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集雨技术与土地整理工程
集雨技术与土地整理工程
孟凡奇
（北京国地土地整理规划设计研究院，100044）
摘要世界水资源危机及土地、人口压力的增加，集雨这项古老的技术重新被认识和重视，世界上许多国家，特别是处于干旱区的国家对此进行了卓有成效的研究工作，我国也为此投入了很大的力量推广示范集雨技术。
随着国家土地整理工作的开展和生态环境问题日趋严峻，该技术渴望成为一系列解决措施中的重要一环，本文就集雨技术的发展和目前在土地整理工程的应用提出一些需要注意的问题和建议。
关键词集雨技术土地整理应用
引言
随着土地整理项目的开展，集雨技术越来越被广泛的应用，它的本质是实现雨水的富集叠加利用，延续雨水的时空分布，达到充分利用有效降水目的。
但也应该注意的是，任何技术都有其本身的特点和适用的范围，本文从集雨工程的发展、系统组成、集雨灌溉模式、工程规划及一些技术细节方面并针对规划设计提出一些需要注意的问题，以期推广集雨技术在土地整理项目中的应用。
1集雨技术
1.1概述
集雨技术就其产生的时间来说，早已不是一种新技术，人们发现了早在4000年前的以色列内格夫沙漠的径流集蓄系统（Evanari等1971）。
集雨技术正是伴随着人类生产发展的需要而发展起来的。
随着土地压力的加剧，世界上越来越多的边缘地区用于农业生产，其中大部分土地位于干旱半干旱地区，在这些地区，大都降雨不规律，并且降水大多成为地表径流而流失，加之近年的全球气候变化，干旱缺水日益成为限制人们地区经济发展和生存的一大阻障因子。
水资源短缺已经成为世人瞩目的环境危机，在人们将地表水、地下水的利用程度提高到最大阀值的今天，人们的目光不由得转向了可再生利用的宝贵的雨水资源。
集雨技术正缘于此而被人们重新认识和重视。
自本世纪50年代以来，世界上许多国家，特别是处于干旱地区的国家，以色列、美国、澳大利亚、印度等国家都积极而有成效的进行了这方面的研究，人们渴望其成为一条新的解决水资源危机途径。
1.2基本概念和特征
1.2.1基本概念
关于集雨技术的概念，国内外一直没有一个统一的定义，国外称之为WaterHarvesting，Rainfall-RunoffCollecting，国内称之为集雨技术、集水技术以及径流拦蓄技术等，但总体内涵并无太大差异。
Gedeles首先对集水作了定义---集水是对降雨径流或小溪水的收集和储存并用于灌溉。
Mayer也引用Currier的定义----从已处理过的区域收集自然降水并有益利用的过程。
最后，Mayer定义是：
一个为了增加降雨或融雪水的实践活动。
Finkel定义为：
径流的收集并用来灌溉作物、草场和树木以及为牲畜提供饮用水。
不论何种定义，其主要内容是产生、收集、储存径流并加以多种利用，以实现雨水的叠加和聚集利用，采用的各种方法主要取决于各地的自然地理及经济条件状况。
1.2.2集水系统的特征
Boers认为，不管所采取的方法有什么不同，集水系统有三个普遍特征：
主要应用于具有间歇性径流的干旱和半干旱地区，地表径流主要源于降雨和季节性地下水出流，由于径流时间短，储存是集水系统中不可分割的一部分。
水源主要是地表径流、小溪、泉水和渗出水。
集水系统在集水面积、储存面积和规模上比较小。
实践证明，集雨技术对于干旱半干旱地区起到非常重要的作用，主要体现在如下几个方面：
提高作物产量，降低种植风险；改善草场状况；提高产品质量；防治土壤侵蚀；充分利用水资源；补充地下水。
在另一方面，集雨技术也具有一些问题：
比雨养农业投入较多的劳力；由于对技术的不熟悉和水源供给的不可靠性而带来的诸多困难；集流区的植被和土壤需要处理；在扩大可利用土地的同时也可能占用可耕种的土地。
1.3集雨技术的近期应用
随着集雨技术的研究进展，已有许多国家投入实践中。
