可移動卷簾式水窖集雨面研究與設計

石濟瑄

摘 要：為實現雨水的循環利用，解決干旱缺水地區儲水難、水質條件差、經費投資高的難題。根據調查地區現實狀況，我們利用立式伸拉卷簾門窗（窗簾）等原理通過再創新設計，設計制作成低碳節能環保衛生、操作簡便、安裝快捷、移動方便、制作簡單、成本低、群眾易接受、工程化制造以及市場和推廣應用前景廣闊的產品，可轉化為運用于農業生產的可移動卷簾式水窖集雨面。

關鍵詞：西北地區；干旱缺水；卷簾式；集雨面

中圖分類號：S277.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0235-03

1 選題經過

干旱缺水是當今和未來世界面臨的最嚴峻的問題，我國西北地區是世界上干旱缺水較為嚴重的地區，水源匱乏，常年干旱，降雨稀少并且年內分配不均，缺水形勢較為嚴峻，尤其是在供水基礎設施相對較為落后的廣大農村地區，用水保障性更差。在地表水和地下水極端缺乏的干旱山區，雨水是唯一有潛力的水資源。所以尋找一種收集、利用雨水的方法是解決當地資源短缺問題的有效途徑。

為了改善民生，國家先后在西北缺水地區大規模推廣雨水集流工程，興建了一批集雨水窖，在雨季儲水，旱季作為備用水源使用。項目實施后改善了西北缺水地區的用水狀況，在一定程度上緩解了用水矛盾。我的家鄉內蒙古呼和浩特市清水河縣就地處西北晉陜蒙黃土高原和內蒙古高原過渡的邊緣地帶，常年干旱少雨，水資源缺乏，當地群眾有修建旱井水窖集雨貯水的傳統經驗，水窖是這一地區集蓄雨水的主要設施。我通過對清水河縣水窖施工、集雨模式、工程投資、運行管理及經濟效益進行分析，水窖集雨節灌工程雖然單位面積投資較高，但日常管理費用較低，有經濟效益顯著的特點，是解決干旱地區分散居住群眾生產用水的有效途徑之一，蓄積雨水、在解決人畜飲水的基礎上，發展節水農業在干旱地區具有重大的戰略和經濟意義。但是干旱半干旱地區雨量稀少，小雨多大雨少，在降小雨形不成地表徑流的情況下，水窖的雨水蓄積量很難滿足，不容樂觀；即使降大雨急雨，因泥沙雜質淤積，其水質和其他衛生狀況也難以保證，令人擔憂；同時導致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短，難度較大[1]。

我在調查過程中發現，傳統雨水集流工程集水面存在很大的缺陷，根據我們對清水河縣雨水集流工程的調查了解，傳統的地面集雨工程逐漸顯現出的不足主要有以下三個方面[2]：

首先，傳統雨水集流工程的集雨面，一般有天然坡面集雨水窖蓄水、道路路面集雨水窖蓄水、庭院屋面（大棚棚面、人工集水場）集雨水窖集水3種利用模式。（1）天然坡面集雨水窖降小雨時難以形成地表徑流，干旱年份集雨量很低，同時由于雨季暴雨頻次較高，暴雨沖刷力較強，載泥量高、雜質攜帶量大，導致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大（一般每年需清淘一次水窖）。（2）道路路面集雨水窖受地形等諸多因素制約，水窖位置有一定局限性，一般距離較遠，同時認為污染因素較大。（3）庭院屋面（大棚棚面、人工集水場）集雨水窖位置和集雨面受地形和位置制約，有水窖不一定有庭院屋面和大棚，有庭院屋面和大棚不一定有水窖，一般干旱地區由于受水源條件制約，溫室大棚很少，同行房屋大棚和水窖需建在同一地點，而且一般100平方米屋頂只能滿足1眼30立方米水窖的集水量。人工混凝土集雨場的工程造價相對較高（每個3000-5000元）、占地面積較大（100平方米左右/個），加之由于熱脹冷縮造成裂縫等原因，使用壽命較短（一般3-5年需要維修）工程造價較高。

