第3章 坡面集水保水工程 3.1 概述 3.2 水窖 3.3 涝池(蓄水池) 3.4 山边沟渠工程 3.5 鱼鳞坑、水平沟和水平阶 3.1 概述 一、地球水资源分布概况 地球上的水资源主要包括3个方面:天然降水;河川径流;地下水。其中,天然降水是最基本的水资源,因为后者都以天然降水为补给源。 据统计,地球上138.6×108亿m3水体的97.5%为咸水,汇聚于海洋和咸水湖泊。仅有约2.5%即3.5×108亿m3的淡水可为人类生活、生产取用。淡水的68.7%成为极圈冰盖和高山冰川,加上30.8%的深层地下水,均为难以利用的淡水资源。河流、湖泊及浅层地上水,约占总淡水量的0.5%。换言之,地球生命界需用淡水的绝大部分,依赖于地球水文循环。这种水文循环主要依赖于河湖、海洋主要水域的水量及土壤水,经太阳热力的作用,直接蒸发和间接蒸腾成为水汽,随气流上升进入大气循环。 二、中国水资源的主要特征 我国是水资源短缺、水灾害频繁的国家,水资源总量居世界第六位,人均占有量只有2500m3,约为世界人均水量的1/4,在世界排第110位,被联合国列为13个贫水国之一。 ①水资源的总量不少,但人均、亩均较少,河川径流量少于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚。亩均水量1770m3,约为世界亩均水量的3/4,低于巴西、加拿大、日本和印度尼西亚。 ②水资源地区分布不均匀,与人口、耕地分布不适应。南方水多地少,北方地多水少。北方旱区(不含内陆区)水资源总量只占全国的14.4%,耕地却占全国58.3%;人口占全国49.2%,人均水量为938m3/人(南方为4170m3/人),亩均水量为454m3/亩(南方为4134m3/亩)。南方与北方相比,南方人均水量为北方的4.4倍,亩均水量为北方的9.1倍。 二、集水技术和径流农业 集水技术是在干旱地区充分利用降水资源为农业生产和人畜生活用水服务的一种技术措施。把较大范围上的降水聚集到小面积的农田上使用的一种方法。 集水技术的另一术语是“雨量增值”或“降雨增效”这一术语指将非耕地里的降雨径流集中到耕地里使其获得足够的水分以种植作物。这样给耕地里的水要比直接接受的雨水多,因而雨量增值。 集水技术是干旱地区发展径流农业(或称聚流农业)的基础。所谓径流农业或聚流农业,就是充分利用现有的降水资源和径流资源把集水技术与农业生产相结合的农业生产技术的总称。 3.2 水窖 一、水窖的定义与功能 (一)定义 指修建于地面以下并具有一定容积的蓄水建筑物。水窖由水源、管道、沉沙池、过滤设施、窖体等部分组成。 (二)功能 (1)拦蓄雨水和地表径流; (2)提供人畜饮水和旱地灌溉的水源; (3)减轻水土流失。 二、水窖的类型 1井窖:主要由窖筒、旱窖、散盘、水窖、窖底等部分组成。 1-窖口; 2-沉沙池;3-进水管;4-散盘;5-旱窖; 6-胶泥层;7-玛眼;8-窖底 2、窑窖 3、竖井式圆弧形混凝土水窖 4、隧洞形浆砌石水窖 贵州省毕节地区 P100表4-2尺寸 5、混凝土拱底顶盖水泥砂浆抹面窖 该窖型是甘肃常见的一种形式。主要由混凝土现浇弧形顶盖、水泥砂浆抹面窖壁、三七灰土翻夯窖基、混凝土现浇拱形窖底、混凝土预制圆柱形窖颈、进水管等6部分组成。 6、混凝土球形窖 主要包括现浇混凝土上半球壳、水泥砂浆抹面的下半球壳、两半球壳接合部圈梁、窖颈、进水管等几部分。球形窖下部土基应进行翻夯,翻夯深度不小于30cm,夯实后干容重不低于1.5t/m3。该窖型也是甘肃省常见的一种形式。 7、塑料薄膜防渗旱井 用聚乙稀塑料薄膜加工制成防渗井体,主要在内蒙古。薄膜厚度0.3~0.4mm,成井直径2.5m,深4.5~5.0m,蓄水量15~25m3 。 