Difference between revisions of "天然或人工地表集水区和衬砌式地下贮水池"

Revision as of 07:36, 10 November 2015

正在修建中的石砌圆形水库。图中可见用于承载封顶材料的线网。索马里兰
图片： Eric Fewster，BushProof / Caritas。

这些是各种天然、人工或人工改造的具有不同径流系数的集水区。从这些集水区获取的水源储存于在地表下开掘的衬砌式水库中。这种水库名称繁多（在索马里兰叫做“berked”，在印度称为“taanka”，在肯尼亚则为半球形地下贮水池——类似中国水窖的地下水池也属于这一种类），且以各种材料衬砌。这些贮水池通常都拥有较开放水塘更高的深度与表面积比例，而它们的规模也使得加筑某类顶盖成为可能。若衬砌修筑良好，则不会出现渗漏。除取水外，水源只会以蒸发的形式流失。这些贮水池通常为单个或多个家庭私有，但也可公用。

适宜条件

• 在雨后有径流的地区选址。
• 在高下渗径流区建造人工集水区。
• 在粘土地区选址需谨慎，但粘土种类是更重要的问题。
• 勿将贮水池建于大树附近，以免树根使池壁开裂。
• 勿将贮水池建于重型车辆经过处的附近，池壁可能因此开裂。
• 勿将地下贮水池建于高地下水位地区，以降低漂浮风险。

对环境変化的适应

干旱

干旱的影响： 蓄水量使用殆尽。
造成这些影响的根本原因： 缺少降雨；高蒸发率；豆腐渣工程导致衬砌渗漏；蓄水量供不应求——蓄水量足够应对长期干旱的贮水池过于昂贵。
加强WASH系统的适应性： 在较长时间段内逐步修建小而多的贮水池，这样可以减少每个贮水池的加固需求，更易于施工及维护，也更经济节省；减少因为不当施工和选址而产生的蒸发和渗漏；遵循适当的混凝土浇筑指导；在建造贮水池时选用便宜的材料并且提高维护频率；提高对小额信贷的通过率；对政府及私营部门进行支持，使其能够提供（资金）一个废水处理系统。

干旱对水泥产生的影响

干旱的影响： 劣质混凝土及衬砌开裂（例如在贮水池、水坝、排水道、水井及其它建筑中）。
造成这些影响的根本原因： 固化时用水较少；用于混合的水含有杂质。
加强WASH系统的适应性： 确保水泥混合充分，比例适当以及原料纯净；尽量减少水泥中的水分；确保其充分固化。

关于治理干旱的更多信息： 干旱易发地区的弹性WASH系统。

建造、操作和维护

关于水泥的一般性建议： 造成建筑结构及衬砌部分（例如在贮水池、水坝、排水道、水井内）开裂的一个常见原因是混合和涂刷水泥不当。首先，很重要的一点是混合水泥只能使用纯净的原料：干净的水、干净的沙子和干净的石料。各种材料必须充分混合。其次，材料混合时用水量需尽量少，在确保混凝土或水泥可用的前提下，宜干不宜湿。再次，在水泥或混凝土固化期间，需全程保持湿润，该状态至少持续一周。在固化期内，建筑需用塑料、大片树叶或者其他材料覆盖，并且定期洒水保持湿润。

具体建议：

建造地下贮水池的目的是蓄水。因此，避免渗漏和裂缝是最为重要的方面之一。因此，高质量的工程加上充分的监督对于优良的建筑结构至关重要——在膨胀性土壤地区尤为重要，因为衬砌的完整性会受到影响。贮水池的所有权和管理也很重要，私有贮水池仅基于建造技术的原因，就常会出现失败的情况。建造材料多样，包括天然土壤、黏土、砌石、砖/水泥、钢丝网水泥、蚁冢/石灰/水泥以及塑料/橡胶衬砌。材料的选取会影响成本，但也取决于什么材料可获取以及周围土壤的类型。预防开裂/渗漏的一般方法：

