《珍惜每一滴水》：雨水集蓄系统建成后，更多小孩有时间上学了

本文节选自《珍惜每一滴水 中国农村雨水集蓄利用和可持续技术》。

《珍惜每一滴水 中国农村雨水集蓄利用和可持续技术》作者：朱强、李元红、（新西兰）约翰·高德 。本书主要介绍了甘肃省如何依靠农村居民，采用以雨水集蓄利用为中心的一系列适用技术，为家庭用水提供可靠水源，并显著提高农业生产水平。书中介绍的方法，都符合可持续发展原则，是普遍适用的。近期我将持续将本书内容分享给大家，感兴趣的网友可以去买一本实体书。

第2章 改进的水窖设计

甘肃水科院在研究和示范项目中，提出了三种水窖设计，分别适用于不同的土壤结构和密实程度。这三种是薄壁水窖、混凝土穹顶水窖和圆柱形水窖。

2.1薄壁水窖

薄壁水窖适用于坚实土壤(密度超过1.4t/m³、黏粒含量大于15%)，此种土壤干燥时，可以保持超过10m高度的竖直凌空面稳定而不垮塌。包括旱窖和水窖部分的窖壁，可以只用砂浆抹面即能保持稳定。关键因素是保证该薄壁砂浆层不透水且和周围土壤结合良好。传统上，用于防渗的材料是黏土草泥。但是黏土草泥的施工比较复杂，花费劳力较多，而且质量也难以保证。传统水窖常发生水流通过胶泥层的裂缝渗入土壤而导致湿陷、损坏以至垮塌破坏。甘肃水科院建议采用水泥砂浆代替黏土草泥。水泥砂浆比胶泥好施工。砂浆厚度一般为3cm, 分三次抹，每次1cm。砂浆标号可采用M10(抗压强度为10MPa或100kg/cm²)。 为保证达到此标号，水泥砂浆的配合比应通过试验确定。配合比和沙子的强度、级配和形状以及水泥标号有关。大致上，M10水泥砂浆的配比约为：32.5普通硅酸盐水泥比砂子比水(重 量比)约为1:4.0:0.7。每立方米砂浆需387kg水泥、1560kg砂子和275kg的水。如果采用42.5水泥，则上述比例约为1:4.4:0.77。每立方 米砂浆需357kg水泥、1586kg砂子和275kg水。水泥砂浆抹面后，最好用水泥浆液[水泥与水的比例约为1:(1～1.5)]把砂浆面刷2～3遍。之后，完工的水泥砂浆应每天用水养护至少10天。

如果底部天然土壤密实度不够(小于1.4t/m³), 则应对底部30cm深的土层进行分层夯实，每层厚度不大于15cm。水窖底部承受的水压力最大。为了增强结构，在夯实的天然土壤上，可在铺砌水泥砂浆前，加铺一层厚度为20～30cm的夯实灰土(石灰和土壤的混合物，石灰和土壤的体积比例为 3:7)。在灰土上面再铺水泥砂浆，其厚度与墙厚相同，或者可以浇筑一层 10cm的混凝土。砂浆标号可采用M10, 混凝土标号可采用C15。薄壁水窖的断面形式类似于图1.6。

2.2混凝土穹顶水窖

混凝土穹顶水窖(也称盖碗窖),当土壤密实度稍差，水窖顶部需要较大支撑时采用。此种水窖的顶部采用穹状的素混凝结构代替薄壁水窖的水泥砂浆护砌，见图2.1。

穹顶也可以用砖来砌筑，见图2.3,但需要有经验的技工。混凝土厚度为10cm,采用C15级混凝土。窖壁结构和薄壁式水窖相同。

浇筑穹顶混凝土结构时，当地人们创造了一种费省效宏的方法：

(1)按照水窖穹顶的直径进行开挖，挖除混凝土穹顶下边缘以上 的全部土壤 [ 见 图 2 .2(a)]。开挖到接近设计尺寸时，留下2～3cm, 在浇筑混凝土前对土面进行击实，达到设计尺寸。

(2)利用土模进行穹顶混凝土的浇筑[见图2.2(b)],在穹顶部预留水窖进人孔。

(3)待穹顶混凝土硬化达到一定强度后(一般一周左右),再进行穹顶混凝土以下土壤的开挖[见图2.2(c) 和图2.2(d)]。开挖时和薄壁水窖的开挖方法一样(洞挖法),要从窖的中心向四围进行，并在窖壁和窖底处留2～3cm不挖，待开挖完成后再击实到设计尺寸，这样可使周围土壤更为密实。

