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雨水集蓄利用技术的发展与实践
甘肃省雨水集蓄利用技术的发展与实践
金彦兆郑惠艳
（甘肃省水利科学研究所）（甘肃省酒泉地区水电处）
[摘要]水问题已成为世界性的问题，作为一种自然资源，水的作用将不容忽视。
随着全球旱象的不断发展和世界性用水矛盾的日益加剧，雨水作为一种潜在资源，引起了全世界专家、学者的普遍重视和广泛关注，有关开发利用雨水资源，解决人畜饮水、进行高效农业灌溉的实践已有重大进展。
本文总结了甘肃省雨水集蓄利用技术的发展和实践过程，就雨水集蓄利用技术进行了重点介绍，对国内甚至国际同类地区推广利用雨水集蓄利用技术具有良好的借鉴和参考作用。
[Abstract]Thewaterproblemisbecometheglobalproblem.Asthenatureresources,thewatereffectisnotneglect.Withthedevelopingoftheglobalaridandthesharpeningofthewaterutilizationcontradiction,therainwater,isasakindoflatentresources,hasbringtotheexpertsandscholarsofalltheworld.Thetheoreticalstudyandpracticeonrainwaterdevelopingandutilization,resolvedrinkingandhigheffectagricultureirrigationhasmadegreatadvance.ThearticlesumsupthedevelopmentandpracticeprocessoftheutilizationtechnologyofrainwatercatchmentofGansuprovince,laystressesonthetechnologyofrainwatercatchmentutilizationandthereisgoodreferenceroletospreadandutilizethetechnologyoftherainwatercatchmentutilizationinthenational,eveninternationalsameareas.
1前言
水是人类赖以生存和发展的最基本的要素,水资源已成为地球上最重要的自然资源之一。
随着人口的不断增长，社会经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人类对清洁水资源的要求越来越多。
但与此同时，不可回避的事实是许多国家和地区水资源紧缺，水资源成为社会经济发展的制约因素，水问题越来越引起更多人们的重视，已成为当今世界各国关注的焦点之一。
在我们生存的地球上，由于水资源在时空上的不均匀分配，加之人类对水资源的不合理开发利用和严重浪费，使用水矛盾越来越突出，水资源的日益枯竭和全球性的用水危机已不是危言耸听。
另一方面，不少地区工业化进程的加剧以及农业生产中过量施用化肥、农药数量的日益增多和范围的逐步扩大，引起了地下水位下降、水源污染、森林退化、水土流失和土地荒漠化、沙漠化等一系列资源和生态环境问题，加重了水资源供需不足的矛盾。
近些年来，由于世界性用水矛盾的日益加剧和全球旱象的不断扩大，水资源的合理开发利用显得愈加重要，水问题学者和研究专家在这方面做了大量的工作。
雨水作为全球范围内数量最大、分布最广和干旱山区唯一可资利用的潜在水资源，在一些水资源紧缺国家和地区的利用取得了成功，专家、学者对此开展的研究也取得了一系列成果。
近几年甘肃省在充分利用雨水资源，解决人畜饮水、发展庭院经济、进行大田作物灌溉，特别是塑料大棚蔬菜的灌溉方面取得了显著成效，从而实现了雨水资源的高效利用。
目前有关利用雨水发展高效旱作农业的技术体系已经基本形成，在雨水的多元化利用、深层次开发、规模化发展、高效益产出方面有了一定的工作基础，对实现雨水资源的综合开发、持续利用有了技术和实践双方面的储备。
我国广大的北方地区的群众历来一直没有放弃对雨水资源的利用，也一直在坚持不懈的利用雨水资源。
实际上，雨水作为一种水资源在甘肃缺水山区的利用具有悠久历史。
