近自然集雨面的技术研究进展

段梓诚，蒋文翠，彭尔瑞，李荣亮

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650051)

我国是一个人口、土地面积较大的国家，干旱半干旱区约占国土面积的1/2，雨水利用就成为这些地区解决缺水现状的方法[1]。这些地区都有一些共同特点：水资源严重匮乏或季节性匮乏；地形特征普遍沟壑纵横，修建相关引水工程的条件十分困难；生产生活用水完全依靠自然降雨，然而年内降雨分布不均，严重影响了这些地区的生产生活。雨水的收集利用便日益受到各界关注。雨水集蓄包括雨水收集、净化、存储和利用4个部分，雨水资源化的首要关键环节便是雨水的收集，雨水收集的效果好坏决定着整个雨水集蓄工程的效率发挥。

20世纪中期，雨水收集常常是利用地表的花岗岩表面、光滑的岩石坡面等自然坡面。比如，埃塞俄比亚农村[2]主要采用屋顶和岩石的自然坡面等方式来收集雨水。一些山区也通过铁皮、塑料或不锈钢等材质稍作加工作为集雨工具，贵州咯斯特山区采用塑料材质将集雨面制作成四周高中间略低的形状以便雨水聚集[3]。采用此类集雨面，虽制作成本低廉且对生态环境几乎没有影响，但集雨效率低下或耐久性差，往往收集的雨水量不满足需求量。另一方面，混凝土集雨面虽具有不错的集雨效率[4]，但在呼吁生态环保的今天，其高昂的造价且对土地的复垦复绿造成一定的难度，故其具体的使用还需多维考虑。因此，研发一种近自然、成本低和集雨效率不错的集雨面是摆在专家学者面前亟待解决的难题。

1 近自然集雨面材料相关研究

作为雨水集蓄工程首要关键环节的集雨面，从产生到材料学、计算机学被广泛应用的今天，在建造材质、建造工艺等各个方面都得到了质的飞跃。期间众多相关领域的专家和学者对集流面的材料和理论等诸多方面开展了深入的研究和改进。

近年来，集雨面材料领域取得了很多的研究成果。一些学者以环保为前提条件，将其它领域的材料引入或研发一种新型的材料运用到集雨面上。

1.1 土壤固化剂运用到集雨面

土壤固化剂是20世纪中期出现的新型材料，经过多年不断的发展和完善，世界上已有许多国家将这项技术广泛运用于相关行业的基础硬化、防渗工程中，但将土壤固化剂运用到集雨面的建设研究刚刚起步。基于此，我国一些学者对将土壤固化剂运用到集雨面建设中开展了深入的研究。

冯浩等[5]通过对黄土进行特殊处理，使之添加HEC土壤固化剂和AAM水泥添加剂，并对混掺形成集流场的集流效率进行了研究，结果表明该集流场的集流效率能达到78%，其集流效率可以和混凝土集流场相媲美且成本很低。樊恒辉等人对现有的HEC土壤固化剂的配比进行优化改进，研发出了一种新型MBER土壤固化剂，相比于传统的混泥土，投资减少30%～40%，集流效率可达60%～90%[6]。

樊恒辉等[7]通过对混凝土集雨场和土壤固化剂集雨场长时间的试验观察发现，土壤固化剂集雨场仅有少许表皮的脱落，但其强度基本不变。土壤固化剂集雨面相比混凝土集雨面有着更低廉的造价和不相上下的高集流效率等优点。如果通过相关试验寻找到一种合适的土壤固化剂配合比，使得后期自身固化土的复垦复绿问题也迎刃而解，这未尝不是未来的一种研究方向。

1.2 高分子化合物运用到集流面

集雨场的建造往往比较复杂，寻求更经济、简便且环保的集雨材料是雨水资源利用的重要研究方向。高分子化合物由于其化学惰性、优良的防水性和操作简易等特征，成为新型集雨材料的潜在研究对象。基于此，许多学者展开了深入的研究。

王百田等[8]通过对拍光处理的坡面以及经高分子化合物固结处理的表层土壤坡面的集流能力进行分析，得出高分子材料的固结处理利于提高坡面的集流效率。徐玉芹等[9]将有机硅运用到集雨面上，施工过程简单，仅仅只需在整理后的土壤上喷涂溶液即可。试验过程中虽部分溶液喷洒到附近草坪上，但草坪依旧正常生长。周振民[10]通过对不同材料以及不同场地的集流效果进行试验，研究表明甲基硅酸钠和硅烷偶联剂处理后的集流场集流效率明显增加，适宜用于雨水集流场中集雨面的处理。莫永京等[11]认为玻璃纤维水泥土具有很强的区域适应性，并具有工程性好、使用周期长、成本相对较低等优点，非常适合于构建集流面。李巧珍等[12]使新型高分子有机硅运用到表面构建，使土壤表面结构致密形成保护膜，从而获得高达70%以上的集流效率。而且采用该材料的集流面成本相对较低、施工也相对简单。

