西南岩溶山区分散式供水模式及存在的问题
理工学科是指理学和工学两大学科。理工，是一个广大的领域包含物理、化学、生物、工程、天文、数学及前面六大类的各种运用与组合。
理学
理学是中国大学教育中重要的一支学科,是指研究自然物质运动基本规律的科学,大学理科毕业后通常即成为理学士。与文学、工学、教育学、历史学等并列，组成了我国的高等教育学科体系。
理学研究的内容广泛，本科专业通常有：数学与应用数学、信息与计算科学、物理学、应用物理学、化学、应用化学、生物科学、生物技术、天文学、地质学、地球化学、地理科学、资源环境与城乡规划管理、地理信息系统、地球物理学、大气科学、应用气象学、海洋科学、海洋技术、理论与应用力学、光学、材料物理、材料化学、环境科学、生态学、心理学、应用心理学、统计学等。
工学
工学是指工程学科的总称。包含 仪器仪表 能源动力 电气信息 交通运输 海洋工程 轻工纺织 航空航天 力学生物工程 农业工程 林业工程 公安技术 植物生产 地矿 材料 机械 食品 武器 土建 水利测绘 环境与安全 化工与制药 等专业。
理工有别，而且很明显： 理科是自然科学的理论研究；工科是自然科学在工程的应用。一个纯理论，一个面向应用。北京大学的理科全国第一，而清华大学的工科全国第一。 物理、化学、数学等研究理论的属于理科主要学习应用技术的属于工科，比如：土木工程、机械工程等比较特殊的是，计算机专业内部也分为理科方向和工科方向，理科方向也叫计算机科学，主要研究算法复杂度、程序设计语言原理、数据挖掘、形式语言与自动机理论、计算机体系结构；工科方向也叫计算机技术，主要研究图形图像处理、软件工程、软件体系结构、操作系统、数据库等等。。 人们总把理工合到一起说，是为了与文、农、医相区别。文、理、工、农、医是高校的五大重要基础领域。。
邹胜章1，2，梁彬1，2，陈宏峰2，裴建国1，2
（1.中国地质大学，北京 100083；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004）
基金项目：国土资源部地质调查项目（200310400043、200310400044）；国家科技攻关项目（2002BA901A13）的部分成果。
作者简介：邹胜章（1969—），男，副研究员，主要从事岩溶资源与环境工程方面的研究工作。
摘要：西南岩溶区居民主要采用溶井、水柜与水窖等三种模式进行分散式供水，其水源分别来自地下河、岩溶泉及雨水。在大量调查与实际工程基础上，本文通过对西南岩溶区分散式供水模式进行了总结，分别对三种供水模式的地区适宜性进行了分析，并对各种模式的设计思路、设计参数与施工中的注意事项进行了详细论述，并结合实际工程给出了设计示意图。最后，对分散式供水目前存在的主要问题——水质安全进行了分析，并提出了相应的措施。
关键词：岩溶区；分散式供水；水窖；水柜；溶井
水是人类赖以生存及从事生产不可缺少的宝贵资源，也是生态系统中一项活跃的影响因子。赋存于地面以下的地下水，因其水质好、分布广、供水稳定等特点，已经成为人类社会生产和生活中重要的供水水源。岩溶地下水资源是岩溶区主要的供水水源，在许多地方甚至是唯一的淡水水源。在欧洲，超过50%的饮用水由岩溶地下水供给［1］。可见，岩溶水资源在社会经济发展中的地位与作用十分重要。
尽管我国西南岩溶区年平均降雨量都在1100mm以上，区域的水资源总量非常丰富（见下表）［2］。但是由于多种原因，造成该地区水资源短缺：①特殊的地表-地下双层结构的地质环境［3］，加上地形高差大、岩溶强烈发育、地表土层薄、植被少以及土层渗透性强、水涵养能力小，导致岩溶区地表水缺乏、地下水深埋，水资源开发利用成本高、难度大，造成“人在山上走，水在脚下流”这一无奈的局面，径流稀少；②降雨的季节性很强，雨量年份分布极度不均匀，连续4个月的降雨量（5～8月或6～9月）占全年降雨量的60%～70%，常形成夏季洪涝、冬春干旱的特点；③该地区地理条件特殊，土地小块而分散，居民零星分布，没有条件建设大型水利工程。可见西南岩溶山区不属于资源性缺水，而是季节性缺水、工程性缺水［4］。
西南部分地区地下河流量统计表
