喀斯特山区雨水集蓄关键技术研发与示范

王恒松，张芳美 ，张育林

(1.贵州师范大学喀斯特研究院/国家石漠化防治工程技术研究中心，贵阳 550001；2.贵州师范大学外国语学院，贵阳 550025；3.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550025)

0 引 言

水是一种宝贵的资源，由于环境的恶化和人类对自然界的污染，清洁的水源越来越少，全球普遍存在缺水的现象，我国更是一个水资源严重短缺的国家，人均水资源量仅为世界人均占有量的1/4。我国缺水地区主要集中在西部的干旱和半干旱地区，包括内蒙古高原、黄土高原、四川盆地西缘到云贵高原以西的地区。主要涉及13个省(市、自治区)，742个县(市)，面积约200 万km2，人口2.6亿[1]。水资源贫乏，区域性、季节性干旱缺水严重。贵州是季节性工程性干旱缺水最严重的省份之一，由于喀斯特分布面积广，占全省总面积的73.8%[2]。贵州虽多年水资源总量1 475 亿m3，居全国第9位[3]，但是因为喀斯特地质地貌复杂，山高坡陡，河谷深切，水低土高，表层土壤薄瘠，岩土界面缺失，碳酸盐岩节理裂隙丰富，喀斯特渗漏使地表保持水土性能差，偶遇暴雨即造成严重的水土流失，加上旱季高温干燥，相对湿度小，蒸发力强，使雨水保持与利用十分困难，而地下水埋藏深，开采利用困难，成本高。由于山区农民居住分散，不具备修建骨干水利工程条件，雨水资源开发利用程度低，山区农村水资源供给短缺，区域经济发展面临的最大问题是干旱威胁。贵州喀斯特山区尽管年降雨量虽多，但在年内的分布极不均匀，季节性干旱缺水问题非常突出。我国的许多干旱缺水地区其干旱程度并不亚于以色列，但是雨水利用率不到1%。雨水作为一种洁净资源，长期被人们所忽略，如何对其进行科学有效地集蓄并加以利用显得格外有意义。

干旱缺水是制约贵州喀斯特区社会经济发展的瓶颈，要改善当地环境，首先要解决用水问题。把水土资源的合理开发和有效利用摆在更加突出的位置，紧紧抓住水资源短缺和生态环境脆弱的主要矛盾，实施水资源的合理开发、科学配置、高效利用和对生态环境的有效保护。喀斯特山区研发集蓄雨水技术是采取工程措施集蓄雨水，具有较高的集流效率和对天然降雨调节利用的能力。这种对雨水在一定程度上的调节控制，可以大大提高对雨水资源的利用效率和效益。喀斯特雨水集蓄利用工程被认为是人类对雨水资源利用的更高发展阶段，其重点在于首先解决农村人、畜饮用水源，发展适宜的集雨面和蓄水池；其次发展小规模灌溉，在家庭集水设施附近发展小面积的以蔬菜、水果等经济作物；第三是集蓄雨水、拦截径流，并储存于土壤中支持作物生产以及林草种植。雨水集蓄利用工程是雨水利用的一种特殊形式，它是采取人工措施高效收集雨水，加以蓄存和调节利用的微型水利工程[4]。也是实现喀斯特雨水资源有效利用的最佳途径，它不仅能够解决农民群众的生产、生活用水，还能改善周围生态环境和促进区域农村经济的快速发展。研究和开发适合于广大农村的、廉价而有效的集雨水质处理技术已成为亟需。

1 喀斯特山区水资源利用现状

贵州雨水资源十分丰富，年均降雨量达900～1 200 mm，但降雨时空分布不均，5-10月降雨量占全年的75%以上。在特殊的喀斯特地表-地下二元结构条件下，降雨往往以地表径流的形式从节理裂隙、竖井、落水洞等处漏失到地下形成地下暗河，强烈的岩溶发育，使地下水埋藏很深，形成土高水低的局面，水资源开发成本高，致使现在水资源利用水平低下。当下贵州广大山区农村普遍存在人畜饮水困难，农业生产用水、生态需水困扰山区人民，因而雨水资源的集蓄利用成为解决贵州山区农村人畜饮水和山地农业干旱缺水问题的重要途径之一。

20世纪80年代以来，贵州省花巨资修建雨水集蓄利用“三小”工程，解决了几百万人畜饮水困难和数万公顷耕地的补灌问题，但全省农村仍有1 151多万人的饮水困难和雨水安全问题，以及84.4 万hm2坡耕地是“望天地”没有灌溉设施[5]。已经建成的雨水工程中80%是吊桶和人工挑水浇灌，工作效率低，还有1/3的工程漏水和集雨沟渠布置不当而影响正常使用。

