黄土高原半干旱区雨水集蓄利用研究综述

黄土高原半干旱区雨水集蓄利用研究综述

一、雨水集蓄利用

1. 概述

受人口增长、持续干旱、地表水污染、地下水超采等自然、社会因素的双重影响，人们对雨水资源的开发利用进行了广泛的研究，并初步显示出雨水资源开发利用的巨大潜力。

雨水资源的开发利用具有悠久的历史。公元前2000年的中东地区，就有利用雨水的记载。在同干旱气候长期的斗争中，希腊人、阿拉伯人、以色列人积累了收集利用雨水的丰富经验。20世纪60年代，日本开始收集利用路面雨水，70年代修筑集流面集蓄雨水。1982年，在夏威夷召开了第一届国际雨水集流会议，嗣后成立了国际雨水集流系统协会(International Rainwater Catchment Systems Association)，并多次召开雨水集蓄利用学术会议，促进了国际间雨水利用的交流与研究。目前，以色列在集雨农业灌溉方面成就显著，日本则研究利用雨水回灌地下水技术。我国在秦汉时期就有修建涝池、塘坝拦蓄雨水利用的历史记载，修筑水窖的历史也有数百年。但在我国，从20世纪50年代才开始利用窖水点浇玉米、蔬菜等，突破了原来只用窖水作为生活饮用水的传统。在80年代后期，收集的雨水被用于发展庭院经济和大田作物需水关键期的补充灌溉。如1995年，甘肃省在干旱半干旱地区实施了“121雨水集流工程”，宁南山区实施“窑水农业”，内蒙古自治区进行了“112集雨节水灌溉工程”试验示范研究，陕西则称为“甘露工程”。

从1995年在北京举办第7届国际雨水集流系统大会以来，已在兰州、徐州和大理召开了3次全国性的雨水利用学术研讨会。通过这些活动，交流了国际和国内雨水利用方面的研究成果和实践经验，促进了雨水利用研究水平的提高。目前，我们国家的研究主要集中在干旱半干旱区人蓄饮水和集流节灌上，同时对集蓄雨水补灌地下水及城市集流等问题也展开了研究。

集蓄雨水发展农业灌溉在国外有着悠久的历史，根据有关文献记载，这种技术的起源可以追溯到数千年以前的马雅文化时期。在人类漫长的发展历史中，由于没有现代化的工程设备和技术，不可能修筑大型水利工程来进行水量调节，雨水利用一直是农业发展的主要措施。只是到了本世纪初，近代科技的发展使人们遗忘了这一曾经支撑了几千年古代灿烂文明的传统灌溉技术。随着水资源的紧缺和人们对可持续发展的思考，近20年来，雨水集蓄利用在世界很多国家和地区又迅速复兴和发展起来。目前，世界各地都不乏集蓄雨水发展农业灌溉的例子，特别是在干旱地区。例如，以色列人在南部200毫米年降雨量地区修建微型集流场造林，在内盖夫沙漠地区，修建石堤把坡地径流拦截到低处梯田或存放在山腰的水库中，使年降雨量100毫米的地方得到300毫米～500毫米的水量。美国的西南部也有此类实践。集雨灌溉在世界很多国家都曾经或正在被大面积推广应用。

2. 雨水利用的几个概念

（1）雨水利用的内涵

所有形式的水资源（包括河川径流、地下水等），从根本上来说都来自雨水，因而雨水利用不仅仅是指雨水集流的家庭利用和雨养农业利用，而且还包括人工增雨、水土保持、水源地涵养、城市防洪和生态环境的改善等水资源利用的各个方面。这种雨水利用的概念其外延几乎囊括了水的所有利用方式，具有极大的广泛性。一般文献中提到的雨水利用是指对雨水的原始形式和最初转化为径流或地下水，土壤水阶段的利用，可将其称为狭义的雨水利用（有的文献叫雨水的直接利用）。就狭义的雨水利用而言，其内涵至少应包括：①解决人畜饮水的家庭利用；②用于作物补灌的农业雨水利用；③用于消防、城市绿地灌溉的城市雨水利用；④雨水的地下水补给利用。

