段梓誠(chéng)，蔣文翠，彭爾瑞，李榮亮

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650051)

我國(guó)是一個(gè)人口、土地面積較大的國(guó)家，干旱半干旱區(qū)約占國(guó)土面積的1/2，雨水利用就成為這些地區(qū)解決缺水現(xiàn)狀的方法[1]。這些地區(qū)都有一些共同特點(diǎn)：水資源嚴(yán)重匱乏或季節(jié)性匱乏；地形特征普遍溝壑縱橫，修建相關(guān)引水工程的條件十分困難；生產(chǎn)生活用水完全依靠自然降雨，然而年內(nèi)降雨分布不均，嚴(yán)重影響了這些地區(qū)的生產(chǎn)生活。雨水的收集利用便日益受到各界關(guān)注。雨水集蓄包括雨水收集、凈化、存儲(chǔ)和利用4個(gè)部分，雨水資源化的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是雨水的收集，雨水收集的效果好壞決定著整個(gè)雨水集蓄工程的效率發(fā)揮。

20世紀(jì)中期，雨水收集常常是利用地表的花崗巖表面、光滑的巖石坡面等自然坡面。比如，埃塞俄比亞農(nóng)村[2]主要采用屋頂和巖石的自然坡面等方式來(lái)收集雨水。一些山區(qū)也通過(guò)鐵皮、塑料或不銹鋼等材質(zhì)稍作加工作為集雨工具，貴州咯斯特山區(qū)采用塑料材質(zhì)將集雨面制作成四周高中間略低的形狀以便雨水聚集[3]。采用此類集雨面，雖制作成本低廉且對(duì)生態(tài)環(huán)境幾乎沒有影響，但集雨效率低下或耐久性差，往往收集的雨水量不滿足需求量。另一方面，混凝土集雨面雖具有不錯(cuò)的集雨效率[4]，但在呼吁生態(tài)環(huán)保的今天，其高昂的造價(jià)且對(duì)土地的復(fù)墾復(fù)綠造成一定的難度，故其具體的使用還需多維考慮。因此，研發(fā)一種近自然、成本低和集雨效率不錯(cuò)的集雨面是擺在專家學(xué)者面前亟待解決的難題。

1 近自然集雨面材料相關(guān)研究

作為雨水集蓄工程首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的集雨面，從產(chǎn)生到材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)被廣泛應(yīng)用的今天，在建造材質(zhì)、建造工藝等各個(gè)方面都得到了質(zhì)的飛躍。期間眾多相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對(duì)集流面的材料和理論等諸多方面開展了深入的研究和改進(jìn)。

近年來(lái)，集雨面材料領(lǐng)域取得了很多的研究成果。一些學(xué)者以環(huán)保為前提條件，將其它領(lǐng)域的材料引入或研發(fā)一種新型的材料運(yùn)用到集雨面上。

1.1 土壤固化劑運(yùn)用到集雨面

土壤固化劑是20世紀(jì)中期出現(xiàn)的新型材料，經(jīng)過(guò)多年不斷的發(fā)展和完善，世界上已有許多國(guó)家將這項(xiàng)技術(shù)廣泛運(yùn)用于相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)硬化、防滲工程中，但將土壤固化劑運(yùn)用到集雨面的建設(shè)研究剛剛起步?；诖?，我國(guó)一些學(xué)者對(duì)將土壤固化劑運(yùn)用到集雨面建設(shè)中開展了深入的研究。

馮浩等[5]通過(guò)對(duì)黃土進(jìn)行特殊處理，使之添加HEC土壤固化劑和AAM水泥添加劑，并對(duì)混摻形成集流場(chǎng)的集流效率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該集流場(chǎng)的集流效率能達(dá)到78%，其集流效率可以和混凝土集流場(chǎng)相媲美且成本很低。樊恒輝等人對(duì)現(xiàn)有的HEC土壤固化劑的配比進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研發(fā)出了一種新型MBER土壤固化劑，相比于傳統(tǒng)的混泥土，投資減少30%～40%，集流效率可達(dá)60%～90%[6]。

