雨水集蓄利用工程技术.docx
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雨水集蓄利用工程技术
第二章雨水集蓄利用工程技术
第一节雨水集蓄利用工程的规划
一、西北地区雨水集蓄利用发展状况
（一）雨水集蓄利用工程建设背景
一、规划原则
各地的规划、选点基本应体现因地制宜、合理布局的准则，要点如下：
（1）雨水集蓄利用工程应规划选择在缺乏地表水或地下水或开采利用困难，多年平均降水量250～550mm的旱地农业区（如西北、华北的部分地区），或在季节性缺水严重且降雨充沛的旱山、石山、丘陵地区（如西南的部分地区）兴建。
（2）雨水集蓄利用工程规划应首先了解规划区现有的水利设施状况、自然经济条件，并结合当地经济的发展规划，力求做到因地制宜、合理布局。
（3）工程的规模与分布的数量、类型应根据规划区的水资源循环、补给与排泄条件、当地种植作物的需水量、需水关键时期及需要灌溉的面积等资料来确定，着重解决好作物的保苗水、保命水。
（4）规划工程应集中连片，注重实效，避免重复建设。
（5）蓄水工程的选址要具备集水容易、引蓄方便的条件，按照少占耕地、安全可靠、来水充足、水质符合要求、经济合理的原则进行，同时还要考虑到管理方便和便于发展池院经济的特点，优先选择在房前屋后的适宜位置。
（6）水源。
一般采用自然坡面、屋面集雨。
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，需开辟新的集雨场，修建引洪沟引水。
总之，选择水源总的原则应是：
要具有能最大限度拦蓄地面、屋面、路面和场院径流、引蓄泉水及其他骨干水利工程可提供补充水量的条件。
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。
对于集流效率较低的下垫面可采取人工措施，减少地面入渗，保证在需水前的雨季时，各水窖（水池、水柜、水塘等）能基本蓄满水。
（1）降水资料。
包括工程地点的多年平均、保证率为50％、75％及95％的年降雨量。
工程地点附近有气象站或雨量站且资料年限不少于10年时，可收集实测资料并进行统计分析计算。
当实测资料不具备或不充分时可根据当地降雨量等值线图进行查算。
（2）地形资料。
一般可不要求地形图。
但应有集流面、蓄水设施及灌溉土地之间的相对高差资料。
（3）集水面资料。
对房屋屋面、庭院、计划作为集水面的公路、乡村道路、场院及天然坡面等投影面积进行量测。
同时，对工程范围内已建的雨水集流面性质、面积、蓄水设施的种类、数量及容积进行调查。
（4）需水对象资料。
对工程范围内的人口、大小牲畜数进行调查，并对今后10年内的发展数字作出预测。
同时，对雨水集蓄利用工程灌溉的作物种类、树种及其面积进行调查。
（5）其他资料。
当地社会经济状况、建筑材料、道路交通、当地建筑材料的数量与分布地点等。
二、规划内容
（一）内容概况
（1）基本情况分析。
降雨资源、地形及集流面条件、社会经济条件。
（2）规划目标及建设雨水集蓄利用工程的必要性和可行性分析。
（3）需水分析。
人畜饮用水、发展庭院经济及大田节水灌溉需水量分析。
（4）集流面确定。
在水量供需平衡的基础上，选择各类集流面并确定相应的面积；对于西北、华北干旱缺水地区而言，许多地方需要人工集流面；对于西南地区而言，多为自然集流面。
（5）蓄水工程规划。
蓄水工程类型数量及蓄水量确定。
（6）供水及灌溉工程规划。
灌溉方式选择及规划。
（7）工程建设费用与国家、地方和群众投入分析以及工程效益分析。