泰国已建成1000多万m3钢筋混凝土面集雨存水罐，亚洲的尼泊尔，孟加拉国，印度和菲律宾，非洲的波滋瓦拉、马莱和坦桑尼亚已将雨水利用与开发作为一项国策。
日本已用雨水来补调一些城市供水。
墨西哥、博茨瓦纳、印度、巴基斯坦、澳大利亚和阿富汗都有集水农场。
国内典型的工程有甘肃的“121”工程，内蒙古的“112”工程，陕西的“甘露工程”和宁夏的“窑窖工程”。
这些都已经在生产中形成具有一定区域特色的规模。
随着土地整理项目的开展，越来越多的地区开始应用集雨技术，不但对于干旱半干旱地区的农业发展具有重要意义，而且对于降雨量较大地区同样具有重要的作用，特别是对于人蓄饮水和旱作农业来说。
集雨技术与干旱半干旱地区的关系密切，在当前地区环境恶化、干旱和人口压力问题十分突出的情况下，集雨技术则有望成为解决这些问题而采取的一系列措施中的十分重要的一环，该技术将会得到更加全面的发展和推广，集雨技术的发展必将和地区生态环境紧密联系在一起。
2系统组成
集雨系统虽因各种具体种类不同而有差异，但总由雨水收集系统、储存系统及利用系统组成。
其过程包括集流收集---雨水储存---高效利用三个环节，是具备产流、集流、储存和利用的通路系统。
收集系统主要由处理的集雨面及附属设施组成。
集流面的处理早期是采用自然的坡面，如自然砂岩坡面和光洁的岩石坡面或自然的土质坡面，近些年一些新技术得到应用，主要由有自然植被管理、化学材料处理（Fraiser1987，Maheswari1986）、地表硬化覆盖处理（EmmerichW.E.1987）。
利用系统随目的不同而不同，有供农业用水的灌溉系统，供人畜饮水的供水净化系统等。
目前在我国应用的集流场材料主要有混凝土、瓦、塑料薄膜、三七灰土、原状土，各地使用的效果不同，但总体来说集流效率还是依次递减的。
输水系统是将集雨场所汇集的雨水引入蓄水系统的输水沟渠和截流沟。
有土渠和衬砌渠道，其末端一般为沉沙池。
蓄水系统是指将雨水储存起来的系统，包括储存雨水本身的设施，现在常用的主要有水池（Wilder1977）、水罐（H.N.Verheshwari1986）、水窖（张光辉1997）、水库（Margeta1990）等。
还包括为其服务的附属设施，如沉沙池、拦污栅等。
雨水利用系统是将蓄存在蓄水系统的雨水再利用的设施、技术，农用集雨工程主要指灌溉系统。
3.集雨灌溉模式
集雨灌溉不同于常规水源灌溉，首先需要明确的是，集雨灌溉是补充灌溉，是在水资源短缺或其它水资源利用较困难的情况下采取的辅助措施，虽然它产生的效益很高，但必须认识它的局限性。
在谈规划设计之前，有必要了解在集雨灌溉条件下的作物灌溉模式，只有全面的认识了集雨灌溉模式，才能更深刻的把握集雨工程的规划设计思想。
集雨技术本质是实现雨水的富集叠加利用，拓展雨水利用的时空限制。
由于工程本身的限制，单位面积土地的可利用水量有限，所以灌水次数和灌水定额都较小，所以更确切的说法是补灌。
在确定作物的集雨灌溉模式时，要考虑三方面的因素。
一是作物的生育期内的水分需求状况；二是考虑作物的各生育阶段水分敏感系数以确定最佳的补灌时间；三是确定适宜的灌水定额，达到单位水量增产量（WSE）最高。
以春小麦为例加以说明，参照兰州和定西春小麦生育期需水量规律，苗期需水量较小，播种-分蘖期需水量只占全生育期的百分之十几，随着小麦的生长发育，需水量逐渐增大，拔节-抽穗期对水分的要求最高，需水量最大，这个时期需水量越占全生育期需水量的1/3，抽穗开花后需水量又趋于下降。
春小麦对水分的敏感性较强，所以水分条件对春小麦的影响比冬小麦更大，春小麦生育阶段需水量变化见表1。
表1春小麦各生育阶段需水量变化表
地点
需水量
播种-出苗
出苗-分蘖
分蘖-拔节
拔节-抽穗
抽穗-成熟
全生育期
兰州
mm
20.2
28.9
42.5
141.6
167
400
mm/d
1.01
