石济瑄
摘 要:为实现雨水的循环利用,解决干旱缺水地区储水难、水质条件差、经费投资高的难题。根据调查地区现实状况,我们利用立式伸拉卷帘门窗(窗帘)等原理通过再创新设计,设计制作成低碳节能环保卫生、操作简便、安装快捷、移动方便、制作简单、成本低、群众易接受、工程化制造以及市场和推广应用前景广阔的产品,可转化为运用于农业生产的可移动卷帘式水窖集雨面。
关键词:西北地区;干旱缺水;卷帘式;集雨面
中图分类号:S277.7 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)14-0235-03
1 选题经过
干旱缺水是当今和未来世界面临的最严峻的问题,我国西北地区是世界上干旱缺水较为严重的地区,水源匮乏,常年干旱,降雨稀少并且年内分配不均,缺水形势较为严峻,尤其是在供水基础设施相对较为落后的广大农村地区,用水保障性更差。在地表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。所以寻找一种收集、利用雨水的方法是解决当地资源短缺问题的有效途径。
为了改善民生,国家先后在西北缺水地区大规模推广雨水集流工程,兴建了一批集雨水窖,在雨季储水,旱季作为备用水源使用。项目实施后改善了西北缺水地区的用水状况,在一定程度上缓解了用水矛盾。我的家乡内蒙古呼和浩特市清水河县就地处西北晋陕蒙黄土高原和内蒙古高原过渡的边缘地带,常年干旱少雨,水资源缺乏,当地群众有修建旱井水窖集雨贮水的传统经验,水窖是这一地区集蓄雨水的主要设施。我通过对清水河县水窖施工、集雨模式、工程投资、运行管理及经济效益进行分析,水窖集雨节灌工程虽然单位面积投资较高,但日常管理费用较低,有经济效益显著的特点,是解决干旱地区分散居住群众生产用水的有效途径之一,蓄积雨水、在解决人畜饮水的基础上,发展节水农业在干旱地区具有重大的战略和经济意义。但是干旱半干旱地区雨量稀少,小雨多大雨少,在降小雨形不成地表径流的情况下,水窖的雨水蓄积量很难满足,不容乐观;即使降大雨急雨,因泥沙杂质淤积,其水质和其他卫生状况也难以保证,令人担忧;同时导致水窖实际储水容积下降,清淘周期缩短,难度较大[1]。
我在调查过程中发现,传统雨水集流工程集水面存在很大的缺陷,根据我们对清水河县雨水集流工程的调查了解,传统的地面集雨工程逐渐显现出的不足主要有以下三个方面[2]:
首先,传统雨水集流工程的集雨面,一般有天然坡面集雨水窖蓄水、道路路面集雨水窖蓄水、庭院屋面(大棚棚面、人工集水场)集雨水窖集水3种利用模式。(1)天然坡面集雨水窖降小雨时难以形成地表径流,干旱年份集雨量很低,同时由于雨季暴雨频次较高,暴雨冲刷力较强,载泥量高、杂质携带量大,导致水窖实际储水容积下降,清淘周期缩短、难度较大(一般每年需清淘一次水窖)。(2)道路路面集雨水窖受地形等诸多因素制约,水窖位置有一定局限性,一般距离较远,同时认为污染因素较大。(3)庭院屋面(大棚棚面、人工集水场)集雨水窖位置和集雨面受地形和位置制约,有水窖不一定有庭院屋面和大棚,有庭院屋面和大棚不一定有水窖,一般干旱地区由于受水源条件制约,温室大棚很少,同行房屋大棚和水窖需建在同一地点,而且一般100平方米屋顶只能满足1眼30立方米水窖的集水量。人工混凝土集雨场的工程造价相对较高(每个3000-5000元)、占地面积较大(100平方米左右/个),加之由于热胀冷缩造成裂缝等原因,使用寿命较短(一般3-5年需要维修)工程造价较高。
其次,收集雨水受有机物质、地表尘土、人畜粪便污染明显,与人为活动密切相关。传统雨水集流工程的集水窖,一般都建在农户房前屋后地势低洼处,集水面主要为农户的院落地面和院落周围的菜地和庄稼地,集流雨水经地面自然坡度或人工构造的坡度流向集水窖。平时集水面经地面自然坡度或人工构造的坡度流向集水窖。平时集水面上经常有人及畜禽活动,田地和菜地因种植需要而喷洒化肥、农药,这均导致地面集雨水质和卫生状况较差,部分水窖水质腐败发臭,甚至丧失人畜饮用功能。
然后,由于雨季暴雨频次较高,冲刷力较强,传统地面集雨工程载泥量高、杂质携带量大,導致水窖实际储水容积下降,清淘周期缩短、难度较大。为了尽可能地提高和改善集水面的集水量和集水水质,我们通过深入调查研究和实践提出:因地制宜,在可行的条件下,将传统雨水集流工程的集雨面改造成“可移动卷帘式水窖集雨面”的创新设计思路,并制作了模型,解决了上述关键性技术难题,受到了有关专家的肯定和认可。