（8）实施措施。
村社两级的雨水集蓄利用工程规划还应对工程地点选择、工程布置作出具体规划。
（二）水量平衡分析
1．需水分析
（1）人畜饮用水量。
人畜饮用水量包括人及牲畜的饮用水，各省区有不同的参照标准。
1）甘肃省人畜饮用水定额见表2—l。
2）内蒙古自治区人畜饮用水定额见表2—2。
表2-1
甘肃省人畜饮用水定额
表2-2内蒙古自治区人畜饮用水定额
项目
单位
平水年
特殊干旱年
项目
单位
用水定额
人饮用水
kg/人.d
10
6
人
kg/人.d
30
大牲畜饮用水
kg/头.d
30
20
大牲畜
kg/头.d
40
小牲畜饮用水
kg/头.d
3
2
小牲畜
kg/头.d
8
注平水年降雨保证率50%，特殊干旱年保证率95%
3）宁夏回族自治区人畜饮用水定额见表2—3。
表2-3 宁夏区人畜饮用水定额
每户人畜饮用水量可按未来10年内能达到的人口数及牲畜数计算。
在作地区性规划时，可按地区统计资料计算。
每家（户）全年人畜饮用水量应分别按不同保证率年份的用水定额进行计算。
项 目
单 位
不同保证率年份用水定额
75%
95%
人
kg/人.d
10
6
大牲畜
kg/头.d
30
20
小牲畜
kg/头.d
5
3
（2）灌溉用水量。
雨水集蓄灌溉应采用节水灌溉方法，农业灌溉用水量应在节水灌溉的前提下，按非充分灌溉（限额灌溉）的原理，根据当地或类似地区作物需水量或灌溉制度试验资料以及本地区作物生育期的降雨量确定。
每亩土地全年灌溉水量可以按下式估算：
Md=（0.5～0.8）×（N—0.667Pe—We）/η
式中 Md——非充分灌溉条件下年灌溉定额,m3/亩;
N——作物或果树的全年需水量,m3/亩;
Pe——作物生育期有效雨量，mm，可采用作物生育期降雨量乘有效系数而得
该系数对夏禾作物取0.7～0.8,对秋禾作物取0.8～0.9;
We——播前土壤中的有效储水量，可根据实测资料确定，在无实测资料时，可按
（0.15～0.25）N作粗略估计；
η——灌溉田间水利用率，滴灌等节水灌溉条件下取0.9。
有的地区灌溉用水量也可根据当地多年实际测定资料进行估算，如甘肃和宁夏采用表2-4中的资料粗略估计不同作物的灌水次数与灌水量。
表2-4 各种作物在不同年降雨量及不同灌水方法的灌水次数与灌水量（甘肃、宁夏）
项 目
粮食作物
果 树
蔬菜瓜果
夏作物
秋作物
灌水次数
年降雨量300mm
3～4
3～4
4～5
8～9
年降雨量400mm
2～3
2～3
3～4
6～8
年降雨量500mm
2～3
1～2
2～3
5～6
每次灌水定额
（m3/亩）
滴灌、膜孔灌
10～15
10～15
8～15
10～15
点浇、根际注水灌
5～10
5～10
5～8
5～10
2.全年可集雨量
全年单位集水面积可集雨量按下式计算：
Fp=Ey·Rp/1000
式中 Fp——保证率等于P的年份单位集水面积全年可集水量，m3/m2;
Ey——某种材料集流面全年集水面积全年可集流效率，以小数表示，甘肃、宁夏
与内蒙古等省区的Ey值可分别参见表2-5、表2-6。
Rp——保证率等于P的全年降雨量，mm。
Rp可以从该地区多年平均降雨量等值线图中取值，也可以按下式进行计算：
Rp=KPp
Pp=KpPo
式中 Pp——保证率为P的年降水量，mm;
Po——多年平均降水量，mm，根据气象资料确定；
Kp——根据保证率及Cv值由相应地区的图表查得见表2-7；
K——全年降雨量与降水量之比值，可根据气象资料确定。
部分省区的K值可按
表2-8、表2-9执行。
