第八节 雨水集蓄供水工程
水窖是指在干旱、半干旱地区土层较厚的山塬地下挖成井形，用于储存地表径流，解决人畜用水、农田灌溉的一种坡面水土保持工程设施，又称旱井。水窖常修建于水源缺乏、水土流失严重的地方，是坡面蓄水保土的重要设施，也是解决贫困山区人畜用水的常用雨水集蓄供水设施。
一、水窖的特点
水窖供水系统与其他大型饮水工程相比，具有以下特点：
(1)集雨存水，调节降水的时空分配不均。我国降水时空分布极其不均，一般夏季降水多，春、秋两季降水少，水窖能把自然降水所形成的地表径流集蓄于地窖内，在无其他水源及干旱的冬、春季节保证人畜饮用。
(2)由于水窖把降水集中存储于地面以下，水窖密封比较好，周壁衬砌抹面等经过特殊处理，所以水窖不易被污染、不易蒸发、不渗漏、不受气温的影响、不易变质，储存的水经过沉淀和窖内淤泥等的净化作用，最大限度地发挥集雨存水的利用效能，能够有效地保证群众饮用干净卫生的水。
(3)水窖使用和管理方便，可使用较长时间。每年除定期清洗沉淀池、过滤料、水窖外，不需要其他管理措施及费用开支，并且水窖建成后使用年限较长，一般可用20年以上。
总之，水窖结构简单，容易修建。修建水窖有挖基、衬砌、抹面、封顶、建集雨场等简单工艺，技术难度不大，取材容易，具有工程量小、投资小、工期短等特点。
二、水窖的设计
1.窖址选择
选择窖址应综合考虑集流、用水和建窖土质3个方面，一般应具备下列条件：①窖址要选择在有较大来水面积和径流集中的地方；②水窖应在用水点附近，引水、取水都比较方便的位置，山区应充分利用地形高差大的特点多建自流供水窖；③要有深厚坚硬的土层，以质地坚硬、均一、黏结性强的胶土最好，硬黄土次之；④要有良好的地形和环境条件；⑤要尽可能地临近井、渠、涝池和抽水站等水利设施，余缺互济，增加水窖复蓄次数，充分利用水资源。
2.水窖容量的确定
影响水窖容积的主要因素有地形、土质条件、使用要求以及当地经济水平和技术能力等。应当根据设计年降雨量、集水面积、集流效率确定水窖容积。容积过大造成浪费，过小则使收集的雨水盛不下而排弃造成浪费。
（1）年生活用水量。年生活用水量可根据人口数和表2-7中的平均日生活用水定额确定。
表2-7 雨水集蓄供水工程居民平均日生活用水定额 单位：L/（人·d）
（2）年饲养牲畜用水量可根据牲畜种类、数量和表2-8中的平均日饲养牲畜用水定额确定。
表2-8 雨水集蓄供水工程平均日饲养牲畜用水定额 单位：L/（头·d）
3.水窖结构设计
水窖是雨水集蓄工程中最常用的设施之一，也是集蓄雨水系统的核心。按砌筑水窖材料可分为砖砌、石砌、混凝土窖和土窖；按结构形式可分为自然土拱盖窖、混凝土拱窖和窑窖。对混凝土窖，按施工方法又可分为现浇和预制装配式。
水窖的结构决定着投资的大小和施工的难易程度。一般而言，浆砌石水窖施工简便，价格低，可由项目村各户根据统一的设计标准单独进行施工。钢筋混凝土水窖施工相对复杂，投资相对较高，必须有专业施工队进行施工。
水窖由窖体、沉淀过滤池、进出水管和排污清淤设施组成，其结构如图2-60所示。具体设计如下：
图2-60 水窖结构剖面图（单位：cm）
（1）窖体。窖身是水窖的主体，窖身的最优形状应为球形，但施工难度较大。从受力角度及省工、省材料出发，将水窖修建为圆柱形。由于土石山区地质稳定性差，故不推荐土窖，均为衬护及抹面的砖、石、混凝土窖。窖底在夯实的基础上砌石、砌砖或现浇混凝土并预留检查孔，检查孔用C20钢筋混凝土预制盖板封闭。
（2）沉淀过滤池。一般水窖要保证人畜饮水要求，水质要求较高，故所有水窖均应修建一个长×宽×高=1.2m×0.8m×1.0m，厚12cm的砖砌过滤池，为平式过滤。滤料分层为：5～20mm卵石厚10cm，0.5～2mm粗砂厚20cm，5～40mm卵石厚20cm。一般每隔半年应更换或清洗滤料一次。对未修建硬化（混凝土、砖铺地面、砌石）集雨场而直接引沟道或地表径流的水窖，在过滤池前应修建沉淀池，含泥雨水首先经沉淀池沉淀后再进入过滤池，经过滤后再引入水窖，沉淀池应比过滤池高0.6m，沉淀池一般建成12cm厚的砖砌抹面的方池，其尺寸为：长×宽×高=2m×1m×1m。
（3）进出水管。进水管为沉淀池与过滤池、过滤池与水窖之间连接引水管道，为较快接引大雨、集中降雨产生的汇流，一般要求管道为40mm以上管径。出水管为取用水管道，一般采用25mm管道安装于窖底部，接至农户家中。
