雨水集蓄利用学科发展与展望

口雨水利用专业委员会

    20世纪80年代以来，我国西北、华北、西南的缺水山区及沿海和海岛地区出现了解决干旱缺水问题的新型措施，即雨水集蓄利用。采用这些措施的地区的基本特点是：地表水和地下水严重缺乏或季节性缺乏；地形山大沟深、沟壑纵横，修建跨流域引水等骨干灌溉工程的条件十分困难；农业生产完全依靠天然降雨，而降雨的年内分布又十分不均，供需严重错位，农业生产水平低下；更为严重的问题是当地居民祖祖辈辈没有可靠的生活饮用水供给，经常需要政府运水救济。这些地区在供水和粮食两方面都缺乏安全保障，是我国最为贫困的地区。

    在这些地区中，西北和华北山区人民早就有打窖蓄水供家庭用水之需的传统，南方山区也有修建山塘解决缺水困难的实践。但限于过去的经济和技术条件，传统雨水收集利用的效率很低，蓄水工程渗漏严重，集蓄的雨水连饮用也难以满足，更不要说解决农业生产用水了。近年来兴起的雨水集蓄利用，有计划地设置雨水集流面，提高集流效率，改善蓄水工程 的防渗性能，对雨水资源进行深度开发，不仅提供饮用水，而且在现代节水理论和方法的指导下，发展对作物、树草的补充灌溉，提高了农作物产量，使雨水利用的效率和效益大大提高。

    在雨水集蓄利用工程发展的同时，科学研究和学术交流也开始兴起。1992年在甘肃省人民政府和甘肃省水利厅的支持下，甘肃省水利科学研究所等单位完成了我国雨水集蓄利用方面的首项成果：“干旱、半干旱地区雨水集蓄利用试验研究和示范推广”。以后兰州大学等单位完成了“集流农业的理论和实践”的研究，内蒙古自治区水利科学研究院完成了“干旱山区集雨节灌试验、示范及推广”等项目。进入21世纪，科技部先后把“天然降水富集利用类型区农业高效用水模式与产业化示范”“新型高效雨水集蓄与利用技术研究”以及“北方半干旱集雨补灌旱作区节水农业综合技术体系集成与示范”等列入国家科技攻关计划项目，使雨水集蓄利用的研究在深度和广度以及实现产业化方面都有了进一步的发展。为了适应雨水集蓄利用迅速发展的需要，水利部组织技术力量编制完成了《雨水集蓄利用工程技术规范》，并于2001年正式颁布施行。这是国内外第一部有关雨水集蓄利用方面的技术法规。与此同时，学术交流也有了很大发展。

    我国水利部门的科技人员多次应邀参加每年一次的瑞典斯德哥尔摩全球水伙伴会议、每两年举行一次的国际雨水集流系统大会，并在日本京都举行的第三届世界水论坛上介绍我国雨水集蓄利用工程和科学技术的发展经验。2003年，在商务部的支持下，甘肃省水利厅、甘肃省水利科学研究院在国际雨水集流系统协会的协助下，举办了第一期国际雨水集蓄利用培训班，为来自非洲和亚洲的40名学员传授雨水集蓄利用方面的技术和经验，取得了很好的效果。

    通过开展上述科学研究及学术交流活动，我国雨水集蓄利用学科取得了重要的进展。

    一、雨水集蓄利用在水资源开发利用中的地位

    什么是雨水集蓄利用?《雨水集蓄利用技术规范》对此作了界定：“雨水集蓄利用是指采取工程措施对雨水进行收集、蓄存和调节利用的微型水利工程。”我们所理解的雨水利用是指对原始状态下的雨水进行利用，或对降雨在最初转化阶段的利用，如：旱作农业中作物对雨水的当时和就地的利用、水土保持措施(梯田、水平沟等)中拦截降水径流，提高土壤水分含量的措施、引洪淤灌或补给地下水的措施以及微集雨措施(利用作物或树木之间的空间来蓄集雨水，增加作物区或树木生长区根系土壤的水分)等，主要是通过把雨水拦蓄于土壤中来对降雨进行调节利用，调节能力有限。而雨水集蓄利用对雨水的调节则是采用工程蓄水措施，调节能力大大提高，因而对雨水资源能做到更有效的开发利用。我国开发利用雨水资源的地区主要是雨养农业区(半干旱地区也即旱作农业区)。

