邢台县山丘区集水措施分析
梅丽霞
【摘要】河北省邢台市山丘区地表水资源匮乏，地下水取水苦难，局部居民饮水困难，制约了当地经济的发展，影响了群众生活质量，本文通过对庭院饮水水窑的设计计算，包括降水特性分析、水窑设计、可集水量计算、供水水量平衡调节计算等几个方面进行分析，为类似地区开展庭院饮水水窑工程设计提供参考依据。
【关键词】饮水安全；庭院集水工程；水质保护措施；山丘干旱区
邢台县位于河北省南部，东经113°45′～114°38′，北纬36°58′～37°22′，地处太行山东麓，地形起伏，形态复杂。自西向东依次呈现中低山、低丘垄岗和山前倾斜平原的地貌。中低山区：位于白岸、杨庄、浆水、冀家村、崇水峪、路罗、城计头、西枣圆、将军墓、宋家庄、西上庄、龙泉寺、北小庄、西黄村等乡镇，面积1290Km2，占全县总面积的65%。由变质岩、石英砂岩及灰岩构成，地形起伏较大，海拔500～1800m，重峦叠嶂，山坡陡峭，沟壑纵横，切割强烈。低山垄岗：位于邢台县中部，在龙华、大贾乡、谈话、张安北、羊范、南石门、皇寺、会宁等乡镇，面积515Km2，占全县总面积的26%，海拔高程100～300m。变质岩分布区有明显的立状夷平面。石英砂岩、灰岩构成低缓的低山。山前平原：位于京广铁路东部，面积为175Km2，约占全县总面积的9%，包括东汪、祝村、晏家屯、于办等乡镇。海拔高程45～80m。由于当地的地质条件，地理位置等因素，地下水开采困难，地表水严重匮乏，长期以来，山丘区农村生活饮水采用水池、旱池集蓄雨水。
1.降水特性分析
1.1降雨量时空分布。
全县多年平均降水量为590.7mm。降水量的区域分布不均匀，山区大于平原。西部山区多年平均年降雨量599.4mm并有以白岸、路罗为中心的650mm以上的多雨区，平原区多年平均降雨量517.7mm。降水量的年内分配集中。全年降水量75～80%集中在6～9月的汛期，而汛期降水量又主要集中在7月中、下旬至8月上、中旬的30天甚至几天之内，特别是一些大水年份，降水更加集中。降水量的年际变化很大。单站最大与最小年降水量之比，山区一般在5～9倍，平原一般在3～6倍。全县多年面平均蒸发量为1093.4mm。平原多年平均水面蒸发量一般在1100～1200mm左右，而山区则为990～1100mm左右。县域内的干旱指数，山丘区在1.6～2.2之间，平原区在2.2～2.9之间。
1.2降雨量频率计算。
利用1956～2007年邢台县降雨量资料系列分析计算，多年平均降水量571.0mm。对年降雨量系列进行频率计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率计算采用适线法，对于变差系数Cv值的确定，在适线中，对系列中出现的特大特小值，一般不做处理，由于年降水量相对稳定。偏差系数Cs的取值一般用Cv/Cs值来反映。邢台县不同频率年降水量计算成果见表1。
2.家庭院落集水水窑设计
（1）按照当地生活习惯、人口结构和生活方式，一户以4口人计算，每人日消耗水量40L，家庭日消耗水量为160L。为计算方便，以月为时段进行计算，则每月消耗水量按天数进行计算，则最高月消耗水量4.96m3。根据当地降水特性，每年12月和次年1月、2月，主要以降雪为主，集水受到限制，因此在集水量计算时，降雪期间不考虑集水量。因此，水窑容积计算最低应满足3个月生活用水需要。
（2）蓄水水窑容量确定，按照冬季3个月没有积蓄雨水计算，需要15m3水窑容量；3月、4月和11月份降水量不能满足生活用水量，水窑存水调节水量增加5m3；为用水方便，水窑最低限存水按5m3计算，则增加水窑设计容量5m3。因此，水窑设计总容量为25m3，太大造成工程投资浪费；小于25m3，则不能满足全年生活的需水量。
（3）家庭水窑工程以屋顶、院落为集水场。以25m3水窑为例，水窑规格为3m×4m×2.5m，窑墙、窑底均为0.4m厚的浆砌石，底层铺设一层厚10cm的混凝土。水窑上部用建筑空心板作为盖板。家庭饮水水窑要求水窑水温尽可能不受地表和气温影响，水窑深度一般要达到6～8m。家庭饮水水窑包括水窑、窑口和窑盖三部分，水窑位于窑体下部，是主体部分，也是蓄水的位置所在；窑口和窑盖起稳定上部结构的作用，防止来水冲刷，并连接提水设施。