据不完全统计，仅广西39个岩溶石山县就有240万人口、202万头牲畜缺水，且缺水人口在地理分布上较分散，大多以500人以下的缺水为主，尤其是峰丛山区缺水更突出，人口分散也更为明显，加剧了大型集中式供水难度。西南岩溶山区季节性、工程性缺水已经成为制约当地社会、经济发展的主导因素。
为解决西南岩溶山区人、畜饮水困难，通过多年的探索，结合当地地貌区位和水资源特征，分别开发出了多种适合于西南岩溶山区分散供水的供水模式，概括起来主要有溶井、水柜与水窖，水源分别来自地下河、岩溶泉及雨水。以下就这三种主要供水模式的特点、适用条件、设计方法以及存在的问题进行论述。
1 水窖供水
1.1 适用条件
水窖在云贵高原峰丛山区多见，主要用于地势较高、地表垂向岩溶极为发育的峰丛山区分散人、畜的供水。该区在水文地质上属于地下水补给区，降水多沿垂直裂隙入渗，只有在雨季大雨期间才可形成地表径流，无表层岩溶泉，降水是该地区唯一的水资源来源。
近年来在西南岩溶山区开展了大规模的雨水集蓄与利用，广西、贵州、云南的很多地方已经在政府的组织下兴建了为数众多的水窖，有效地解决了岩溶山区的人、畜饮水和灌溉用水，极大地促进了生活经济的发展。
为便于收集雨水，水窖都修建于地面以下（图1），每个水窖在地表都有一条专门用来收集雨水（屋檐水及地表径流）的沟渠（图2）［5］。因需要储藏水源，水窖容积较大，一般20～30m3，大的可达50m3以上。
图1 家庭小水窖
图2 集雨工程（小水窖）平面示意图
（据肖厚军）
1.2 设计思路
为使水窖水质得到保障，一般将水窖设计成深埋于土体的、密封的、带集雨坪的圆柱形或方形水池（图2），其优点是：①水窖埋于土体，近似于一个微型地下水储存系统，对水质有利；②水窖不易遭人为破坏，经久耐用；③水窖密封，污染物不会落入窖内，且由于密闭不透光，水体内微生物不易生存繁衍；④采用人工集雨坪集流，可使降雨进入水窖前免受污染。设计重点是通过对水质的控制，使水窖能得以有效地使用，并且便于维修。水窖容量依据缺水时间、用水人口、用水定额等参数共同确定。
1.3 水窖有关参数的确定
（1）水窖容积公式为：V＝N×I×T。式中：V为水窖容积；N为用水人口数；I为用水定额，依据国家规范结合实际取值为40L/（人·日）；T为连续缺水时间，根据实际缺水时段确定。在实际设计中，水窖容积还应该考虑畜禽用水。
（2）水窖规格的确定。家庭小水窖直径2～3m较为理想，水窖有效盛水深度一般在4m左右。
（3）集雨坪的确定。由于人、畜饮水小水窖对水质要求高，在设计中宜采用人工水泥集雨坪，其主要作用是收集雨水，同时可兼作农户晒场。其公式为：V＝FP（1-η）。式中：F为集雨面积；η为蒸发、集流等造成的降雨损失系数，一般取0.3；P为降雨量，取值依据实际情况确定。如实测降雨量为1500mm，F取值30m2，采用长方形布置，规格为6m×5m。为更有效地集流，集雨坪边缘设置50mm高的围水线。
水窖的设计除了需要考虑储水的体积外，还需要充分的考虑水质问题。在设计建造时，可以进行一体化建设（图3），以保证水窖水质安全。
图3 家庭水窖设计剖面图
1.4 施工要点
施工中应注意以下三点：①窖址应选择在坚实的地基上，位置应高于人居住的房屋，便于放水取用；②水窖盖板要留进出孔，用以对水窖进行检修和清洗，同时便于当窖内水位太低时能用吊桶取水；③雨季来临前要对水窖进行消毒，以防止窖水水质恶化。一般地，窖水水温可保持在4～7℃，除大肠杆菌超标外，其他大多数指标都在国家饮用水水质标准允许范围内。
1.5 水窖的效益分析
据对受益农户的跟踪调查，大部分农户由几代人的用水靠人背马驮变成用上了自来水，既改善了水质又节省了劳动力。据测算，农户修建小水窖后，每户每年至少可节省用于背水的120个劳动工日，这些节省下来的劳动力用于外出务工或就地发展生产，按较低的人均日收入10元计算，户均年增收或创收可达1200元以上，小水窖的投资回收期仅14年。若以30年的使用寿命计算，投资效益比可达1∶22，长期经济效益十分可观。若在山区农业灌溉中广泛推广使用小水窖，可在很大程度上改善农业生产条件，改变山区农业靠天吃饭的局面，使农作物产量有较大幅度的提高，这对于加快山区贫困农户的脱贫步伐、发展农村社会经济具有十分重要的意义。
2 溶井供水
2.1 适用条件
溶井主要适用于峰丛洼地底部及溶丘谷地边缘，为区域性地下水径流区。该区无地表泉水出露，但有地下河经过；溶井实际上属于地下河管道天窗，因地势较低，地下河水从天窗中涌出而成（图4）。可见，溶井的建设条件是比较苛刻的，只有在适宜的地方才可建造。
