工匯集雨水利用技術研究主要進展

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　摘要：人工匯集雨水利用技術研究為“九五”國家科技攻關項目“節(jié)水農業(yè)技術研究與示范”項目的專題之一，主要研究利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區(qū)農業(yè)，通過雨水匯集、存貯和高效利用，促進當?shù)剞r業(yè)生產。主要取得的進展為：確立了試驗區(qū)，并對試驗區(qū)所在縣進行雨水集流發(fā)展動態(tài)仿真預測，提出了集流場規(guī)劃設計指南，研究了存貯雨水的水窖優(yōu)化結構及其配套的防滲、凈化和提水技術，確定了作物的適宜節(jié)灌方法以及相應的農業(yè)綜合技術措施，建立了試驗示范區(qū)。

　　關鍵詞：人工匯集雨水 節(jié)水農業(yè) 旱半干旱地區(qū) 水窖 農業(yè)綜合技術

　　甘肅省1988年率先在我國開展雨水集蓄利用技術研究。研究目標主要是為了解決農村飲水問題，同時，兼顧庭院經濟的發(fā)展。該項研究較為成功地解決了當?shù)厝彼貐^(qū)的農村飲水問題，并于1992年完成了階段總結報告，總結報告中還對利用雨水發(fā)展農業(yè)的可行性做了一些分析。

　　在上述基礎上，“九五”國家科技攻關項目“節(jié)水農業(yè)技術研究與示范”專門設立了“人工匯集雨水利用技術研究”專題，將其研究范疇定位在利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區(qū)農業(yè)，即通過雨水的匯集、存貯和高效利用，促進當?shù)剞r業(yè)生產。依據(jù)上述思想，本專題設立雨水匯集方式與配套技術研究、雨水存貯與凈化技術研究和匯集雨水的高效利用技術研究三個子專題。

　　幾年來，本專題主要以甘肅省定西縣為研究基地，通過野外調研、室內試驗、野外定點觀測、試驗示范及大量的綜合分析等工作，取得以下主要進展。

　　一、調研確立試驗區(qū)，并對試驗區(qū)所在縣進行雨水集流發(fā)展動態(tài)仿真預測

　　基于甘肅省開展雨水集蓄利用技術研究工作較早的現(xiàn)實，專題首先對甘肅省集雨節(jié)灌工程的現(xiàn)狀進行了調研。結果表明，除去投資與管理因素外，雨水匯集利用技術存在的主要問題為工程系統(tǒng)性差、缺乏科學規(guī)劃設計；集流場形式單一，對沉沙、過濾設施重視不夠，灌溉制度研究較為薄弱；同時，坡耕地集雨技術還是空白等。

　　針對上述情況，我們選擇在半干旱地區(qū)代表性強，當?shù)卣⑷罕姺e極性相對較高的甘肅省定西縣作為主要研究區(qū)域。利用系統(tǒng)動力學原理，首先建立了定西縣雨水利用發(fā)展動態(tài)仿真模型。選擇了三種方案分析計算，即：①充分利用現(xiàn)有的柏油路面等集流面，加速發(fā)展庭院及地邊的混凝土面集流，以滿足農村飲水為主，適當發(fā)展節(jié)水補充灌溉；②充分利用柏油路面和沙石路面，加快發(fā)展庭院集流面和田間人工集流面，在滿足農村飲水的同時，發(fā)展節(jié)水補灌為主；③在充分利用現(xiàn)有公路面、庭院集流面的基礎上，近期加快庭院集流面建設，后期則大力發(fā)展人工集流面，集流以農灌為主。結合實際，對定西縣發(fā)展雨水利用提出建議：水窖與集流面建設同步發(fā)展，提高水窖利用率；集流工程建設應持續(xù)發(fā)展，保持適度規(guī)模；合理規(guī)劃布局水窖與集流面、集水與高效利用相結合；加強新型集流材料和窖灌設備的研制推廣，促進雨水集流持續(xù)發(fā)展。