其次，收集雨水受有機物質、地表塵土、人畜糞便污染明顯，與人為活動密切相關。傳統雨水集流工程的集水窖，一般都建在農戶房前屋后地勢低洼處，集水面主要為農戶的院落地面和院落周圍的菜地和莊稼地，集流雨水經地面自然坡度或人工構造的坡度流向集水窖。平時集水面經地面自然坡度或人工構造的坡度流向集水窖。平時集水面上經常有人及畜禽活動，田地和菜地因種植需要而噴灑化肥、農藥，這均導致地面集雨水質和衛生狀況較差，部分水窖水質腐敗發臭，甚至喪失人畜飲用功能。

然后，由于雨季暴雨頻次較高，沖刷力較強，傳統地面集雨工程載泥量高、雜質攜帶量大，導致水窖實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大。為了盡可能地提高和改善集水面的集水量和集水水質，我們通過深入調查研究和實踐提出：因地制宜，在可行的條件下，將傳統雨水集流工程的集雨面改造成“可移動卷簾式水窖集雨面”的創新設計思路，并制作了模型，解決了上述關鍵性技術難題，受到了有關專家的肯定和認可。

2 作品目的及基本思路

本作品的主要目的是：實現雨水資源的循環再利用，提高和改善缺水地區水窖的集水量和水質，在小雨形不成地表徑流的情況下k額有效集流，同時改善集雨水窖的水質和衛生情況，減少泥沙雜質淤積，延長水窖清淘周期[3]。

本作品的基本思路是：利用各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等原理，經過消化吸收，創新設計，拆裝制作，達到移花接木、為我利用的目的，制作成低碳節能衛生環保、經濟適用、群眾易接受、工廠化制造以及市場和推廣前前景廣闊，可轉化為現實生產力的可移動卷簾式水窯集雨面，在降水前將其放到水窯周圍，根據地形組合后拉開固定，形成斜坡雨面；雨后利用可移動助力卷簾機將房滲集雨面卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或者就地存放下次降雨時再用。

3 作品的結構

模型結構展示圖1所示，本作品的基本結構是：由各種類型的助力卷簾機、可卷防滲集于面和折疊式固定支架以及雨水集流裝置4部分組成[4]。

（1）各種助力卷簾機：可選擇各種類型的卷簾助力器和卷簾機組裝而成。（2）可卷簾防滲集雨面：選擇無毒、可卷、防滲、輕便、防老化、耐用雨布制作而成。（3）便攜式固定支架：制作成可拉伸式的便攜式可調防銹固定支架，另外根據需要配備4個圖釘式固定掛鉤和若干個固定器。（4）雨水集流裝置：梯形集流水槽。

4 工作原理、效率

4.1 本作品的工作原理

本作與各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等的工作原理基本相同。主要應用了齒輪耦合、傳動、助力以及其他力學、電學等物理、化學和數學方面的原理。工作原理：是在降雨前將其放到水窯周圍，根據地形組合后拉開固定，形成斜坡集雨面；雨后利用可移動助力卷簾機將滲透集雨卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或者就地存放下次降雨時再用。

4.2 本作品的效率分析

（1）利用防滲集雨面收集自然降雨，特別是在小雨形不成地表徑流的情況下，集水面可有效避免滲透，大幅度提高水窯的集水量。根據理論測算和實地實驗數據表明：每降10毫米雨，100平方米集雨面可收集1立方米（噸）的雨水，1個30立方米（噸）煩擾中型水窯只要300毫米雨量即可儲滿（300毫米*100平方米=30立方米），半干旱地區年平均降雨量大多在300毫米左右，用1個100平方米的本集雨面組合即可滿足1個30立方米（噸）的中型水窯的集雨儲水要求，還沒有考慮用水后再補充集雨的因素，完全可以滿足1個農村大家庭5—6口人（5—6口人*15kg/人*365天/年=27.38—32.85噸）一年的生活用水需要（以上是按照國務院批準的《關于農村人畜飲水工作的暫行規定》中關于北方農村生活、生產用水量標準和本人深入農村實際調查的平均數據進行計算的）[5]。