2 移动式高效集雨水技术研发

喀斯特地区碳酸盐岩节理裂隙丰富，喀斯特渗漏使地表持水能力低，工程性季节性缺水严重，在雨季进行科学有效地收集雨水资源的技术研发是亟待解决的问题。一般利用荒山荒坡，少量坡耕地和农户的屋顶、场院、道路建立集水场地，或采用钢筋混凝土蓄水池将雨水储存起来，但其施工工艺复杂，工序多(支模、绑钢筋、浇筑、养护等)，施工工期长，施工受季节、天气的影响较大，建造成本高，而且由于雨水蒸发快，使得蓄积的雨水减少，未能有效地达到集雨的目的。以往的集雨工程在雨水收集过程中，流经集流面时携带泥砂杂物而受到污染，使蓄水工程中的水质不能满足人饮要求。基于此，我们研发了一种可移动式高效集蓄雨水及洁净技术与装置(图1)，其成本较低、雨水蒸发速率低、集雨效果好、使用方便。本装置根据群众需要在屋顶或高处安放集雨装置，将雨水集蓄、过滤、消毒处理待用，建立“水银行”储存雨水，在干旱缺水时方便利用；然后对坡耕地进行补灌、微灌、坐水种等节水高效农业关键技术研发，以及生态效益监测和经济效益评价。重点突破耕地节水关键技术，提高坡耕地降水资源的利用率。针对水土资源时空分布不均问题，在田间地角的高处安放集雨装置，尽可能多的把雨水储存起来，当作物在发育生长期需水时能提供补灌。在示范过程中，采集水样带回实验室进行理化测试分析，对示范区生态经济社会效益进行调查分析与评价。从而克服现有技术的不足，形成喀斯特地区另一种高效节水途径。

图1 移动式高效集蓄雨水洁净技术与装置Fig.1 Mobile and high efficiency rainwater collection and storage cleaning technology and device

该装置是由桶体、集雨扇、过滤层和桶盖几部分构成，集雨扇插在桶体上集结雨水，桶盖覆盖在桶体上，在桶体的内壁设有刻度尺；桶盖的中间设置有集水孔，在桶内上部1/4处安装过滤消毒层，桶体上端设置一个溢水口，在桶底部安装出水阀门，集雨扇将雨水流到桶盖中部的集水孔，桶盖边缘四周向集水孔倾斜(图1)。

该装置具有结构简单、使用方便、经久耐用、成本低、高效蓄水、雨水蒸发速率低、集雨效果好并能净化雨水等特点，可有效集接天然雨水并起到净化的作用，对于缓解喀斯特地区缺水的问题和提供直接可用的生活用水、改善民生具有重要的现实意义。

本装置的雨水集蓄系统是由集雨系统、净化系统、蓄水系统及供水利用系统4部分组成。如图2。

图2 雨水集蓄系统Fig.2 Rainwater collection system

2.1 雨水收集系统

集雨面采用塑料材质(或不锈钢材质)四周高中间略低向集雨桶内倾斜面，斜度约为2%，便于雨水聚集，其面积的大小取决于降水量与蓄水量的大小。本装置的集雨面为圆形，面积为3.14 m2，无论大雨小雨均能收集，集流效率很高，一年可以收集3 000 L左右的雨水。在喀斯特山区农户居住一般比较分散，用于解决人畜饮水的集流面比较适合。也可用于发展高效节水灌溉对作物进行补灌，放置于田间地头上部，用水十分方便。

2.2 雨水净化系统

以往雨水在收集过程中，流经集流面时携带泥砂杂物而受到污染，往往使蓄水工程中的水质不能满足人饮要求。本装置的净化系统由桶体上部的七层过滤层组成，所收集的雨水经过多层过滤与消毒，出来的水洁净度好，可以作为生活饮用水使用；如放置在耕地上部作为农业用水，所收集的雨水作为灌溉用水，可以不用过滤消毒层，成本会更低。通过本装置净化的雨水基本达到《生活饮用水卫生标准》(GB749-85)的要求。

2.3 雨水贮蓄系统

人工建造贮水设施，常用的有塑料桶、水罐与水窖、水窑、水池配套。PVC桶集雨简单，根据需要灵活放置，以集雨面积设计桶的容积。贮水设施的大小可根据用途及地形进行确定，一般用于人畜饮水的单个贮水设施容积在3～10 m3，太大了不利于搬运，本装置设计容积为3 m3(3 000 L)。用于发展集雨节灌或集雨补灌工程的贮水设施，其容积为50～100 m3。蓄水工程的作用是通过蓄存雨水，解决作物用水供需错位的矛盾，做到夏秋雨冬春用，蓄余补欠。