　　二、開展雨水匯集工程的基本參數(shù)、集流場地表處理技術研究，提出集流場規(guī)劃設計指南

　　首先分析了研究區(qū)降雨參數(shù)。通過對該地1958～1996年降雨資料分析，發(fā)現(xiàn)次降雨量＜5mm的降雨基本上不產流或產流甚少。為此，提出雨水匯集工程參數(shù)研究過程中，應重點分析日降雨量≥5mm的降雨。通過系統(tǒng)分析，提出可按5年一遇最大60日≥5mm降雨量作為設計集雨水窖的標準，該降雨量略大于同頻率≥5mm降雨量的50％。若以30m³作為水窖容積，對于混凝土集水面、塑料薄膜集水面等，則可容納約140m²集水面的水量。

　　其次，通過野外定點觀測試驗，分別對HEC（與土混合比例1:6、1:8、1:10）、水泥土、沙蘭特油氈、混凝土、塑膜、玻璃絲油氈等6種材料的集流特征、效率進行了分析研究。野外試驗共布設9個小區(qū)，截至1999年底已獲得288場次資料，經初步分析，認為PI30是影響該地降雨集流的主要影響因子，并建立了集流效率E與PI30的函數(shù)關系式。據(jù)分析，塑膜集流效率高達80％以上；同等條件下，瀝青玻璃絲油氈集流效率比塑膜高15％，HEC比水泥土高80％左右。為此，我們推薦HEC、瀝青玻璃絲油氈、塑膜、沙蘭特油氈等4種集流材料，其每平方米造價分別為3～5元、4元、1元及5.5元。而目前常用的混凝土每平方米造價高達18～30元。

　　通過上述工作，提出了集雨場規(guī)劃設計指南。該指南重點論述了規(guī)劃設計的任務、方法、步驟，并給出了典型集雨工程的設計實例和經濟分析。

　　三、研究存貯雨水的水窖優(yōu)化結構及其配套的防滲、凈化和提水技術

　　首先，通過野外調研、總結分析以及力學結構計算，提出應大力推廣應用的三種水窖形式，即混凝土球形水窖、混凝土薄殼圓柱形水窖及紅膠泥水窖，并給出了定型設計圖紙，以及相應的施工方法與技術。同時，根據(jù)不同作物、不同降雨保證率下的需水量和集水量，確定出蓄水設施的容積。經計算，混凝土球形窖單個容積以20～40m³為宜，混凝土薄殼圓柱形窖以40～60m³為宜，紅膠泥水窖以15～40m³為宜。

　　其次，提出了水窖防滲抗凍技術，即采用15混凝土，抗?jié)B標號選取S4，抗凍指標選取D50的＃425以上的水泥等建材，抹面時摻入2％～5％（指占水泥重量）的防滲劑，且窖體設在地面80cm以下。

　　為確保水窖水質，采取了沉沙與過濾方法，給出了上述設施的定型設計方法，并進行現(xiàn)場觀測。水窖水質經分析表明，混凝土窖水的pH值偏高，高達9.7，其主要原因在于水泥中析出Ca(HO）₂所致，但4～5年后，pH均降到7?8以下，可滿足灌溉需求。

　　針對雨水利用特點，利用市場現(xiàn)有的小型汽油機泵，采用軟軸連接技術，使其吸程增加4～8m，其揚程為36～42m，該機可配4～7組F－4系列或SW200系列噴頭，實施噴灌作業(yè)。

　　四、選配適宜水窖的小型灌水機具，以作物生理需水規(guī)律為基礎，研究確定該地區(qū)主要作物的適宜節(jié)灌方法，以及相應的農業(yè)綜合技術措施

　　首先，根據(jù)小水源的灌溉特點，選擇3種提水機具，即手壓泵、汽油泵及潛水泵，并提出相應的灌水技術與方法。對于手動取水，一般宜用地面灌水方式，如點澆等；對于油動取水，可選用滴灌，抗旱坐水種、地膜穴灌及注射灌等灌水方式；對于電動取水，一般應選用噴灌、微灌技術，也可選用高效地面灌水技術，如膜上灌、膜下灌等，但不適宜于選取點澆等灌水方式。　　其次，通過對玉米、小麥等作物的多次田間小區(qū)和控制小區(qū)試驗，指出定西春小麥需水與降水量之間存在著永恒的供需矛盾，生育期缺水80～160mm，進行集雨灌溉的需水關鍵期是拔節(jié)期，拔節(jié)期適宜的土壤水分下限為60％田間持水量。3年田間灌水試驗證明，春小麥在苗期和拔節(jié)后期灌水2次，每次10～30m³可增產23％～62％，灌水利用效率達到3.58～4.8kg／m³.玉米需水量關鍵期為抽雄揚花期，此階段受旱減產18％以上。試驗證明，小麥和玉米的灌水方式以膜下滴灌為優(yōu)，小麥膜下滴灌單產126kg，灌水利用效率達到2.3kg／m³；玉米抽雄揚花期膜下滴灌10～30m³，較未滴灌增產25％～109％，水分利用效率達到3.25～6.88kg／m³，較露地滴灌和畦灌都高。

