本發(fā)明涉及水土保持和水資源高效利用，特別是針對(duì)西南喀斯特石漠化干旱地區(qū)，提供一種喀斯特山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流高效集蓄方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、西南喀斯特石漠化地區(qū)由于地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表層土壤比較淺薄，分布不均且不連續(xù)，土壤在環(huán)境中遭到不同程度的侵蝕。在西南喀斯特地區(qū)，盡管降雨量豐富，但表層水資源向下巖溶孔隙流失嚴(yán)重，大量降水下漏到裂縫、巖溶孔洞、地下暗河，還有一大部分水資源流失到山坡坡腳淺層表層巖溶帶側(cè)向徑流中，正是這些各種各樣的水資源流失途徑導(dǎo)致地表可用水資源缺乏，各個(gè)地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重缺水問題和不同程度石漠化，難以滿足農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)修復(fù)、畜牧養(yǎng)殖、臨時(shí)用水的需要。如何有效利用山坡坡腳淺層表層巖溶帶水資源解決西南喀斯特地區(qū)缺水問題是石漠化干旱治理面臨的重大難題之一。傳統(tǒng)的集水方法效率低，難以充分利用淺層表層巖溶帶側(cè)向的自然水資源，現(xiàn)有的集水裝置多采用簡(jiǎn)單的硬管暗管集水排水加上簡(jiǎn)單的沉沙池或過濾系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)在處理大量泥沙和維護(hù)方面存在一定的局限性。山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流管道排水集蓄方法針對(duì)山坡坡腳淺層表層巖溶帶側(cè)向水資源利用的新方法，通常指收集山坡坡腳淺層表層巖溶帶側(cè)向的水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)修復(fù)、畜牧養(yǎng)殖、臨時(shí)用水等?？λ固貐^(qū)獨(dú)特的地上地下二元三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致非喀斯特區(qū)非常規(guī)水利用關(guān)鍵技術(shù)在該區(qū)不適用。積極研發(fā)遵循喀斯特區(qū)特殊水循環(huán)規(guī)律的水資源高效利用新模式，是解決集中供水困難的喀斯特偏遠(yuǎn)、分散居民點(diǎn)生產(chǎn)生活用水短缺問題的有效舉措，同時(shí)也是消除植被恢復(fù)重建過程中水分限制因子，鞏固石漠化綜合治理成效的可行途徑，針對(duì)以上問題，我們根據(jù)喀斯特區(qū)山坡巖土分布格局特征，在已有喀斯特坡地界面產(chǎn)流規(guī)律認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種高效利用喀斯特坡腳淺層表層巖溶帶側(cè)向徑流的柔性暗管集水新方法，本發(fā)明旨在提供一種高效、低成本、易維護(hù)的集蓄水方法和裝置，以解決喀斯特地區(qū)的缺水問題，促進(jìn)水資源的有效利用。致力于緩解喀斯特山區(qū)工程性、季節(jié)性缺水的問題，鞏固石漠化區(qū)植被恢復(fù)成效。

2、喀斯特地貌是一種由可溶解的巖石，尤其是石灰?guī)r，在長(zhǎng)期水流作用下形成的具有溶蝕、沉積特征的地貌。這種地貌在全球范圍內(nèi)廣泛分布，尤其在中國西南地區(qū)表現(xiàn)顯著?？λ固氐貐^(qū)以其獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文特性而聞名，包括地下河、溶洞、天坑、峰林等自然景觀。喀斯特地貌的形成是一個(gè)復(fù)雜的自然過程，涉及地表水和地下水對(duì)石灰?guī)r等可溶性巖石的長(zhǎng)期化學(xué)溶蝕作用。這一過程導(dǎo)致地下水系高度發(fā)達(dá)，地表水快速滲透，形成了獨(dú)特的水文地質(zhì)條件?？λ固氐貐^(qū)的水資源具有明顯的垂直分帶性，地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換頻繁，水資源的分布和可利用性受到地形、地質(zhì)和氣候等多種因素的共同影響。然而，喀斯特地區(qū)水資源的開發(fā)和利用面臨著一系列挑戰(zhàn)。首先，喀斯特地貌的高滲透性導(dǎo)致地表水易于流失，難以形成穩(wěn)定的地表徑流，給水資源的收集和儲(chǔ)存帶來困難。其次，地下水系的復(fù)雜性增加了水資源管理和保護(hù)的難度，尤其是在確定水源、評(píng)估水質(zhì)和水量方面。此外，喀斯特地區(qū)常見的水土流失問題進(jìn)一步加劇了水資源短缺的風(fēng)險(xiǎn)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，喀斯特地區(qū)的水資源短缺問題尤為突出。由于地表水的缺乏和地下水的難以利用，傳統(tǒng)的灌溉方式往往難以滿足作物生長(zhǎng)的需求。此外，喀斯特地區(qū)的土壤往往較薄，肥力較低，進(jìn)一步限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛力。鑒于上述挑戰(zhàn)，喀斯特地區(qū)的水資源管理和保護(hù)需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)和方法。這包括開發(fā)有效的集水系統(tǒng)、改進(jìn)灌溉技術(shù)、增強(qiáng)水資源的可持續(xù)利用能力等。這些技術(shù)和方法應(yīng)當(dāng)充分考慮喀斯特地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，以及與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的兼容性。