但数百年来群众对雨水的自发运用始终在低水平基础上徘徊，一方面缺乏科学的技术指导，另一方面，没有很好地认识到雨水资源的巨大潜力，从而使得雨水资源既没有形成规模利用，也没有产生规模效益。
一方面造成雨水资源的巨大浪费，另一方面干旱缺水山区饱受水资源短缺因素的困扰，人民群众生产和生活水平低下，从根本上制约着本地区社会经济的发展。
2技术的发展背景
一般情况下，水资源划分为地表水资源和地下水资源。
作为全球范围内分布广、数量大的又一种潜在水资源——雨水资源，在相对干旱的一些国家早已利用。
但是，随着世界水资源的日益短缺和用水矛盾的不断加剧，雨水引起了越来越多人们的重视，不仅干旱地区、水资源短缺国家，甚至一些水资源丰富国家和地区也都开始注重对雨水资源的开发利用，其开发利用范围越来越广，规模越来越大，程度越来越高，从而使雨水的资源化成为可能。
同时，雨水的资源化利用从根本上改变了传统意义上人们对水资源的界定和划分，使得在地表水资源、地下水资源之外，出现了第三个可供人类充分利用的水资源----雨水资源。
2.1甘肃省中东部地区水资源现状
我国幅员辽阔，大江大河纵贯南北，是一个水资源相对丰富的国家，水资源总量达28040亿m3，居世界各国第六位。
但由于我国人口众多，人均占有水资源仅为2220m3，只相当于世界人均占有量的四分之一，按实际耕地面积平均，每亩占有水资源1400m3，为世界平均耕地占有水平的二分之一，因此，从这个意义上说，我国水资源并不富裕。
同时由于我国的地形和气候特点，我国水资源在空间和时间上的分布很不均匀。
甘肃省位于祖国大陆腹地，远离海洋，多年平均降水量只有280.6mm，全省水资源总量为294.9亿m3，人均占有量1170m3，亩均占有量574m3，远远低于全国平均水平，在我省东部干旱地区人均占有量仅300-500m3左右，而中部地区这一指标更低，用水矛盾十分突出，由于受水资源短缺因素的制约，长期以来该地区人们生活、生产用水得不到保障，农民长期处于贫困境地。
而中、东部干旱地区为黄土高原及丘陵沟壑区，气候干燥，水资源贫乏，降雨量稀少，一般地区只有250～600mm，是我省乃至我国以干旱多灾著称的地区。
境内虽有黄河及七条支流通过，但由于水低地高，难以直接利用，有的地方既无地表水又无地下水，绝大多数地区不具备引水和提水条件，个别地方虽有一些泉水出露，但总体数量有限，不能进行规模开发和持续利用。
同时,不仅水资源严重缺乏,而且天然降雨在季节上分配严重不均，加之受季风的影响，降雨量相对集中，降雨季节和农作物生长需水时节不相一致，天然降雨不能被有效利用，雨水资源的有效利用数量有限,资源化程度很低，农业生产十年九旱，粮食产量低而不稳，人民生活水平低下,是典型的靠天吃饭地区。
不仅如此，这一地区的人畜饮水亦存在严重困难，成为长期困扰各级政府的一大难题。
为解决生活用水，旱区群众不得不起早贪黑,往返数十公里找水度日，一些学校甚至无法正常上课。
据不完全统计,甘肃省每年用于补助长距离拉水解决人畜饮水的费用高达六、七百万元，每遇旱季，政府不得不动员各部门抽调和动员车辆向旱区群众紧急拉水。
由于运距较远，每吨水费用高达20～50元，部分边远地区水费高达100元。
即使这样也只能解决公路沿线、交通相对便利地方群众的暂时性饮用水问题，根本性的问题不能得到彻底解决，困饶各级政府的人畜饮水问题丝毫没有得到改观，滴水贵如“油”的被动局面长期以来没有得到改变。
2.2国内外雨水利用现状
国外的雨水集蓄利用比较广泛，在世界各洲，不管是发达国家加拿大、美国、百慕大群岛、澳大利亚、德国、瑞典，还是发展中国家泰国、印度、孟加拉、印尼、斯里兰卡、博茨瓦那、约旦等均有应用。
这些国家年降雨量最大的3200mm，最少的只有250mm，所集蓄的雨水主要用于生活饮用水及家庭小型绿化和环境卫生清洁用水；在世界一些发达国家有用集蓄雨水作为公用设施用水以及公园、草坪等的灌溉用水，但没有见到利用雨水集流进行大田作物灌溉的报道；在我国，舟山群岛早就开展过雨水集流试验并进行了推广，北京市曾开展了利用雨水回灌城市地下水，减轻地下水下降的研究，其它一些地方也只是近几年才开展了这方面的工作，主要是通过对雨水的高效收集和有效储存，用于解决人畜饮水。
事实上，人类很早就有了对雨水资源进行利用的历史，并且对雨水资源的利用一直没有间断过，我国西北黄土高原地区农民利用场院、坡面、道路集流雨水，修窖蓄水已有近千年历史，只是限于当时的技术和利用条件，对雨水利用的效率还比较低，也没有人对这项利用技术的各个环节进行综合性的技术总结，没有形成一定的技术体系。
