工汇集雨水利用技术研究主要进展

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　摘要：人工汇集雨水利用技术研究为“九五”国家科技攻关项目“节水农业技术研究与示范”项目的专题之一，主要研究利用雨水发展干旱半干旱地区农业，通过雨水汇集、存贮和高效利用，促进当地农业生产。主要取得的进展为：确立了试验区，并对试验区所在县进行雨水集流发展动态仿真预测，提出了集流场规划设计指南，研究了存贮雨水的水窖优化结构及其配套的防渗、净化和提水技术，确定了作物的适宜节灌方法以及相应的农业综合技术措施，建立了试验示范区。

　　关键词：人工汇集雨水 节水农业 旱半干旱地区 水窖 农业综合技术

　　甘肃省1988年率先在我国开展雨水集蓄利用技术研究。研究目标主要是为了解决农村饮水问题，同时，兼顾庭院经济的发展。该项研究较为成功地解决了当地缺水地区的农村饮水问题，并于1992年完成了阶段总结报告，总结报告中还对利用雨水发展农业的可行性做了一些分析。

　　在上述基础上，“九五”国家科技攻关项目“节水农业技术研究与示范”专门设立了“人工汇集雨水利用技术研究”专题，将其研究范畴定位在利用雨水发展干旱半干旱地区农业，即通过雨水的汇集、存贮和高效利用，促进当地农业生产。依据上述思想，本专题设立雨水汇集方式与配套技术研究、雨水存贮与净化技术研究和汇集雨水的高效利用技术研究三个子专题。

　　几年来，本专题主要以甘肃省定西县为研究基地，通过野外调研、室内试验、野外定点观测、试验示范及大量的综合分析等工作，取得以下主要进展。

　　一、调研确立试验区，并对试验区所在县进行雨水集流发展动态仿真预测

　　基于甘肃省开展雨水集蓄利用技术研究工作较早的现实，专题首先对甘肃省集雨节灌工程的现状进行了调研。结果表明，除去投资与管理因素外，雨水汇集利用技术存在的主要问题为工程系统性差、缺乏科学规划设计；集流场形式单一，对沉沙、过滤设施重视不够，灌溉制度研究较为薄弱；同时，坡耕地集雨技术还是空白等。

　　针对上述情况，我们选择在半干旱地区代表性强，当地政府、群众积极性相对较高的甘肃省定西县作为主要研究区域。利用系统动力学原理，首先建立了定西县雨水利用发展动态仿真模型。选择了三种方案分析计算，即：①充分利用现有的柏油路面等集流面，加速发展庭院及地边的混凝土面集流，以满足农村饮水为主，适当发展节水补充灌溉；②充分利用柏油路面和沙石路面，加快发展庭院集流面和田间人工集流面，在满足农村饮水的同时，发展节水补灌为主；③在充分利用现有公路面、庭院集流面的基础上，近期加快庭院集流面建设，后期则大力发展人工集流面，集流以农灌为主。结合实际，对定西县发展雨水利用提出建议：水窖与集流面建设同步发展，提高水窖利用率；集流工程建设应持续发展，保持适度规模；合理规划布局水窖与集流面、集水与高效利用相结合；加强新型集流材料和窖灌设备的研制推广，促进雨水集流持续发展。

　　二、开展雨水汇集工程的基本参数、集流场地表处理技术研究，提出集流场规划设计指南

　　首先分析了研究区降雨参数。通过对该地1958～1996年降雨资料分析，发现次降雨量＜5mm的降雨基本上不产流或产流甚少。为此，提出雨水汇集工程参数研究过程中，应重点分析日降雨量≥5mm的降雨。通过系统分析，提出可按5年一遇最大60日≥5mm降雨量作为设计集雨水窖的标准，该降雨量略大于同频率≥5mm降雨量的50％。若以30m³作为水窖容积，对于混凝土集水面、塑料薄膜集水面等，则可容纳约140m²集水面的水量。

　　其次，通过野外定点观测试验，分别对HEC（与土混合比例1:6、1:8、1:10）、水泥土、沙兰特油毡、混凝土、塑膜、玻璃丝油毡等6种材料的集流特征、效率进行了分析研究。野外试验共布设9个小区，截至1999年底已获得288场次资料，经初步分析，认为PI30是影响该地降雨集流的主要影响因子，并建立了集流效率E与PI30的函数关系式。据分析，塑膜集流效率高达80％以上；同等条件下，沥青玻璃丝油毡集流效率比塑膜高15％，HEC比水泥土高80％左右。为此，我们推荐HEC、沥青玻璃丝油毡、塑膜、沙兰特油毡等4种集流材料，其每平方米造价分别为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价高达18～30元。

　　通过上述工作，提出了集雨场规划设计指南。该指南重点论述了规划设计的任务、方法、步骤，并给出了典型集雨工程的设计实例和经济分析。

　　三、研究存贮雨水的水窖优化结构及其配套的防渗、净化和提水技术

　　首先，通过野外调研、总结分析以及力学结构计算，提出应大力推广应用的三种水窖形式，即混凝土球形水窖、混凝土薄壳圆柱形水窖及红胶泥水窖，并给出了定型设计图纸，以及相应的施工方法与技术。同时，根据不同作物、不同降雨保证率下的需水量和集水量，确定出蓄水设施的容积。经计算，混凝土球形窖单个容积以20～40m³为宜，混凝土薄壳圆柱形窖以40～60m³为宜，红胶泥水窖以15～40m³为宜。