（2）农业雨水利用

农业雨水利用是指通过自然过程或人类活动过程将雨水用于农业生产以提高作物产量和改善农业生态系统的利用。由于农业雨水利用方式的不同，不同学者将其进行了不同的分类，有的学者将农业雨水利用分为雨水自然利用、叠加利用和聚集利用，有的学者则将其分为：①雨水的原始利用

或自然利用，即雨水或土壤水被植物吸收利用，即植物对没有人为活动影响的、自然水文循环过程中的雨水利用；②雨水的被动利用，指通过一定的工程措施增加拦蓄入渗（如梯田）或减少蒸发（如覆盖）来利用雨水；③雨水的主动利用，指通过修建一定的集流面将径流汇集储存，在作物需水关键期进行补灌。和被动利用相比，主动利用中必须借助于节水灌溉措施，实现从灌溉土壤向灌溉作物方向转变，从而提高了可控性。

3. 雨水集蓄利用的技术体系

广义的雨水集蓄利用是指经过一定的人为措施，对自然界中的雨水径流进行干预，使其就地入渗，或集蓄以后加以利用；狭义的雨水集蓄利用则指将通过集流面形成的径流汇集在蓄水设施中再进行利用。雨水集蓄利用中强调了对正常水文循环的人为干预，如前所述的主动利用和被动利用就属于雨水集蓄利用的范畴。雨水集蓄利用技术的内容主要包括雨水收集技术、雨水储存技术、雨水净化技术和雨水灌溉技术四部分。

（1）雨水汇集技术

雨水汇集是指利用天然或人工修筑的集流面，汇集雨水形成的地表径流以备高效利用。利用庭院屋顶、路面及一些城市建筑物收集雨水具有投资少、集流效率高等优点，因此受到人们的普遍关注。屋顶庭院雨水汇集主要解决干旱半干旱山区、石灰岩地区、淡水缺乏的岛屿、高氟水地区和苦咸水地区人畜饮水问题。

在干旱半干旱地区，将汇集的雨水用于作物补充灌溉是提高粮食产量的重要举措。在生产实践上，采取混凝土、塑料薄膜、水泥土夯实、三七灰土夯实、原土夯实等措施对集流面进行处理，提高了雨水的收集效率，但不同材料处理的集流效率不同，据《甘肃省干旱半干旱地区雨水集蓄利用技术指南》，柏油路面为70%，原土翻夯路面为23%，混凝土硬化集流面为75%。需要指出的是目前人工修筑的集流面仅用于庭院或试验区，尚未广泛使用。

通过经济、合理、安全、高效的防渗材料和现代技术的应用，对集流面进行人工防渗处理，以提高集流面的集流效率，进行天然降水的收集利用，是雨水集蓄利用技术的关键技术之一。

集流效率与集流面材料性质、降雨特性以及集流面前期含水量有关，同时集流面的坡度对集流效率也有一定影响，施工质量对集流效率的影响也比较明显。不同集流面防渗材料在不同降水量情况下全年集流效率见表1。

表1 各种防渗材料在不同降水量情况下全年集流效率表

保证率(%) 集流效率（%）

混凝

土

水泥

瓦

水泥

土

机瓦青瓦塑膜覆砂黄土夯实沥青路面自然坡面

50 80 75 52 49 40 46 26 68 8

75 78 72 46 42 34 41 21 66 7

95 75 67 40 37 29 34 17 64 5

50 80 75 53 50 40 46 25 68 8

75 79 74 25 48 38 45 23 67 7

95 76 69 41 39 31 36 19 65 6

（2）雨水储存技术

雨水储存是雨水集蓄利用系统的中间环节，是指将集流面汇集的雨水通过导流渠（管）引入蓄水设施储存，在需水时从蓄水设施取水的过程。我国北方干旱半干旱地区使用较多的蓄水设施有水窖、塘坝、涝池等。由于水窖具有修建容易、使用方便、储存的雨水基本不受污染以及渗漏蒸发少等特点而成为目前采用的主要形式，水窖主要用于人畜饮水和部分农田补灌。另外，蓄水池、瓷缸、水泥罐等也普遍使用。

雨水储存技术主要反映在雨水储存工程的建设上。传统的雨水储存方法大部分采用红胶泥土窖，