1.45
2.83
4.57
3.71
3.05
定西
mm
18.5
19.3
52.8
132.4
134.6
357.7
mm/d
0.93
0.97
3.52
4.27
3.37
2.84
注：
表中数据引自赵松岭主编《集水农业引论》
之所以列出春小麦的需水量变化情况是因为制定灌溉制度的时候要充分考虑不同地区的实际情况及各种作物的需水规律，在确定补灌定额时也要参考。
关于敏感指数这里想要强调的是制定灌溉制度时最佳补灌时间的重要性。
旱地作物耗水量与大气降水存在显著的相关关系，并且不同作物在不同地区的各生育阶段水分亏缺频率及程度是有差异的，这可以充分利用水分胁迫原理和非充分灌溉原理最大限度的利用有限水源达到高产的目的。
春小麦各生育阶段敏感指数的变化趋势是基本一致的，由大到小依次为抽穗-灌浆>拔节-抽穗>分蘖-拔节>灌浆-成熟>出苗-分蘖，灌水时可以根据储水量考虑灌溉优先次序，当然任何阶段都不允许土壤含水率接近低限。
关于最佳灌水定额的确定是比较困难的，这要视作物生育阶段、土壤水分状况及可利用水量具体确定。
但有个指标是可以衡量的，即水分利用效率（WUE），据甘肃省农科院试验结果表明，一次补灌20mm水量最佳（当然不完全适合其它地区），WUE值为6.4，从理论上讲，集雨补灌的主要作用是缓解干旱状况，而不是完全满足作物生长发育的要求，因此，在确定补灌定额时要注意这一点。
4工程规划设计
集雨工程的规划设计有三个方面，一是集雨工程的规划布置；二是集流场及储水体工程设计；三是雨水的再利用，下面提出一些在规划设计时需要考虑和注意的问题。
4.1集雨工程的规划布置
还是要再强调一点，集雨工程仍然是一种补充灌溉的方法，虽然它在某些地区起到了重要的作用，它不可能完全满足作物生长发育的水分要求，因此，充分论证集雨工程在该地区的可行性及预期效果是必要的。
集雨工程规划布置的主要任务是收集资料，确定作物发展结构，合理的布置集流场地和蓄水设施。
在规划时要遵循几条技术性原则：
1确定集雨工程的适宜发展地区。
降雨量在250m（200mm）以下的地区暂不适宜大规模发展集雨工程（特殊要求除外），适宜发展地区也要确定能够实施的具体建设范围。
2工程的规模、分布以及系统的选型要根据当地的自然地理条件和社会经济条件来确定，特别是要重点进行水资源分析。
3工程选址要管理运行方便，充分考虑地形条件和地质条件，避开有洪水、泥石流、滑坡危害的地带。
4工程布置要结合现有水利设施条件，尽量集中连片。
除了技术方面要求必须满足外，还需要考虑以下几个问题：
1论证集雨工程在该地区的可行性
前面已提到，集雨技术有其本身的局限性，一般认为在降雨量大于200mm（250mm）的地区才适宜发展集雨技术，在半干旱地区发展集雨农业、庭院经济已经有许多成功的经验；许多专家也指出，在西南降雨量比较大但季节性缺水的地区也应大力推广集雨技术，特别是山区，如广西、贵州、重庆等省市，但是要明确集雨工程的地位和作用，必须有一个清晰的定位。
2集雨工程和地区经济发展相结合
正是由于集雨工程具有分散性、独立性、规模小（都是相对而言），所以在规划时要考虑和地区经济发展结合起来，适当发展经济作物和庭院经济，当然这是在解决温饱的前提下。
3综合考虑
在地区经济发展比较落后或人畜饮水困难的地区，要将一般的农田灌溉、水土保持、人畜饮水和发展庭院经济结合起来，综合考虑，统一规划。
4.2技术设计
4.2.1集流面的选择
集雨工程的起始点就是集流场，集流场的大小涉及四个方面的问题：
一是当地降水量的大小和集水效率；二是灌溉制度；三是集水材料；四是储水体。
问题虽然很清晰，但综合起来考虑确有很多的矛盾和困难，设计时可参考实践经验，各地普遍修建容积50m3以下的水窖（储水体），所选择的
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