• 圆型结构贮水池比方形机构更坚固。通常采用的是半球形和圆柱形的设计。
• 贮水池的类型视周围土壤的胀膨能力而变化——一个在黏土区经常发生的问题，但黏土类型更为重要——蒙脱土、含钙黏土（在泥灰岩/石膏沉淀物中）和黑棉土都易发生膨胀，从而使建造不够牢固的地下贮水池池壁产生开裂。因此，在此类区域建造正确类型的贮水池尤为重要。当有疑问时，避免将钢丝网水泥或者蚁冢/石灰/水泥地下贮水池建造在不稳定的土壤中。
• 为了减少需水量，可以向混凝土混合料中添加外加剂。研究表明，当搅拌混凝土时减少应添加的水量能使超塑化剂发挥最佳功效，这可以减少35%的收缩情况。最终得到的材料质地坚硬，比起普通砂浆，它的砂浆细微裂痕数量减少一半，从而减少76%的渗漏。一般来说，塑化剂添加的总量不应超过干料总重的2%。可使用并且可获取的塑化剂就是家用洗涤液。在炎热气候中，由于需要更多水用以防止材料在混合和涂刷之间的过程中变干，减少的水量（以增加材料强度）可能不应那么多，因此须对塑化剂的实地应用做进一步研究。

选择并建造一个贮水池

良好的建造技术（也与防止材料开裂或渗漏有关）所需的核心注意事项以及特定衬砌类型的成本详述如下：
砌石：

• 在索马里兰，一个新建水库的成本为39-43美元每立方米，重建成本为8美元每立方米，该成本不包含当地投入的大约30-45%（例如，容积为493立方米的新建水库成本为19550美元；原有水库的重建成本为4000美元）。在印度，砌石地下贮水池成本为28美元每立方米容积（容积为35立方米的贮水池成本为990美元）。
  
• 在铺设混凝土底面时，需采用混凝土振动器具配套作业以确保其防渗功能。
• 在粘土地区，确保贮水池的坚固度足以抵抗开裂。在膨胀土地区，砌石贮水池池壁和池底的样本尺寸及混合材料组成如下：

1. 池壁： 宽0.4米，2块砖的厚度。
2. 水平池底混合物： 厚0.05米，比例为1:4:6（不适用于重建水库，因为水平面地基已存在）。
3. 池底： 厚0.16米，无钢筋混凝土，比例为1:21或2:4。
   

砖/水泥：

• 在肯尼亚，砖/水泥贮水池成本为37美元每立方米容积（容积为21立方米的贮水池成本为780美元）。
• 在斯里兰卡，砖砌的贮水池成本为28美元每立方米容积（容积为5立方米的贮水池成本为140美元）。
• 在粘土地区，确保贮水池的坚固度足以抵抗开裂。

钢丝网水泥：

• 其它地区的钢丝网水泥贮水池成本（包含所有成本）在30.5美元每立方米（容积为60立方米的贮水池成本为1830美元）至32美元每立方米（容积为60立方米的贮水池成本为1900美元）之间浮动。

蚁冢/石灰/水泥——在肯尼亚，人们添加蚁冢的组成材料和石灰以降低衬砌的成本。较低的资金成本意味着更多的维护工作。然而似乎没有太多关于这些贮水池长期使用情况的现场数据。

• 下述的石膏混合物被证明使用效果更佳： 4份蚁冢土壤、1份水泥、2份石灰和6份河沙。

塑料/橡胶： 在大多数情况下，出于对易碎性、开销以及较大型水塘衬板衔接的可行性这几个因素的考虑，通常不会选择塑料或橡胶质地的衬砌。以下是不同衬砌的利弊：

• 有五种种主要的衬砌结构类型： 聚乙烯、polythylene(暂无中文释义)、聚氯乙烯衬砌、三元乙丙橡胶/橡胶和聚丙烯。以产自英国的三元乙丙橡胶/橡胶衬砌为例，它的价格约为每平方米6.5美元，不包括运费。
• 选择衬砌时需进一步考虑的因素：