(4)开挖完成后，自上而下进行窖壁砂浆抹面[见图2.2(e)]。

(5)对底部土壤进行夯实，浇筑平板或倒拱形混凝土。为了加强防渗，可以对基土进行翻夯处理或铺一层灰土。

(6)最后进行水窖窖台的施工，可以用预制管道进行安装或砌砖[见图 2.2(f)]。

洞挖方法能大大减少工作量，避免使用昂贵且费时的木模和支架。

穹顶结构也可采用砖砌施工。对此，常规方法需要用支撑砖拱的临时支架，耗费大量木材和金属结构。而有经验的技工则不需要，只要有一个架设在窖壁上的平台以供站立即可(见图2.3)。砖穹顶在砌筑时，随砌随在穹体外部抹水泥砂浆。当穹体砌筑到顶时，窖的进口可安装预制混凝土管，也可用砖砌筑窖台。

2.3圆柱形水窖

当土壤较软弱或属于砂质土壤时，水窖结构需要加强，此时可采用圆柱形水窖，一般采用C15 级素混凝土现场浇筑。

混凝土厚度通常为10～12cm。也可用预制混凝土块或砖砌筑。在此情况下，在砌体内表面上要抹一层水泥砂浆以加强防渗性能。砖砌水窖只能在温暖地区使用。水窖顶部可以选用三种结构形式，即现场砖砌穹顶结构、现场浇筑的素混凝土穹顶和预制安装钢筋混凝土平板或钢筋混凝土板梁结构‘。当水窖直径不超过3m 时，预制钢筋混凝土平板可直接放置在水窖混凝土圆柱体边墙上。如果水窖直径超过3m,宜把平板放置在两根梁上(见图2.4)。水窖底为现浇混凝土板，厚度为10～12cm。

图2.5和表2.1表示了上述三种不同水窖结构的估价。

可以看出，薄壁水窖造价要比穹顶式水窖和圆柱形水窖低很多。因此只要条件允许，应尽量采用薄壁水窖。此外，水窖容积越大，单位容积的造价就越低，因此同样容积下修建一座水窖要比修建两座水窖省钱。

经过7年的示范和小规模推广，形成了家庭供水雨水集蓄系统的规模化推广模式。系统包括三部分：由瓦屋面和混凝土衬砌庭院组成的雨水集流面，蓄水用的水窖和雨水提取设施。后者的形式主要取决于农户的喜好。根据统计，约53%的农户使用吊桶和绳子，18%的农户使用手压泵(见图2.6),29%使用潜水电泵。使用绳子和吊桶的原因部分是由于费用省，但也因为这是最简单而又可靠的方法，尽管存在水污染的风险。手压泵当地价格只有25美元，大部分农户都能买得起。但如果一段时间不用的话，就要在使用时向泵里加水，因而不十分方便。

2.4雨水集蓄利用系统设计方法的研究

在1988—1992年的研究和示范阶段中，一项主要的成果是提高雨水集流效率。过去，人们只注重修建蓄水建筑物，但对提高集流面的效率则注意不够。传统的集流面主要是天然土坡，其集流效率很低，只有0.08～0.1。从这些天然土坡上收集的雨水常常不足以蓄满水窖。1988年，当甘肃水科院开始其研究示范项目时，每一农户平均已拥有2.2个水窖。但是其中许多只能蓄上一部分水，有的甚至是空的。因此农户对修建更多水窖没有积极性。通过甘肃水科院的研究和示范，集流面的集流效率大大提高了。家庭供水雨水集蓄系统的集流效率可以达到0.7～0.8,几乎是项目实施前的10倍。

通过研究工作，提出了不同用途适用的集流面。家庭供水系统应采用瓦屋面和混凝土防渗庭院面做集流面。当原有屋面是草泥时，则要更换为瓦屋面。瓦屋面有不同类型。从表2.2中可以看到，水泥瓦屋面的集流效率可达62%~ 75%,差不多是工厂制造的黏土瓦屋面的2倍，而当地造价则相差无几。因此宜用水泥瓦做屋面。对为灌溉修建的雨水集蓄利用系统，集流面应采用现成的透水性小的表面，像铺砌过的公路面、农村道路、碾谷场、操场等。天然坡面也可以用于灌溉目的的集流面。由于可以有较大的面积，抵消了集流效率较低的缺点，同时又不是用于人的饮用，水质不是主要考虑的因素。

