邢臺縣山丘區集水措施分析

【摘 要】河北省邢臺市山丘區地表水資源匱乏，地下水取水苦難，局部居民飲水困難，制約了當地經濟的發展，影響了群眾生活質量，本文通過對庭院飲水水窯的設計計算，包括降水特性分析、水窯設計、可集水量計算、供水水量平衡調節計算等幾個方面進行分析，為類似地區開展庭院飲水水窯工程設計提供參考依據。

【關鍵詞】飲水安全；庭院集水工程；水質保護措施；山丘干旱區

邢臺縣位于河北省南部，東經113°45′～114°38′，北緯36°58′～37°22′，地處太行山東麓，地形起伏，形態復雜。自西向東依次呈現中低山、低丘壟崗和山前傾斜平原的地貌。中低山區：位于白岸、楊莊、漿水、冀家村、崇水峪、路羅、城計頭、西棗圓、將軍墓、宋家莊、西上莊、龍泉寺、北小莊、西黃村等鄉鎮，面積1290 Km2，占全縣總面積的65%。由變質巖、石英砂巖及灰巖構成，地形起伏較大，海拔500～1800m，重巒疊嶂，山坡陡峭，溝壑縱橫，切割強烈。低山壟崗：位于邢臺縣中部，在龍華、大賈鄉、談話、張安北、羊范、南石門、皇寺、會寧等鄉鎮，面積515Km2，占全縣總面積的26%，海拔高程100～300m。變質巖分布區有明顯的立狀夷平面。石英砂巖、灰巖構成低緩的低山。山前平原：位于京廣鐵路東部，面積為175Km2，約占全縣總面積的9%，包括東汪、祝村、晏家屯、于辦等鄉鎮。海拔高程45～80m。由于當地的地質條件，地理位置等因素，地下水開采困難，地表水嚴重匱乏，長期以來，山丘區農村生活飲水采用水池、旱池集蓄雨水。

1. 降水特性分析

1.1 降雨量時空分布。

全縣多年平均降水量為590.7mm。降水量的區域分布不均勻，山區大于平原。西部山區多年平均年降雨量599.4mm并有以白岸、路羅為中心的650mm以上的多雨區，平原區多年平均降雨量517.7mm。降水量的年內分配集中。全年降水量75～80%集中在6～9月的汛期，而汛期降水量又主要集中在7月中、下旬至8月上、中旬的30天甚至幾天之內，特別是一些大水年份，降水更加集中。降水量的年際變化很大。單站最大與最小年降水量之比，山區一般在5～9倍，平原一般在3～6倍。全縣多年面平均蒸發量為1093.4mm。平原多年平均水面蒸發量一般在1100～1200mm左右，而山區則為990～1100mm左右。縣域內的干旱指數，山丘區在1.6～2.2之間，平原區在2.2～2.9之間。

1.2 降雨量頻率計算。

利用1956～2007年邢臺縣降雨量資料系列分析計算，多年平均降水量571.0mm。對年降雨量系列進行頻率計算，頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線，頻率計算采用適線法，對于變差系數Cv值的確定，在適線中，對系列中出現的特大特小值，一般不做處理，由于年降水量相對穩定。偏差系數Cs的取值一般用Cv/Cs值來反映。邢臺縣不同頻率年降水量計算成果見表1。

2. 家庭院落集水水窯設計

（1）按照當地生活習慣、人口結構和生活方式，一戶以4口人計算，每人日消耗水量40L，家庭日消耗水量為160L。為計算方便，以月為時段進行計算，則每月消耗水量按天數進行計算，則最高月消耗水量4.96m3。根據當地降水特性，每年12月和次年1月、2月，主要以降雪為主，集水受到限制，因此在集水量計算時，降雪期間不考慮集水量。因此，水窯容積計算最低應滿足3個月生活用水需要。

（2）蓄水水窯容量確定，按照冬季3個月沒有積蓄雨水計算，需要15m3水窯容量；3月、4月和11月份降水量不能滿足生活用水量，水窯存水調節水量增加5m3；為用水方便，水窯最低限存水按5m3計算，則增加水窯設計容量5m3。因此，水窯設計總容量為25m3，太大造成工程投資浪費；小于25 m3，則不能滿足全年生活的需水量。