自甘肃省成功地实施“121”雨水集流工程以后，国内北方其他一些省区如山西、内蒙、宁夏、青海、陕西等也都开展了这方面的工作。
利用途径大都首先是解决人畜饮水，其次才是进行农作物灌溉，但在规模利用和高效生产方面都正处于发展和探索阶段，目前还没有形成完备的技术体系和运行管理模式。
3技术的发展和实践过程
甘肃省雨水集蓄利用技术的发展和实践过程可以简单地归纳为四个阶段：
一是雨水集蓄利用试验研究阶段。
雨水集蓄利用一九八八年列项开展试验研究，一九八九年开始小面积示范推广，同年对项目进行了中间评议，省内各有关部门的领导和专家一致认为：
项目紧密结合实际，选题准确，技术路线可行，研究方向正确。
建议在开展试验研究的同时，逐步示范，稳步推广。
一九九二年项目通过省级鉴定，认为本试验研究达到国内领先和国际先进水平，应尽快进行大面积推广，彻底解决甘肃中、东部干旱缺水山区的人畜饮水问题；二是雨水集蓄利用技术推广示范阶段。
一九九二年研究项目鉴定以后，在示范推广解决人畜饮水取得巨大成功的同时，雨水利用又向深层次开发、多元化利用方向发展，在利用小型微灌发展庭院经济方面进行了有效尝试，亦取得了一定成效；三是“121”雨水集流工程实施阶段。
一九九五年，在甘肃省遭遇特大干旱的情况下，通过对已推广利用工程的调查分析和论证，甘肃省委、省政府联合发出号召，动员全社会、多渠道广泛集资，开展了甘肃省“121”雨水集流工程。
这一工程的实施是雨水集蓄利用技术在解决人畜饮水和发展庭院经济灌溉方面在我省的全面应用和普及，拓展了水利建设的领域，开辟了雨水资源经济有效的利用途径，为同类地区进行雨水资源的持续开发和综合利用，提供了十分成功的经验。
对全球水资源的持续开发和减缓世界用水危机具有指导意义；四是集雨节灌工程建设阶段。
近几年，随着水资源开发利用程度的提高，各级政府加大了节水灌溉技术的推广力度。
在雨水集蓄利用技术基础上发展起来的集雨节灌工程的建设也引起了人们的重视，特别是成功实施“121”雨水集流工程，彻底解决广大干旱山区的人畜饮水问题之后，人们开始真正看到了科学技术的威力，认识到了技术的优势，建设集雨节灌工程目前已成为甘肃省中东部地区干旱山区广大农民群众的自觉行动。
4技术的主要内容
甘肃省雨水集蓄利用技术目前仍处于发展和完善过程之中，现在推广应用比较成熟的技术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。
4.1雨水收集技术
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。
通过科学的现代试验手段，测试各种防渗材料在不同的天然降水情况下，所能达到的集流效率，是雨水收集技术的关键。
为此，选择一定的集流面防渗材料，进行集流效率的试验是非常必要的。
4.1.1集流面防渗材料选择
集流面防渗材料的选择应遵循因地制宜、就地取材、提高集流效率、降低工程造价的原则进行，在试验研究阶段，我们主要采用了混凝土、水泥机瓦、青瓦屋面、塑料薄膜（裸露、覆盖）、三七灰土、水泥土、原土夯实等，这些集流面在解决人畜饮水即“121”工程阶段发挥了重要作用；在发展雨水灌溉阶段，结合实际应用情况，主要利用和改造利用现有集流面，重视了对沥青路面和塑料薄膜集流面和天然荒坡集流面的利用，部分石料丰富地区还建设了片（块）石集流面，这些集流面的成功利用，促进了雨水集蓄利用技术的进一步发展。
4.1.2集流效率
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各种防渗材料不同降水量情况下全年集流效率表
多年平均
降水量
（mm）
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
300—400
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
400--500
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
4.1.3可集水量的确定
不同降雨量地区全年可集水量参数指标是雨水集蓄利用技术的重要参数，雨水集蓄利用工程的规划和设计离不开全年可集水量的确定。
单位集流面全年可集水量计算按公式
（1）进行。
W=KP·E·P0/1000--------------------------------------
（1）
