岩石集水区及开放式水库

美国苏利文岩的天然岩石集水区
图片： Paul Madden。

位于肯尼亚基图伊的岩石集水区工程。
图片： Friends of Kitui。

岩石集水区的水坝由岩石露头开发而成，用来获取雨水径流并集中储存到储水区供生产活动使用。在有大面积露头岩石的干旱与半干旱地区，降雨后会产生大量径流。通过将岩石表面开发成集水区，可以收集并贮存径流作为生活及畜牧用水，以缓解水资源短缺的问题。

这些集水区是在径流系数较高（约0.9）的裸露岩石地区天然形成的。水资源可以储存于有支护结构的开放式水库，其蓄水量从20立方米到4000立方米不等，或者直接储存至从集水区直接集水的封闭式贮水池。1公顷（1万平方米＝2.47亩）的岩石表面可以从每100毫米的降雨中收集并提供1000立方米（1百万升）的水量，可见岩石的供水能力强大。如果岩石区域的面积足够大到能弥补降雨量的不足，那即便雨量少并且不定期的阵雨也能提供大量的水。

肯尼亚的基图伊地区拥有超过400个岩石集水区的贮水池和水坝。

适宜条件

构成集水区的岩石应当是裸露的，且无植被或土壤覆盖。同时也没有断层、裂痕或土囊，这些可能会导致水因渗漏而流失。
水坝应选址于深宽比值较大处（即深度比宽度大）以最小化蒸发损失量。
岩石集水区水坝的选址应最大限度利用自然地形特征——为获得最佳储水量，应建于岩石间的峡谷、岩石区潮水潭和岩石架上。在现有潮水潭的较低一侧建筑水坝。
集水区可以用石水槽（一种用粗石或粗骨料混合砂浆建造的石墙）围起来
集水区应无严重的水土流失
砌石坝（重力坝或抽水坝）比起贮水池和土坝对选址要求更高，因为：

岩间峡谷可用垂直的坝墙封住。
岩石区潮水潭和岩石架（岩石露头处近乎平坦的区域）可用双翼或三翼坝墙环绕起来。

其他要求：能在当地获取建材，例如沙子、骨料和碎石；技能熟练的工人或泥瓦匠；劳动力以及运输建材的交通工具

优势

劣势

- 高径流系数与屋顶集水区类似，即使是短时阵雨也能产水

- 最小渗透量
- 维护简易且成本低廉
- 岩石集水区不占用农田，且通常无主，因此便于施工
- 自20世纪50年代中期第一批集水设施建成以来，人们已经习惯从岩石集水区取水

- 合适的选址较少

- 相较于开放式水库，能够直接蓄水的贮水池的储水量是有限的
- 成本可能会很高——在肯尼亚，建造一个56立方米容量的水坝，包括劳动成本在内，总成本是4000美金（即每立方米成本为71美金）
- 传染性疾病媒介会在开阔水域繁殖
- 含有微生物和化学物质的水源可能不适合直接使用
- 贮水池和砌石坝可以提供生活用水，但由于畜牧业和灌溉业的需水量较大，它们不适用于这两个领域的水源供给。

对环境变化的适应

干旱

干旱的影响：往往会快速干涸。
造成这些影响的根本原因：雨水匮乏。
加强WASH系统的适应性：选为修筑地点的岩石应是裸露的、无植被或土壤覆盖、且无断层。这样，无论实际降雨量多少，被收集的概率都会较高。

关于治理干旱的更多信息：在易干旱地区的弹性WASH系统。

建造、操作和维护

设计与建造建议

如果能增强水坝牢固性，可以选择阶段性建造水坝
为了从水坝下游取水，需要建造一个通风孔、重力自流管和水龙头接入点
为防止水坝漫溢，需保护其下游侧免受腐蚀
决定水坝和集水区的大小时，应考虑到现有劳动力数量
由水坝形成的水库形状应尽可能地减少蒸发损失
应依靠并使用当地的建筑材料
应保护集水区免受污染

关于水泥的一般性建议：造成结构及衬砌部分（如：贮水池、水坝、水道、水井）开裂的常见原因是错误地混合和使用水泥。首先，很重要的一点是混合水泥只能使用纯净的材料：纯净的水、纯净的沙子和纯净的石料。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，在水泥或混凝土硬化期间，需全程保持湿润，该状态至少持续一周。在硬化期内，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：

给岩石集水区的水坝建造一个顶板，以保持水源干净并最小化蒸发损失。图片：来自岩石露头的水源。丹麦国际发展署。

位于肯尼亚塔维塔附近的一个岩石区潮水潭。图片：来自岩石露头的水源。丹麦国际发展署。

将气泡水准器水平置于长度为100厘米的木条上，用来测量岩石的倾斜度。该岩石测定结果为过陡。图片：来自岩石露头的水源。丹麦国际发展署。

就建造和维护的参与情况而言，小型私有水坝的成功率通常更高。然而，大型工程也可以通过借助社区组织的自助性措施来获得成功。

修筑前须知

可将水储存于开放式水库中——通过直接修建在岩石上的砌石或混凝土水坝，或在非岩石区域修建于岩壁底部的土坝来实现。也可将水储存于封闭贮水池，可直接从岩石集水区获得水源。
需通过水槽将水从岩石集水区引入水库。水槽可以用清理集水区时收集的岩石砌成。基本应沿等高线修建，但至少需要倾斜3%。必须保证水槽具有足够高度来引水。若径流速度很快，应加筑墙壁结构来确保其进入水槽前已减速。

