西南岩溶山区分散供水模式及存在的问题
(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)部分成果。
作者简介:邹(1969-)，男，副研究员，主要从事岩溶资源与环境工程研究。
摘要:我国西南岩溶地区居民主要采用溶解井、水箱和水窖三种方式进行分散供水，其水源分别来自地下河、岩溶泉和雨水。在大量调研和实际工程的基础上，总结了西南岩溶地区分散式供水模式，分别分析了三种供水模式的区域适宜性，详细论述了各模式的设计思路、设计参数和施工注意事项，并结合实际工程给出了设计示意图。最后，分析了分散式供水的主要问题——水质安全，并提出了相应的措施。
关键词:喀斯特地区；分散供水；水窖；水箱；溶解良好
水是人类生存和生产不可缺少的宝贵资源，也是生态系统中活跃的影响因素。存在于地下的地下水因其水质好、分布广、供水稳定，已成为人类社会生产生活的重要供水水源。岩溶地下水资源是岩溶地区的主要供水水源，甚至是许多地方唯一的淡水来源。在欧洲，超过50%的饮用水由岩溶地下水供应[1]。可见，岩溶水资源在社会经济发展中的地位和作用是十分重要的。
虽然中国西南岩溶地区年平均降雨量在1100mm以上，但该地区水资源总量非常丰富(见下表)[2]。但由于种种原因，该地区水资源短缺:①地表与地下双层结构的特殊地质环境[3]，加上地形高差大、岩溶发育强烈、表土薄、植被少、土壤渗透性强、涵养水源能力低，导致岩溶地区地表水和深层地下水缺乏，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”的无奈局面。(2)降雨具有很强的季节性，降雨年分布极不均匀。连续四个月(5-8月或6-9月)的降雨量占全年降雨量的60%-70%，往往表现为夏季洪涝，冬春干旱。(3)该地区地理条件特殊，土地小而分散，居民分散，无法修建大型水利工程。可见，西南岩溶山区不是资源型缺水，而是季节性缺水和工程性缺水[4]。
中国西南部分地区地下河流量统计
据不完全统计，广西39个喀斯特石质山区县有240万人、202万头牲畜，缺水人口地域分散，多在500人以下，尤其是高峰和集群山区，人口分散更为明显，加剧了大规模集中供水的难度。西南岩溶山区季节性缺水和工程性缺水已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，通过多年探索，结合当地地貌位置和水资源特点，开发了适合西南岩溶山区分散供水的多种供水模式，主要有溶解井、水箱和水窖，水源分别来自地下河、岩溶泉和雨水。下面讨论这三种主要供水方式的特点、适用条件、设计方法和存在的问题。
1水窖供水
1.1的适用条件
水窖常见于云贵高原峰丛山区，主要用于地势较高、地表垂直岩溶极其发育的峰丛山区分散的人畜供水。水文地质上，该区属于地下水补给区，降水沿垂直裂隙下渗。地表径流只能在雨季和暴雨时形成，没有地表岩溶泉。降水是这个地区水资源的唯一来源。
近年来，我国西南岩溶山区开展了大规模的雨水收集利用工作。广西、贵州、云南许多地方在政府的组织下修建了无数水窖，有效地解决了喀斯特山区人畜饮水和灌溉用水，极大地促进了生活经济的发展。
为了方便收集雨水，所有水窖都建在地面以下(图1)，每个水窖在地面都有一条收集雨水(屋檐水和地表径流)的沟渠(图2) [5]。因为需要储水，水窖的容积比较大，一般20 ~ 30m3，大一点的可以达到50m3以上。
图1家庭小水坑
图2雨水收集工程示意图(小型水窖)
(据小报道)
1.2的设计思想
为了保证水窖的水质，水窖一般设计成带集雨坪的密封圆柱形或方形水池(图2)，其优点是:①水窖埋在土中，类似于一个微型的地下水储存系统，有利于水质；②水窖不易被人类活动损坏，经久耐用；(3)水窖是密封的，这样污染物就不会落入窖内，水中的微生物也因为密封不透明而不易存活繁殖；(4)利用人工集雨平台集水，可以防止雨水在进入水窖之前受到污染。设计的重点是控制水质，使水窖得到有效的利用和易于维护。水窖容量根据缺水时间、用水人口、用水定额等参数确定。
1.3水窖相关参数的确定
(1)水窖的容积公式为:v = n× I× t其中:V为水窖的容积；n为用水人数；I为用水定额，按国标和实际值取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，水窖的容积还要考虑畜禽的用水量。
(2)水窖规格的确定。国内小型水窖直径2 ~ 3m，水窖有效蓄水深度一般在4m左右。