（4）排污清淤。建窖时，应在窖底修建直径0.6m、深0.3m的集污坑，并在集污坑内底部设32mm排污管，引出窖外，并用闸阀控制。若因条件限制，不能安装出水、排污管时，则需采取人工取水、水泵或虹吸管吸水，人工清淤。
4.其他类型的水窖
（1）装配式水窖。装配式水窖由上部顶拱、下部圆柱体及窖底组成，在顶拱部分的中央设有检修孔，同时设有进水孔、放水孔、排污孔和溢流孔等，如图2-61所示。
图2-61 装配式水窖结构剖面图
水窖上部拱顶部分由梯形预制块组成，梯形预制块数随水窖直径的不同而不同。
下部圆柱体则根据农户所需水窖容积大小由1～5层混凝土预制块装配而成，边壁预制块采用定型尺寸。
考虑到预制、运输及结构的要求，各预制块的厚度均为50mm，由M10水泥砂浆胶结成整体。
为了沉集污物，窖底部分最好做成椭球形，并在最低处布置排污管，或人工定时清淤。
装配式水窖的窖顶、窖底采用混凝土，窖壁采用砂浆防渗的水窖总深度不宜大于6.5m，最大直径不宜大于4.5m，顶拱的矢跨比不宜小于0.3。考虑到装配式水窖的设计、施工及一般农户的用水需求，装配式水窖最大直径取为5.0m，顶拱矢跨比取为0.3～0.4，圆柱体最大层数为5层。常用的水窖容积一般为20～80m3。通过对窖体容积进行组合和前述力学计算，得出常用的装配式水窖设计参数，见表2-9。
表2-9 装配式水窖设计参数
（2）砖拱水窖。埋石混凝土砖砌拱水窖有施工简单、窖体稳定性好、质量可靠，使用寿命长，取土提水、清淤方便等优点。缺点是施工工艺复杂，需专业队伍组织施工。容积为30m3的砖拱水窖结构如图2-62所示。
（3）竖井式圆弧型水窖。窖型特点是省工省料、投资少、牢固耐久、因深埋地下相对温差变化不大、水质好、稳定以及占地少等优点。容积为20m3的竖井式圆弧形水窖结构如图2-63所示。
图2-62 砖拱水窖结构剖面图（单位：cm）
图2-63 竖井式圆弧形水窖结构剖面图（单位：cm）
（4）球形薄壳水窖。其窖型特点是省工省料、投资少、牢久、因深埋地下相对温差变化不大、水质好、稳定以及占地少。容积为20m3的球形薄壳水窖结构如图2-64所示。
三、集雨场设计
水窖集雨场包括自然集雨场和人工集雨场。自然集雨场是将房屋屋顶、庭院、道路、河沟及人工开挖的绕山截雨沟等能汇集雨水的场地作为集雨场收集雨水入沉淀池。应特别注意，集雨场不能设在厕所、畜牲圈等位置，以防止污水汇入造成二次污染或细菌等有害物质混入汇集水流。
1.屋檐集水
图2-64 球形薄壳水窖结构剖面图（单位：cm）
在瓦房屋檐下安装φ110mm（朝上部分剖开）UPVC管和引水立管，经粗滤池过滤后进入水窖。对于平屋顶屋面，则利用檐沟汇集屋面雨水，安装引水立管即可。
(1)屋檐集水的优点是：①屋檐集水较其他饮水工程投资小、效益大，用户自己使用，便于管理和维护；②屋檐集水以屋顶代替收水场地，节省了土地，减少了受地面水造成的人畜粪便污染，改善了引水卫生质量，降低了肠道传染疾病的发病率，摆脱了地方性氟中毒的危害。
（2）屋檐集水的缺点主要是由于近年来生态环境的改变，年降雨量有减少的趋势，特别是春季，收集水量有限。
2.地面集水
为解决屋檐集水集水量受限制的弊端，可人工增设集雨场。人工集雨场是对集雨面进行人工硬化处理或铺设防渗层，从而增加单位面积的集水流量、减少雨水冲刷而引起的集水含沙量。永久性专门集雨场宜用混凝土、浆砌石、浆砌砖抹面或者铺设塑料布而成的平整场地进行集雨。其优点是集雨时径流系数高、径流中含沙量低，能够干净、卫生汇集雨水，低渗漏，同等面积集雨量远大于素土夯实集雨场。
3.集流面水平投影面积的计算
自然集雨场、人工集雨场的集流面水平投影面积，可按式（2-38）计算确定：
式中 F——集流面水平投影面积，m2；
W——设计供水规模，m3/a；
K1——面积利用系数，人工集流面可为1.05～1.1，自然坡面集流可为1.1～1.2；
P——保证率为90%时的年降雨量，mm；
φ——年集雨效率，可按表2-10取值。
4.蓄水构筑物的有效容积计算
蓄水构筑物的有效容积应根据设计供水规模和降雨量保证率为90%时的最大连续干旱天数、复蓄次数确定，可按式（2-39）计算：
表2-10 不同类型集流面在不同降雨地区的年集雨效率
式中 V——有效蓄水容积，m3；
K2——容积系数，半干旱地区可取0.8～1.0，湿润、半湿润地区可取0.25～0.4；
α——蒸发、渗漏损失系数，封闭式构筑物可取0.05，开敞式构筑物可取0.1～0.2。