2 作品目的及基本思路
本作品的主要目的是:实现雨水资源的循环再利用,提高和改善缺水地区水窖的集水量和水质,在小雨形不成地表径流的情况下k额有效集流,同时改善集雨水窖的水质和卫生情况,减少泥沙杂质淤积,延长水窖清淘周期[3]。
本作品的基本思路是:利用各种卷帘机以及立式拉伸卷帘门窗(窗帘、广告牌)等原理,经过消化吸收,创新设计,拆装制作,达到移花接木、为我利用的目的,制作成低碳节能卫生环保、经济适用、群众易接受、工厂化制造以及市场和推广前前景广阔,可转化为现实生产力的可移动卷帘式水窑集雨面,在降水前将其放到水窑周围,根据地形组合后拉开固定,形成斜坡雨面;雨后利用可移动助力卷帘机将房渗集雨面卷好,将折叠式便携固定支架收好;然后可移动到其他水窑或者就地存放下次降雨时再用。
3 作品的结构
模型结构展示图1所示,本作品的基本结构是:由各种类型的助力卷帘机、可卷防渗集于面和折叠式固定支架以及雨水集流装置4部分组成[4]。
(1)各种助力卷帘机:可选择各种类型的卷帘助力器和卷帘机组装而成。(2)可卷帘防渗集雨面:选择无毒、可卷、防渗、轻便、防老化、耐用雨布制作而成。(3)便携式固定支架:制作成可拉伸式的便携式可调防锈固定支架,另外根据需要配备4个图钉式固定挂钩和若干个固定器。(4)雨水集流装置:梯形集流水槽。
4 工作原理、效率
4.1 本作品的工作原理
本作与各种卷帘机以及立式拉伸卷帘门窗(窗帘、广告牌)等的工作原理基本相同。主要应用了齿轮耦合、传动、助力以及其他力学、电学等物理、化学和数学方面的原理。工作原理:是在降雨前将其放到水窑周围,根据地形组合后拉开固定,形成斜坡集雨面;雨后利用可移动助力卷帘机将渗透集雨卷好,将折叠式便携固定支架收好;然后可移动到其他水窑或者就地存放下次降雨时再用。
4.2 本作品的效率分析
(1)利用防渗集雨面收集自然降雨,特别是在小雨形不成地表径流的情况下,集水面可有效避免渗透,大幅度提高水窑的集水量。根据理论测算和实地实验数据表明:每降10毫米雨,100平方米集雨面可收集1立方米(吨)的雨水,1个30立方米(吨)烦扰中型水窑只要300毫米雨量即可储满(300毫米*100平方米=30立方米),半干旱地区年平均降雨量大多在300毫米左右,用1个100平方米的本集雨面组合即可满足1个30立方米(吨)的中型水窑的集雨储水要求,还没有考虑用水后再补充集雨的因素,完全可以满足1个农村大家庭5—6口人(5—6口人*15kg/人*365天/年=27.38—32.85吨)一年的生活用水需要(以上是按照国务院批准的《关于农村人畜饮水工作的暂行规定》中关于北方农村生活、生产用水量标准和本人深入农村实际调查的平均数据进行计算的)[5]。
(2)应用防渗集雨面收集的雨水,可极大的改善水窑的水质。集雨水质主要由化学需氧量、氨氮和总磷控制;集雨水受有机物质、地表尘土、人畜粪便污染明显,与人为活动密切相关,据实地观察和有关检测结果表明:不同类型集雨水源地集雨场中,本作品和大棚棚面集雨面是水窑集雨的最好水源场地,水质最佳,可达到农村安全饮水标准。但大棚棚面、集雨面受地形和位置制约,有水窑不一定有大棚,有大棚不一定有水窑,一般干旱地区由于受水源条件制约,温室大棚很少,本集雨面是目前提高水窑集雨量、改善水质的最有效途径;其次是水泥地面和瓦屋面集雨面,经过过滤沉淀和自净,基本可达到农村三级饮用水标准。但人工混凝土水泥集雨场的造价较高(30—50元/平方米)占地面积较大(100平方米左右/个),加之由于热胀冷缩造成裂缝等原因,使用寿命较短(一般3—5年需维修或重修)。屋面集雨受水窑位置制约,房屋和水窑需建在同一地点,而且一般100平方米屋顶只能满足1眼30立方米水窑的集水量;第三是道路集雨面的水窑位置有一定局限性,一般距离较远,同时人为污染因素较大;传统自然坡面集雨工程,由于雨季暴雨频率较高,暴雨冲刷力较强,载泥量高,导致水窑实际储水容积下降,清淘周期缩短、难度较大(一般2—3年需清淘一次水窑)。而应用本作品不受和位置的制约,没有泥沙和杂志淤积,一般情况下,水窑无需清淘,即可取得干净卫生、水质良好、符号人畜安全饮用水标准的自然降水水源。
(3)在降雨前将本作品放到水窑周围,根据地形组合后拉开固定,形成斜坡集雨面;雨后利用助力卷帘机将防渗集雨面卷好,将折叠式便携固定支架收好;然后可移动到其他水窑或就地存放下次降雨时再用。不仅解决了缺水地区水资源短缺问题,提高了集雨量和水质,实现了雨水资源循环利用;而且能耗低、无排放,低碳节能卫生环保。同时操作简便,安装快捷、移动方便;工艺简单,制作容易;成本低、经济适用、群众易接受,工厂化制造以及市场和推广前景广阔。