2.2 溶井设计与施工要点
为方便取水，需要将天然溶井进行改造——以天窗为基础修建水井。因溶井水出露地表，可如山塘一样直接方便地使用。为保证水质在使用时不受到人为污染，溶井多修建成串联式（图5），即1个主井后串联2～3个用水池，按用途实行分开用水，以保护水质。主井作为饮用水井，水通过一条小沟槽从主井流向下游的用水池，紧临的第一个水池作为生活洗涤用水水池，再后面的水池水用来浇灌和杂物清洗。
图4 天然溶井
图5 湖南新田邝家三联式溶井
溶井大小根据其流量和人口总数确定。因饮水和用水分开，流量在0.5～1L/s时，一口容积为2m×1.5m×2m的溶井，便可满足约1000人的生活用水需求。
溶井（主水井）的施工也比较简单。首先需要彻底清理天然溶井内的淤积物，再对天然溶井进行拓展，深度以进入完整基岩面以下1～2m为宜，外围按溶井大小进行拓展。各用水池的建设比照普通水池进行。典型溶井设计见图6。
溶井井壁建筑材料多采用天然块石，水泥清缝；井底分层铺设一定厚度的卵砾石及沙层，以便对地下水进行初步的过滤。用水池池底和池壁建筑材料也多采用天然块石，水泥清缝。溶井主要是做好池壁的防渗，用水池则需要同时做好池底和池壁的防漏。
图6 溶井设计示意图
在设计与施工过程中有一点是非常重要的，那就是要在溶井周边设置一定范围的防护带和畅通的排水沟，以保证周边污水不渗入溶井内，以及在大雨期间地表漫流不淹没溶井。防护带距离应不小于15m，在防护距离内不得有任何污染物存留，防护带地面宜采用水泥地坪固化，以防地面污水下渗。
3 水柜供水
3.1 适用条件
水柜供水可适用于整个峰丛山区，首要的条件就是必须有泉水（绝大部分属于表层岩溶泉），泉水是其最主要的水源。这类地区一般属于小型泉域的地下水排泄区，地下水以水平运动为主。
表层泉有常流泉，但更多的是季节性泉，只有雨季才有水流。如河池山区水柜的取水源是季节性山泉水，雨水经过山体上的土壤、植被及山体本身的裂隙渗滤后流出的泉水十分清澈，每到暴雨季节有突发性山泉时才有水涌出。因此，每个水柜在一年之中往往只能注一次水，村民们则必须靠各自水柜中的存水生活1年。
3.2 设计与施工
水柜一般采用方形的砖、石结构（水泥抹面防漏），也可采用水罐形式，多建于各自家门口的地表；利用地形的天然高差，从高处的泉口引水入水柜。引水设施有竹槽（将竹子劈开后拼接而成）、木槽（将整根木料挖空拼接而成）、塑料水管、铁管等（图7）。
在有常年来水的地方，水柜容积可适当小些，单个家庭用一般为3～5m3（图8），集中式供水水柜可根据人口数量和用水定额来确定（图9）。
图7 水柜工艺设计
图8 洛塔家庭用水柜（可供7户居民使用）
图9 湖南新田鹅眉凼村可供200多人使用的水柜
在只有季节性来水的地方，水柜容积要修建的比较大，体积太大时可以分成多个中等容积的水柜来建设；水柜容积计算公式与水窖的基本一致。
3.3 注意事项
水柜的建设主要注意以下几点：①合适的建设地点。水柜基底岩土层必须要均匀、稳定，以免产生不均匀沉降；②水柜外侧一定要采用加筋设计，以保证水柜不开裂漏水；③水柜内部用水泥抹面后一定要粘贴内衬材料，以保证水质安全。
4 分散供水存在的问题与对策
4.1 选址布局
选址布局不合理主要表现在水窖的建设中。由于集雨工程的建设主要是由农民自己进行，政府只负责发起并提供一定的资金和技术支持，所以缺乏统一、科学、合理的规划，造成选址和布局不当，使集雨工程不能发挥应有的效益。大多数水窖的修建根本没有考虑地形地貌、地质条件、集流条件，一些水窖由于地质条件不好，建成后不久就发生了沉降、裂缝，不能使用。
水窖建设的选址布局实际上是一个优化问题，应遵从以下原则［4］：
（1）因地制宜，充分利用岩溶山区地形高差大的特点，尽可能实现完全重力自流集水和自流灌溉，以减少集流场的投资，并节省能量；
（2）集雨工程要建在工程地质条件良好的地方，边坡要稳定，避免修建在受泥石流影响和容易爆发山洪的地方；
（3）尽量少占耕地；
（4）地基最好有一层较厚的粘土层，以防止渗漏。如果底部是砂土、砾石、卵石或风化岩石，必须做好防渗处理。
4.2 设计与施工