3、為了解決西南喀斯特石石漠化干旱地區(qū)不同空間水資源收集和利用問題，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和研究人員設(shè)計(jì)了不同的集蓄水方法和研究探索。如專利號(hào)：cn116557254a的中國專利，一種利用喀斯特地區(qū)氣候資源的光伏集水揚(yáng)水方法，包括自流蓄水裝置和儲(chǔ)水灌溉裝置。專利號(hào)：cn103882908b的中國專利，描述了喀斯特地區(qū)水資源的利用方法，包括建立坡面集雨系統(tǒng)、修建提水工程、建立屋面集雨系統(tǒng)和推廣滴灌節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)。專利號(hào)：cn108934658a的中國專利，設(shè)計(jì)一種用于喀斯特地區(qū)的集水覆膜裝置，該裝置包括薄膜、沉孔、引流桿和集水器，旨在解決植株根系無法有效吸收土壤蒸發(fā)循環(huán)中的水分問題。專利號(hào)：cn202020122921.6的中國專利，提出了一種專門針對(duì)喀斯特地區(qū)特殊地質(zhì)和水文條件設(shè)計(jì)的山體集水滴灌系統(tǒng)。專利號(hào)：cn?116369159?a的中國專利，利用溶溝集水池、自流集水管、集水揚(yáng)水裝置、揚(yáng)水管和揚(yáng)水儲(chǔ)水灌溉裝置進(jìn)行降水收集和灌溉。裝置通過太陽能供電，利用坡面高度差實(shí)現(xiàn)自流和揚(yáng)水。專利號(hào)：cn?201210277217.8的中國專利，利用自然形成的巖石凹槽作為儲(chǔ)水基礎(chǔ)，進(jìn)行防滲漏水處理，形成儲(chǔ)水單元。專利號(hào)：cn201410111614.7的中國專利，包括建立坡面集雨裝置、修建提水工程開發(fā)皮下水和上層滯水、屋面集雨裝置、推廣淺灌節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)和科學(xué)灌溉方式。專利號(hào)：cn?201210100231.2的中國專利，研究出了一種喀斯特地區(qū)地下水資源開發(fā)利用方法，通過鉆井、地下管道等方式開發(fā)利用地下水資源。