樊恒輝等[7]通過(guò)對(duì)混凝土集雨場(chǎng)和土壤固化劑集雨場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，土壤固化劑集雨場(chǎng)僅有少許表皮的脫落，但其強(qiáng)度基本不變。土壤固化劑集雨面相比混凝土集雨面有著更低廉的造價(jià)和不相上下的高集流效率等優(yōu)點(diǎn)。如果通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)尋找到一種合適的土壤固化劑配合比，使得后期自身固化土的復(fù)墾復(fù)綠問題也迎刃而解，這未嘗不是未來(lái)的一種研究方向。

1.2 高分子化合物運(yùn)用到集流面

集雨場(chǎng)的建造往往比較復(fù)雜，尋求更經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便且環(huán)保的集雨材料是雨水資源利用的重要研究方向。高分子化合物由于其化學(xué)惰性、優(yōu)良的防水性和操作簡(jiǎn)易等特征，成為新型集雨材料的潛在研究對(duì)象?；诖?，許多學(xué)者展開了深入的研究。

王百田等[8]通過(guò)對(duì)拍光處理的坡面以及經(jīng)高分子化合物固結(jié)處理的表層土壤坡面的集流能力進(jìn)行分析，得出高分子材料的固結(jié)處理利于提高坡面的集流效率。徐玉芹等[9]將有機(jī)硅運(yùn)用到集雨面上，施工過(guò)程簡(jiǎn)單，僅僅只需在整理后的土壤上噴涂溶液即可。試驗(yàn)過(guò)程中雖部分溶液噴灑到附近草坪上，但草坪依舊正常生長(zhǎng)。周振民[10]通過(guò)對(duì)不同材料以及不同場(chǎng)地的集流效果進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明甲基硅酸鈉和硅烷偶聯(lián)劑處理后的集流場(chǎng)集流效率明顯增加，適宜用于雨水集流場(chǎng)中集雨面的處理。莫永京等[11]認(rèn)為玻璃纖維水泥土具有很強(qiáng)的區(qū)域適應(yīng)性，并具有工程性好、使用周期長(zhǎng)、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于構(gòu)建集流面。李巧珍等[12]使新型高分子有機(jī)硅運(yùn)用到表面構(gòu)建，使土壤表面結(jié)構(gòu)致密形成保護(hù)膜，從而獲得高達(dá)70%以上的集流效率。而且采用該材料的集流面成本相對(duì)較低、施工也相對(duì)簡(jiǎn)單。

馮浩等[13]發(fā)現(xiàn)高分子聚合物具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加降雨入滲、調(diào)控坡面徑流的作用，是適宜于黃土區(qū)應(yīng)用的高效、成本低的降雨徑流調(diào)控材料。吳淑芬等[14]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高分子聚合物(聚丙烯酸、脲醛樹脂、聚乙烯醛)處理的坡面，其對(duì)坡面徑流和防止土壤侵蝕是非常有效的。

高分子化合物類集流場(chǎng)相比于土壤固化劑集流場(chǎng)，雖然在耐久性等方面不及土壤固化劑類集流場(chǎng)，但其更簡(jiǎn)便的施工工藝且對(duì)環(huán)境影響較小的優(yōu)點(diǎn)是土壤固化劑集流場(chǎng)所不及的。

1.3 生物材料運(yùn)用到集雨面

目前傳統(tǒng)的集雨面的材料主要有塑料膜、瀝青、混凝土、黏土夯實(shí)及多種新型高效材料等[15]。但以往的材料可能對(duì)當(dāng)?shù)赝寥喇a(chǎn)生不利影響，由此可能會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境問題。而利用生物材料不僅不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，還可以改良土壤，防止受水風(fēng)侵蝕等，使土壤更利于植物的生長(zhǎng)[15]?；诖?，許多學(xué)者展開了深入的研究。