研究工作提出了一项实用成果，来确定需要的集流面面积和相应蓄水容积的设计方法。假设蓄水容积是足够的，则为满足一定的需水要求所需的集流面面积可按下式计算：

(2.1)式中：A为集流面面积，m²;RCE为集流效率； Ra为设计年降雨量，mm。

设计降雨量是在长系列降雨资料中，发生频率为90%的降雨量，或者说，任何一年的降雨超过此设计降雨量的机会为90%。这里90%也就是农村家庭供水的保证率。为了使只具有初中文化的农民也能计算自己家庭雨水集蓄利用系统的集流面面积，提供了查算用的表格。这些表格可以在中国水利部2001年颁布的技术规范中查到，或者在朱强等的著作(2007)中查到。

专题2.1 不同集流面在不同降雨特性下的集流量研究成果

甘肃水科院花了4年时间测试不同集流面上的集流效率。他们设立了8种不同材料的28个试验集流面，对421场降雨进行了集流效率的测验，其中包括天然降雨，也包括了模拟人工降雨(野外和实验室内喷水试验)。对每场降雨的雨量和雨强°以及集流面的降雨前含水量都进行了测验。对8种不同集流面的集流效率和降雨量及雨强的关系进行了分析计算，得出了计算集流效率的相关公式。表2.2给出了不同集流面上全年集流效率的汇总成果。

此处年集流效率是指一年内平均的集流效率。年集流效率和不同降雨条件的地区有关，并随不同年份而变化。相同材料的集流面上，多年平均年降雨量不同，年集流效率就不同。而同一地区，湿润年的集流效率比干旱年份的集流效率高。这是因为在湿润年份，发生大雨的次数比干旱年份多，而大雨的集流效率比小雨高。甘肃省黄土地区为半干旱地区，大多数降雨均为小雨。而湿润地区，大雨的比例比甘肃省大的多，而且集流面经常处于湿润状态，因此湿润地区的集流效率要高。在中国水利部2001年颁布的雨水集蓄利用工程技术规范中，提供了半干旱、亚湿润和湿润地区不同集流面上的集流效率值。

降雨时黏土瓦比水泥瓦吸收的水分要多，因此其集流效率比水泥瓦和混凝土低很多。

在雨水集蓄系统的造价中，蓄水建筑物占50%～70%,因此在计算所需要的蓄水容积时，应尽量做到准确。而雨水集蓄系统主要是由农户自行实施的，确定容积的方法又应尽可能简单易懂。因此在设计蓄水容积时，提出了两种方法，即简易法(容积系数法)和模拟计算法。

模拟计算方法在朱强等人(2007)的著作中有详细介绍(见参考文献：雨水集蓄利用第1卷，第2部分)。该方法需要由专业水利技术人员进行。简易方法则可以为学过初中数学的农民所理解。在此方法中，蓄水容积等于雨水集蓄系统全年供水量乘以一个系数，见下式：V=K·W

(2.2)式中：V为蓄水容积， m³;W, 为全年供水量， m³;K 为容积系数。

表2.3给出了容积系数值。表中的数值 K, 是采用长系列模拟计算方法，用甘肃省半干旱黄土地区长系列降雨量资料(系列长度不少于30年)计算出容积，再除以全年雨水径流量得出的。由于计算全年集流面上收集的雨水相对较简单，式(2.2)可以很方便地给出容积值。

当所需总蓄水容积确定后，除以水池数量，即可得到每个水池的容积。从图2.5可以知道，单位容积的造价随水池容积增加而减小。因此对灌溉水池，建一个水池比分建两、三个省钱。但为家庭供水时，应在庭院内建两个水池。 一个用来储存水质较好的屋顶水，另一个储存地面径流。表2.4给出了不同容积水窖的建议尺寸。

