不同集流方式对岩溶地区水柜水量的影响研究

邹 颖，黄旭升，邵金华

（广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023）

0 引言

据统计，广西大石山区正在使用的水柜6.8 万座，工程受益人口32.94万人，是集中供水工程无法覆盖区域群众饮水和生产的重要水源。在严重干旱缺水的大石山区，建设家庭水柜，利用雨水集蓄缓解水资源紧缺、解决农村生活用水问题，是改善群众的生活条件，促进农村经济发展的最有效措施之一，为打赢脱贫攻坚做出了巨大的贡献。当前，家庭水柜在大石山区仍属于人饮的关键保障水源，为了探索解决岩溶地区渗透，提升集雨水效率而保障水量的有效方法，本试验采用水泥土集雨面、固化剂+水泥土集雨面、微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面和对照组集雨面4种不同集雨面处理方式集流雨水，分析4 种不同集流面产流后的集流效率和经济特性，为提升家庭水柜供水保障率提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地点与时间

试验地点在广西凌云县逻楼镇安水村雷肖屯，地处桂西大石山区，是典型的岩溶地貌；属亚热带季风气候，其特点是四季分明，雨热同期，光照充足，无霜期长；年平均气温18～29℃之间，极端最高气温38.9℃，极端最低气温-5℃，年平均降水量658 mm，最大雨量达1024 mm，极端最少雨量270 mm。6～8 月为降雨高发期，因此，本试验数据监测时间为2021年6～8月。

1.2 材料

（1）土壤：采用粒径小于5 mm 的精细土，该精细土可通过采用施工工程就近地所产土壤（红壤、赤红壤、砖红壤等均可）加工获得，需保证土壤含水率不得超过15%，若采挖土壤含水率过高可翻晒后再进行精细土的加工。

（2）水泥：采用标号为425的普通硅酸盐水泥。

（3）水：采用符合混凝土搅拌标准的水源。

（4）固化剂：采用柳州东风化工所产的新型CHF高分子复合离子土壤固化剂（SL-L）。

（5）微生物修复剂原料主要由菌种、尿素、氯化钙等组成。①菌种：本试验选用巴氏芽孢杆菌，是一种典型的好氧嗜碱菌，具有很高的产脲酶能力，成本低廉且适应性强，能够耐酸碱、高盐度、高温等恶劣的环境；②尿素：提供CO，配制培养基采用过滤灭菌的40%的尿素水，配制胶结液时采用普通分析纯尿素即可；③氯化钙：提供Ca2+，选用分析纯固体氯化钙颗粒；④其他：胶结液中还包括有NH4CL、NaHCO3、营养肉汤、蒸馏水。

（6）PE导流管、蓄水桶、水表（测雨水流量用）、水泥砖。

1.3 试验方案

本试验设置4个集雨面，即水泥土集雨面、固化剂+水泥土集雨面、微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面、对照组集雨面，对照组集雨面只需将试点坡面清理出所需尺寸的位置并用水泥砖石围起即可，其他条件与另外3 种材料集雨面一致。4 个集雨面设置在同一坡面上，每个集雨面长5 m，宽4 m。每个集雨面四周围上一层水泥胶结的水泥砖，防止降雨水溅出和其它坡面雨水流入而影响数据收集；集雨面最低处出水口前安装过滤网，以防泥沙堵塞管网；出水口后配套PE管，流入当地农户水柜；同时安装满水蓄水桶及水表，读取集雨量，在降雨后6～10 h内对水表进行读数。具体处理方案见表1。

表1 不同处理集雨面方案

2 结果与分析

2.1 不同集流方式集流效率分析

集流效率是指集雨场收集的雨水径流与相应降雨量的比值，试验区集雨工程的集雨场面积均为20 m2，根据当地的气象资料和水表读数，可算出不同材料填充的集雨面集流效率。本试验通过收集凌云县的降雨数据，结合每次降雨结束后观测到的各组水表读数，算出各组集流面每次的集雨量，测定方法分别采用水表读数法和体积法两种。用式（1）计算出集流效率：

式中：E为集流效率，%；W为集雨量，m3；P为次降雨量，mm；S为集流区面积，m2。

经计算，各组集雨面集流效率计算结果见表2和图1。

表2 不同处理集雨面集流效率

图1 不同处理集雨面的集流效率

（1）从表2和图1可以看出，在其他条件相同的情况下，4 种不同集雨面集流效率由大到小的顺序为：微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面＞固化剂+水泥土集雨面＞水泥土集雨面＞对照组集雨面。

（2）微生物修复材料+水泥土结合修复处理集流效果最好，集流效率在80%～90%之间，平均值为88.2%。这是由于微生物修复产物中的碳酸钙与有机多肽类物质会渗入岩石裂缝处，有机多肽含有的羟基会与碳酸钙中的C-O键之间形成氢键，使得CO键发生偏移，改变岩石裂缝周围环境，可较好填充修复裂缝，所以这两种材料在较小的降雨量下即可产生径流。而对照组，即天然集雨面，由于该地区为大石山区岩溶地貌，土地分布零星，土壤覆盖层薄，质地疏松，孔隙度大，降雨大部分通过岩溶裂隙和石灰岩漏斗流入地下，在较小的降雨量下不易形成径流，所以其集流效率最低，平均值为22.5%。

（3）固化剂+水泥土集雨面和水泥土集雨面的集流效率均在60%以上，填充了固化剂的集雨面集流效果会好一些，平均集流效率为81.1%。本试验采用的新型CHF土壤固化剂是一种由强氧化剂、离子型高分子活化剂、分散剂和固化催化剂等有机组分形成的复合制剂，是无毒无害无污染的新型低碳节能环保类产品，不会对水质及周边环境造成污染，与水泥、石灰等无机胶凝材料共同使用相互兼容并迅速反应，达到优势互补，可从根本上改变土壤的力学性能，在抗渗性和水稳定性方面性能尤为突出，渗透系数低、抗剪强度高。因此，它的集流效果只是整体略低于微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面的集流效果。

2.2 不同集流方式经济特性分析

除了集流效率，集流面处理方式是否经济合理也是评估其能否推广应用的重要依据。不同集流方式成本分析比较见表3。从表3可以看出，水泥土集雨面、固化剂+水泥土集雨面、微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面和对照组集雨面4种集流方式的经济投入分别为278、443、448、95 元/m2，成本最高为微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面，其次是固化剂+水泥土集雨面，两者成本相近。对照组集雨面成本最低，为95元/m2；水泥土集雨面的成本介于中间，为278 元/m2，与成本最高的两个集雨面处理方式相比，价格差别主要是由材料费差异造成，因为本次试验集流面面积不大，试验中用到的固化剂或是微生物修复材料不需要很多，大约为原材料的1/5。值得注意的是，固化剂+水泥土集雨面和微生物修复材料+水泥土结合修复集雨面两种集流方式的造价最高，但也是集流效率最高的，两者的集流效率均大于80%。因此，固化剂+水泥土和微生物修复材料+水泥土结合修复两种处理方式适合大面积推广雨水集蓄利用的地区采用。

表3 不同集流方式成本分析比较

3 结语

（1）针对大石山区岩溶地貌特征，在铺水泥土的前提下，采用微生物修复材料对岩石表面细小裂缝进行修复，或者采用土壤固化剂，可以提高水柜集雨面的集流效率。

（2）集流面建设应遵循“因地制宜”的原则，从经济和集流效率两方面综合考虑，对于水泥土处理方式，可以普遍应用于各种零散的集流面；对于固化剂+水泥土和微生物修复材料+水泥土结合修复两种处理方式，在大面积推广应用中可以作为首选。