（4）沉沙池（坑）是水窖建设中的重要组成部分。在我国北方干旱半干旱地区，水窖以集蓄雨汛期降水为主，来水中常挟带着泥沙、杂物等。因此，修建沉沙池是必不可少的。设沉淀池，规格为1m×1m×1m，池墙、池底均为0.4m厚的浆砌石。
3.家庭院落可集水量计算
（1）雨水集流系统是雨水资源开发利用的基础。其目的是采取人工措施，将产生于集水面的径流进行拦截、蓄积、净化和利用，进而提高自然降水的利用效率。
（2）混凝土集水面的表面光滑且硬度大，有利于降雨径流的产生。根据试验资料［3］，混凝土集水面在干燥条件下的临界产流雨量为1.48mm，该雨量主要为集水面上的入渗和蒸发过程中的蒸发所消耗。次降雨和产流量呈直线相关关系，相关系数为0.96。产流后集水面的效率为0.80。该区以月为时间单位进行计算，产流系数按0.8计算，集水量的其他损失按其5%估算。在12月份和次年1月、2月份，主要以降雪为主，没有集水，所以冬季3个月不计算集水量。表2为邢台县平水年（P=50%）家庭庭院可集水量计算成果，计算公式如下。
Wi=K×Pi×M－Si
式中：Wi为第i月家庭庭院面集水量，m3；K为水泥表面的产水系数（采用0.80）；M为家庭庭院的集水面积（该区以300m2计），m2；Pi为第i月保证率等于P（P=50%）时段降水量，mm；Si为第i月水量损失量，m3。
4.供水水量平衡调节计算
（1）根据水量平衡原理，通过一定的工程和技术措施，实现家庭生活用水供需平衡，但由于天然降水在时间上的不均匀性和时段上的不确定性，致使用水过程在具体的某一用水时段内水量的供需并不相等。为此，还需要通过一定的工程调节，利用水窑蓄水对可供水量进行调节，实现全年供水的目的。
（2）为保证全年生活不缺水，水量调节计算选择某一时段作为水量供需平衡点进行计算。供水水量调节计算公式：
Wi=Wi-1＋Hi－Xi－Qi
式中：Wi为第i月水窑蓄存水量，m3；Wi-1为第（i-1）月水窑蓄存水量，m3；Hi为第i月庭院实际集水量，m3；Xi为第i月生活需水量，m3；Qi为第i月弃水量（当实际产水量和上月水窑存水量之和大于25m3时，才发生弃水），m3。
（3）水量供需平衡点的时段一般在丰水期开始，本区选择在6月份。应满足全年生活最小蓄存水量不发生缺水。然后通过逐时段水量供需平衡计算，表3为庭院水窑集水、用水水量平衡计算表（见表3）。
通过水量调节计算，按照平水年平均降水量计算，由于该区降水时空分布不均匀，在7月、8月、9月、10月发生弃水，弃水量在51.45m3左右。蓄存水量最小值出现在3月份，约6.11m3左右，不会影响生活用水。家庭生活用水量全部由庭院集水水窑提供，完成以年为周期的集水、供水过程，能满足全年家庭生活用水。如图2为家庭水窑可集水量、生活需水量和水窑蓄水量过程线。
5.结论
（1）农村饮水安全是当前农民最关心、最直接、最现实的问题。邢台县通过开展“千家水窑工程”，确保干旱区农村喝上放心水，这是一项长效的农村饮水安全工程。
家庭庭院集水工程，利用自己家庭生活空间的庭院集水，受外界污染影响因素小，对集水水源质量有保障。
（2）饮水水窑集水工程投资小、见效快、效益好，施工简便，因地制宜就地取材，群众乐意接受也能承受。一次投资，可以解决长期饮水问题。家庭集水工程雨水利用模式，对山丘干旱区雨水利用饮水工程建设具有重要的指导作用和实践价值。是目前解决干旱山区农村饮水的有效途径。
参考文献
［1］张钧玲，乔光建．山丘区塑料大棚集水节水栽培技术［J］．水资源保护，2008，24（2）：92～94．
［2］张祖新，薛勤．雨水集蓄工程技术［M］．北京：中国水利水电出版社，2000年．
［3］高前兆，李小雁，俎瑞平．干旱区供水集水保水技术［M］．北京：化学工业出版社，2005．
［4］郭芳，姜光辉．西南岩溶石山地区水窑水质状况及保护措施［J］．水资源保护，2005，21（1）：18～20．
［5］崔毅．农业节水灌溉技术及应用实例［M］．北京：化学工业出版社，2005．