表2-5 不同材料集流面在不同降水量及保证率情况下全年集流效率表（甘肃、宁夏） （m3/m2）
多年平均降水
（mm）
保证率
（%）
混凝土
水泥瓦
水泥土
塑膜
覆砂
机瓦
青瓦
黄土
夯实
沥青
路面
自然
土坡
400～500
50
0.80
0.75
0.53
0.46
0.50
0.40
0.25
0.68
0.08
75
0.79
0.74
0.25
0.45
0.48
0.38
0.23
0.67
0.07
95
0.76
0.69
0.41
0.36
0.39
0.31
0.19
0.65
0.06
300～400
50
0.80
0.75
0.52
0.46
0.49
0.40
0.26
0.68
0.08
75
0.78
0.72
0.46
0.41
0.42
0.34
0.21
0.66
0.07
95
0.75
0.67
0.40
0.34
0.37
0.29
0.17
0.64
0.05
200～300
50
0.78
0.71
0.47
0.41
0.41
0.34
0.20
0.66
0.06
75
0.75
0.66
0.40
0.34
0.34
0.28
0.17
0.64
0.05
95
0.73
0.62
0.33
0.28
0.30
0.24
0.13
0.62
0.04
表2-6 不同降水条件下各类集水面的集流效率表（内蒙古）
平均降水量
（mm）
荒 坡
硬 路 面
二（三）合土面
水泥土面
塑 膜 面
200
0.066
0.077
0.088
0.091
0.103
250
0.074
0.086
0.099
0.105
0.116
300
0.103
0.120
0.137
0.145
0.161
350
0.109
0.127
0.145
0.154
0.170
400
0.137
0.160
0.182
0.194
0.214
450
0.215
0.250
0.286
0.304
0.336
表2-7 甘肃、宁南山区降水频率Cv及Kp关系
P（%）
Cv
0.21
0.23
0.25
0.27
0.29
0.31
0.33
0.35
0.37
0.39
50
0.984
0.981
0.978
0.975
0.972
0.968
0.963
0.959
0.955
0.95
75
0.851
0.836
0.821
0.806
0.791
0.791
0.761
0.764
0.731
0.72
95
0.683
0.657
0.63
0.604
0.578
0.5553
0.53
0.506
0.483
0.46
表2-8 甘肃省部分地区平均降雨量与降水量比值表
县 名
环县
华池
静宁
秦安
陇西
通渭
定西
临洮
K
0.92
0.92
0.89
0.95
0.88
0.9
0.88
0.84
县 名
西吉
海原
固原
彭阳
隆德
泾源
同心
盐池
K
0.88
0.83
0.76
0.86
0.8
0.86
0.93
0.87
表2-9 宁南山区多年平均降雨量与降水量比值表
县 名
西吉
海原
固原
彭阳
隆德
泾源
同心
盐池
K
0.88
0.83
0.76
0.86
0.8
0.86
0.93
0.87
3．水量供需平衡分析及工程规模确定
根据已求得的总用水量和集水量，进行平衡计算，确定相应的集雨面积、灌溉面积及蓄水工程的规模等。
其中，集流面工程应按下式分别计算（各保证率年份相应的所需集流面积，选用其中大值）：
Wp≤Sp1Fp1+Sp2Fp2+…+SpnFpn