4、在越來越多的研究發(fā)明下，這些技術(shù)在一定程度上解決喀斯特地區(qū)集蓄水問題，但存在一些不足：(1)未針對(duì)光伏集水揚(yáng)水系統(tǒng)可能面臨天氣依賴性問題和解決方法適用的季節(jié)和位置進(jìn)行闡明和給出解決方法，如連續(xù)陰天或雨季可能導(dǎo)致光伏發(fā)電效率降低，如專利號(hào)：cn116557254a的中國專利，僅說明了一種利用喀斯特地區(qū)氣候資源的光伏集水揚(yáng)水方法，包括自流蓄水裝置和儲(chǔ)水灌溉裝置。但選取的位置陽光照射時(shí)間有限，或者對(duì)地理位置比較苛刻集水能力不理想，也沒有抵御一定防風(fēng)抗倒塌能力和適應(yīng)能力，難以滿足規(guī)模化農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)修復(fù)、畜牧養(yǎng)殖、臨時(shí)用水的需要。(2)只考慮了設(shè)計(jì)深度和復(fù)雜度，但沒有考慮到建造成本和后期維護(hù)運(yùn)營成本，如專利號(hào)：cn103882908b的中國專利，其系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜性可能導(dǎo)致建設(shè)和運(yùn)營成本較高。(3)沒有考慮到普遍適應(yīng)性和維護(hù)過程的高效便捷性，如專利號(hào)：cn108934658a的中國專利，可能需要特殊的維護(hù)來保證覆膜裝置的完整性和功能并且達(dá)不到對(duì)水資源的合理集蓄多方面利用，將可能會(huì)造成水資源浪費(fèi)。(4)設(shè)計(jì)中沒有表明可能在實(shí)際施工面臨地形適應(yīng)性問題和安裝難度提出可行性解決建議。如專利號(hào)：cn202020122921.6的中國專利，在設(shè)計(jì)上沒有因?yàn)榭λ固氐匦螐?fù)雜多變，需要對(duì)集水設(shè)施和輸水管道進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)和調(diào)整，以適應(yīng)不同的地形條件。在安裝難度上，由于喀斯特地區(qū)的巖石堅(jiān)硬且多裂隙，安裝集水和滴灌設(shè)施可能需要特殊的施工技術(shù)和設(shè)備，在后期維護(hù)上，喀斯特地區(qū)的特殊環(huán)境可能導(dǎo)致系統(tǒng)部件磨損加快，需要更頻繁的維護(hù)和更換，增加了長(zhǎng)期運(yùn)營成本。(5)沒有提出如何降低系統(tǒng)的初期投資和運(yùn)營成本，提高降水收集效率并減少對(duì)降水量的依賴；如何適應(yīng)石漠化地區(qū)多變的地形條件并確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；如何確保太陽能供電的穩(wěn)定性以及如何對(duì)收集的降水進(jìn)行有效的水質(zhì)管理和處理，如專利號(hào)：cn?116369159?a的中國專利，雖然提供了一種創(chuàng)新的水資源收集和利用方案，但缺點(diǎn)很明顯，包括較高的初期投資和持續(xù)的維護(hù)成本，系統(tǒng)效率對(duì)降水量的依賴性，以及對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性挑戰(zhàn)。此外，太陽能供電的穩(wěn)定性、水資源的合理管理和水質(zhì)保證也是需要考慮的因素。技術(shù)復(fù)雜性要求較高的施工和運(yùn)營技術(shù)水平，而且可能對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種喀斯特山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流高效集蓄裝置，其包含可任意調(diào)整坡度方向的伸展式柔性暗管管道集水管，對(duì)其溝渠內(nèi)的水，經(jīng)由粗砂-可吸附性生物炭-細(xì)石砂的多層過濾，實(shí)現(xiàn)水資源的有效收集。

2、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種喀斯特山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流高效集蓄方法，用于高效集蓄淺表層側(cè)向徑流水，能有效匯聚大量存于深度大約為0.5～1.5m的喀斯特淺部表層巖溶帶飽和及近飽和水分，滿足局部區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)修復(fù)、畜牧養(yǎng)殖、臨時(shí)用水的需要。

3、本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

4、一種喀斯特山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流高效集蓄裝置，由柔性暗管管道集水系統(tǒng)和蓄水池組成，包括如下結(jié)構(gòu)：

5、沿著選定的坡腳表層巖溶帶等高線、平行設(shè)置帶有坡度的溝渠，所述溝渠的下坡位垂直壁方向設(shè)置有混凝土集水擋板；

6、所述溝渠深度為1.2m～1.5m寬度為0.6m長(zhǎng)8m～10m，坡度為2％～5％，所述集水擋板高度為0.6m～1.0m，設(shè)計(jì)厚度為0.12m；

7、所述溝渠底部進(jìn)過防滲處理，所述溝渠底部的上方設(shè)置厚度為5cm～10cm的混凝土防水墊層，所述溝渠內(nèi)部、混凝土防水墊層上方自下而上設(shè)置粗石砂生物炭回填層、細(xì)石砂生物炭過濾層和回填土層。

8、所述粗石砂生物炭回填層厚度20cm～40cm，所述粗石砂生物炭回填層使用粒徑為25mm～40mm的的可吸附性生物炭、粒徑為5mm～25mm的粗石砂；

9、所述細(xì)石砂生物炭過濾層厚度為15cm～35cm，所述細(xì)石砂生物炭過濾層使用粒徑為15mm～25mm的可吸附性生物炭、粒徑為0.15～2mm的細(xì)石沙；所述回填土層的厚度為65cm～85cm；

10、所述粗石砂生物炭回填層的中間部分，串聯(lián)放置柔性暗管管道，所述柔性暗管管道的管身設(shè)置有漏斗形狀的滲水孔；所述柔性排水暗管兩端頭裝有漏斗進(jìn)水口，有助于引導(dǎo)更多的水流進(jìn)入管道和阻止泥沙進(jìn)入；柔性暗管管道通過連接集水管出口引導(dǎo)水流排出。