（2）應用防滲集雨面收集的雨水，可極大的改善水窯的水質。集雨水質主要由化學需氧量、氨氮和總磷控制；集雨水受有機物質、地表塵土、人畜糞便污染明顯，與人為活動密切相關，據實地觀察和有關檢測結果表明：不同類型集雨水源地集雨場中，本作品和大棚棚面集雨面是水窯集雨的最好水源場地，水質最佳，可達到農村安全飲水標準。但大棚棚面、集雨面受地形和位置制約，有水窯不一定有大棚，有大棚不一定有水窯，一般干旱地區由于受水源條件制約，溫室大棚很少，本集雨面是目前提高水窯集雨量、改善水質的最有效途徑；其次是水泥地面和瓦屋面集雨面，經過過濾沉淀和自凈，基本可達到農村三級飲用水標準。但人工混凝土水泥集雨場的造價較高（30—50元/平方米）占地面積較大（100平方米左右/個），加之由于熱脹冷縮造成裂縫等原因，使用壽命較短（一般3—5年需維修或重修）。屋面集雨受水窯位置制約，房屋和水窯需建在同一地點，而且一般100平方米屋頂只能滿足1眼30立方米水窯的集水量；第三是道路集雨面的水窯位置有一定局限性，一般距離較遠，同時人為污染因素較大；傳統自然坡面集雨工程，由于雨季暴雨頻率較高，暴雨沖刷力較強，載泥量高，導致水窯實際儲水容積下降，清淘周期縮短、難度較大（一般2—3年需清淘一次水窯）。而應用本作品不受和位置的制約，沒有泥沙和雜志淤積，一般情況下，水窯無需清淘，即可取得干凈衛生、水質良好、符號人畜安全飲用水標準的自然降水水源。

（3）在降雨前將本作品放到水窯周圍，根據地形組合后拉開固定，形成斜坡集雨面；雨后利用助力卷簾機將防滲集雨面卷好，將折疊式便攜固定支架收好；然后可移動到其他水窯或就地存放下次降雨時再用。不僅解決了缺水地區水資源短缺問題，提高了集雨量和水質，實現了雨水資源循環利用；而且能耗低、無排放，低碳節能衛生環保。同時操作簡便，安裝快捷、移動方便；工藝簡單，制作容易；成本低、經濟適用、群眾易接受，工廠化制造以及市場和推廣前景廣闊。

5 主要制作過程

我們利用節假日、休假時間，通過深入實地調查、查閱資料，請教技術人員、農民、工人叔叔，研究機械原理、購置機械配件，經多次試驗、反復調試，由設計不合理到逐步改進、改善，設計制作成功了本作品[6]。

（1）實地調查、查閱資料、消化吸收、確定思路。多次深入清水河縣窯溝鄉、城關鎮等地的農村進行調查，通過與有經驗的當地農民座談交流，結合多方查閱相關資料，從而掌握了第一手材料和相關調查數據，通過分析進一步確定了設計思路。圍繞提高水窖集雨量、改善水質衛生、減少泥沙淤積等主要目的；借鑒各種卷簾機以及立式拉伸卷簾門窗（窗簾、廣告牌）等原理；因地制宜、結合實際，明確確定了低碳節能、衛生環保、操作簡便、安裝快捷、移動方便、工藝簡單、制造容易、成本較低、經濟適用、群眾易接受、工廠化制造以及市場和推廣前景廣闊、可轉化為現實生產力等創新理念和思路。（2）虛心請教、研究原理、購置配件、制作安裝：利用一切機會，虛心向技術人員、農民、工人叔叔請教，研究其工作原理、結構原理以及制作方法。通過多次網上查找，市場考察，選定并購置了制作本作品需要的各種配件和材料以及工具等，進行制作安裝。（3）反復設計、試驗調試、改進完善、分析總結：在制作本作品的過程中，多次發現有不合理或需要改進的地方，我都不怕麻煩，多次進行設計，并提出多種創新設計方案，進行優選，并在制作安裝過程中反復設計、試驗調試，直至滿意為止。