(3)集雨平台的确定。由于人畜饮水窖对水质要求较高，设计中应采用人工水泥集雨台，主要用于收集雨水，也可作为农民打谷场。公式为:v = FP (1-η)。其中:f为雨水收集面积；η是由蒸发、浓缩等引起的降雨损失系数。，一般取0.3；p为降雨量，根据实际情况确定数值。如实测降雨量为1500mm，F值为30m2，呈矩形排列，规格为6m×5m。为了更有效地收集水，在雨水收集高原的边缘设置了50毫米高的水线。
水窖的设计不仅需要考虑储水容积，还要考虑水质。在设计和施工中，可以进行一体化施工(图3)，保证水窖的水质安全。
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窖址应选在坚实的地基上，位置应高于人住的房子，便于取水；(2)窨井应预留给窖的盖板检修、清理窖池，同时便于窖内水位过低时用水桶取水；(3)雨季来临前，应对水窖进行消毒，防止水质恶化。总的来说，窖水温度能保持在4 ~ 7℃，除大肠杆菌外，其他大部分指标都在国家生活饮用水水质标准允许范围内。
1.5水窖效益分析
根据对受益农户的跟踪调查，大部分农户已经从几代人靠人驮马变成用自来水，既提高了水质又节省了劳动力。据测算，修建小型水窖后，每户每年至少可节约回水120工日，这些节约下来的劳动力用于外出务工或就地发展生产。以低人均日收入10元计算，平均每户年收入或收入可达1200元以上，小水窖投资回收期仅为14年。按30年使用年限计算，投资效益比可达1∶22，长期经济效益十分可观。如果将小型水窖广泛应用于山区农业灌溉，可以大大改善农业生产条件，改变山区农业靠天吃饭的局面，大幅度提高农作物产量，对于加快山区贫困农民脱贫步伐，发展农村社会经济具有重要意义。
2溶解井水供应
2.1适用条件
溶解井主要适用于峰丛洼地底部和岩溶河谷边缘，是区域性地下水径流区。这个地区没有地表泉水出露，但有一条地下河穿过。溶解井其实属于暗河管道的天窗。由于地势较低，地下河水从天窗涌出(图4)。可见，溶解井的建设条件比较苛刻，只能建在合适的地方。
2.2溶解井设计和施工要点
为了方便取水，有必要对天然溶解井进行改造——在天窗的基础上修建水井。因为溶解井是露出地表的，可以像山塘一样直接方便的使用。为了保证水质不受人类污染，串联建设了许多溶解井(图5)，即1主井串联2 ~ 3个水池，根据用途分别用水，保护水质。主井作为饮用水井，水从主井通过一个小槽流到下游水池。旁边的第一个水池作为生活洗涤水池，然后后池的水用于浇水和杂物清理。
图4天然溶液井
图5。湖南新田匡家三联解井。
溶解井的大小是根据其流量和总人口决定的。因为饮用水和水是分开的，所以当流量为0.5 ~ 1L/s时，一口容积为2m×1.5m×2m的溶解井可以满足约1000人的生活用水需求。
溶解井(主井)的施工也比较简单。首先要彻底清理好自然溶液井中的淤泥，然后对自然溶液井进行扩容。深度应在完整基岩面以下1 ~ 2m，外围根据溶井大小扩大。每个水池的施工应按照普通水池进行。典型的溶解井设计见图6。
天然块石和水泥多用作溶解井井壁的建筑材料。在井底分层铺设一定厚度的砾石和砂层，对地下水进行初步过滤。天然的石头和水泥也被用作池底和池壁的建筑材料。溶井主要是防止池壁渗漏，而用池需要防止池底和池壁两方面的渗漏。
图6溶解井设计示意图
在设计和施工过程中，在溶解井周围设置一定范围的防护带和清沟，保证周围污水不渗入溶解井，保证暴雨时地表溢流不淹没溶解井，是非常重要的。防护带的距离不应小于15m，防护距离内不得有污染物残留。防护带地面应用水泥地面固化，防止污水渗入。
3水箱供水
3.1适用条件
水箱供水可以适用于整个峰丛山区，首要条件是必须有泉水(大部分属于地表岩溶泉)，泉水是其主要水源。这类地区一般属于小泉域地下水排泄区，地下水以水平运动为主。
地表泉有规律泉，但多为季节性泉，只有雨季有水流。比如河池山区水箱的水源就是季节性的山泉水，雨水渗过山体本身的土壤、植被、裂缝后流出的泉水非常清澈，只有在暴雨季节突然出现山泉时才会有水喷出。所以每个水缸一年只能灌一次水，村民必须靠各自水缸储存的水生活1年。
3.2设计和施工
水箱一般采用方砖石结构(水泥抹灰防漏)，也可采用水箱形式，多建在各自家的表面；利用地形的自然高差，从高泉口将水抽入水箱。引水设施有竹槽(由竹子劈开拼接而成)、木槽(由整根木头挖空拼接而成)、塑料水管、铁管等。(图7)。
有常年供水的地方，水箱容积可适当小一些，一般为单户3 ~ 5m3(图8)，可根据人口和用水定额确定集中供水水箱(图9)。
图7水箱工艺设计
图8 Lotta家用水箱(适用于7户家庭)
图9湖南新田峨眉荡村200多人用的水缸。
只有季节性供水的地方，水箱容积要比较大，容积过大时，可以分成几个中等容积的水箱来建；水箱容积的计算公式与水窖基本相同。