分散供水设施作为一种小型的给排水工程，水的“给”和“排”都有其自身特点，这一点在设计、施工中往往被忽视。不重视附属设施，如在溶井周围不设排水沟、在水窖引水沟前未设拦污栅和沉沙池，从而造成分散供水水质差。建筑材料的质量不合格，主要是水泥的质量问题。要注意水泥的配比，切忌使用不合格水泥、贮运过程中已经受潮产生团块的水泥以及贮运时间超过5个月的袋装水泥。
4.3 水质安全
据调查分析，目前分散供水水源水质都存在不同程度的污染，尤其是溶井和无盖水柜的水质比较差，经常有藻类、树叶、草屑、摇蚊幼虫等漂浮物且细菌总数、COD、氨氮、亚硝酸盐氮超标；有盖水柜的水质尚可，除pH值偏高外，其余指标均达到饮用水标准［6］。以雨水为水源的水窖水质变化较大，主要受当地大气和地面污染物的影响［7］。
分散供水水质被污染后，常常会导致霍乱、伤寒、痢疾以及其他许多疾病，对岩溶区居民的身体健康造成危害［8］。由于岩溶山区的住户过于分散，即使由于分散供水的水质问题而引起疾病，也很难被统计和引起人们警觉。因此，对上述问题更应引起重视，并应开展相应研究。
要改善分散供水的水质，宜采取以下措施：
（1）严禁在水源附近堆放生活垃圾，尤其是在下雨之前要注意清扫集雨坪。
（2）建筑材料要严格采用可防止污染的卫生材质，水窖和水柜宜采用水泥材料，但需进行内衬处理，防止水泥中的有害成分溶出。
（3）应在水窖窖口加盖，且在引水口前设置拦污栅和沉沙池，慢滤池对受污水体进行处理时也是必需的；在暴雨、洪水季节过后，务必要对水窖进行一次清洗；当水质严重恶化时，要投放明矾或漂白粉进行消毒［9］。
（4）水柜引水管宜采用PC管材或镀锌钢管，PVC管材不能用于供水；对于更新较慢的水柜水（超过5天更新一次），需设置慢滤池进行处理并定期清洗水柜，以防止水中细菌孳生和水垢的产生。对于小型水柜，可半个月清洗一次。
（5）在溶井周边设置一定范围的防护带和畅通的排水沟，以保证周边污水不渗入溶井内，以及在大雨期间地表漫流不淹没溶井；为防止阳光照射引起溶井内藻类繁殖，最好在溶井上加留有取水口活动盖板，并在每年枯水期对溶井井壁进行一次清洗，3～5年对溶井底部的滤料进行一次更换。
当然，就目前的情况而言，保证分散供水水质的最重要措施是水要烧开后饮用。
参考文献
［1］COST 65（1995）：Hydrogeological aspects of groundwater protection in karstic areas，Final report（COST action65）.—European Comission，Directorat⁃General XII Science，Research and Development，Report EUR 16547 EN：446 p.；Brüssel，Luxemburg
［2］陈梦熊，马凤山.中国地下水资源与环境［M］.北京：地震出版社，2002
［3］袁道先，朱德浩等.中国岩溶学［M］.北京：地质出版社，1993
［4］陈志祥，王洪涛，陈沐生.西南岩溶山区集雨工程现状与对策［J］.中国给水排水，2004，（9）：31～33
［5］肖厚军.南方山区小型集雨工程的建造［J］.农技服务，2004，（4）：50～51
［6］蓝俊康，蓝艳红.集雨工程的水质研究进展［J］.中国给水排水，2002，18（8）：23～25
［7］张小玲，梁慧光.雨水集流饮用水的污染及水质改良途径［J］.甘肃农业大学学报，1998，16（3）：84～88
［8］Jensen P K，Ensink H J，Jayasinghe G et al.Domestic transmission routes of pathogens：the problem of in⁃house contamination of drinking water during storage in developing countries ［J］.Tropical Medicine＆International Health，2002，7（7）：604～609
［9］刘洪亮，俞振泰，马蔚等.简易持续饮水消毒器处理地窖饮用水的试验研究［J］.中国公共卫生，2000，16（10）：927～928
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