1. 由于所储存的水是饮用水，衬砌需要达到食品级。
   
2. 成本： 聚乙烯和polythylene(暂无中文释义)衬砌的成本通常是聚丙烯和三元乙丙橡胶的一半。从成本角度来看，聚氯乙烯和聚氯乙烯-乳剂衬砌优于聚乙烯和polythylene(暂无中文释义)。与其他衬砌相比，聚氯乙烯价格更合理，同时还能抗穿刺。但从耐用性的角度来看，常见的厚度为20千尔（即0.020’’）的聚氯乙烯就比较一般。三元乙丙橡胶比聚乙烯、polythylene(暂无中文释义)和聚氯乙烯的衬砌贵，但其使用期限长达20年。聚丙烯是一种昂贵的材料，但它的使用期限长达40年。
   
3. 耐用性：
   1. 聚乙烯和polythylene(暂无中文释义)衬砌通常只能使用一个季度。
   2. 聚乙烯可以调节为任何形状，但是它的坚固性却不符合永久性水塘衬砌的要求。
   3. 而polythylene(暂无中文释义)则质地坚硬，可以发挥它在硬度上的功效。polythylene(暂无中文释义)衬砌能够轻易被岩石损坏，所以在处理的时候要小心。一旦聚乙烯受损，必须使用昂贵的焊接设备才能将它接合。
   4. 聚氯乙烯和聚氯乙烯-乳剂衬砌在耐用性上优于聚乙烯和polythylene(暂无中文释义)，它们的使用期限长达10年。
   5. 聚丙烯是一种昂贵的材料，但因为它的使用期限长达40年，所以它是现有水塘衬砌材料中最耐用的。然而，聚丙烯在灵活性上稍逊于三元乙丙橡胶。
   6. 三元乙丙橡胶衬砌在寿命、灵活性和价格合理程度之间达到了微妙的平衡，同时不含有毒增塑剂，因此推荐用于大多数水塘。因为三元乙丙橡胶衬砌是以橡胶为基础的，所以灵活度极高（优于聚氯乙烯衬砌很多）——在处理水塘中常见的不规则褶皱和凸起时，三元乙丙橡胶的灵活性就会发挥作用了。它们还不含任何增塑剂，从而避免衬砌随着时间的推移变得易碎或开裂。由于对紫外线的天然抵抗力和抗穿刺性，一个45千尔的三元乙丙橡胶衬砌的使用期限长达20年。

衬板规格：理想状态下，我们应该不用当场将衬板焊接起来。

• 聚丙烯的主要优势在于用其制成的衬板面积大于50’ x 100’。如果您正在修建一个超大规模的水塘，聚丙烯不失为一个切实可行的选择。
• 三元乙丙橡胶的局限性在于其规格，用其制成的衬板面积一般在5’ x 10’到50’ x 100’之间。

限制蒸发

由沙子填充的地下贮水池，Botswana Image，由WEDC提供。© Ken Chatterton。来源： Hussey，S.W。（2007）《Water from sand rivers: guidelines for abstraction》。WEDC，英国拉夫堡大学。

地下贮水池的容积通常很小，适于修建顶盖以限制蒸发（若条件允许，也可改善水质，即减少水藻数量）。遮光可使蒸发量降低约30%。将本地灌木或草坪材料放置于线网框架上的效果似乎不尽人意，因为这些材料易被风刮走，同时光线依旧可以进入，给水藻生长创造了条件。在木质框架上使用波纹铁皮做顶盖的效果较好，但成本较高（在索马里兰，成本约为20美元每平方米）。除此之外，如果贮水池没有加筑围栏，动物会进入该区域并踩坏顶盖。面临的主要挑战是为小规模农户提供一种高性价比的顶盖——其中一个方法是开发能创收的顶盖，可以补贴工程支出（例如种植百香果）。开挖的水窖本身带有较小面积的顶盖。