式中，W------单位集流面全年可集水量（m3/m2）
KP----天然降雨量与降水量的比值
E------集流效率，见表1
P0-----多年平均降水量（mm）
4.2雨水储存技术
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，其缺点是开挖量大，对土壤结构的适应性较差，渗漏严重，易破损。
随着雨水集蓄利用技术的发展和可利用集流面材料范围的不断扩大，蓄水工程的类型也在不断变化和增加，蓄水窖、蓄水池、涝池和塘坝等都被用来储存雨水，传统的土窖逐步被新型材料建造的水窖所取代。
水窖的结构形式视各地土质情况而定，归纳起来，从结构形式来看，主要有圆柱形、球形、瓶形、烧杯形、窑形；按防渗材料可分为红粘土防渗、混凝土防渗、砂浆抹面防渗及膜料防渗四种形式。
4.3雨水净化技术
雨水净化技术是指集蓄的雨水水质处理和净化技术。
对于不同用途的窖水，分别采取不同的水质处理和净化措施。
用于生活用水的窖水，除加强平时的环境卫生管理和进行集流面的定期清扫、沉淀池的定期清理外，在水窖中投入一定量的“漂白粉”和“灭疫皇”进行灭菌消毒。
当水比较浑浊时，投放一定量的明矾，同时坚持将水煮沸后饮用；用于作物灌溉的窖水，一般不进行消毒处理，当采用先进的节水灌溉技术，如采用喷、滴灌技术进行作物灌溉时，在水窖出水管上安装一定规格的网式过滤器除去水中杂质即可。
4.4雨水灌溉技术
雨水灌溉技术是针对干旱地区水资源总量不足的客观实际，而采用的一种非充分灌溉（限额灌溉）技术。
由于雨水灌溉技术的前提是非充分灌溉，所以说，雨水灌溉技术的关键是分析当地天然降水的时空分布规律，按照各种作物不同生长期需水量大小，选择作物生长需水关键期和缺水严重期进行补充灌溉或称之为有限灌溉，达到充分和高效利用雨水的目的。
目前采用的主要灌溉方法有点浇点种、坐水种、地膜穴灌、膜上膜下灌、滴灌及微型喷灌等。
针对不同的作物，采取不同的灌溉方法、灌溉次数和灌溉定额。
5主要技术经济指标
5.1人畜饮水技术指标
根据干旱半干旱地区的水源情况和用水实际，雨水集蓄利用工程人畜饮水标准可参照表2制定。
表2不同水平年人畜饮水定额表
供水对象
单位
平水年
特殊干旱年
备注
人
L/人·d
10
6
大牲畜
L/头·d
30
20
小牲畜
L/头·d
3
2
5.2“121”雨水集流工程技术指标
“121”雨水集流工程是指建设1块100m2左右的集流面，修建2眼30m3的蓄水池（窖），配套1处庭院经济，在干旱年仅以解决人畜饮水为目的，在丰水年除满足人畜饮水要求外，进行庭院经济作物的灌溉。
一般地，工程的建设规模（集流面大小），根据不同的天然降水量和拟采取集流面材料的性质，经计算确定。
但“121”雨水集流工程的集流面材料比较单一，且用水对象相对明确，数量相对稳定，总用水量长期大致保持恒定。
目前农村家庭一般为5口人，同时要求满足2头大家畜的饮水，“121”雨水集流工程在不同降雨量地区，满足最不利供水时的集流面建设数量见表3。
表3不同降水量地区“121”雨水集流工程技术指标
降水量（mm）
250
300
350
400
450
500
550
600
集流面（m2）
237
197.5
167.1
144.4
126.7
114.1
102.4
92.7
5.3雨水灌溉技术指标
雨水灌溉技术指标主要是指灌溉时间、灌溉次数和灌溉定额。
采用不同的灌水方式时，各种作物具有不同的灌溉时间、灌水次数和灌溉定额。
400mm左右降雨量地区，各种作物灌溉次数及灌溉定额见表4。
表4各种作物灌溉次数及灌溉定额表单位：
m3/亩
作物名称
灌溉方式
灌水次数
灌溉定额
备注
春小麦
喷灌带
3
30
滴灌、膜上灌
3
25
冬小麦
喷灌带
3
35
滴灌、膜上灌
3
25
春小麦、玉米带田
滴灌、膜上灌
5
35
冬小麦、玉米带田
滴灌、膜上灌
4
30
温室蔬菜
滴灌、膜上灌
8--9
80
点浇点灌
8--9
65
春玉米
滴灌、膜上灌
4
30
点浇点灌
3
20
蔬菜
微喷灌
5--6
60
滴灌、膜上灌
6--7
55
点浇点灌
6--7
45
果树
微喷灌
3--4
40
滴灌、膜上灌
3--4
30
点浇点灌
3--4
25
5.4经济指标
5.4.1集流面工程
对于集流面工程，不同防渗材料的集流面具有不同的工程造价。
根据甘肃省的实际情况，各种集流面材料造价见表5。
表5各种集流面工程建设造价表单位：
元/m2