式中 Wp——保证率等于P的年份需用水量，m3；
Sp1Sp2…Spn——保证率等于P的年份材料1，2，…，n集流面积，m2；
Fp1Fp2…Fpn——保证率等于P的年份材料1，2，…，n集流面单位集水面积可集水量。
蓄水设施的总容积按下式计算：
V=aWmax
式中 V——蓄水设施总容积，m3;
a——容积系数，取0.8；
Wmax——不同保证率年份用水量中最大值，人畜饮用水工程为平均年用水量。
（三）集流面选择
集流面工程的材料选择应遵循因地制宜、就地取材、提高集流效率、降低工程造价的原则进行。
主要可采用混凝土面、瓦屋面、庭院、场院、沥青公路、砾石路面、土路面、天然坡面等；天然集水场效益差时，要进行人工补修，确无天然集水场时，需修建人工集水场。
人工集水场有原土碾压、塑料薄膜及石块衬砌等多种形式。
解决人畜饮水及发展庭院经济灌溉的集流面工程，当现有屋面为瓦屋面时，可尽量加以利用，当现有屋面为草泥时，宜改建为瓦屋面，并优先采用水泥瓦，不足部分在庭院内建设混凝土集流面作为补充。
暂无房而拟近期建房的，可模拟屋面修建斜土坡铺瓦作为集流面。
发展作物灌溉的集流面工程，可首先利用各种现有集流面，如沥青公路路面、农村道路、场院及天然土坡等集流面。
现有集流面集水量不足时，可修建人工防渗集流面补充。
修建人工防渗集流面时，在当地砂石料丰富且运输距离较近的地方，宜优先采用混凝土集流面。
在人均耕地较多的地方，可采用土地轮休的办法，用塑膜覆盖耕地作为集流面。
第二年该集流面转为耕地，可另选一块耕地作为集流面。
发展作为灌溉的集流面，宜使集流面和拟灌耕地之间有一定高差，尽量满足各种灌溉方式所需要的水头，以便进行自压灌溉。
在有条件的地方，可结合小流域治理，利用荒山荒坡作为集流面并按一定间距修建截流沟和输水沟把水引入蓄水池，或修建谷坊塘坝拦蓄雨洪。
（四）蓄水工程布置
1．蓄水工程的分类与选择
蓄水工程可分蓄水窖、蓄水池、涝池和塘坝旱井等类型。
蓄水窖按形状分为圆柱形、球形、瓶形、烧杯形、窑形等，按防渗材料分为红粘土防渗及混凝土或水泥砂浆防渗。
按被覆方式可分为硬被覆式和软被覆式蓄水工程。
按建筑材料可分为砌砖（石）、现浇混凝土、水泥砂浆、塑料薄膜和二合泥（粘土与石灰加水拌合而成）等。
蓄水工程的选择应根据地形、土质和集流方式及用途进行。
当土质为较粘的黄土时可选用蓄水窖形式；土质含砂较多或土中有较多裂缝时可选用蓄水池；有适宜的低洼地形且主要用以拦蓄沟岔或蓄存坡、耕地及土路面等含沙量较大的雨洪时可选用涝池和塘坝。
2．蓄水工程的布置原则
蓄水窖（池）应根据用途及地形等当地条件进行整体规划布局。
以解决人畜饮用水为主的应将窖（池）建在庭院内地形较低处；窖（池）外壁距崖坎的距离不少于5m，并距根系较发育的树木5m以外。
若是群窖（池），两窖（池）外壁之间的间隔距离不得小于4m。
公路旁的蓄水池与公路的距离应符合公路部门的有关规定。
蓄水窖（池）的进水渠（管）上应设闸板并在适当位置布置排水道，当水窖（池）蓄满后应立即停止进水，防止水窖（池）超蓄破坏。
涝池塘坝应选在地基稳定、距集流面较近、用水方便的地方，拦蓄沟岔雨洪的涝池塘坝应按有关规范设置泄洪工程。
利用天然土坡、土路、场院作集流面时，集流的雨水宜先引入涝池、塘坝，待泥沙沉淀2～3日后再引入水窖蓄存。
3．蓄水工程布置典型
（1）梁峁地形布窖
1）地形特点：
梁峁起伏，地处水土侵蚀源头，地面较平整，植被较好，鞍部地形处常是乡村道路交会点。
梁峁多修成水平梯田或为天然草地，冲沟较少。
2）适宜窖点：
沿梁顶多为交通道路，路面是收集雨水的理想场地。