水坝修建

水库大小（因之而定的水坝高度）取决于所需水量（一定程度上取决于集水区大小），蒸发损失量，关键时期长度及平均降雨量。具体计算方法如下：

确定所需水量（R 升/日）
估算水库的面积（A平方米），蒸发损失量（E毫米/日），则每日损失量为（A x E升/日）
预计关键时期（在此期间进入集水区的水量少于所需水量与损失量）长度（T日），即所需水量需要由水库提供的时期
估算在关键时期流入集水区水库的平均雨量（Q升/日）——应为降雨量 x 集水区面积 x 径流系数（通常取0.9）。
集水区面积随坡度增加而下降（如坡度为40%则会减少23%）。
计算所需有效存储量（S 升）=（R + AxE – Q）x T
然后勘查选址，依不同水位值（D）估算水库面积（A平方米）——得出的水库容积应大于所需存储量（S）以保有一定安全边际。估算水库容积方法：（长 x 宽 x 最大深度）/ 6.175
水坝高度为D加1米（考量洪水位及安全边际）。

坝墙可建于最大坡度15%的岩石上，坝基宽度必须是其高度的3/5，水坝顶部宽度应为30厘米。特别要注意的是，以岩石面为坝基可能会出现渗漏。坝墙的上游面需要涂抹最厚30毫米的灰浆。在某些参考资料中有关于修建坝墙的步骤指导。
分阶段施工便于用水者自助修建水坝。他们可以在每个旱季逐步升高水坝，直至根据经验水库容积已足够满足用水需求。在这种情况下，可以先将水坝修至两米高，再分三阶段将其逐步修至五米。此模式的优势在于修建过程可根据修筑者工作热情，以及已存储水量来安排。

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扰动，从而减少之后的净化需求。

直接取水方式之一是使用岸上水泵（小型高效的电机泵或手压泵），利用漂浮的引水口来减少沉积物的吸入。另一种方式是将带滤网的出水管穿过坝墙至下游侧，但潜在的问题是会降低坝墙的牢固度。此外，穿过岩石时管道需要在外部固定，因此在用锚柱固定管道时要格外小心。
即便使用预防性的方法来降低浑浊度（淤泥收集器、萃取法），水依然浑浊且有污染，需要进行处理。
在使用直接取水法的情况下，应大力提倡家用水净化设备的推广。如何选择家用水净化技术应基于去除水中污染物的效率。对于蓝藻水花易发的开放水域来说，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合于迁徙的社区（例如，根据浑浊度选用阳光消毒法或陶瓷罐过滤器）。就靠近城市环境的水库，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。

维护

裂纹及裂缝需以灰浆或混凝土填封。
确保并保持岩石集水区无土壤与岩屑，以减少淤积。
某些地区的开阔水域会因气候而出现高蒸发率。以下方式可能缓解此情况：为水坝选址时，最大限度利用自然地形以使水库尽可能地深，从而达到更大的体积表面积比；遮盖集水区或修建贮水池以直接集水。

其它考虑

资金支持可以帮助农民修筑水坝。
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。

成本

成本范围：从每立方米20肯尼亚先令（约合0.27美元）至100先令（约合1.37美元）不等，前者是建造5000立方米的水库（即用公牛建造的河谷坝）的单价，而后者是建造100立方米的水库的单价。

使用毛石能够节省50%的来自水泥、沙子、及碎石的成本。图片：来自岩石露头的水源。丹麦国际发展署。

以下列出3种岩石集水区的成本，以作比较：

土坝最易建造，成本也最低，仅用人力或畜力即可实现（但容易发生渗漏、侵蚀以及蒸发）。
毛石坝建造与维护费用较低（虽然不会发生渗漏，但蒸发严重。遮盖坝顶可防止蒸发。）
贮水池建造成本最为高昂。（但不会发生渗漏或蒸发损失，然而贮水池大小限制了储水量。）

实地经验

在肯尼亚，在公共自助项目上哈兰比（Harambee）（意为齐心协力）的传统极大帮助了很多村庄修筑岩石集水区水坝。几十年前，在肯尼亚的半干旱地区马查克斯和基图伊，瓦坎巴族（Wakamba）团体曾自行组成自助团队，称为“互助组织”（Mwethya）。他们明白，通过共同工作，他们可以共同应对恶劣的气候条件。在过去的50年里，这种自助精神，再加上地下淡水的缺失，已经成为在那个区域修建数百个岩石集水区的主要动力。