不同集流方式對巖溶地區(qū)水柜水量的影響研究

鄒 穎，黃旭升，邵金華

（廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣西大石山區(qū)正在使用的水柜6.8 萬座，工程受益人口32.94萬人，是集中供水工程無法覆蓋區(qū)域群眾飲水和生產(chǎn)的重要水源。在嚴(yán)重干旱缺水的大石山區(qū)，建設(shè)家庭水柜，利用雨水集蓄緩解水資源緊缺、解決農(nóng)村生活用水問題，是改善群眾的生活條件，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最有效措施之一，為打贏脫貧攻堅(jiān)做出了巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)前，家庭水柜在大石山區(qū)仍屬于人飲的關(guān)鍵保障水源，為了探索解決巖溶地區(qū)滲透，提升集雨水效率而保障水量的有效方法，本試驗(yàn)采用水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面和對照組集雨面4種不同集雨面處理方式集流雨水，分析4 種不同集流面產(chǎn)流后的集流效率和經(jīng)濟(jì)特性，為提升家庭水柜供水保障率提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與時(shí)間

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣西凌云縣邏樓鎮(zhèn)安水村雷肖屯，地處桂西大石山區(qū)，是典型的巖溶地貌；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是四季分明，雨熱同期，光照充足，無霜期長；年平均氣溫18～29℃之間，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-5℃，年平均降水量658 mm，最大雨量達(dá)1024 mm，極端最少雨量270 mm。6～8 月為降雨高發(fā)期，因此，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)間為2021年6～8月。

1.2 材料

（1）土壤：采用粒徑小于5 mm 的精細(xì)土，該精細(xì)土可通過采用施工工程就近地所產(chǎn)土壤（紅壤、赤紅壤、磚紅壤等均可）加工獲得，需保證土壤含水率不得超過15%，若采挖土壤含水率過高可翻曬后再進(jìn)行精細(xì)土的加工。

（2）水泥：采用標(biāo)號(hào)為425的普通硅酸鹽水泥。

（3）水：采用符合混凝土攪拌標(biāo)準(zhǔn)的水源。

（4）固化劑：采用柳州東風(fēng)化工所產(chǎn)的新型CHF高分子復(fù)合離子土壤固化劑（SL-L）。

（5）微生物修復(fù)劑原料主要由菌種、尿素、氯化鈣等組成。①菌種：本試驗(yàn)選用巴氏芽孢桿菌，是一種典型的好氧嗜堿菌，具有很高的產(chǎn)脲酶能力，成本低廉且適應(yīng)性強(qiáng)，能夠耐酸堿、高鹽度、高溫等惡劣的環(huán)境；②尿素：提供CO，配制培養(yǎng)基采用過濾滅菌的40%的尿素水，配制膠結(jié)液時(shí)采用普通分析純尿素即可；③氯化鈣：提供Ca2+，選用分析純固體氯化鈣顆粒；④其他：膠結(jié)液中還包括有NH4CL、NaHCO3、營養(yǎng)肉湯、蒸餾水。

（6）PE導(dǎo)流管、蓄水桶、水表（測雨水流量用）、水泥磚。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)集雨面，即水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面、對照組集雨面，對照組集雨面只需將試點(diǎn)坡面清理出所需尺寸的位置并用水泥磚石圍起即可，其他條件與另外3 種材料集雨面一致。4 個(gè)集雨面設(shè)置在同一坡面上，每個(gè)集雨面長5 m，寬4 m。每個(gè)集雨面四周圍上一層水泥膠結(jié)的水泥磚，防止降雨水濺出和其它坡面雨水流入而影響數(shù)據(jù)收集；集雨面最低處出水口前安裝過濾網(wǎng)，以防泥沙堵塞管網(wǎng)；出水口后配套PE管，流入當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶水柜；同時(shí)安裝滿水蓄水桶及水表，讀取集雨量，在降雨后6～10 h內(nèi)對水表進(jìn)行讀數(shù)。具體處理方案見表1。

表1 不同處理集雨面方案

2 結(jié)果與分析

2.1 不同集流方式集流效率分析

集流效率是指集雨場收集的雨水徑流與相應(yīng)降雨量的比值，試驗(yàn)區(qū)集雨工程的集雨場面積均為20 m2，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和水表讀數(shù)，可算出不同材料填充的集雨面集流效率。本試驗(yàn)通過收集凌云縣的降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合每次降雨結(jié)束后觀測到的各組水表讀數(shù)，算出各組集流面每次的集雨量，測定方法分別采用水表讀數(shù)法和體積法兩種。用式（1）計(jì)算出集流效率：