（3）家庭水窯工程以屋頂、院落為集水場。以25m3水窯為例，水窯規格為3m×4m×2.5m，窯墻、窯底均為0.4m厚的漿砌石，底層鋪設一層厚10cm的混凝土。水窯上部用建筑空心板作為蓋板。家庭飲水水窯要求水窯水溫盡可能不受地表和氣溫影響，水窯深度一般要達到6～8m。家庭飲水水窯包括水窯、窯口和窯蓋三部分，水窯位于窯體下部，是主體部分，也是蓄水的位置所在；窯口和窯蓋起穩定上部結構的作用，防止來水沖刷，并連接提水設施。

（4）沉沙池（坑）是水窖建設中的重要組成部分。在我國北方干旱半干旱地區，水窖以集蓄雨汛期降水為主，來水中常挾帶著泥沙、雜物等。因此，修建沉沙池是必不可少的。設沉淀池，規格為1m×1m×1m，池墻、池底均為0.4m厚的漿砌石。

3. 家庭院落可集水量計算

（1）雨水集流系統是雨水資源開發利用的基礎。其目的是采取人工措施，將產生于集水面的徑流進行攔截、蓄積、凈化和利用，進而提高自然降水的利用效率。

（2）混凝土集水面的表面光滑且硬度大，有利于降雨徑流的產生。根據試驗資料［3］，混凝土集水面在干燥條件下的臨界產流雨量為1.48mm，該雨量主要為集水面上的入滲和蒸發過程中的蒸發所消耗。次降雨和產流量呈直線相關關系，相關系數為0.96。產流后集水面的效率為0.80。該區以月為時間單位進行計算，產流系數按0.8計算，集水量的其他損失按其5%估算。在12月份和次年1月、2月份，主要以降雪為主，沒有集水，所以冬季3個月不計算集水量。表2為邢臺縣平水年（P=50%）家庭庭院可集水量計算成果，計算公式如下。

Wi=K×Pi×M－Si

式中：Wi為第i月家庭庭院面集水量，m3；K為水泥表面的產水系數（采用0.80）；M為家庭庭院的集水面積（該區以300m2計），m2；Pi為第i月保證率等于P（P=50%）時段降水量，mm ；Si為第i月水量損失量，m3 。

4. 供水水量平衡調節計算

（1）根據水量平衡原理，通過一定的工程和技術措施，實現家庭生活用水供需平衡，但由于天然降水在時間上的不均勻性和時段上的不確定性，致使用水過程在具體的某一用水時段內水量的供需并不相等。為此，還需要通過一定的工程調節，利用水窯蓄水對可供水量進行調節，實現全年供水的目的。

（2）為保證全年生活不缺水，水量調節計算選擇某一時段作為水量供需平衡點進行計算。供水水量調節計算公式：

Wi=Wi-1＋Hi－Xi－Qi

式中：Wi為第i月水窯蓄存水量，m3；Wi-1為第（i-1）月水窯蓄存水量，m3；Hi為第i月庭院實際集水量，m3；Xi為第i月生活需水量，m3；Qi為第i月棄水量（當實際產水量和上月水窯存水量之和大于25m3時，才發生棄水），m3。

（3）水量供需平衡點的時段一般在豐水期開始，本區選擇在6月份。應滿足全年生活最小蓄存水量不發生缺水。然后通過逐時段水量供需平衡計算，表3為庭院水窯集水、用水水量平衡計算表（見表3）。

通過水量調節計算，按照平水年平均降水量計算，由于該區降水時空分布不均勻，在7月、8月、9月、10月發生棄水，棄水量在51.45 m3左右。蓄存水量最小值出現在3月份，約6.11 m3左右，不會影響生活用水。家庭生活用水量全部由庭院集水水窯提供，完成以年為周期的集水、供水過程，能滿足全年家庭生活用水。如圖2為家庭水窯可集水量、生活需水量和水窯蓄水量過程線。

5. 結論

（1）農村飲水安全是當前農民最關心、最直接、最現實的問題。邢臺縣通過開展“千家水窯工程”，確保干旱區農村喝上放心水，這是一項長效的農村飲水安全工程。

家庭庭院集水工程，利用自己家庭生活空間的庭院集水，受外界污染影響因素小，對集水水源質量有保障。

（2）飲水水窯集水工程投資小、見效快、效益好，施工簡便，因地制宜就地取材，群眾樂意接受也能承受。一次投資，可以解決長期飲水問題。家庭集水工程雨水利用模式，對山丘干旱區雨水利用飲水工程建設具有重要的指導作用和實踐價值。是目前解決干旱山區農村飲水的有效途徑。

參考文獻

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