冯浩等[13]发现高分子聚合物具有改良土壤结构、增加降雨入渗、调控坡面径流的作用，是适宜于黄土区应用的高效、成本低的降雨径流调控材料。吴淑芬等[14]发现经过高分子聚合物(聚丙烯酸、脲醛树脂、聚乙烯醛)处理的坡面，其对坡面径流和防止土壤侵蚀是非常有效的。

高分子化合物类集流场相比于土壤固化剂集流场，虽然在耐久性等方面不及土壤固化剂类集流场，但其更简便的施工工艺且对环境影响较小的优点是土壤固化剂集流场所不及的。

1.3 生物材料运用到集雨面

目前传统的集雨面的材料主要有塑料膜、沥青、混凝土、黏土夯实及多种新型高效材料等[15]。但以往的材料可能对当地土壤产生不利影响，由此可能会产生一系列环境问题。而利用生物材料不仅不会对生态环境产生影响，还可以改良土壤，防止受水风侵蚀等，使土壤更利于植物的生长[15]。基于此，许多学者展开了深入的研究。

李莉等[16]的研究结果表明，生物土壤结皮可以使土壤的入渗速率降低，减幅达8.3%；熊好琴等[17]研究结果同时也表明生物土壤结皮的发育导致土壤入渗降低。周贵连等[18]在半干旱区的研究结果表明，人工培育的生物土壤结皮可显著改变土壤的颗粒组成、明显降低土壤入渗效果，其集雨面的平均集雨效率可达60.86%，且使用年限较长，并具有提高土壤抗蚀性的作用。

冯学赞等[19]分析了地衣集雨面(干旱半干旱地区)的可行性，认为地衣集雨面作为优秀的绿色环保集雨材料在改善干旱半干旱生态环境的同时可以缓解水资源匮乏的问题。

王登奎等[20]在半干旱地区进行试验，将新型生物材料“生物炭”[21]作为集雨覆盖材料，“生物炭”不仅改进和优化了生物农膜性能，降低了成本，且提高了经济效益和生态效益。

生物型集雨材料是一种优秀的修建集雨面的绿色材料。生物型集雨材料对环境的适应能力强，宜在很多地区推广应用，尤其是干旱半干旱地区，生物型集雨材料不仅能用来收集雨水，而且能改善当地的生态环境。

2 近自然集雨面营造技术相关研究

除了集雨面材料之外，后续的集雨面面积确定和集雨面施工等等环节都是营造整个雨水收集系统中不可缺少的环节。

集雨面营造技术中首要关键的就是确定集雨面面积的大小，影响集雨面面积因素中最直接就是集雨面的集雨效率。另一方面，影响集雨效率的因素又有集雨面材料、水文气象特征和地形地貌等等。由于集雨场的坡度影响径流的流速，因此，坡度也是集雨效率的一个影响因子。一般而言，对于渗透系数较高的材料，集雨场的坡度越大，其集雨效率也会越大，但是对于渗透系数较低的材料而建设成的集雨场却影响不是很大。

集雨面的施工技术也是雨水收集系统中重要环节。张志成[22]对雨水集蓄利用工程中混凝土集流面、塑模防渗集流面、片(块)石衬砌集流面、棚面集流面、土质集流面和自然集流面的施工进行了简单的总结，以供类似工程施工时参考。

另一方面，一些学者基于某种材料也对其施工技术做了相关研究。莫永京等[23]研发了一种集雨面材料及其施工技术。其研发的集雨材料和施工方法所建设的集雨面具有较好的强度和抗渗性，符合集雨面建造的要求。若根据需要还可以将集雨面复垦复绿，不会对生态环境造成影响。樊恒辉[24]研发了一种利用土壤固化剂加固土修建集雨面的施工及养护方法。

3 近自然集雨面相关理论研究

传统的雨水理论基础：就地拦蓄入渗利用理论、覆盖抑蒸利用理论、富集叠加利用理论、坡地雨水利用理论和地表径流调控及模型试验理论等等。一些学者基于传统雨水理论展开研究或将传统雨水利用理论和其它理论相结合运用到具体案例中。

陈道云等[25]研究结果表明，集雨场的集流效率和单位面积集雨面的集水量和集雨面坡度、降水量和雨强呈正相关。朱强等[26]研究表明集流效率与次降雨量、雨强及材料的前期含水率呈正比关系，并且得出全年集雨效率公式。朱兴平等[27]在总结已有雨水利用有关理论和技术的基础上，阐述了雨水利用与农业可持续发展的关系。张景国[28]对雨水地面径流过程进行了分析，并基于运动流理论模拟雨水地面径流过程，得到了分析结果，还通过与传统推理法的比较，找出了传统方法的不足之处。苗鱼池[29]通过试验表明，不同土壤下产流、产沙与雨强和坡度分别呈线性和幂函数关系，雨强对区域产流产沙影响程度总体高于坡度。罗丹竹等[30]通过试验表明，坡面土壤颗粒组成对坡面产流、产沙具有重要影响。