5 主要制作过程
我们利用节假日、休假时间,通过深入实地调查、查阅资料,请教技术人员、农民、工人叔叔,研究机械原理、购置机械配件,经多次试验、反复调试,由设计不合理到逐步改进、改善,设计制作成功了本作品[6]。
(1)实地调查、查阅资料、消化吸收、确定思路。多次深入清水河县窑沟乡、城关镇等地的农村进行调查,通过与有经验的当地农民座谈交流,结合多方查阅相关资料,从而掌握了第一手材料和相关调查数据,通过分析进一步确定了设计思路。围绕提高水窖集雨量、改善水质卫生、减少泥沙淤积等主要目的;借鉴各种卷帘机以及立式拉伸卷帘门窗(窗帘、广告牌)等原理;因地制宜、结合实际,明确确定了低碳节能、卫生环保、操作简便、安裝快捷、移动方便、工艺简单、制造容易、成本较低、经济适用、群众易接受、工厂化制造以及市场和推广前景广阔、可转化为现实生产力等创新理念和思路。(2)虚心请教、研究原理、购置配件、制作安装:利用一切机会,虚心向技术人员、农民、工人叔叔请教,研究其工作原理、结构原理以及制作方法。通过多次网上查找,市场考察,选定并购置了制作本作品需要的各种配件和材料以及工具等,进行制作安装。(3)反复设计、试验调试、改进完善、分析总结:在制作本作品的过程中,多次发现有不合理或需要改进的地方,我都不怕麻烦,多次进行设计,并提出多种创新设计方案,进行优选,并在制作安装过程中反复设计、试验调试,直至满意为止。
本作品经过多次改进完善。较大的改进就有2次,如:第一次设计制作的伞型集雨面,由于面积较大,受大风的影响,在实地试验时,由于风力较大,操作受到一定影响。因此第二次我又将其设计为扇形组合式,并加固了固定支架,设计了方便踩入地面的图钉式固定挂钩和固定器,同时提出可加设电动或手摇助力卷帘装置的设计思路,虽然有效的解决了这一问题,但在实地试验时,受地形限制,操作不方便。第三次才改进为现在的样子,但因条件所限,并考虑在参评时携带方便,因此制作成模型进行展示。其他细节问题我也曾在实验中反复试验、逐步完善。同时撰写成5000字左右的论文,尽管这样,还有一些细节问题还有待于在今后的实践中继续研究与开发,直至形成更加完善、更加实用的发明专利产品。
一分耕耘,一分收获。经过我们的不懈努力,一件崭新的可移动卷帘式水窖集雨面终于诞生了,也许它还有很多缺点和不足之处,有待于进一步改进,但对我自己来说是一次大胆的尝试,是一次很有创新意义的体验和实践,特别是受到有关专家和当地农村老百姓的高度评价,为此我感到非常欣慰,十分自豪。
6 作品特点
(1)科学性:解决了传统水窖集雨面的诸多弊端,没有渗漏、小雨即可形成径流、提高了水窖集水量;干净卫生、改善了水窖的水质;减少了泥沙和杂志淤积,水窖实际储水容积不受影响,水窖无需清淘。(2)先进性:解决了缺水地区水资源短缺问题,提高了集雨量和水质,实现了雨水资源循环利用;能耗低无排放,安全低碳节能卫生环保。经网上查新,未见相同和类似研究,他人研究的混凝土固定集雨面主要存在受地形限制,成本高、易损坏、使用期短等问题。(3)实用性:操作简便、安装快捷、移动方便;工艺简单、制造容易;成本低、经济适用、群众易接受,工厂化生产以及市场和推广应用前景广阔。
7 存在问题和改进建议
由于该集雨面受地形和大风的影响,集雨范围和风力较大时操作受到一定影响。因此将其设计成小型组合式,同时加固了固定支架,同时可加设电动或其他助力卷帘裝置,即可解决这一问题。其他细节问题有待于在实践中反复试验、继续研究与开发,直至形成更加完善、更加实用的发明专利产品。
8 结语
可移动卷帘式水窖集雨面解决了传统水窖集雨面的诸多弊端,没有渗漏、小雨即可形成径流、提高了水窖集水量;干净卫生、改善了水窖的水质;减少了泥沙和杂志淤积,水窖实际储水容积不受影响,水窖无需清淘。解决了缺水地区水资源短缺问题,提高了集雨量和水质,实现了雨水资源的循环利用;能耗低无排放,安全低碳节能环保。经查新检索,未见相同和类似集雨面研究,该项目研究处于国内外领先地位。本作品操作简便,安装快捷、移动方便;工艺简单,制造容易;成本低、经济适用、群众易接受,工厂化生产以及市场和推广应用前景广阔,可应用于我国西北广大干旱半干旱地区以及世界同类地区。
参考文献
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