　　實驗表明，定西半干旱區(qū)春小麥、玉米的集雨灌溉，一般年份滴灌1～2次，旱年灌水2～3次為宜，每次水10～20m³為宜。

　　最后，主要從引種篩選、覆蓋、耕種栽培、間作套種和化學節(jié)水劑應用，以及田間管理等方面進行研究，提出地膜小麥栽培規(guī)程和玉米地膜集雨補灌技術規(guī)程，以及各種單項技術措施方案。通過研究，指出定西農田布局適宜“保夏擴秋”，合理調配作物品種；地膜小麥在一般年份增產顯著，大旱年分秸稈覆蓋的節(jié)水增量更優(yōu)。壟溝地膜玉米畝產可達835kg，較露地和平地膜增產27.7％和38.3％；采用地膜加滴灌，玉米和馬鈴薯間套畝產可達1149kg，產值618.9元，分別較單種玉米和馬鈴薯產值高50％和17％。以鈣赤合劑和保水劑為主的化學節(jié)水技術試驗，鈣赤合劑拌種增產10％左右，保水劑玉米旁施和馬鈴薯穴施，以畝用量1kg為宜，分別增產22.3％和40％，投產比分別為1∶4.5和1∶13.3，是值得推廣的高新技術。

　　五、組裝配套雨水匯集利用單項技術，建立試驗示范區(qū)，積極參與西部大開發(fā)，不斷擴大技術的應用范圍

　　根據(jù)調查，專題系統(tǒng)總結并提出了黃土高原3種水窖配置模式及相應的窖水配套技術，即峁頂光頭式配置模式，路旁葡萄串式配置模式及場、院、凹地單點式配置模式，其相應的窖水高效利用技術為自壓微灌、外動力加壓微灌、坑灌及水肥穴灌。同時，在定西縣安家坡流域實驗示范區(qū)創(chuàng)建了坡耕地活動式集雨自壓滴灌雨水高效利用實體模型。提出“上部坡地夏季種糧、秋季覆膜集雨、地邊打窖貯水、補灌下部作物”的一地多用，低耗高產，水保與集雨相結合的綜合配套模式。

　　結果表明：防滲膜集流效率達到93％，補灌新修梯田玉米畝產達到210kg，比對照區(qū)增產40％；集流場坡地覆膜后播前土壤含水量為15.43％，而對照區(qū)為12.48％，有效地保持了土壤水分。坡地春小麥畝產166.8kg，比對照區(qū)高33.5kg，增產25.1％。

　　為了加大人工匯集雨水利用技術力度，在“節(jié)水農業(yè)技術研究與示范”項目辦領導、項目專家組、示范區(qū)地縣鄉(xiāng)村各級領導、專題協(xié)作單位和專題全體工作人員的配合下，本專題在甘肅定西縣安家坡流域和九華溝流域、陜西富平縣底店鄉(xiāng)建立了3個試驗示范區(qū)，示范了各種集流場和水窖建造技術、集雨補灌應用滴灌、噴灌、微灌、點澆和坐水種等節(jié)水灌溉和抗旱補灌技術。包括小麥、玉米、谷子等作物，以及果樹和大棚蔬菜，共計示范推廣面積167hm²，增產效益明顯。僅定西縣安家坡流域和九華溝流域集雨節(jié)灌水窖878眼，補灌農田133hm²，畝產糧食平均300kg，較大田對照增產90％，補灌水分利用效率達到2kg／m³以上。本專題已達到和超額完成攻關合同的指標任務。