丁志斌等[31]基于极限强度理论，得出了一场降雨的收集调蓄过程中初期雨水和洁净雨水累积量的变化规律，并给出在重现期下的计算公式。刘鹏等[32]基于雨水管道设计流量公式，推求了对一场降雨进行收集的过程中，初期雨水和洁净雨水的变化规律，并给出计算公式和某重现期下初期雨水与洁净雨水的关系曲线。李宇超等[33]基于海绵城市理论，对西北地区雨水资源的利用提出了相关建议。王阳[34]基于海绵城市理论，将雨水利用和城市公园设计相结合。徐海顺[35]基于生态雨水基础设施理论，提出中国城市新区生态雨水基础设施规划理论框架和方法论体系。

传统的雨水利用理论发展至今已经相当成熟，未来相关理论的发展方向可能是：将传统的雨水利用理论与其它学科理论结合起来并运用到具体案例中，比如，将干扰生态学原理运用到雨水收集利用中[36]。

4 总结和展望

4.1 雨水收集技术总结

在涉及到集雨面的优劣时，生态、高效、耐久和经济都应该列入到效果评价体系里。这4个方面的结合，才能体现出一种集雨场的好坏。朱强等[26]对一些传统集雨材料的性价比做了分析研究，认为水泥瓦、混凝土、黄土夯实是性价比较高的集雨方式。但考虑到目前并没有具体的集雨面效果评价体系，因此可以参考一些工程效益评价体系，可以将其一些方法运用到集雨面效果评价体系的建立上面来。

吕森[37]采取模糊综合指数评价法进行城市雨水利用环境效益的评价研究。首先构建各基层指标的隶属函数，使其转化成变幅0～1的无量纲数，从而获得对每个指标的模糊评分。然后，将各项指标的评分值与其权重相乘，获得二级指标的评价值。依此类推，由基层到高层，直至最后复合成一个具体数值，即城市雨水利用综合指数。李乃平[38]基于LEED体系，根据非线性规划法和本地化约束条件，建立雨水多目标应用模型。此模型为当地化雨水应用决策提供了一种工具。谭月桐[39]基于WSUD理论利用层次分析法(AHP)建立起高校雨水管理措施评价体系，并运用Yaahp10.3软件计算出指标权重。秦永昊等[40]分析雨水集蓄利用不同方法，通过建立合理模糊数学模型，对各种雨水集蓄利用方法进行权重比较，得出最优化结果。夏国恩等[41]通过将决策支持系统(DDS，Decision support system)引入到丘陵山地雨水集蓄中，根据当地实际情况，为研究者提供决策支持。向杰等[36]基于干扰生态学原理，把干扰度测算方法运用于雨水集蓄综合环境效益评价里，从经济效益、社会效益、生态效益3个方面选取适合的评价指标和方法来构建评价体系。赵西宁等[42]基于黄土高原地区水文特点，运用AHP原理，遵循科学等原则，构建了小流域雨水资源化综合效益评价体系。

另一方面，修建人工集流场势必会对环境造成影响。目前，在全球都关注环境问题的情况下，生态效益就显得尤其重要。当然，我国有些地区环境问题并不突出。但从长远来看，这种矛盾肯定是存在的。因此，如何解决好集雨场土地复垦复绿问题就成为修建集雨场不得不考虑的问题。一般而言，生物材料集流场可以提高集雨效率且对环境无影响；拼接式集流场[43]也可以做到不破坏地表土的结构和成分，雨前铺设，雨后收走，简便方便。因此，在国家大力提倡“金山银山不如绿水青山”的今天，这两种集雨场具有非常广阔的发展前景。

4.2 雨水收集技术展望

(1)从集雨面材料角度出发。借鉴各领域新型材料，发明新型环保高效耐久经济的材料，可能是未来集流面材料的研究重点。另一方面，也可以在现有的材料上进一步研究，比如利用现有成熟的土壤固化剂，通过试验寻求一种适合的配合比，损失集雨面一定的集雨效率换取后期复垦复绿的目的。

(2)从集雨面营造技术出发。我国近自然集雨面营造技术研究起步晚但发展快，在建设过程中还存在诸多不足，主要表现在未能结合当地实际情况合理建设，存在照搬照套已有雨水收集方法且后续对生态环境影响较大。近自然集雨面的营造应从多个维度考虑，结合近期工程效果和长远的生态影响提出更多科学合理的建设方案。

最后，集雨面效果评价体系一直是雨水收集利用领域的空白，建立符合需求的雨水收集效果评价体系可能成为未来集雨面研究领域的一个方向。