2.4 雨水输送系统

将收集储存的雨水通过桶底部的管道输送到用户端，根据需要供水系统分为生活供水和生产供水两类。生活供水是由高处流向低处有一定的压力而形成自流水，农户使用十分方便。生产供水采用滴灌、微喷灌、渗灌、点浇和坐水种等节水灌溉方式。把存贮的雨水用在作物最需要水分补充的时期。化解降水与作物需水在时间上的供需错位矛盾，使作物生育期处在相对良好的供水环境中。直接收集利用天然降水，是基于有限水资源时段内的再分配、调控使用，既有效解决干旱山区人畜饮水问题，又消除旱作农业的水分胁迫问题，具有有限降水利用和稳定增产的高效性，特别适合干旱山区，因而可认定是旱农区发展的根本途径。近十几年来，实施“退耕还林还草”工程，发展植被建设，保护和改善生态环境，因而对生态用水要求越来越高，雨水集蓄利用是解决生态用水，发展农业生产最有效的方法和途径[6]。

3 雨水集蓄利用技术示范

3.1 示范区概况

研究区位于贵州省乌江上游段六冲河流域，毕节市西部的撒拉溪镇和野角乡境内，地貌属喀斯特高原山区，类型多样，地形破碎，耕地多分布于坡面上、台地和山间谷地，常形成环山梯土和沟谷坝地；旱土耕层浅薄、肥力较低。区内有明暗交替的河流，漏斗、盲谷、落水洞、天窗、溶蚀洼地和盆地发育；气候属亚热带季风性湿润气候，夏季温凉湿润多雨，冬春干旱少雨，年均温12 ℃；无霜期245 d，年平均日照时数为1 360 h；降雨量丰富，多年平均降水量984.4 mm，5-9月降雨占75%。水资源以地下水为主，喀斯特地下水埋藏较深，地下水季节变化大，雨季水量丰富，可形成洪涝，旱季则较多岩溶泉干涸。

示范区总人口20 215 人，其中饮水困难或缺水人口10 916 人，占总人口的54%。示范区表层喀斯特水较多，主要以岩溶泉方式出露。据调查统计大小泉点有120余处，全年流量81.57 万m3，月均流量0.5 L/s以上的泉点14处。83%的家庭以岩溶泉水作为生活用水的主要水源，17%的农户靠屋面集雨工程来解决生活用水。每年的11月至次年的4月为干旱缺水期，当地缺水户定期到3～4 km以外的水源点取水或供水站买水，一次花2 h左右。由于居民点居住分散，示范区内无自来水管网，泉水在旱季难以满足群众用水需求，群众远距离取来的水水质不符合国家规定的《生活饮用水水质标准》。

喀斯特区为季节性缺水山区，地面和地下水资源少，雨水集蓄利用成为该山区农村发展不可缺少的水资源开发形式。其耕地面积中，80%以上是靠天吃饭的“望天地” ，降雨时间与种植玉米的生长发育期严重错位，玉米平均产量2 250 kg/hm2左右，农业生产水平低，种植与产业结构单一，农村经济发展非常滞后。从全球看，则有81%的土地是雨养农田[7]。

3.2 集雨标准与技术

由于喀斯特石漠化地区地形条件比较复杂，农田水利工程发展受到限制，致使石漠化区大旱3、5、9年，小旱年年有，严重威胁农业生产。毕节撒拉溪韩家冲、下小寨、冲锋村等乡村远离河道，地下水埋藏深，表层潜水量甚寡，造成人畜饮水困难。干旱缺水使得该区生态环境脆弱，贫困面广，受生存的挑战。毕节降水集中且多暴雨，水土流失强烈，土质差蓄水保水能力低。雨季供水与作物生长发育需水期严重错位，阻碍了农业生产的进一步发展。分析可知该地区水资源主要是天然降雨，在该区开展雨水集蓄利用技术，其集蓄雨水的主要目的先解决人、牲畜饮用水，再发展小规模灌溉。集雨蓄水及小规模灌溉的技术路线是首先调查用户人数及旱季需水量，确定集雨蓄水的用水量标准，然后计算出集流面积与蓄水装置，再建立地面和地下蓄水设施。

根据世界卫生组织(WHO)提出的标准，贵州属于亚热带地区，人均日饮用水耗水量为30～40 L，据此设计本区人畜饮用需水量、不同时期的需要量，制定蓄水设施的标准，如表1。