2.5甘肃省雨水集蓄利用技术的推广

前文中介绍的家庭供水的雨水集蓄系统和新型水窖，在1988—1991年的研究和示范项目中，进行了试验和监测。开始时，多数农民只是观望，想看这一系统是否有效。在推广新系统时还有一个障碍是甘肃水科院的研究团队要求把水池建在庭院内，以防止畜禽的污染，但当地居民有个迷信，认为在院子里动土不吉利。因此虽然每户有400元补助，但只有少部分农户愿意参加第一批示范项目。甘肃水科院把这些农户称之为“科学户”。他们思想开放，容易接受新事物。这些农户把水窖建在庭院里并使用了一年后，并没有任何不吉利，相反他们的家庭用水量和水质都得到了极大改善。于是，在第二年的示范农村中，农户们争先恐后要求在他们的院子里也修建新型雨水集蓄系统。

在甘肃省政府对甘肃水科院成功的研究和示范项目进行了鉴定和验收后，在省政府的支持下开展了小规模的推广工作。政府每年拨款400万人民币，帮助农民修建雨水集蓄系统。到1994年底，新建水窖22280个，总容积达到45万m³。从1995年7月到1996年底，省政府又发起开展了“1-2-1”工程，水窖数量增加到接近50万个，有130万农民受益。在“1-2-1”工程中，资助每家农户建设一个屋面和混凝土庭院组成的集流面，两座水窖，采用微灌技术灌溉一小片庄稼地。进入21世纪以来，其他组织也开展了促进水窖建设的项目。中国妇女联合会和中国妇女发展基金会在2001—2002年间，帮助甘肃省建设了8620个水窖和2475个水池，使6.3万名农民受益。同时，一项称之为“爱心水窖”的行动捐款623万元人民币，帮助庄浪县和武都县的10557个家庭建起了10920个水窖。为28400名农村人口和7040个大牲畜提供了廉价而可靠的水源。此外，水窖还给660hm²土地和150个简易温室提供了补充灌溉用水。

过去的20年中，甘肃省修建了约260万座水窖，其中有50万个是用于家庭供水，其余则为灌溉而修建。有140万农村人口从家庭供水雨水集蓄利用系统受益。每座水窖平均容积约为30m³。容积为20～30m³的水窖造价约为220～300美元。政府为每座水窖补助1.5～2t水泥，相当于90～120美元。造价中约60%则由农户以劳力和当地材料的形式投入。所有的水窖均在县乡水利技术人员的指导下，由农户自行修建。

2.6雨水集蓄利用系统得到快速推广的原因

甘肃省的水窖建设发展得这么快有很多原因。最主要的原因是水窖确确实实给农民带来了实际利益。新型雨水集蓄系统保证了农户全家的用水需求。过去，农民只注重建黏土防渗的水窖。而对集流面的集水能力则没有考虑，因而水窖常常蓄不满。因此农民不再愿意修建更多的水窖，对雨水集蓄系统的信心不足。而一旦人们懂得了雨水集蓄利用系统应包括集流面、蓄水池和取水设施这样三个不可缺少的部分，雨水系统的数量就很快增加，其性能也显著改善。1991年，甘肃省遭遇了一场严重旱灾，西峰市一户建成了雨水集蓄系统的农户，不但有足够的水来满足其自身需要，还能帮助邻居渡过难关。

甘肃省人民世世代代受干旱之苦。几十年来，缺水也一直困扰着当地政府。过去一发生旱灾，政府就要求国有企事业单位派卡车把水运到穷乡僻壤。而村民们要排长队等候分上一桶水。他们要省着用，不知道下一次运水车什么时候能来。而有了新型水窖后，妇女们再也不用操心寻找做饭的水了。农户不再花费大量时间到深沟里去挑水。甘肃省水利厅的调查表明雨水集蓄系统建成后，每户家庭平均一年可以省去挑水工70个。这意味着更多小孩可以有时间上学了。

雨水集蓄利用系统的另一个好处是家庭用水的水质改善。过去不少当地居民不得不饮用从人畜共用的水池中取来的受污染的浑浊水。还有的人则为了生存只能饮用高矿化的地下水，而不顾对他们的健康有着潜在危害。甘肃省的有些农村，由于水源中缺少或含过量的某些元素导致了地方病。例如，由于水中缺硒而导致的大骨节病，由于水中高氟含量而造成的牙齿疾病等。可以期待，通过雨水集蓄系统对水质的改善，将对此类健康问题有所改善。