11、所述集水管出口連接引流管道，所述柔性暗管管道用于收集坡腳淺層表層和上坡淺層表層巖溶帶向下流的滲水。

12、所述蓄水池結(jié)構(gòu)包括：

13、蓄水池側(cè)面設(shè)置多個(gè)(4～6)蓄水池出水口，蓄水池出水口同側(cè)的水池壁面下部設(shè)置蓄水池承壓排水管和蓄水池承壓排水管閥門；所述蓄水池承壓排水管兼做排沙管；所述蓄水池出水口兼做溢洪管；所述蓄水池進(jìn)水口通過引流管道相連收集柔性暗管管道的水徑流；所述引流管道連接外置蓄水池的頂部的蓄水池入水口，且所述溝渠內(nèi)的的管道集水系統(tǒng)位置低于與之相連的蓄水池；

14、溝渠內(nèi)的水通過柔性暗管管道、集水管出口、引流管道、當(dāng)進(jìn)入蓄水池的水量超過水箱儲(chǔ)存量時(shí)，多余水量由自流蓄水箱溢洪管排出；當(dāng)有泥沙進(jìn)入蓄水池時(shí)，打開蓄水池排沙管閥門將泥沙排出。

15、一種喀斯特山坡表層巖溶帶側(cè)向徑流高效集蓄方法，步驟如下：

16、1、在坡腳淺層表層沿等高線平行開挖深1.2m～1.5m寬約為0.6m長(zhǎng)為8m～10m兩邊高中間低坡度為2％～5％之間的的溝渠，對(duì)溝渠底部進(jìn)行防滲處理；

17、2、所述溝渠的下坡位垂直壁方向設(shè)置混凝土材質(zhì)的集水擋板；集水擋板高度在0.6m～1.0m之間，設(shè)計(jì)厚度0.12m；

18、3、在防滲處理后的溝渠底部安放5cm～10cm混凝土防水墊層，所述混凝土防水墊層的上方鋪設(shè)厚度為20cm～40cm的粗石砂生物炭回填層，所述粗石砂生物炭回填層使用粒徑為25mm～40mm的可吸附性生物炭，粒徑為5mm～25mm的粗石沙顆粒；

19、4、所述粗石砂生物炭回填層底部上方約3cm～5cm處、串聯(lián)放置柔性暗管管道，所述柔性暗管的管身設(shè)置有漏斗形狀的滲水孔；所述柔性暗管管道兩端設(shè)置有漏斗進(jìn)水口，有助于引導(dǎo)更多的水流進(jìn)入管道和阻止泥沙進(jìn)入；柔性暗管管道連接集水管出口引導(dǎo)水流排出。

20、5、所述粗石砂生物炭回填層的上方鋪設(shè)厚度為15cm～35cm的細(xì)石砂生物炭過濾層、所述細(xì)石砂生物炭過濾層使用粒徑在15mm～25mm的可吸附性生物炭，粒徑在0.15mm至2mm之間的細(xì)石沙顆粒。

21、6、所述細(xì)石砂生物炭過濾層上方原生回填厚度為65cm～85cm的土層；步驟1-6完成管道集水裝置的設(shè)置安裝。

22、7、將步驟4所述集水管出口連接引流管道，所述引流管道連接外置蓄水池的頂部的蓄水池入水口，且每個(gè)所述的溝渠內(nèi)的管道集水系統(tǒng)的位置低于與之相連的蓄水池；所述蓄水池側(cè)面設(shè)置多個(gè)蓄水池出水口，蓄水池出水口同側(cè)的水池壁面下部設(shè)置蓄水池承壓排水管和蓄水池承壓排水管閥門；所述蓄水池承壓排水管兼做排沙管；所述蓄水池出水口兼做溢洪管。

23、其中，

24、裝置設(shè)計(jì)參數(shù)步驟一：收集河池環(huán)江研究站喀斯特建設(shè)區(qū)的多年氣象資料，包括日降水量和晴天日數(shù)、雨季和旱季的時(shí)間；

25、裝置設(shè)計(jì)參數(shù)步驟二：柔性排水暗管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算

26、q＝k·c·a??????????????????????????????????????????????????(1)

27、q是設(shè)計(jì)水流量(單位：立方米/秒)；k是流量系數(shù)，根據(jù)土壤類型和排水系統(tǒng)的特性確定；c是徑流系數(shù)，反映地表徑流與降雨量的關(guān)系；a是匯水面積(單位：平方公里)

28、裝置設(shè)計(jì)參數(shù)步驟三：柔性排水暗管直徑的計(jì)算

29、

30、d是柔性排水暗管直徑(單位；米)；q是設(shè)計(jì)流量(單位：立方米/秒)；π是周圓率，計(jì)算時(shí)取值約為3.14；u是柔性排水暗管內(nèi)水的流速(單位：米/秒)，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和水力計(jì)算確定。