8、水泥砂浆防渗旱井 用大穰泥做衬里,其上铺设水泥砂浆防渗层,井体结构与二合泥防渗式旱井相同,主要在内蒙古。 三、各地水窖建窖技术 云南省典型水窖的建窖技术方法: (1)窖型:横断面为圆形,纵断面为圆弧形,水窖修建在地下,窖口加盖封闭,窖壁采用浆砌石或混凝土浇注。 (2)窖址选择:选择窖址,应本着有利集水,方便取水的原则,选在土层厚、土质坚硬的地带,避免在堆积层和松散土质中建窖。 (3)容积的确定:窖的大小,主要根据供水人口、供水天数确定。按每人日用水量40kg、缺水lOOd、户均4人计算,再考虑牲畜用水,人饮水窖30m3即可,水浇旱地的水窖以15m3为宜。 (4)积雨坪面积计算:积雨坪面积的大小,主要取决于当地的降雨情况,宣威市多年平均降雨量为1009mm,单位面积产水约0.8m3/m2。 (5)水窖的结构特点:水窖由窖口、窖体、窖底三部分组成,窖口应高出地面,力学结构比较稳定。未蓄水时,窖壁主要支撑横向土压力,蓄水后,内外压力基本抵消,水窖受力基本不变。 广西将集雨蓄水工程通称为水柜,水柜结构设计的内容分别如下: (1)水柜结构形式。为使水柜结构受力条件良好,提高水柜的经济性,规划采用圆形开敞式水柜。有条件的地方可以加盖,以减少蒸发。 (2)建筑材料。水柜的建筑材料,根据因地制宜、就地取材的原则选用现浇C15混凝土或M7.5浆砌石。 (3)水柜的容量。根据集雨场的大小、灌溉需水量等因素确定。 贵州雨水集蓄利用的“三小工程”包括小水窖、小水池、小山塘等三种形式,它们主要依容积大小而划分。 外部形状:有方形、椭圆形、圆坛形、半圆形、簸箕形等。 边墙衬砌防渗形式为:在基础为岩石的地方采用浆砌石衬砌,砂浆抹面;基础为土质的用浆砌石衬砌,抹面防渗;也可用现浇混凝土衬砌兼防渗,或用预制混凝土块拼装勾缝防渗。 人饮水窖要求有盖板,并尽量入土达到低温隔氧;灌溉水池一般不要求盖板,水池水窖要求配套有集雨坪(天然或人工)、引水沟(管)、沉砂过滤池、进水口、出水管(取水口)。 四川省及重庆市的集雨工程模式主要包括水池、水窖和水井等三种,其形状、容积等特点分别为:水池为开敞式蓄水工程,横断面以圆型为主,每池容积在30~100m3之间;水窖为封闭式蓄水工程,容积在30~150m3之间;水井包括用于灌溉的大口井(沉井)和人用井,两种形式兼有。 四、水窖的规划与设计 (一)水窖的规划原则 1. 在有水源保证的地方,修建水窖以分配(或调节)用水量,根据地形及用水地点,修建多个水窖,用输水管(渠)串联或并联运行供水。 2. 在无水源保证的地方。可修建容积较大的水窖,其蓄水调节能力,一般应满足当地3~4个月的供水。 (二)水窖的设计 1. 设计原则 (1)因地制宜,就地取材,技术可靠,保证水质水量,节省投资。 (2)充分开发利用各种水资源及现有水利设施,使灌溉与人畜饮水结合。 (3)防止冲刷,确保工程安全。 (4)为了调节水源,可将水窖串联联合运行。 供饮水的水窖,一般要求人均3~5m3,兼有水浇地任务的则人均5~7m3,以l户1窖或3~5户联窖为宜。 2. 设计所需资料 (1)气象资料。附近雨量站(气象站)的多年降雨量(以月为单位),年最大24h平均降雨量,以及年最低、最高气温,日照天数,最大蒸发量等。 (2)水源的水位资料。包括枯流量、基流量、丰水期流量及最大洪水流量,干旱期实测值和水质化验报告。 (3)水源工程、输水工程及窖体的地质、地形图。 (4)当地建材的分布调查。 (5)当地的社会经济情况调查。 (6)1:10 000或1 :50 000地形图。 (7)灌溉面积(需水)分布情况及人畜饮用需求调查。 (8)现有水利设施情况。 3. 工程布置原则 (1)以饮用水为主的窖池,应远离污染源。 (2)水源地(或调节池)应置于高位点,以便自压供水。 (3)应避开不良地质地段。 4. 水源工程 水窖的水源有雨水、泉水、裂隙水、山沟水、库水以及提水入窖(池)等。 (1)雨水作为水窖水源。在没有地表水源情况下,直接拦蓄雨水时,需要有集雨坪、汇流沟等水源配套工程。此项工程可利用现有的房屋、晒坝(坪)、冲沟、道路等集水,也可修建集雨坪、拦山沟等工程拦截雨水,汇流入窖。 ①集雨坪位置的选择:根据地形情况,集雨坪的位置应选定在高于水窖进水口lm以上。集雨坪的面积可利用自然的山坡,修建一定长度的拦水沟, 将一定面积内的雨水拦入水窖;也可人工平整土地,水泥砂浆抹面防渗。 ②集雨坪面积的计算: A. 云南巧家县采用以下公式计算: B. 贵州省毕节地区采用以下公式计算: 式中:F——集雨坪有效集水面积,m2; V——水窖的有效容积,m3; ——水窖年蓄水量,m3; W——年均降水量,mm,可查水文手册; a——降雨(或径流)利用系数,对于透水平坦地面取0.3,对于天然不透水山坡取0.5~0.6,较好屋面及人工集雨坪取0.8; 0.8—降雨利用系数; 1.5—考虑到干旱年份或特别干旱年份等情况的加大系数。 ③集水池:在集雨坪面积较大、拦截雨水较多的情况下,应在集雨坪下方建一个集水池。 集水容积建议用下式计算: ④净化设施:利用自然山坡蓄积雨水,必须经过沉沙过滤后方能进入水窖。沉沙过滤池的结构视集雨坪面积的大小而定。 (2)库水作为水窖水源。水库就是水窖的调节池、沉淀池。水库的水通过暗(明)渠进入水窖。 (3)泉水、裂隙水、河水作为水窖水源。在水源处修建一集水池或取水口,将水集中起来,通过输水管或暗(明)渠进入水窖。 (4)渠水作为水窖水源。一般来说,渠水水源均能满足水窖对水量的要求,作为饮用水,浑浊度小于10°的可不考虑过滤设施,这样进水池和沉沙池可合二为一。 此外,还需设置输配水工程。输配水工程的作用是将水源水输入水窖(池),由水窖(池)最后分配到用水点。该工程一般可位于净化设施之后,也可位于净化设施之前。 (三)、水窖的布置形式 水窖总容积是水窖群容积的总和,应与其控制面积相适应。如果来水量较小,可设l~2个水窖:如果来水量过大,应设水窖群拦蓄来水,水窖群的布置形式有以下几种:梅花形:将若干水窖按梅花形布置成群,用暗管连通,从中心水窖提水灌溉。排子形:这种水窖群布置在窄长的水平梯田内,顺等高线方向筑成一排水窖群,窖底以暗管连通,在水窖群的下一台梯田地坎上设暗管直通窖内,窖水可自然灌溉下方农田。 (四)窖址的选择 (1)有充足的水源,一般布设在村旁、路旁有足够地表径流来源的地方。 (2)有深厚而坚硬的土层;水窖一般应设在质地均匀的土层上,以粘性土壤最好,黄土次之。一般距沟头20m以上,距大树根10m以上。 (3)在石质山区,多利用现有地形条件,在无泥石流危害的沟道两侧的不透水基岩上,加以修补,做成水窖。 (4)窖址应便于人畜用水和灌溉农田。 * * (1)窖筒。在粘土地区,窖筒直径可挖到0.8~1.0m,在较疏松的黄土上,一般0.5~0.7m。窖筒深度,在坚硬的粘土上1~2m即可,在疏松黄土上需3m左右。 (2)旱窖。指窖筒下口到散盘这一段,一般不上胶泥,也不能存水,所以叫做旱窖。 (3)散盘。旱窖与水窖连接的地方叫散盘。 (4)水窖。四周窖壁捶有胶泥以防渗漏,主要用来蓄水。 (5)窖底。窖底直径随旱井的形式而定,一般为1.5~3.0m,最小0.7m左右。 窑窖与西北地区群众居住的窑洞相似,其特点是:容积大,占地少,施工安全,取土方便,省工省料。窑窖容积一般为300~500m3。窑高2m以上,窖长6~25m,上宽2.0~3.5m,底宽0.5~2.5m。 根据其修筑方法不同可分为挖窑式和屋顶式两种。 云南省巍山彝族回族自治县P98表4-1尺寸