窖点应根据地形和农田在道路两侧合理布局。
宁夏海原县冯川村利用梁顶公路（沥青路面）鞍部处的集水沟收集路面径流，在半山坡打窖蓄水，自流灌溉坡脚下的农田（图2—1）。
（2）山前壕掌地带
1）地形特点：
后山为山丘地形，坡面冲沟较多，多为荒坡草地，坡面大，为扇形汇流；在沟口汇流后又随地形扩散，形成山前台地（或为壕掌地），汇流低洼处多为田间路或牧羊道，路壕两侧为农田。
2）窖群布局：
该地形径流条件好，沟壕汇流量大，一般含沙量较大。
窖群应沿路壕两侧布置，分段建引洪渠收集径流人窖（图2—2），同建好引水入窖前的沉沙设施，水窖蓄满后及时封堵进水口。
宁夏固原县七营乡倪壕村节水灌溉示范点就是利用山前沟壕集水，实行窖水节灌。
（3）缓坡地带
1）地形特点：
多为山前坡脚台地、塬地、壕墒地，地势较平坦。
黄土丘陵区多被沟壑切割，下切侵蚀严重，沟道宽深。
缓坡地为农业耕作区，农草间作。
2）窖群布置：
本地域多为蓄满产流（即降水雨强小于下垫面下渗强度，下垫面入渗土壤饱和后才产流）。
田间路面为主要集水场所。
窖群宜布设在田问路两侧的农田内，水窖数量的多少要根据路面产流、田面蓄满产流的水量多少合理布局，避免过密布置。
（4）沿路地带。
各地农村均有省、地、县以及乡村各级道路经过，沿途有各种地形地貌，如梁、峁、坡、川等，要充分利用路面的集水条件结合地形情况，因地制宜布设窖群。
水窖的位置应选在路界外的农田内，修建好引水渠、沉沙池等配套设施（图2—3）。
（5）庭院附近。
山区农户多分散居住，房舍为平台地，旁边建有麦场，房前多有菜地、农地。
可充分利用庭院地面、麦场、屋顶作为集水场地，在院内打窖解决吃水的同时发展庭院经济，也可在庭院外打窖灌溉附近的农田。
甘肃省推广的“121”工程就是一个成
功的范例。
第二节雨水集蓄利用工程的设计施工
一、集流面设计与施工
1.瓦屋集流面
瓦屋集流面的设计施工可按照当地农村房屋建设的要求进行，瓦与瓦间应搭接良好，屋檐处应设滴水。
2.混凝土集流面
混凝土集流面施工前，应对地基进行洒水，翻夯处理。
翻夯厚度以30cm为宜，夯实后干容重不小于1.5t/m3。
对于湿陷性黄土软基础宅院，宜采用洒水夯实法进行处理。
其方法是:
先将宅院内原状土全部挖虚后均匀洒水，使土体达到适当比例的含水量，当抓起成块，落地开花时可进行夯实，其干容重不得少于1.5t/m3。
对于坚硬土质的宅院，可采用表面洒水处理法，其方法是:
将原宅院表面均匀进行洒水，其湿透层达到2cm左右时，再用方头铁锨按设计纵坡进行铲平及夯实处理。
对宅院基础较虚软，离砂石源地较近的农户宅院，可采用压石洒水法进行处理。
其做法是:
按设计的纵坡要求，先将院内进行大体平整后，再铺压直径为2.5—3cm的卵石，然后均匀洒水并挂线分块浇筑。
混凝土集流面宜采用横向坡度1/10～1/50，纵向坡度1/50～1/100。
混凝土集流面宜采用C13混凝土现浇，厚度3～4cm，砂石料含泥量不大于4％并不得用矿化度大于2g/L的水拌和。
分块尺寸以1.5mX1.5m～2.0mX2.0m为宜，块与块之间缝宽1—1.5cm，缝间填塞浸油沥青砂浆牛皮纸、3毡2油沥清油毡、水泥砂浆或细石混凝土、红胶泥等。
伸缩缝应做到全部混凝土深度。
具体细部结构见图2—4。
所有混凝土工程和砂浆工程要求在初凝后覆盖麦草、草袋等物洒水养护7d以上。
夏季炎热时每天洒水不得少于4次。
3.土质集流面
利用农村土质道路作为集水场时，要进行整平并做出向路边排水的横向坡度。
利用荒山、荒坡等建设原土翻夯集水场的，宜洒水深翻30cm，夯实后干容重不小于1.5t/m3。