此外，修建新型雨水集蓄系统还带来许多其他好处。硬化的庭院可以用于晒干草、食物和其他物件。农户可以利用家庭生活中剩余的水和生活废水灌溉小片菜田，使他们能吃到过去因为缺水而无法种植的蔬菜。当地人说，雨水集蓄系统把“脏水变成了净水，远水变成了近水，苦水变成了甜水”,要“饮水思源”。这些都反映了他们对雨水集蓄系统所带来变化的喜悦心情。

随着项目的进展，农民和决策者越来越清楚地看到雨水集蓄利用的好处。而在项目推广所在的甘肃省黄土地区举行的许多论坛、学术交流会和各类会议也不断提高了对雨水集蓄利用的认知。

甘肃省雨水集蓄利用迅速发展的另一个重要原因是当地人们对此项目的热烈欢迎。如此规模的项目能在短短几年内完成，没有大多数居民的支持是不可能的。在过去20年中，绝大多数工程都是由农民自行修建的。当地政府的技术人员只提供了少量的指导。

雨水集蓄的方法是在传统基础上土生土长的技术，当地居民对此很了解，对它的更新版掌握也不难。它既适用，又实用，使用也方便。而更主要的是，政府对项目的实施给予了适当的补助，农民的投入主要是劳力和当地材料，因此农民也能承担得了。

政府主要以供给水泥的方式对项目进行了补助。而雨水集蓄系统实行了“谁建、谁有”的政策。工程的所有权使农户积极地介入了规划、设计和施工的全过程。他们也完全能承担起工程的持续运行和维护。

政府在政治上对项目的支持是保证甘肃省雨水集蓄利用得以迅速发展的根本原因。在1988—1992年成功实施了雨水集蓄利用研究和示范的基础上，甘肃省省长和省政府认识到雨水集蓄利用对解决甘肃省黄土地区居民生活供水问题的巨大潜力。甘肃省省长在对榆中县雨水集蓄系统应用进行调查后，充分肯定了这个项目。他在甘肃日报上发表了一篇肯定这项成果的文章。而1995年发生的特大干旱，也加快了开展雨水利用项目的决策进程，促使政府决定启动“1-2-1”雨水集流工程。项目首先遇到的一个问题是资金。根据计算，要实现解决100万居民饮用水问题的目标，补助费需要1.09亿元人民币。政府尽力只筹集了一半的资金，其余的则和媒体共同发动了一个捐款运动。在甘肃省的干部群众以及外省市自治区、包括国际友人的支持下，筹集了5643万元人民币，保证了项目的资金所需。为了保证资金的专款专用，各级政府和社区进行了严格的监督和仔细的审计。政府制定了有关项目建设材料和资金使用以及工作人员的规章制度，以保证项目实施的高效率和管理的透明。

有关政府部门的介入，保证了项目的顺利实施。包括了制定项目的指导原则和具体政策，规定项目的对象首先是那些既无地面水又无地下水，雨水是唯一水源的农村。由此确定了项目涉及的县、乡和农村以及居民的数量，计算了每个乡村所需要的资金补助。各级政府的工作人员下乡进村，帮助、推动和监督了项目的实施。

项目的实施总体讲十分成功，但还是存在一些问题。雨水集蓄工程能为农户提供的水量还很有限。供水能力取决于农户的集流面面积大小。在20世纪90年代中期，一般农户的屋面面积约为50～60m², 庭院面积约为100~150m²。在正常年份，在年降雨量400mm的地区，“1-2-1”工程能供给每人每天15～20L 水。在10年一遇的干旱年份，则每人每天供水量只能有10L。 而在年降雨量300mm或更少的地方，供水量更低。在此情况下，只能满足人们饮水、煮饭等基本生活所需。供水条件只能在今后逐步改善。如果农户能增加房屋面积，或扩大庭院的混凝土衬砌面积，则供水量可提高50%~100%或更多。最近的调查表明，在集流面较大的农户中，利用雨水径流甚至每周能用2～3次洗衣机，有的还能用淋浴器。这在过去是根本无法想象的。

另一个问题是，绝大多数农户屋顶没有接水槽和落水管。雨水径流从屋檐流下到混凝土地面上，沿着一个浅槽流入水窖。由于政府当时的补助仅限于水泥，系统的改善和标准化存在资金问题。多数农户有了太阳灶用来煮沸饮用水(见第3章),增加了饮用水的安全性。但是不少居民仍然直接饮用未经煮沸的窖水。这一问题表明健康教育的必要性。