越深的贮水池意味着越少的蒸发量，会提供更多的水以便在进入旱季时维持更长的时间。对于正在讨论的这片区域，根据经验法则，或许深度应当大于潜在蒸散率（PET）的最大值。例如，索马里兰项目的水库平均长度和宽度分别为11.4米和6.3米，平均蓄水深度为2.9米，而潜在蒸散率的范围为每年1.75 – 2.25米不等。问题：更深的贮水池意味着更多的投资。

另一种既能减少蒸发又能提升水质的方法是使用具有衬砌的填沙式贮水池。通常情况下，塑料水塘衬砌似乎比坚实质地的衬砌（比如混凝土）更耐地颤。在某些情况下，降雨导致的周围地面膨胀可能会以相似的方式移动现有墙壁，此时塑料衬砌可能依然能发挥作用。在这种情况下，以下方法可能值得一试。该方法已在博茨瓦纳的衬砌式长方形贮水池中使用过：

• 在现有衬砌之上设置一个由塑料衬砌制成的防水层。铺衬砌之前，先在水库底部铺上沙层（以使底部变平整，阻挡尖锐物品、干粘土碎片等），衬砌铺好后，在塑料防水层之上也铺上沙层（防止零碎物或者行人行走时带来的损害），以此保护衬砌。
• 开一个取水点（用沙来滤水）。
• 用沙子把剩余部分填满。
• 在隔泥池后、入口处前加装粗网格以防止大块岩屑进入贮水池。

取水

对于开放式集水区，比如岩石表面集水区或土坝水库，直接（用水泵或管道）取水即可。所选取水方式应尽量减少对沉淀水的搅动，从而减少之后的净化流程。

• 通过岸上水泵（小型高效的电机泵或者手压泵） 进行直接取水是方式之一，它利用漂浮的引水口来减少沉积物的吸入。另一种方式是将出水管和粗滤器穿过坝墙至下游侧，但潜在的问题是坝墙的牢固度会因此降低。此外，穿过岩石时管道需在外部进行固定，因此在用锚柱固定管道时要格外小心。
• 即便采取防范措施以降低浑浊度（淤泥收集器、萃取法），水质却依然浑浊且受污染，需进行处理。
• 对于直接取水来说，应提倡推广家庭用水净化处理。如何选择家庭用水处理技术应基于去除水中污染物的效率。对于适合蓝藻水花生长的开放水域来说，使用混凝土生物沙过滤器是一个不错的选择，因为它能够去除蓝藻毒素。而其他技术可能更适用于流动的社区（例如，根据浑浊度选用阳光消毒法或陶瓷罐过滤器）。对城市附近的水库，或附近有集约型农业区的径流区域而言，水资源的多样化可为直饮水提供多种可选来源。加强对违禁物质的管控也能有助于水资源的开发和保护。

贮水池的改进与维护

• 在衬砌开裂的情况下，可以尝试以下方法对贮水池进行维修：
  • 如果只有底部产生裂缝，用粘土覆盖住贮水池底部并压实或许可行。据说加入粉末状的蚁冢或者石灰可以加固衬砌。如果池壁也有开裂的话，可以进行翻修或替换衬砌。以索马里兰的水库为例，由于做工粗糙，许多都未投入使用。而翻新成本又过高（每立方米8美元），同时对技术有一定的要求，而且不一定能成功完成。在某些情况下，甚至不可能实施翻修——若初始墙壁足够坚固，一些开裂的水库可以翻修，但有许多永远都无法进行翻修。在这些情况下，塑料衬砌也许值得一试。
• 在径流系数较低的集水区，通过改造现有表层或者制造人工表层可以提升径流系数：

1. 在中国，下渗容量合理的土壤的径流系数是2%，在压实土壤之后，系数可以增加到20%。
2. 集水区的人工衬砌也具有可行性。不同的集水区类型和它们各自的径流系数是：混凝土（73-76%），水泥-土壤混合（33-42%），埋地塑料薄膜（28-36%）。

• 可以开挖浅排水沟以引导径流流入贮水池。
• 理想状况下，应控制进入地下贮水池的泥沙量——地区不同则泥沙堆积情况也会不同。在中国，4年内会堆积80立方米。控制泥沙的方式包括：