3.3预防措施
水箱的施工主要注意以下几点:①合适的施工场地。水箱基础的岩土层必须均匀稳定，避免不均匀沉降；(2)水箱外部必须加固，保证水箱不裂不漏；(3)水箱内部必须在抹水泥后粘贴内衬材料，以保证水质安全。
4分散式供水存在的问题及对策
4.1位置布局
选址布局不合理主要表现在水窖的建设上。由于集雨工程建设主要由农民自己进行，政府只负责发起并提供一定的资金和技术支持，因此缺乏统一、科学、合理的规划，导致选址和布局不当，使得集雨工程无法发挥应有的效益。水窖的修建大多没有考虑地形、地质条件和集水条件。有些水窖因为地质条件不好，没有使用，建成不久就出现了沉降和裂缝。
水窖建设的选址布局实际上是一个优化问题，应遵循以下原则[4]:
(1)因地制宜，充分利用喀斯特山区地形高差大的特点，尽可能实现全重力自流集水和自流灌溉，减少集水场投资，节约能源；
(2)雨水收集工程应建在工程地质条件好的地方，边坡应稳定，避免建在受泥石流影响、易发山洪的地方；
(3)尽量少占用耕地；
(4)地基应有厚厚的粘土层，以防渗漏。如果底部是砂、砾石、卵石或风化岩石，必须做防渗处理。
4.2设计和施工
分散式给水设施作为小型给排水工程，有其自身的特点，在设计和施工中往往被忽视。不重视附属设施，如溶解井周围没有排水沟，水窖导流沟前没有拦污栅和沉砂池，导致分散供水水质差。建筑材料质量不合格，主要是水泥质量。注意水泥的配比，避免使用不合格水泥、储运过程中受潮的水泥、储运时间超过5个月的袋装水泥。
4.3水质安全
据调查分析，分散式供水水源水质受到不同程度的污染，特别是溶解井和无盖水箱水质较差，常有藻类、树叶、草屑、摇蚊幼虫等漂浮物，细菌总数、COD、氨氮、亚硝酸盐氮超标；带盖水箱水质合格，除pH值偏高外，其他指标均符合饮用水标准[6]。以雨水为水源的水窖水质变化较大，主要受当地空气和地面污染物的影响[7]。
分散式供水的污染水质常导致霍乱、伤寒、痢疾等多种疾病，对喀斯特地区居民的健康有害[8]。由于喀斯特山区住户过于分散，即使因分散供水的水质问题引发疾病，也很难被统计和预警。因此，对上述问题应给予更多的关注，并开展相应的研究。
为改善分散供水的水质，应采取以下措施:
(1)禁止在水源附近堆放生活垃圾，尤其注意在下雨前清理集雨坪。
(2)建筑材料应严格采用能防止污染的卫生材料，水窖、水箱应采用水泥材料，但需做内衬处理，防止水泥中的有害成分溶出。
(3)水窖坑口应加盖，取水口前设置拦污栅和沉砂池。处理污水也需要慢速过滤器。暴雨洪水季节过后，需要打扫一次地窖；当水质严重恶化时，应投入明矾或漂白粉进行消毒[9]。
(4)水箱引水管应采用PC管或镀锌钢管，不能采用PVC管供水；对于更新慢的水箱(5天更新一次)，需要设置慢滤器进行处理，定期清洗水箱，防止水中细菌滋生和水垢生成。对于小水箱，可以半个月清洗一次。
(5)在溶解井周围设置一定范围的防护带和畅通的排水沟，保证周边污水不渗入溶解井，暴雨时地表溢流不淹没溶解井；为了防止阳光照射引起的溶井内藻类繁殖，最好在溶井上加一个可移动的取水盖板，枯水期每年清洗一次溶井井壁，3 ~ 5年更换一次溶井底部的滤料。
当然，就目前的情况来看，保证分散式供水质量最重要的措施就是把水烧开再喝。
参考
[1]COST 65(1995):岩溶地区地下水保护的水文地质方面，最终报告(COST action65)。—欧洲委员会，主任？科学、研究和发展，报告EUR 16547 EN:446 p；卢森堡布鲁塞尔
陈孟雄，马凤山。中国地下水资源与环境[M]。北京:地震出版社，2002。
袁道贤，朱德浩，等。中国岩溶[M]。北京:地质出版社，1993。
陈志祥，王洪涛，陈木胜。西南岩溶山区集雨工程现状及对策[J].中国给水排水，2004，(9): 31 ~ 33。
[5]萧·。南方山区小型集雨工程建设[J].农业技术服务，2004，(4): 50 ~ 51
伊恩·康军伊恩·洪雁。雨水集蓄工程水质研究进展[J].中国给水排水，2002，18 (8): 23 ~ 25。
张晓玲，梁慧光。雨水集水区饮用水的污染及改善水质的途径[J].甘肃农业大学学报，1998，16 (3): 84 ~ 88。
[8]詹森·P·K，恩辛克·H·J，贾亚辛格·G等.病原体的国内传播途径:在？发展中国家饮用水储存过程中的室内污染[J].热带医学与国际卫生，2002，7(7):604~609
刘洪亮，于振泰，马伟，等.简易连续饮水消毒器处理地窖饮用水的试验研究[J].中国工* * *卫生，2000，16 (10): 927 ~ 928。