4.片（块）石衬砌集流面
片（块）石衬砌集流面施工时应根据片（块）石的大小和形状，采用竖向砸人或水平铺垫的方法，厚度要求不小于5cm。
水平铺垫时要求对地基进行翻夯处理，翻夯厚度以30cm为宜，夯实后干容重不小于1.5t/m3。
5.塑膜防渗集流面
塑料薄膜防渗集流面可分为裸露式和埋藏式两种。
裸露式直接将塑料薄膜铺设在修理完好的地面上；埋藏式可采用草泥、细砂等覆盖，厚度以4—5cm为宜。
草泥施工时应抹匀压实拍光，细砂应摊铺均匀。
塑料薄膜集流面的土基要求铲除杂草，整平耕地并进行适当拍实或夯实，拍实或夯实程度以人踩不落陷为准。
裸露式塑料薄膜铺设后4周及表面适当部位宜用砖块、石块或木条等压实。
接缝可搭接10cm，用恒温熨斗焊接，或搭接30cm后折叠止水。
二、辅助工程的布置
（一）引水工程
屋面集流面的截流输水沟可布置在屋檐落水下的地面上，宜采用C13混凝土的宽浅式弧形断面渠。
设有庭院混凝土集流面的可与集流面施工同时进行，不再单独设置截流输水沟。
庭院外的截流沟可采用土渠或混凝土渠。
输水工程宜采用20cmX20cm的混凝土矩形渠、开口20～30cm的U形渠、砖砌、石砌暗管（渠）和无毒PVC塑料管。
利用公路作为集流面且具有公路排水沟的，截流输水工程从公路排水沟出口处连接修建到蓄水工程，其尺寸按集流量大小确定。
公路排水沟及输水渠最好能进行防渗处理。
利用天然土坡面作集流面时，可在坡面上每20～30cm沿等高线修截流沟，截流沟可采用土渠，坡度宜为1/30～1/50，截流沟应连接到输水沟，输水沟宜垂直等高线布置并采用矩形或U形混凝土渠，尺寸按集雨流量确定。
引水渠形式要根据各地经济发展水平和农户的投入程度决定，要最大限度减少泥沙入窖（池）。
当前普遍采用的有:
（1）梯形土渠。
当引水渠较长时多被采用，雨季沿地面临时开挖，需经常修整，经济适用。
（2）混凝土（砌石）矩形渠。
多用于窖（池）前的沉淀渠（槽），宽30～50cm，深80～100cm，长度根据地形选定。
（3）塑料管道。
输水条件、防渗效果俱佳，唯投资较大。
当前从沉沙池进入窖（池）体内这段距离多采用塑料管，管径8～15cm，施工安装方便。
（二）沉沙池（坑）
沉沙池（坑）是水窖（水池）建设中的重要组成部分。
在我国北方干旱半干旱地区，水窖（蓄水池）以集蓄雨洪径流为主，来水中常挟带着泥沙，尤其是坡面、沟壕径流含沙量更大。
因此，修建沉沙池是必不可少的。
1.沉沙池布设位置
沉沙池为窖（池）前的附属设施，位置选择适当与否直接关系到沉沙效果。
其原则是:
①沉沙池（坑）离窖口要有3m以外距离，以防止池内渗水造成窖壁坍塌；②充分利用有利地形沉淀来水中泥沙。
当利用坡面、沟壕集水，水中含沙量较大时，不宜按来水方向在窖前3m处布设沉沙池。
因为水流沿坡面、沟壕直下，流速大。
即使水进入沉沙池也难以使泥沙沉淀。
而必须沿等高线大致走向开挖沉淀渠，按来水反方向布设沉沙池（坑），这样可供泥沙充分沉淀，真正发挥沉沙池作用。
2.沉沙池形状、容量
沉沙池形状以矩形为好，容量大小要根据来水中泥沙含量和沉沙要求决定，泥沙中有悬移质又有推移质。
一般要求将推移质泥沙（粒径0.04～2mm，沉速0.8～205mm/s）中的砂粒沉淀下来。
沉沙池呈长条形。
长2～3m，宽1—2m，深1.0m池底比进水管（槽）低0.8m矩形池可沉淀泥沙3m3，梯形可沉淀泥沙2m3。
3.池体结构和施工要求
沉沙池按
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