄土岗农村雨水集蓄利用工程设计

4.1 研究区概况

丰台区是北京市的城八区之一，位于北京市西南部，为北京4个近郊区之一。地理位置为东经116°4′～28′，北纬 39°46′～54′，面积 304.2 km2，长住人口100余万。属暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，一年四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，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%。

黄土岗农村雨水集蓄利用工程根据需要选择在黄土岗花卉种植中心，该项目点位于北京市丰台区花乡黄土岗村，占地面积12 hm2，分别建设4个高科技温室，屋顶和大棚面积为39 431 m2，道路等硬化面积为19 212 m2，绿化面积为36 073 m2，透水型停车场面积为25 000 m2。

4.2 研究区雨水收集利用的必要性与可行性

花卉产业已成为黄土岗村的经济支柱产业，该村也是京南最为出名的花卉基地。随着花卉养植和销售的迅速发展，花卉灌溉用水日益增多，加上黄土岗村属绿化隔离地区，村中的绿地养护、苗木种植及各企事业单位的绿化增多，灌溉用水量急剧上升。另一方面，每当雨季暴雨来临时，黄土岗村临近的京开路、丰南路、四环路积水无法排出，给行人和车辆造成了很多不便。

此项建设任务的完成将会减缓水资源的供需矛盾，节约地下水的开采量，减少暴雨来临时街道积水给行人、汽车造成的不便，同时对美化区域环境也具有十分重要的意义。

可收集的雨水资源量计算方法为：根据地面土地利用类型的径流系数和土地利用类型面积以及当地的平均年降雨量进行计算，见式（1）。

式中：Vp为年集流供水量，单位m3；Si为第i种集流材料的集流面积，单位m2；Ki为第i种集流材料的径流系数；P为一定重现期的暴雨量，单位mm。

本项目区中，查询《北京市简明暴雨书册》，暴雨量按5 a一遇，24 h降雨量152mm取值计算；大棚、屋顶和道路等硬化面径流系数取值为0.9，绿化地径流系数取值为0.55，透水性停车场径流系数取值为0.65。根据以上取值，计算结果见式（2）。

蓄水池和人工湖蓄存设计容量为6 160 m3，汇水量可以满足蓄水需求。现阶段护岸护坡新理念、新技术的发展与应用，城镇园林绿化的大面积展开，都为城镇雨水集蓄综合利用工程提供了强有力的示范作用和技术支持。因此，该工程是可行的。

4.3 雨水收集利用工艺流程

工艺流程如下。（1）在建设地院内硬化的基础上，建造地下封闭式蓄水池，设有沉砂池，与排水管线相连接，通过雨水井箅子收集雨水，至蓄水池储存。（2）在温室大棚檐下安装接水槽，通过收集雨水管路直接进入蓄水池。蓄水池装有水泵，可输送到绿化区域进行浇灌。（3）在中心园区预留绿化空地修建小型人工湖，通过水泵从蓄水池提水至人工湖，既形成景观水面，又起到调蓄作用。多余雨水通过蓄水池和人工湖的溢流管道，排放到市政排水管道。如图2。

4.4 工程设计

图2 雨水利用工艺流程

4.4.1 集雨管道 沿道路和建筑物需铺设雨水管线及水沟2 980 m，收集雨水至沉砂池。遇到大到暴雨，多余的雨水通过溢流管线外排，进入市政排水管道。

根据生态大棚的走向和棚面交汇间距，每隔10m用Φ110PVC管垂直连接棚顶，Φ300混凝土管连接PVC管汇入Φ800的混凝土管主管道，主管道距离大棚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，以利于道路和绿化地带的雨水收集，收集的雨水进到沉淀池沉淀后再进入蓄水池。集雨槽为0.4m×0.4m矩形断面，砖砌结构，0.01 m厚的砂浆抹面，设计长度为400m。集雨管网布设见图4。

4.4.2 沉砂池 修建沉砂池的目的是去除水中自重很大、能自然沉降的较大粒径沙粒或杂粒。本设计中选用的是平流式沉砂池，设计规格为3 m×2 m×2m。沉砂池分两格，中间设置拦污栅。