表1 喀斯特山区日均人畜饮水消耗量 L/d

试验区年平均降雨量1 000 mm，集雨面的面积为3.14 m2，由于集雨材料为聚丙乙烯即使降小雨也能收集到雨水，降水量基本没有损失，由此可计算出单个装置集雨面一年可收集的水量为3.14 m3。假定人均日消耗水量20 L，单个集雨装置可供水4口人家庭40 d，当地最缺水的时间是12月至次年3月，计4个月共120 d，共计需水9 600 L(9.6 t)，安放3个这样的装置可以够120 d用水，基本可以解决他们的饮水问题。

3.3 雨水监测

为保证饮用雨水人群的身体健康，水质是一个普遍关心的问题。一般来说，雨水本身是纯净的，但在通过大气层以及在集雨过程中会受到一定污染。在毕节示范区安装的集雨水装置，我们分别在集水后的第1个月、第3个月和第6个月从集雨桶里采取雨水样品，及时送到检测中心进行测试，通过测试集雨桶里的水质主要指标基本上能够满足饮用水的要求(表2)。从而使当地居民将收集到的雨水用于饮用和做饭，已经被认为是一种安全便捷的水源，水质检验表明这种水储存3～6个月后仍然能免受细菌污染，是解决家庭各种生活用水的备选方案。

表2 冲锋村集雨装置水化验结果Tab.2 Hydraulic test results of rainfall collection device in Chongfeng Village

4 雨水集蓄技术的效益分析

雨水集蓄利用技术措施解决了喀斯特山区人畜饮水的困难，改变了过去只靠扩大种植面积来提高总量产量的模式，避免“越穷越垦、越垦越穷”的恶性循环的局面，并及时地运用了节水灌溉等先进技术种植高效经济作物代替单一的粮食作物，在增加群众收入的同时改善了生态环境[8]。

雨水利用要以“雨水是资源，利用与改善生态环境相结合”为指导思想。使用“夏雨冬用”的雨水利用方案，利用特制的蓄水装置蓄积丰雨期的雨水，然后在枯雨期使用蓄积的雨水，这样不仅节省了水资源，有利于改善生态环境[9]。

4.1 经济效益

本项目在毕节撒拉溪镇的冲锋村等乡村选择300户家庭约1 200 人，坡耕地进行补灌示范面积6 hm2进行示范。当地降雨集中在5-10月份，11月-次年4月份为缺水期，最为缺水是12月至次年的3月份，在干旱缺水的季节生活用水需到3 km以外的水源区去买水来用，水价为0.2 元/L，4口人的家庭，每日80 L水(按《贵州省渴望工程规划报告》确定每人每日20 L水)，每日需16 元，每年6个月的旱季为买水的花费达2 880 元。一个家庭一个妇女每日需要从家到水源地或卖水点往返两趟去背水，她得花4 h或半天时间。如果这半天时间用来做其他事情能获得的最少劳动收入30～40 元，半年收入5 400～6 800 元，那么一个家庭为生活用水所花的最低成本为2 880+5 400=8 280 元。如果修建一个8 m3的雨水池工程总价约5 000 元，后期维修还要一笔钱，如果质量不过关还达不到蓄水的目的，而且水质不达标，用水不方便，需要人工提水。而高效集蓄雨水装置只需2 000 元，但可以使用10年以上，而且集蓄的雨水是经过滤消毒了的，水质达到国家人畜饮水标准，因集蓄雨水装置在高处为自流水，居民用水方便。该装置投资少见效快，一年就可收回成本，是喀斯特缺水地区良好的取水装置。同时还可在庭院周围种植蔬菜、水果，增加经济收入。该装置可每年为每户节约8 280 元，每公顷耕地补灌可多收入6 000 元，1年可为当地带来252 万元的经济效益。饮水问题得到很好的解决，并改善了农村卫生条件，减少地方性疾病，提高人民群众的健康水平。

4.2 社会效益和环境效益

雨水集蓄利用可以缓解缺水局面，水资源和环境意识的教育，使群众增强节水、爱水、惜水和利用雨水的意识；可形成雨水集蓄产业链，带动地方经济增长，同时能解决一部分劳动力的就业问题[10]。

雨水集蓄入渗农田，有效地解决了干旱山区的农业灌溉问题，提高了山区作物和林木成活率，促进喀斯特山区种植结构的调整，发展种养殖业，开展多种经营，解决了农民的增收问题，促进了农村经济的可持续发展，促使生态环境向良性循环的方向改变。