1. 径流区的植被覆盖保持良好状态。

1. 在贮水池引水口前修建隔泥池。然而，索马里兰的实践证明隔泥池（位于主贮水池前的迷你水库）效果并不尽如人意。沙尔克地区（Charco）水坝隔泥池经验可能更值得借鉴，此地小型坝之间的引水渠中均种植多年生植物以促进沉积。
2. 在气候不利于植被生长的地区，石料可以当作引水口的简易过滤装置，以促进泥沙在进入贮水池前沉降。它通过增大沉降表面积而发挥作用，可以置于水库引水口内，在3处分别铺以直径为25至5毫米不等的3种石料。但若想正常运作，设计时需考虑水流速及流入水质。过滤速度应为流量（立方米/时）除以表面积（平方米）。不同过滤速度适用于不同水质——但过滤速度可能难以在实地估计。

• 在贮水池周围修建围栏以防儿童掉落，同时防止大型车辆行驶过近从而破坏衬砌。
• 支持私有化运营管理。可以修建围栏以强化私有属性。
• 可引进鱼类，既可以吃掉蚊子的幼虫，同时又可以提供营养补给的来源。
• 支持政府或私营部门，使其能够提供（资金）一个废水处理系统，在旱季时为贮水池供水。

成本

推广家庭雨水收集的主要障碍在于缺乏资金，没有资金就无法复制此项技术——在全球范围内，关于雨水收集的小额贷款项目少之又少。地下贮水池的成本很高，每立方米容积的成本不一（平均约为30-40美元每立方米或更高，视情况而定）。埃塞俄比亚的石砌和混凝土砖结构地下半球式贮水池总花费为113-219欧元每立方米。可能会因建筑用水运输及粘土地区对贮水池体坚硬度的更高要求而产生额外费用。当然也有一些节省开销的途径。

节省成本

花费高成本建造一个贮水池会降低可用水量，因为可以建造更多小型贮水池。可以通过使用廉价低质的材料、更少建筑材料和减少劳动力成本达到增加容积的目的。此类方法可以使地下贮水池的建造更现实。解决思路包括：

• 如果现有土壤具有相对不渗透性，则可以将其作为天然衬砌。在中国，在天然土壤（黄土）已具备足够不渗透性的区域，粘土已经用于贮水池（称为水窖）衬砌了。衬砌筑建过程难度大且耗时长，大部分已经被钢丝网水泥或塑料替代了。然而，这证明了在一些地区可以修建低成本贮水池。据观察，在索马里兰，类似水窖都建于不可渗透的稳定土壤层——径流水通过小型入水渠进入水窖。其它贮水池则采用10厘米无钢筋水泥衬砌——30立方米可能是最经济的尺寸，因为这是无需加固的最大容量——此类贮水池成本为189美元或者约每立方米6.3美元（可能仅包括材料费）。
• 在肯尼亚，贮水池衬砌使用粉状蚁冢和石灰来代替部分水泥和砖块，以此将成本降至每立方米9.8美元。
• 减小建筑结构规模。 工程中现金流更易于管理，并且建筑更容易进行覆盖。这种方法能减轻修建贮水池对于普通家庭的负担，并且可以在随后几年增加更多贮水池，以此来分摊成本。
• 然而，在某些具有不均匀沉降的膨胀性粘土区内使用廉价衬砌需要额外注意，因为通过观察，这些区域内的衬砌很容易出现裂缝。因此，廉价衬砌可能适用于特定地点，也依据不同地区的土壤粘土含量而定。源于印度的经验显示，如果塑料衬砌之外没有铺设防啮网/防虫网，衬砌会被啮齿动物、蟹类或者昆虫咬穿。

操作说明、视频和链接

• 沙提取。非洲淡水助增技术资料集。联合国环境规划署。
• 农村供水的沙提取系统评估：津巴布韦卢帕内地区案例。第3卷，1号，2011年1月。

鸣谢

• 荷兰CARE组织，初步研究： 易旱地区的弹性WASH系统。2010年10月。