4.4.3 蓄水池 在项目区4个高科技温室地下分别建设25m×15m×4 m的蓄水池1座，设计蓄水容量为1 500m3，且每座蓄水池设有3 m×2 m×2 m的沉砂池1座，以清洁水源。蓄水池为封闭式矩形结构，混凝土预制板封顶，不影响棚内的栽植，并可以保证冬季不结冰。另外，在每个蓄水池安装泵站一座，泵组2套，用来抽蓄水池中的水，一组供棚内水帘夏季室内降温之用，一组供绿化及室内浇灌之用。

4.4.4 人工湖 人工湖的修建，主要是为了中心园区内景观的需要，开挖并作防渗处理，以蓄存雨水，形成景观水面，设计面积为200 m2，设计水深1 m，蓄水容量160m3，抛石护岸，坡比为1∶2。因为项目区内土壤为砂壤土，渗透性大，故需要做防渗处理。（1）防渗类型的选择。目前国内防渗类型主要选择土工膜防渗和粘土减渗两种方法，结合项目区内情况，考虑到修建面积和建设目的，本设计选择复合土工膜防渗技术。在人工湖防渗工程中，其厚度控制范围在0.3～0.6mm，幅宽为4～6 m，小于0.3 mm的土工膜在焊接过程中不易控制，容易破坏。从经济合理的角度出发，在本方案设计中，选用规格为一布一膜即选用0.5mm厚复合土工膜，为便于水生植被的生长，覆土50 cm。（2）防渗设计。复合土工膜防渗采取边挖、边铺、边夯、边护的区段循环作业流程。基础底层夯实整平清理干净后铺设复合土工膜，最后覆土50 cm做为覆盖基面，便于水生植物扎根生长。根据景观需要，护坡采用抛石护岸的设计方式，土工膜由湖底经过护岸基础压在块石之下，其基本的施工方案为土工膜由护岸后兜起，形成一个整体的防渗体系。具体设计见图3。（3）施工注意事项。土工膜的铺设：土工膜的摊铺工作，以人工铺设为主。在铺设过程中，膜与膜之间及膜与基面之间要压平贴紧，不宜将膜拉得过紧，一般要略松一点，不能在膜底留有气泡，尽量减少裁减，在接缝处理上不应出现“十”字缝，横纵缝应以“T”字缝为宜，边铺膜边盖保护层土料。由于铺设面积较大，必须选择宽幅较大的产品以减少接头用料[12]。护岸顶端土工膜应翻卷埋于地下，并留出高于设计水位线0.5m的范围。焊缝处理：土工膜在铺设过程中预留有搭接余量，接头可采用热粘、胶粘、搭接等方法，本工程设计采用胶粘，接缝宽50mm。若发现土工膜的刺破或撕破之处，一定要用3倍于破损面积的土工膜胶粘贴补好。预留沉降余量：在土工膜的铺设过程中应预留由于基底微量沉降而出现的拉伸余量，预防不必要的拉裂。每隔5m折叠5 cm，用覆面材料压住，但不能乱折而影响防渗质量。施工时对土工膜的保护：严禁穿高跟鞋或带丁的鞋在膜上踩踏，施工车辆、机械不得直接碾压土工膜，更不宜采用重型设备。采用人工铺设方式，用手推车运送覆面材料。

4.4.5 透水性停车场设计 为了涵养地下水资源，停车场应建设成为透水型停车场。停车场设计采用25×25×20 cm的混凝土停车场草坪砖替代硬化地面，以涵养地下水资源，促进地下水的良性循环。施工时，先将基础清理干净并夯实整平，再将草坪砖直接铺设并铺平碾压，铺设面积25 000m2。具体工程布置见图4。

5 结 语

雨水集蓄利用是多方面的综合技术体系，而不是单一方面的工程。它的具体应用实施必须要考虑区域的具体情况，包括降水、地形等各个方面。由于雨水集蓄利用工程属于微型水利工程，规模较小，故不会产生不利影响。雨水集蓄利用工程对雨水进行收集、净化并加以利用，有助于推进项目区新农村建设，深化农村改革，增加农民收入。我国有效降雨在250mm以上的地区，都可以进行雨水资源的开发利用，在保证生活用水的前提下，进行水景观的建设，为当地居民提供一个亲水休闲、和谐、高质量的城镇生活环境。该工程为城镇及新农村的雨水集蓄利用提供了新思路，对雨水集蓄利用工程和社会主义新农村景观的建设具有重要的指导和借鉴意义。

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