李莉等[16]的研究結(jié)果表明，生物土壤結(jié)皮可以使土壤的入滲速率降低，減幅達(dá)8.3%；熊好琴等[17]研究結(jié)果同時(shí)也表明生物土壤結(jié)皮的發(fā)育導(dǎo)致土壤入滲降低。周貴連等[18]在半干旱區(qū)的研究結(jié)果表明，人工培育的生物土壤結(jié)皮可顯著改變土壤的顆粒組成、明顯降低土壤入滲效果，其集雨面的平均集雨效率可達(dá)60.86%，且使用年限較長(zhǎng)，并具有提高土壤抗蝕性的作用。

馮學(xué)贊等[19]分析了地衣集雨面(干旱半干旱地區(qū))的可行性，認(rèn)為地衣集雨面作為優(yōu)秀的綠色環(huán)保集雨材料在改善干旱半干旱生態(tài)環(huán)境的同時(shí)可以緩解水資源匱乏的問題。

王登奎等[20]在半干旱地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，將新型生物材料“生物炭”[21]作為集雨覆蓋材料，“生物炭”不僅改進(jìn)和優(yōu)化了生物農(nóng)膜性能，降低了成本，且提高了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

生物型集雨材料是一種優(yōu)秀的修建集雨面的綠色材料。生物型集雨材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，宜在很多地區(qū)推廣應(yīng)用，尤其是干旱半干旱地區(qū)，生物型集雨材料不僅能用來(lái)收集雨水，而且能改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

2 近自然集雨面營(yíng)造技術(shù)相關(guān)研究

除了集雨面材料之外，后續(xù)的集雨面面積確定和集雨面施工等等環(huán)節(jié)都是營(yíng)造整個(gè)雨水收集系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。

集雨面營(yíng)造技術(shù)中首要關(guān)鍵的就是確定集雨面面積的大小，影響集雨面面積因素中最直接就是集雨面的集雨效率。另一方面，影響集雨效率的因素又有集雨面材料、水文氣象特征和地形地貌等等。由于集雨場(chǎng)的坡度影響徑流的流速，因此，坡度也是集雨效率的一個(gè)影響因子。一般而言，對(duì)于滲透系數(shù)較高的材料，集雨場(chǎng)的坡度越大，其集雨效率也會(huì)越大，但是對(duì)于滲透系數(shù)較低的材料而建設(shè)成的集雨場(chǎng)卻影響不是很大。

集雨面的施工技術(shù)也是雨水收集系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)。張志成[22]對(duì)雨水集蓄利用工程中混凝土集流面、塑模防滲集流面、片(塊)石襯砌集流面、棚面集流面、土質(zhì)集流面和自然集流面的施工進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)，以供類似工程施工時(shí)參考。

另一方面，一些學(xué)者基于某種材料也對(duì)其施工技術(shù)做了相關(guān)研究。莫永京等[23]研發(fā)了一種集雨面材料及其施工技術(shù)。其研發(fā)的集雨材料和施工方法所建設(shè)的集雨面具有較好的強(qiáng)度和抗?jié)B性，符合集雨面建造的要求。若根據(jù)需要還可以將集雨面復(fù)墾復(fù)綠，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。樊恒輝[24]研發(fā)了一種利用土壤固化劑加固土修建集雨面的施工及養(yǎng)護(hù)方法。

3 近自然集雨面相關(guān)理論研究

傳統(tǒng)的雨水理論基礎(chǔ)：就地?cái)r蓄入滲利用理論、覆蓋抑蒸利用理論、富集疊加利用理論、坡地雨水利用理論和地表徑流調(diào)控及模型試驗(yàn)理論等等。一些學(xué)者基于傳統(tǒng)雨水理論展開研究或?qū)鹘y(tǒng)雨水利用理論和其它理論相結(jié)合運(yùn)用到具體案例中。