【摘要】河北省邢台市山丘区地表水资源匮乏，地下水取水苦难，局部居民饮水困难，制约了当地经济的发展，影响了群众生活质量，本文通过对庭院饮水水窑的设计计算，包括降水特性分析、水窑设计、可集水量计算、供水水量平衡调节计算等几个方面进行分析，为类似地区开展庭院饮水水窑工程设计提供参考依据。
【关键词】饮水安全；庭院集水工程；水质保护措施；山丘干旱区
邢台县位于河北省南部，东经113°45′～114°38′，北纬36°58′～37°22′，地处太行山东麓，地形起伏，形态复杂。自西向东依次呈现中低山、低丘垄岗和山前倾斜平原的地貌。中低山区：位于白岸、杨庄、浆水、冀家村、崇水峪、路罗、城计头、西枣圆、将军墓、宋家庄、西上庄、龙泉寺、北小庄、西黄村等乡镇，面积1290Km2，占全县总面积的65%。由变质岩、石英砂岩及灰岩构成，地形起伏较大，海拔500～1800m，重峦叠嶂，山坡陡峭，沟壑纵横，切割强烈。低山垄岗：位于邢台县中部，在龙华、大贾乡、谈话、张安北、羊范、南石门、皇寺、会宁等乡镇，面积515Km2，占全县总面积的26%，海拔高程100～300m。变质岩分布区有明显的立状夷平面。石英砂岩、灰岩构成低缓的低山。山前平原：位于京广铁路东部，面积为175Km2，约占全县总面积的9%，包括东汪、祝村、晏家屯、于办等乡镇。海拔高程45～80m。由于当地的地质条件，地理位置等因素，地下水开采困难，地表水严重匮乏，长期以来，山丘区农村生活饮水采用水池、旱池集蓄雨水。
1.降水特性分析
1.1降雨量时空分布。
全县多年平均降水量为590.7mm。降水量的区域分布不均匀，山区大于平原。西部山区多年平均年降雨量599.4mm并有以白岸、路罗为中心的650mm以上的多雨区，平原区多年平均降雨量517.7mm。降水量的年内分配集中。全年降水量75～80%集中在6～9月的汛期，而汛期降水量又主要集中在7月中、下旬至8月上、中旬的30天甚至几天之内，特别是一些大水年份，降水更加集中。降水量的年际变化很大。单站最大与最小年降水量之比，山区一般在5～9倍，平原一般在3～6倍。全县多年面平均蒸发量为1093.4mm。平原多年平均水面蒸发量一般在1100～1200mm左右，而山区则为990～1100mm左右。县域内的干旱指数，山丘区在1.6～2.2之间，平原区在2.2～2.9之间。
1.2降雨量频率计算。
利用1956～2007年邢台县降雨量资料系列分析计算，多年平均降水量571.0mm。对年降雨量系列进行频率计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率计算采用适线法，对于变差系数Cv值的确定，在适线中，对系列中出现的特大特小值，一般不做处理，由于年降水量相对稳定。偏差系数Cs的取值一般用Cv/Cs值来反映。邢台县不同频率年降水量计算成果见表1。
2.家庭院落集水水窑设计
（1）按照当地生活习惯、人口结构和生活方式，一户以4口人计算，每人日消耗水量40L，家庭日消耗水量为160L。为计算方便，以月为时段进行计算，则每月消耗水量按天数进行计算，则最高月消耗水量4.96m3。根据当地降水特性，每年12月和次年1月、2月，主要以降雪为主，集水受到限制，因此在集水量计算时，降雪期间不考虑集水量。因此，水窑容积计算最低应满足3个月生活用水需要。
（2）蓄水水窑容量确定，按照冬季3个月没有积蓄雨水计算，需要15m3水窑容量；3月、4月和11月份降水量不能满足生活用水量，水窑存水调节水量增加5m3；为用水方便，水窑最低限存水按5m3计算，则增加水窑设计容量5m3。因此，水窑设计总容量为25m3，太大造成工程投资浪费；小于25m3，则不能满足全年生活的需水量。
（3）家庭水窑工程以屋顶、院落为集水场。以25m3水窑为例，水窑规格为3m×4m×2.5m，窑墙、窑底均为0.4m厚的浆砌石，底层铺设一层厚10cm的混凝土。水窑上部用建筑空心板作为盖板。家庭饮水水窑要求水窑水温尽可能不受地表和气温影响，水窑深度一般要达到6～8m。家庭饮水水窑包括水窑、窑口和窑盖三部分，水窑位于窑体下部，是主体部分，也是蓄水的位置所在；窑口和窑盖起稳定上部结构的作用，防止来水冲刷，并连接提水设施。