31、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：

32、(1)本發(fā)明裝置具有多方向多層次徑流收集能力，采用柔性暗管排水技術(shù)能同時(shí)收集地表徑流和表層巖溶帶側(cè)向徑流，獲取水源時(shí)間更長(zhǎng)更穩(wěn)定，而且還能減少區(qū)域內(nèi)水土流失。

33、(2)本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)喀斯特坡腳淺層巖溶系統(tǒng)多界面徑流的自然收集，且解決了地表徑流和表層巖溶帶側(cè)向徑流無法收集利用的難題，能夠?qū)崿F(xiàn)喀斯特坡腳任意地塊的農(nóng)業(yè)灌溉或生態(tài)修復(fù)，能夠解決喀斯特石漠化地區(qū)的工程性缺水和季節(jié)性干旱。

34、(3)本發(fā)明裝置能保證修建前后坡腳土壤水勢(shì)變化趨勢(shì)的一致性。柔性暗管排水系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)開挖溝渠土壤進(jìn)行回填，恢復(fù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域和下坡位及周邊土壤水力梯度變化的連續(xù)性，從而避免了斷面直接與空氣接觸影響坡面土壤水勢(shì)等值線變化趨勢(shì)。

35、(4)本發(fā)明暗管排水裝置能夠有效收集和傳輸巖溶帶中的水分及地表徑流，減少水土流失，同時(shí)提高水資源的收集和再利用效率。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)不同的喀斯特地貌進(jìn)行定制設(shè)計(jì)

36、(5)與地表產(chǎn)流水調(diào)蓄技術(shù)相比，本技術(shù)獲取的水源產(chǎn)流時(shí)間更長(zhǎng)能同時(shí)獲取地表徑流和表層側(cè)向巖溶帶徑流、水量更穩(wěn)定、水質(zhì)更優(yōu)。與巖溶泉利用技術(shù)相比，該技術(shù)可在任意坡地坡腳實(shí)施，不受限于泉水出露位置，可根據(jù)不同地理位置調(diào)整。道路雨水積蓄技術(shù)依賴于道路密度和硬化程度，該技術(shù)在無道路分布區(qū)也能實(shí)施。

37、(6)本方法和裝置施工周期短，建造成本低經(jīng)過系統(tǒng)仔細(xì)的總和計(jì)算預(yù)算約為4495.98元/個(gè)，不改變?cè)衅碌刂脖患拔⒌孛?，運(yùn)行穩(wěn)定且基本實(shí)現(xiàn)了后期的免維護(hù)。與傳統(tǒng)僅蓄積地表產(chǎn)流水相比，使得坡腳水資源利用效率從5％提高到20％以上，全年可利用水資源供給時(shí)間延長(zhǎng)3個(gè)月以上，水溶解性有機(jī)物比地表水低70％，水硬度比表層巖溶帶側(cè)向徑流產(chǎn)流水低55％。本方法集蓄的產(chǎn)流水位于坡腳表層巖溶帶側(cè)向徑流，相對(duì)自帶一定的坡度，能實(shí)現(xiàn)無需外動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行自上而下的自流集蓄水。

38、(7)本裝置中溝渠用于收集并臨時(shí)存儲(chǔ)地表徑流和表層巖溶帶側(cè)向徑流，以便于溝渠內(nèi)的水匯集進(jìn)入柔性暗管內(nèi)。集水池的設(shè)置是為了儲(chǔ)存收集的水資源，這些清水可以用于農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補(bǔ)水或其他用途。為了進(jìn)一步提高水質(zhì)，系統(tǒng)中還設(shè)置了過濾層，以去除水中的細(xì)小顆粒和雜質(zhì)。此外，系統(tǒng)中還特別使用了粒徑大于25mm的可吸附性生物炭，這種材料能有效增強(qiáng)對(duì)水中有機(jī)污染物的吸附能力和防止碳酸鈣沉積物堵塞的免維護(hù)填充料。粗細(xì)砂石濾料也被用作過濾介質(zhì)，以提高水的過濾質(zhì)量和效率。蓄水池的建立用于存儲(chǔ)收集到的水資源，并通過承壓排水管和閥門進(jìn)行水資源的調(diào)配或者進(jìn)行排砂。組件中的接引管道，負(fù)責(zé)將各個(gè)管道集水裝置收集的水輸送至蓄水池。閥門在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著重要角色，它們用于控制蓄水池的水位，以及調(diào)節(jié)蓄水量。集水擋板在必要時(shí)設(shè)置，以優(yōu)化水流方向，提高集水效率。