陳道云等[25]研究結(jié)果表明，集雨場(chǎng)的集流效率和單位面積集雨面的集水量和集雨面坡度、降水量和雨強(qiáng)呈正相關(guān)。朱強(qiáng)等[26]研究表明集流效率與次降雨量、雨強(qiáng)及材料的前期含水率呈正比關(guān)系，并且得出全年集雨效率公式。朱興平等[27]在總結(jié)已有雨水利用有關(guān)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了雨水利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系。張景國(guó)[28]對(duì)雨水地面徑流過(guò)程進(jìn)行了分析，并基于運(yùn)動(dòng)流理論模擬雨水地面徑流過(guò)程，得到了分析結(jié)果，還通過(guò)與傳統(tǒng)推理法的比較，找出了傳統(tǒng)方法的不足之處。苗魚池[29]通過(guò)試驗(yàn)表明，不同土壤下產(chǎn)流、產(chǎn)沙與雨強(qiáng)和坡度分別呈線性和冪函數(shù)關(guān)系，雨強(qiáng)對(duì)區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙影響程度總體高于坡度。羅丹竹等[30]通過(guò)試驗(yàn)表明，坡面土壤顆粒組成對(duì)坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙具有重要影響。

丁志斌等[31]基于極限強(qiáng)度理論，得出了一場(chǎng)降雨的收集調(diào)蓄過(guò)程中初期雨水和潔凈雨水累積量的變化規(guī)律，并給出在重現(xiàn)期下的計(jì)算公式。劉鵬等[32]基于雨水管道設(shè)計(jì)流量公式，推求了對(duì)一場(chǎng)降雨進(jìn)行收集的過(guò)程中，初期雨水和潔凈雨水的變化規(guī)律，并給出計(jì)算公式和某重現(xiàn)期下初期雨水與潔凈雨水的關(guān)系曲線。李宇超等[33]基于海綿城市理論，對(duì)西北地區(qū)雨水資源的利用提出了相關(guān)建議。王陽(yáng)[34]基于海綿城市理論，將雨水利用和城市公園設(shè)計(jì)相結(jié)合。徐海順[35]基于生態(tài)雨水基礎(chǔ)設(shè)施理論，提出中國(guó)城市新區(qū)生態(tài)雨水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃理論框架和方法論體系。

傳統(tǒng)的雨水利用理論發(fā)展至今已經(jīng)相當(dāng)成熟，未來(lái)相關(guān)理論的發(fā)展方向可能是：將傳統(tǒng)的雨水利用理論與其它學(xué)科理論結(jié)合起來(lái)并運(yùn)用到具體案例中，比如，將干擾生態(tài)學(xué)原理運(yùn)用到雨水收集利用中[36]。

4 總結(jié)和展望

4.1 雨水收集技術(shù)總結(jié)

在涉及到集雨面的優(yōu)劣時(shí)，生態(tài)、高效、耐久和經(jīng)濟(jì)都應(yīng)該列入到效果評(píng)價(jià)體系里。這4個(gè)方面的結(jié)合，才能體現(xiàn)出一種集雨場(chǎng)的好壞。朱強(qiáng)等[26]對(duì)一些傳統(tǒng)集雨材料的性價(jià)比做了分析研究，認(rèn)為水泥瓦、混凝土、黃土夯實(shí)是性價(jià)比較高的集雨方式。但考慮到目前并沒有具體的集雨面效果評(píng)價(jià)體系，因此可以參考一些工程效益評(píng)價(jià)體系，可以將其一些方法運(yùn)用到集雨面效果評(píng)價(jià)體系的建立上面來(lái)。