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
片（块）石
10—12
12--15
4--5
8--10
6--8
6--8
1--2
5--6
在具体工程的建设过程中，有时需要进行集流面防渗方案的比较选定。
要准确分析各种防渗材料集流面的经济指标，应该以各集流面单位集水量工程建设费用指标和年费用指标比较确定。
不同集流面单位集水量工程年费用见表6。
表6不同集流面单位集水量工程年费用表单位：
元
保证率
（%）
混凝土
水泥瓦
水泥土
机瓦
青瓦
塑膜
覆砂
黄土
夯实
片（块）石
50
1.82
1.50
2.81
1.84
2.27
2.85
1.66
2.30
75
2.23
1.86
3.78
2.56
3.18
3.82
2.40
3.10
95
3.02
2.60
5.70
3.79
4.83
6.02
3.90
4.60
平均
2.36
1.99
4.10
2.73
3.43
4.23
2.65
3.33
5.4.2蓄水工程
根据甘肃省的实际情况和当地的土壤石料储备等条件，设计蓄水窖推荐采用容积15---30m3，衬砌主要以混凝土现浇和沙浆抹面薄壳水窖为主，经济指标主要表现为水窖的造价，见表7。
表7不同容积蓄水窖工程建设造价表单位：
元
防渗形式
水窖容积（m3）
备注
15
20
25
30
混凝土现浇
500--600
700—750
800--850
950--1100
沙浆抹面
350---400
450---500
550---600
650---700
5.4.3灌溉工程
根据种植作物的种类，采用不同的灌溉方式。
由于作物种植方式的不同，相同的灌溉方式对不同的作物亩投资差异很大。
各种灌溉方式亩投资造价见表8。
表8不同作物类型各种灌溉方式亩投资表单位：
元
灌溉方式
作物种类
微喷灌
滴灌
膜上灌
喷灌带
点浇点种
小麦
800~1000
200~250
500~700
小麦玉米带田
800~1000
200~250
500~700
春玉米
500~700
200~250
500~700
蔬菜
600~800
800~1000
200~250
果树
400~600
400~600
6技术适用范围及推广应用条件
应该说，雨水收集利用技术有着广阔的应用前景，收集的雨水可广泛应用在家庭生活、环境卫生、花卉苗圃、草坪果园等方面，在农业灌溉上也已经展现出了良好的发展前景和潜在的巨大效益。
目前，这项技术在世界各洲都有应用，如德国、泰国、印度、孟加拉、印尼、斯里兰卡、博茨瓦那、约旦等均有雨水利用工程。
这些国家年降雨量最大的3200mm，最少的只有250mm左右，所集蓄的雨水主要用于生活及庭院苗木花卉灌溉用水。
近几年来，我国的雨水集蓄利用技术发展很快，目前已在许多省区得到了广泛的推广应用，在解决当地农村人畜饮水问题的同时，正在向旱作农业高效用水方向发展。
采用雨水集蓄利用技术，既可缓解北方地区的人畜饮水困难问题，也可解决海岛地区生活饮用水不足的矛盾，同时可在我国广大的北方旱作农业地区进行旱地集水农业高效生产，帮助农民群众实现脱贫致富。
本项技术尤其在北方年降水量250---600mm的干旱、半干旱地区最为必需和适用，条件许可的话，也可在降水量600mm以上地区推广应用。
7雨水集蓄利用技术推广应用情况
解决水资源不足的矛盾，有许多途径，如工程措施、政策性措施、技术性措施等等，都是十分有效的，但这些措施过去主要用在对江河径流和地下水的开发利用方面。
雨水集蓄利用技术是一项新兴的实用型工程技术，从试验研究、示范推广到大规模推广利用仅仅十几年的时间。
如果从1995年大规模实施“121”雨水集流工程算起，才短短5年多的时间，但5年来，本项技术的推广应用取得了巨大成绩，产生了良好的社会、经济效益。
特别是在实施“121”雨水集流工程短短的一年时间里，全省有25万户，131万人和118万头家畜解决了饮水困难问题。
如果采取其他工程措施，在如此短的时间里，取得如此大的成绩，见到如此大的实效，这是不可想象的。
在实施“121”雨水集流工程，成功解决了干旱山区的人畜饮水之后，甘肃省在半干旱黄土高原丘陵山区又实施了集雨节灌工程。
即利用公路、场院、荒山、坡面和人工防渗集流面，收集雨水，存储于水窖或水池内，采用节水灌溉技术
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