本作品經過多次改進完善。較大的改進就有2次，如：第一次設計制作的傘型集雨面，由于面積較大，受大風的影響，在實地試驗時，由于風力較大，操作受到一定影響。因此第二次我又將其設計為扇形組合式，并加固了固定支架，設計了方便踩入地面的圖釘式固定掛鉤和固定器，同時提出可加設電動或手搖助力卷簾裝置的設計思路，雖然有效的解決了這一問題，但在實地試驗時，受地形限制，操作不方便。第三次才改進為現在的樣子，但因條件所限，并考慮在參評時攜帶方便，因此制作成模型進行展示。其他細節問題我也曾在實驗中反復試驗、逐步完善。同時撰寫成5000字左右的論文，盡管這樣，還有一些細節問題還有待于在今后的實踐中繼續研究與開發，直至形成更加完善、更加實用的發明專利產品。

一分耕耘，一分收獲。經過我們的不懈努力，一件嶄新的可移動卷簾式水窖集雨面終于誕生了，也許它還有很多缺點和不足之處，有待于進一步改進，但對我自己來說是一次大膽的嘗試，是一次很有創新意義的體驗和實踐，特別是受到有關專家和當地農村老百姓的高度評價，為此我感到非常欣慰，十分自豪。

6 作品特點

（1）科學性：解決了傳統水窖集雨面的諸多弊端，沒有滲漏、小雨即可形成徑流、提高了水窖集水量；干凈衛生、改善了水窖的水質；減少了泥沙和雜志淤積，水窖實際儲水容積不受影響，水窖無需清淘。（2）先進性：解決了缺水地區水資源短缺問題，提高了集雨量和水質，實現了雨水資源循環利用；能耗低無排放，安全低碳節能衛生環保。經網上查新，未見相同和類似研究，他人研究的混凝土固定集雨面主要存在受地形限制，成本高、易損壞、使用期短等問題。（3）實用性：操作簡便、安裝快捷、移動方便；工藝簡單、制造容易；成本低、經濟適用、群眾易接受，工廠化生產以及市場和推廣應用前景廣闊。

7 存在問題和改進建議

由于該集雨面受地形和大風的影響，集雨范圍和風力較大時操作受到一定影響。因此將其設計成小型組合式，同時加固了固定支架，同時可加設電動或其他助力卷簾裝置，即可解決這一問題。其他細節問題有待于在實踐中反復試驗、繼續研究與開發，直至形成更加完善、更加實用的發明專利產品。

8 結語

可移動卷簾式水窖集雨面解決了傳統水窖集雨面的諸多弊端，沒有滲漏、小雨即可形成徑流、提高了水窖集水量；干凈衛生、改善了水窖的水質；減少了泥沙和雜志淤積，水窖實際儲水容積不受影響，水窖無需清淘。解決了缺水地區水資源短缺問題，提高了集雨量和水質，實現了雨水資源的循環利用；能耗低無排放，安全低碳節能環保。經查新檢索，未見相同和類似集雨面研究，該項目研究處于國內外領先地位。本作品操作簡便，安裝快捷、移動方便；工藝簡單，制造容易；成本低、經濟適用、群眾易接受，工廠化生產以及市場和推廣應用前景廣闊，可應用于我國西北廣大干旱半干旱地區以及世界同類地區。

參考文獻

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[3]高濤，肖蘇君，烏蘭.近47年（1961-2007年）內蒙古地區降水和氣溫的時空變化特征[J].內蒙古氣象，2009（1）：3-7.

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[5]劉潤平.清水河縣農業經濟發展制約因素與對策[J].現代農業科技，2015（1）：306-307.

[6]韓顯忱.清水河縣水土保持生態環境建設成效與做法[J].現代農業，2014（2）：83-84.