　　其次，提出了水窖防渗抗冻技术，即采用15混凝土，抗渗标号选取S4，抗冻指标选取D50的＃425以上的水泥等建材，抹面时掺入2％～5％（指占水泥重量）的防渗剂，且窖体设在地面80cm以下。

　　为确保水窖水质，采取了沉沙与过滤方法，给出了上述设施的定型设计方法，并进行现场观测。水窖水质经分析表明，混凝土窖水的pH值偏高，高达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，可满足灌溉需求。

　　针对雨水利用特点，利用市场现有的小型汽油机泵，采用软轴连接技术，使其吸程增加4～8m，其扬程为36～42m，该机可配4～7组F－4系列或SW200系列喷头，实施喷灌作业。

　　四、选配适宜水窖的小型灌水机具，以作物生理需水规律为基础，研究确定该地区主要作物的适宜节灌方法，以及相应的农业综合技术措施

　　首先，根据小水源的灌溉特点，选择3种提水机具，即手压泵、汽油泵及潜水泵，并提出相应的灌水技术与方法。对于手动取水，一般宜用地面灌水方式，如点浇等；对于油动取水，可选用滴灌，抗旱坐水种、地膜穴灌及注射灌等灌水方式；对于电动取水，一般应选用喷灌、微灌技术，也可选用高效地面灌水技术，如膜上灌、膜下灌等，但不适宜于选取点浇等灌水方式。　　其次，通过对玉米、小麦等作物的多次田间小区和控制小区试验，指出定西春小麦需水与降水量之间存在着永恒的供需矛盾，生育期缺水80～160mm，进行集雨灌溉的需水关键期是拔节期，拔节期适宜的土壤水分下限为60％田间持水量。3年田间灌水试验证明，春小麦在苗期和拔节后期灌水2次，每次10～30m³可增产23％～62％，灌水利用效率达到3.58～4.8kg／m³.玉米需水量关键期为抽雄扬花期，此阶段受旱减产18％以上。试验证明，小麦和玉米的灌水方式以膜下滴灌为优，小麦膜下滴灌单产126kg，灌水利用效率达到2.3kg／m³；玉米抽雄扬花期膜下滴灌10～30m³，较未滴灌增产25％～109％，水分利用效率达到3.25～6.88kg／m³，较露地滴灌和畦灌都高。

　　实验表明，定西半干旱区春小麦、玉米的集雨灌溉，一般年份滴灌1～2次，旱年灌水2～3次为宜，每次水10～20m³为宜。

　　最后，主要从引种筛选、覆盖、耕种栽培、间作套种和化学节水剂应用，以及田间管理等方面进行研究，提出地膜小麦栽培规程和玉米地膜集雨补灌技术规程，以及各种单项技术措施方案。通过研究，指出定西农田布局适宜“保夏扩秋”，合理调配作物品种；地膜小麦在一般年份增产显著，大旱年分秸秆覆盖的节水增量更优。垄沟地膜玉米亩产可达835kg，较露地和平地膜增产27.7％和38.3％；采用地膜加滴灌，玉米和马铃薯间套亩产可达1149kg，产值618.9元，分别较单种玉米和马铃薯产值高50％和17％。以钙赤合剂和保水剂为主的化学节水技术试验，钙赤合剂拌种增产10％左右，保水剂玉米旁施和马铃薯穴施，以亩用量1kg为宜，分别增产22.3％和40％，投产比分别为1∶4.5和1∶13.3，是值得推广的高新技术。

　　五、组装配套雨水汇集利用单项技术，建立试验示范区，积极参与西部大开发，不断扩大技术的应用范围

　　根据调查，专题系统总结并提出了黄土高原3种水窖配置模式及相应的窖水配套技术，即峁顶光头式配置模式，路旁葡萄串式配置模式及场、院、凹地单点式配置模式，其相应的窖水高效利用技术为自压微灌、外动力加压微灌、坑灌及水肥穴灌。同时，在定西县安家坡流域实验示范区创建了坡耕地活动式集雨自压滴灌雨水高效利用实体模型。提出“上部坡地夏季种粮、秋季覆膜集雨、地边打窖贮水、补灌下部作物”的一地多用，低耗高产，水保与集雨相结合的综合配套模式。

　　结果表明：防渗膜集流效率达到93％，补灌新修梯田玉米亩产达到210kg，比对照区增产40％；集流场坡地覆膜后播前土壤含水量为15.43％，而对照区为12.48％，有效地保持了土壤水分。坡地春小麦亩产166.8kg，比对照区高33.5kg，增产25.1％。

　　为了加大人工汇集雨水利用技术力度，在“节水农业技术研究与示范”项目办领导、项目专家组、示范区地县乡村各级领导、专题协作单位和专题全体工作人员的配合下，本专题在甘肃定西县安家坡流域和九华沟流域、陕西富平县底店乡建立了3个试验示范区，示范了各种集流场和水窖建造技术、集雨补灌应用滴灌、喷灌、微灌、点浇和坐水种等节水灌溉和抗旱补灌技术。包括小麦、玉米、谷子等作物，以及果树和大棚蔬菜，共计示范推广面积167hm²，增产效益明显。仅定西县安家坡流域和九华沟流域集雨节灌水窖878眼，补灌农田133hm²，亩产粮食平均300kg，较大田对照增产90％，补灌水分利用效率达到2kg／m³以上。本专题已达到和超额完成攻关合同的指标任务。