    我国开展雨水集蓄利用地区的大量实践证明：上述雨水利用的措施对雨养农业在一定条件下是有效的，但其作用有限。特别在遇到干旱年份和我国北方地区在上世纪90年代发生连年旱的情况下，这些措施往往难以奏效。其原因就是土壤空隙对雨水的调控能力不足以弥补严重的水分供需错位。而雨水集蓄利用由于采取工程措施，对降雨水的调节能力较高，在作物受到严重的干旱威胁时，可以采取人工供水的措施使作物维持基本正常生长，实现稳产和高产。不仅如此，人工供水也为蔬菜、烟叶、药材、花卉等在雨养农业条件下难以发展的经济作物及果树、苗木等的种植提供了条件，从而为农业的结构调整创造了前提，为这些贫困地区脱贫致富开辟了道路。许多干旱山区在发展雨水集蓄利用时，兴起了温室大棚，就是明证。雨水集蓄利用对雨水资源主动进行调控，把有限但是有效的人工供水与传统旱农措施结合起来，这是解决干旱问题的一种创新和突破。

    实践经验还表明，在一些地区，雨水集蓄利用还是水资源开发利用不可替代的形式。从可持续发展的观点看，对居住分散、居民多数为贫困人群的山区，应当采用分散、利用就地资源(自然、人力和技术)、应用适用(中间)技术、便于社区和群众参与全过程(决策、建设到管理)的解决方法。与集中的骨干水利工程比较，雨水集蓄利用工程恰恰具有这些特点。而且现代规模巨大的水利工程往往伴生一系列生态环境问题，雨水集蓄利用却不存在大的生态环境问题。要实现这些地区的可持续发展，雨水集蓄利用是一种不可替代的选择。因此，雨水集蓄利用工程是缺水山区水资源可持续开发的新形式。

    二、雨水集蓄系统的规划设计和技术组装集成

    雨水集蓄系统包括雨水集流子系统、雨水储存子系统和供水及灌溉系统。雨水集蓄系统的来水是降雨形成的径流，其数量又与每一场降雨的集流效率(径流系数)有关，因而蓄水工程的调节计算比河流上的一般水库复杂。来水量的计算时段原则上应为每一场降雨过程。但这样做不仅使得计算十分烦琐，而且要求有详细的降雨资料和降雨一径流的试验成果，这对于面广量大而又属于微型工程的雨水集蓄系统是不现实的。2001年颁布的《雨水集蓄利用工程技术规范》，采用了容积系数(蓄水容积与全年集流量的比值)法确定调节降雨所需容积的简化方法，适应了雨水集蓄工程主要由农户实施的特点，但是容积系数的确定尚缺乏必要的资料基础。最近，有关人员在场次集流效率试验的基础上分析研究旬或月的降雨一集流的经验性规律，可以用旬或月作为计算时段进行调节计算，替代容积系数法确定蓄水系统的规模，以减少误差和随意性。

    对雨水集蓄系统的工程布局，进行了多方面的探索。初步总结出了提供生活用水的屋顶和庭院集流式雨水集蓄系统、公路或混凝土专用集流面和水窖(水池)群雨水集蓄系统、长藤结瓜式雨水集蓄系统、温室大棚连体建设雨水集蓄系统、乡村道路、场院集流雨水集蓄系统、高位水池式雨水集蓄系统等模式。

    蓄水工程的形式主要是在传统经验的基础上进行改善和规范化。根据不同地区的条件，北方主要推广水窖等地下蓄水工程，以减少蒸发损失。黄土地区采用水窖的形式，可以充分利用黄土在干燥条件下的自稳特性，采用薄壁结构，节省建筑材料和资金。南方地区对用于生活供水的雨水集蓄系统，仍以水窖为主。对以灌溉为目的的雨水集蓄系统，则以水池为主。在沿海及海岛地区生活供水的蓄水建筑，以预制钢丝网砂浆水罐或屋内钢筋混凝土水池为主。近几年的研究着重于针对不同地区条件提出雨水集蓄系统各部件的组装配套技术，使雨水集蓄这样分散实施的微型工程逐步走向规范化，进一步保证了工程质量。

    三、集雨节灌技术的发展

    集雨节灌主要的节水途径：一是采用非充分灌溉的原理和方法，在作物的关键需水期补充水分；二是采用现代局部灌溉的原理，仅湿润作物根系土壤，同时采用塑料薄膜覆盖，使土壤中的水分蒸发损失减少到最低限度；三是采用简单易行而又高度节水的方法，如坐水种、人工点灌点浇、膜上点灌、注水灌溉、简易渗灌等。在有条件的地方也采用滴灌、微喷灌等技术。