（4）沉沙池（坑）是水窖建设中的重要组成部分。在我国北方干旱半干旱地区，水窖以集蓄雨汛期降水为主，来水中常挟带着泥沙、杂物等。因此，修建沉沙池是必不可少的。设沉淀池，规格为1m×1m×1m，池墙、池底均为0.4m厚的浆砌石。
3.家庭院落可集水量计算
（1）雨水集流系统是雨水资源开发利用的基础。其目的是采取人工措施，将产生于集水面的径流进行拦截、蓄积、净化和利用，进而提高自然降水的利用效率。
（2）混凝土集水面的表面光滑且硬度大，有利于降雨径流的产生。根据试验资料［3］，混凝土集水面在干燥条件下的临界产流雨量为1.48mm，该雨量主要为集水面上的入渗和蒸发过程中的蒸发所消耗。次降雨和产流量呈直线相关关系，相关系数为0.96。产流后集水面的效率为0.80。该区以月为时间单位进行计算，产流系数按0.8计算，集水量的其他损失按其5%估算。在12月份和次年1月、2月份，主要以降雪为主，没有集水，所以冬季3个月不计算集水量。表2为邢台县平水年（P=50%）家庭庭院可集水量计算成果，计算公式如下。
Wi=K×Pi×M－Si
式中：Wi为第i月家庭庭院面集水量，m3；K为水泥表面的产水系数（采用0.80）；M为家庭庭院的集水面积（该区以300m2计），m2；Pi为第i月保证率等于P（P=50%）时段降水量，mm；Si为第i月水量损失量，m3。
4.供水水量平衡调节计算
（1）根据水量平衡原理，通过一定的工程和技术措施，实现家庭生活用水供需平衡，但由于天然降水在时间上的不均匀性和时段上的不确定性，致使用水过程在具体的某一用水时段内水量的供需并不相等。为此，还需要通过一定的工程调节，利用水窑蓄水对可供水量进行调节，实现全年供水的目的。
（2）为保证全年生活不缺水，水量调节计算选择某一时段作为水量供需平衡点进行计算。供水水量调节计算公式：
Wi=Wi-1＋Hi－Xi－Qi
式中：Wi为第i月水窑蓄存水量，m3；Wi-1为第（i-1）月水窑蓄存水量，m3；Hi为第i月庭院实际集水量，m3；Xi为第i月生活需水量，m3；Qi为第i月弃水量（当实际产水量和上月水窑存水量之和大于25m3时，才发生弃水），m3。
（3）水量供需平衡点的时段一般在丰水期开始，本区选择在6月份。应满足全年生活最小蓄存水量不发生缺水。然后通过逐时段水量供需平衡计算，表3为庭院水窑集水、用水水量平衡计算表（见表3）。
通过水量调节计算，按照平水年平均降水量计算，由于该区降水时空分布不均匀，在7月、8月、9月、10月发生弃水，弃水量在51.45m3左右。蓄存水量最小值出现在3月份，约6.11m3左右，不会影响生活用水。家庭生活用水量全部由庭院集水水窑提供，完成以年为周期的集水、供水过程，能满足全年家庭生活用水。如图2为家庭水窑可集水量、生活需水量和水窑蓄水量过程线。
5.结论
（1）农村饮水安全是当前农民最关心、最直接、最现实的问题。邢台县通过开展“千家水窑工程”，确保干旱区农村喝上放心水，这是一项长效的农村饮水安全工程。
家庭庭院集水工程，利用自己家庭生活空间的庭院集水，受外界污染影响因素小，对集水水源质量有保障。
（2）饮水水窑集水工程投资小、见效快、效益好，施工简便，因地制宜就地取材，群众乐意接受也能承受。一次投资，可以解决长期饮水问题。家庭集水工程雨水利用模式，对山丘干旱区雨水利用饮水工程建设具有重要的指导作用和实践价值。是目前解决干旱山区农村饮水的有效途径。
参考文献
［1］张钧玲，乔光建．山丘区塑料大棚集水节水栽培技术［J］．水资源保护，2008，24（2）：92～94．
［2］张祖新，薛勤．雨水集蓄工程技术［M］．北京：中国水利水电出版社，2000年．
［3］高前兆，李小雁，俎瑞平．干旱区供水集水保水技术［M］．北京：化学工业出版社，2005．
［4］郭芳，姜光辉．西南岩溶石山地区水窑水质状况及保护措施［J］．水资源保护，2005，21（1）：18～20．
［5］崔毅．农业节水灌溉技术及应用实例［M］．北京：化学工业出版社，2005．