呂森[37]采取模糊綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行城市雨水利用環(huán)境效益的評(píng)價(jià)研究。首先構(gòu)建各基層指標(biāo)的隸屬函數(shù)，使其轉(zhuǎn)化成變幅0～1的無(wú)量綱數(shù)，從而獲得對(duì)每個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)分。然后，將各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分值與其權(quán)重相乘，獲得二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。依此類推，由基層到高層，直至最后復(fù)合成一個(gè)具體數(shù)值，即城市雨水利用綜合指數(shù)。李乃平[38]基于LEED體系，根據(jù)非線性規(guī)劃法和本地化約束條件，建立雨水多目標(biāo)應(yīng)用模型。此模型為當(dāng)?shù)鼗晁畱?yīng)用決策提供了一種工具。譚月桐[39]基于WSUD理論利用層次分析法(AHP)建立起高校雨水管理措施評(píng)價(jià)體系，并運(yùn)用Yaahp10.3軟件計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重。秦永昊等[40]分析雨水集蓄利用不同方法，通過(guò)建立合理模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)各種雨水集蓄利用方法進(jìn)行權(quán)重比較，得出最優(yōu)化結(jié)果。夏國(guó)恩等[41]通過(guò)將決策支持系統(tǒng)(DDS，Decision support system)引入到丘陵山地雨水集蓄中，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，為研究者提供決策支持。向杰等[36]基于干擾生態(tài)學(xué)原理，把干擾度測(cè)算方法運(yùn)用于雨水集蓄綜合環(huán)境效益評(píng)價(jià)里，從經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益3個(gè)方面選取適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。趙西寧等[42]基于黃土高原地區(qū)水文特點(diǎn)，運(yùn)用AHP原理，遵循科學(xué)等原則，構(gòu)建了小流域雨水資源化綜合效益評(píng)價(jià)體系。

另一方面，修建人工集流場(chǎng)勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。目前，在全球都關(guān)注環(huán)境問題的情況下，生態(tài)效益就顯得尤其重要。當(dāng)然，我國(guó)有些地區(qū)環(huán)境問題并不突出。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種矛盾肯定是存在的。因此，如何解決好集雨場(chǎng)土地復(fù)墾復(fù)綠問題就成為修建集雨場(chǎng)不得不考慮的問題。一般而言，生物材料集流場(chǎng)可以提高集雨效率且對(duì)環(huán)境無(wú)影響；拼接式集流場(chǎng)[43]也可以做到不破壞地表土的結(jié)構(gòu)和成分，雨前鋪設(shè)，雨后收走，簡(jiǎn)便方便。因此，在國(guó)家大力提倡“金山銀山不如綠水青山”的今天，這兩種集雨場(chǎng)具有非常廣闊的發(fā)展前景。

4.2 雨水收集技術(shù)展望

(1)從集雨面材料角度出發(fā)。借鑒各領(lǐng)域新型材料，發(fā)明新型環(huán)保高效耐久經(jīng)濟(jì)的材料，可能是未來(lái)集流面材料的研究重點(diǎn)。另一方面，也可以在現(xiàn)有的材料上進(jìn)一步研究，比如利用現(xiàn)有成熟的土壤固化劑，通過(guò)試驗(yàn)尋求一種適合的配合比，損失集雨面一定的集雨效率換取后期復(fù)墾復(fù)綠的目的。

(2)從集雨面營(yíng)造技術(shù)出發(fā)。我國(guó)近自然集雨面營(yíng)造技術(shù)研究起步晚但發(fā)展快，在建設(shè)過(guò)程中還存在諸多不足，主要表現(xiàn)在未能結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理建設(shè)，存在照搬照套已有雨水收集方法且后續(xù)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大。近自然集雨面的營(yíng)造應(yīng)從多個(gè)維度考慮，結(jié)合近期工程效果和長(zhǎng)遠(yuǎn)的生態(tài)影響提出更多科學(xué)合理的建設(shè)方案。

最后，集雨面效果評(píng)價(jià)體系一直是雨水收集利用領(lǐng)域的空白，建立符合需求的雨水收集效果評(píng)價(jià)體系可能成為未來(lái)集雨面研究領(lǐng)域的一個(gè)方向。