    近年来，对各种主要作物的最佳灌水时间、灌水数量和灌水方法进行了大量的研究和示范。甘肃省水科院、甘肃省农科院等单位承担的“天然降水富集利用类型区农业高效用水模式与产业化示范项目”，对小麦、玉米、谷子、油葵、胡麻、蔬菜、果树等的灌水时间、灌水次数、灌水定额、灌水方法及配套的农业措施提出了系统的试验和示范成果，使谷物增产10％～88％，油料增产20％～120％，初步为雨水集蓄利用的产业化提供了技术基础。有些灌溉设施及农机具已实现了定型生产。国家节水杨凌工程技术研究中心研究了雨水集蓄系统的设计方法和工程配置模式，研制了新型集流面防渗材料、提水设备和集雨节灌配套农机具，提出了小麦玉米集雨补灌和农业栽培技术规程等成果。四川省正在开展的“雨水集蓄利用技术在丘陵旱山区的研究及应用项目”通过试验示范，在工程规划原则、工程建设、节水灌溉、水源补充、建后管理以及降低蒸发损失等方面提出适合当地实际的应用模式。

    我国集雨灌溉的实践显示了农业节水的巨大潜力。与常规灌溉比较，雨水集蓄灌溉采用了非常低的灌溉定额。北方地区粮食作物全生长期只灌溉2-3次(包括播种时的坐水种)，每亩灌溉水量15～30m³，仅为作物耗水量的10％～15％。作物的耗水主要还是依靠天然降雨。但这有限的人工供水的增产效果却十分显著。根据一些地方的试验示范和调查，增产率一般在40％左右，最高达到100％以上。与不进行人工供水的相比，水分利用率(WUE)从4～10kg／mm·hm²提高到6～20kg／mm·hm²；供水效率(WSE)达到13～56kg／mm·hm²，远远超过了常规灌溉达到的水平。雨水集蓄灌溉必须与常规旱作农业措施相结合，提高对天然降水的利用效率，单纯依靠雨水集蓄系统的有限供水是不能满足作物生长所需的。

    四、雨水集蓄利用学科发展需要解决的课题

    1．关于水资源总量的认识和水资源的统一规划问题

    在雨水集蓄利用迅速发展的形势下，不少学者提出，评价水资源时，应以降水作为水资源的总量。对水资源的合理利用应是对降水所形成的各种水资源形式，包括雨水、地表水、土壤水和地下水在总体上的最合理利用。随着雨水利用越来越成为我国水资源利用的重要方式以及中西部地区退耕还林还草的发展使下垫面发生改变，原来作为水资源总量组成的地表、地下水也越来越受到人类活动的影响而发生变化。因此，以降水作为水资源总量进行评价也越来越显示其合理性和迫切性。

    以降水作为水资源总量进行评价需要开展一系列的课题研究，如四水的相互转化规律及在开发利用过程中的相互影响，四水的统一规划和不同地区四种水资源利用的合理布局问题等。

    2．集蓄的雨水作为饮用水的可行性

    如上所述，对于我国的一些地区，雨水集蓄利用是水资源利用不可替代的方式。在我国全面建设小康社会的形势下，雨水集蓄利用应做到适应新形势的要求，不仅限于一种抗旱措施，而是要从水量和水质两个方面都能满足人民对安全供水的需要。应研究其可行性及相应措施。

    3．不同作物的灌溉机理及设备

    在发展雨水集蓄灌溉方面，主要应研究在有限供水条件下，不同作物的最佳灌水时间和水量，并开发相应的灌水方法和设备。这方面虽然过去已取得了一些成果，但这些成果带有明显的地域特性。应在开展雨水集蓄利用的地区，普遍进行这方面的研究和示范，提高雨水利用的效率，使雨水资源发挥最大的效益。

    4．规划设计方法还有待进一步完善

    在不同气候条件下、不同下垫面上的集流效率试验研究。已有的这方面成果主要限于北方地区少数省、自治区，应按照不同气候分区，选择代表性地点开展这项工作。在此基础上提出简单易行、而又满足工程要求的确定雨水集蓄工程规模的设计计算方法。

    对不同形式的蓄水工程提出适应不同地区条件的结构形式，提出结构设计、计算方法和定型图纸。

    研究水质处理的经济有效措施，开发相应设备。

    可以预期，雨水集蓄利用的发展将带来水资源学科从概念到方法上一系列新问题的研究。随着实践中问题的不断涌现和对这些问题的研究、深化以及工程实践经验的积累，有可能激发水资源学科的一个新的生长点。