式中：E為集流效率，%；W為集雨量，m3；P為次降雨量，mm；S為集流區(qū)面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，各組集雨面集流效率計(jì)算結(jié)果見表2和圖1。

表2 不同處理集雨面集流效率

圖1 不同處理集雨面的集流效率

（1）從表2和圖1可以看出，在其他條件相同的情況下，4 種不同集雨面集流效率由大到小的順序?yàn)椋何⑸镄迯?fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面＞固化劑+水泥土集雨面＞水泥土集雨面＞對照組集雨面。

（2）微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)處理集流效果最好，集流效率在80%～90%之間，平均值為88.2%。這是由于微生物修復(fù)產(chǎn)物中的碳酸鈣與有機(jī)多肽類物質(zhì)會(huì)滲入巖石裂縫處，有機(jī)多肽含有的羥基會(huì)與碳酸鈣中的C-O鍵之間形成氫鍵，使得CO鍵發(fā)生偏移，改變巖石裂縫周圍環(huán)境，可較好填充修復(fù)裂縫，所以這兩種材料在較小的降雨量下即可產(chǎn)生徑流。而對照組，即天然集雨面，由于該地區(qū)為大石山區(qū)巖溶地貌，土地分布零星，土壤覆蓋層薄，質(zhì)地疏松，孔隙度大，降雨大部分通過巖溶裂隙和石灰?guī)r漏斗流入地下，在較小的降雨量下不易形成徑流，所以其集流效率最低，平均值為22.5%。

（3）固化劑+水泥土集雨面和水泥土集雨面的集流效率均在60%以上，填充了固化劑的集雨面集流效果會(huì)好一些，平均集流效率為81.1%。本試驗(yàn)采用的新型CHF土壤固化劑是一種由強(qiáng)氧化劑、離子型高分子活化劑、分散劑和固化催化劑等有機(jī)組分形成的復(fù)合制劑，是無毒無害無污染的新型低碳節(jié)能環(huán)保類產(chǎn)品，不會(huì)對水質(zhì)及周邊環(huán)境造成污染，與水泥、石灰等無機(jī)膠凝材料共同使用相互兼容并迅速反應(yīng)，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，可從根本上改變土壤的力學(xué)性能，在抗?jié)B性和水穩(wěn)定性方面性能尤為突出，滲透系數(shù)低、抗剪強(qiáng)度高。因此，它的集流效果只是整體略低于微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面的集流效果。

2.2 不同集流方式經(jīng)濟(jì)特性分析

除了集流效率，集流面處理方式是否經(jīng)濟(jì)合理也是評估其能否推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。不同集流方式成本分析比較見表3。從表3可以看出，水泥土集雨面、固化劑+水泥土集雨面、微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面和對照組集雨面4種集流方式的經(jīng)濟(jì)投入分別為278、443、448、95 元/m2，成本最高為微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面，其次是固化劑+水泥土集雨面，兩者成本相近。對照組集雨面成本最低，為95元/m2；水泥土集雨面的成本介于中間，為278 元/m2，與成本最高的兩個(gè)集雨面處理方式相比，價(jià)格差別主要是由材料費(fèi)差異造成，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)集流面面積不大，試驗(yàn)中用到的固化劑或是微生物修復(fù)材料不需要很多，大約為原材料的1/5。值得注意的是，固化劑+水泥土集雨面和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)集雨面兩種集流方式的造價(jià)最高，但也是集流效率最高的，兩者的集流效率均大于80%。因此，固化劑+水泥土和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)兩種處理方式適合大面積推廣雨水集蓄利用的地區(qū)采用。

表3 不同集流方式成本分析比較

3 結(jié)語

（1）針對大石山區(qū)巖溶地貌特征，在鋪水泥土的前提下，采用微生物修復(fù)材料對巖石表面細(xì)小裂縫進(jìn)行修復(fù)，或者采用土壤固化劑，可以提高水柜集雨面的集流效率。

（2）集流面建設(shè)應(yīng)遵循“因地制宜”的原則，從經(jīng)濟(jì)和集流效率兩方面綜合考慮，對于水泥土處理方式，可以普遍應(yīng)用于各種零散的集流面；對于固化劑+水泥土和微生物修復(fù)材料+水泥土結(jié)合修復(fù)兩種處理方式，在大面積推廣應(yīng)用中可以作為首選。