5 讨论与结论

雨水集蓄利用是付诸实践的雨水安全利用技术中最为成熟且最具代表性的技术之一，是一种分散性解决水问题的方法，它利用当地资源，采用适用技术，造价较低，基本不需要运行费。雨水集蓄利用是缺水山区综合发展的可持续方法(途径)，它绝不是临时抗旱的权宜之计，而是一项战略性措施。但在水质净化处理问题以及如何提高供水保证率等方面还需作进一步深入研究[11]。

(1)可移动式高效集雨水技术利用开源节流原理把雨季丰富的雨水蓄积储存，建立家庭和田间地头的“水银行”，在干旱缺水时方便利用。该建设装置具有结构简单、使用方便、经久耐用、成本低、高效蓄水、雨水蒸发速率低、集雨效果好并能净化雨水等特点，可有效集接天然雨水并起到净化的作用，从示范的情况看，每年为每户节约8 280 元左右，其经济效益和环境效益显著。

单个装置集雨面一年可收集的水量为3.14 m3，4口之家在最缺水的12月至次年3月，共需水量9 600 L(9.6 t)，能满足需水量的32.7%，安放3个这样的装置可基本解决该家庭急需的生活用水问题。即便如此，雨水集蓄利用工程所能提供的水量还是很有限的，只能有限度地满足群众紧迫的生活供水需求。

(2)喀斯特山区农村雨水洁净集蓄系统技术是由集雨系统、净化系统、蓄水系统及供水利用系统四部分集于一体，收集的雨水经过过滤、净化、消毒及离子交换作用，保障了雨水水质安全，克服了以往集雨工程在雨水收集过程中，流经集流面携带泥砂粪便等杂物而受到污染影响水质的问题，使得收集储存的雨水水质基本能够满足居民饮水的要求。从表2中，分析pH值、总硬度、细菌总数、溶解性总固体、化学需氧量、总大肠菌群的数据得知，从集雨水的第一个月至第六个月上述数据均在国家饮用水水质标准之列，总大肠菌群未检出，溶解性总固体在第六个月时稍微高一些，但也还在允许的范围内，这说明用该装置收集的雨水水质无污染问题。

(3)集雨水装置突破了耕地节水关键技术，提高坡耕地降水资源的利用率。传统农业解决作物需水问题的方法是把雨水储存在土壤空隙中，使降雨转化为土壤水。而在喀斯特石漠化地区土层非常薄持水性差，且很少连片，中间出露面积大小不一的基岩，使得截留的降雨大多漏失地下而难以保存，土壤水分转化为作物水的效率降低。喀斯特地区工程性缺水严重，作物需水与降雨时间上错位，如果连续十天或半月不下雨，农作物就会被旱死。必须依靠其他措施对降雨进行调丰补歉。雨水集蓄利用则以工程措施储存雨水，在作物关键期进行补充灌溉，使作物避免受旱。实践证明，雨水集蓄灌溉所用的水量十分少。一般作物生长期仅在关键需水期(包括播种期)灌水2～3次，总灌水量15～30 m3，仅为常规灌溉定额的1/10～1/8，但效果却十分明显[7]，每公顷耕地补灌可多收入6 000 元左右。这一现象被称为超补偿效应[12]，是作物经过缺水逆境后进行补水能产生的。这也说明了雨水集蓄灌溉是一种特殊的灌溉方式。雨水集蓄灌溉的水量只占作物耗水量的15%～ 20%，作物耗水主要是依靠天然降雨。由此表明在工程性缺水的喀斯特石漠化地区采用雨水集蓄来解决干旱问题是可行的。西南喀斯特山区，常年干旱和季节性干旱几乎每年出现，利用设施集蓄当地降雨资源，在雨季把雨水储存起来，当作物在发育生长期需水时能提供补灌，提高作物产量，从而克服现有技术的不足，使群众脱贫致富，形成喀斯特地区另一种高效节水途径，为精准扶贫开辟一条路。

(4)集蓄雨水装置具有投资少，见效快，受益广，技术简易，灵活多样，群众容易掌握等优点。雨水集蓄利用是解决缺水山区饮水困难和农业补充灌溉，实现喀斯特山区水资源可持续发展不可替代的选择，是有效解决水资源短缺的重要途径。

当前，我国农村对集蓄雨水调控技术的研究与应用，还在不断探索和发展，雨水收集与利用程度还很低，集雨装置的集雨面积很小，单纯依靠集雨来满足居民的用水需求也是不现实的。应开展多种渠道集蓄雨水，建设海绵乡村庭院，推进雨水集蓄技术、涵养地下水技术，改变农村常规的房屋建设设计理念，提高乡村庭院雨水储存能力和雨水利用率。