雨水资源集蓄利用研究综述

1、雨水资源集蓄利用研究综述提要由于干旱、人口增长、地表水地下水污染等问题，人们对雨水资源的开发利用产生了极大的兴趣并进行了广泛的研究，而且已初步显示出雨水资源开发利用的巨大潜力。文中对雨水的汇集、蓄存、利用技术，雨水利用对区域环境的影响，雨水资源的评价，雨水利用的效益评估等方面的最新研究进行了全面的分析总结，同时，提出了目前研究中亟待解决的问题。关键词雨水汇集；雨水利用；区域环境；雨水资源评价；效益评估中图分类号P968； P426.62文献标识码A文章编号1000-3037(2000)02-189-051 雨水集蓄利用的历史及发展概述近年来，由于人口增长、持续干旱、地表水污染、地下水超采等原因

2、，使得人们对雨水资源的开发利用产生了极大的兴趣并进行了广泛的研究，并已初步显示出雨水资源开发利用的巨大潜力。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 年代修筑集流面收集雨水1。1982 年，夏威夷召开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 Associat ion，IRCSA)，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

3、，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，水窖修筑历史也有数百年。20 世纪 50 年代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，这一思路得到迅速发展，将收集的雨水用于发展庭院经济和大田作物需水关键期的补充灌溉。1995 年，甘肃省在干旱半干旱地区实施了“121 雨水集流工程”，几乎在同一时期，宁南山区实施“窑窖农业”，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、山西、河南、江苏、浙江等省亦进行了雨水利用试验研究。1995 年 6 月，北京举办

4、了第七届国际雨水集流系统大会，并分别在兰州、徐州召开了第一、第二届全国雨水利用学术讨论会。目前，我们国家的研究主要集中在干旱半干旱地区人蓄饮水和集流节灌的问题上，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。2 有关概念探讨2.1 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 2、3。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

5、为径流或地下水，土壤水阶段的利用4，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：解决人蓄饮水的家庭利用；集流补灌的农业雨水利用；用于消防、城市绿地灌溉的城市雨水利用；雨水的地下水补给利用。2.2 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。蔡焕杰等人将农业雨水利用分为雨水自然利用、叠加利用和聚集利用5。笔者认为可将其分为：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；雨水的被动利用，指通过一定的工程措施增加拦蓄

6、入渗（如梯田）或减少蒸发（如覆盖）来利用雨水；雨水的主动利用，指通过一定的汇流面将雨水汇集蓄存，到作物需水关键期进行补灌。和被动利用相比，主动利用中须使用灌溉手段，使作物不完全依赖于降水，从而提高了可控性6。2.3 雨水集蓄利用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，使其就地入渗或汇集蓄存并加以利用，狭义的则指将汇流面上的雨水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。3 雨水集蓄利用技术研究进展雨水集蓄利用技术主要包括汇集、蓄存与利用 3 个方面，这 3 个方面互相衔接，组

7、成完整的雨水集蓄利用系统。3.1 雨水汇集技术雨水汇集是指利用天然或人工修筑的汇流面，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（如体育场）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蓄饮水问题。路面集水则主要用于灌溉，甘肃省定西地区 1996 年实施道路集雨灌溉工程以来，在国道及地方公路沿线共修建水窖（池）9.254 万眼，总容积 437.48万m3，发展节灌面积 1.99万hm2，经济效益显著7；利用公路集流时，要合理布设蓄水设施，否则，将会给公路造成隐

8、患8。此外，城市路面及建筑物也被作为集流面，收集雨水用于城市环境及地下水补灌的研究也正在展开9、10。在干旱半干旱地区，人工修筑集流面汇集雨水进行作物补灌是提高粮食产量和农业持续发展的重要举措。现生产上常用的有混凝土、塑料薄膜、水泥土夯实、三七灰土夯实、原土夯实等处理。不同材料处理其集流效率不同，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。3.2 雨水贮蓄技术雨水贮蓄技术包括雨水的蓄存和水质改善两方面的技术。雨水蓄存是雨水集蓄利用系统的中间环节，是指将汇流面

9、汇集的雨水通过导流渠（管）引入蓄水设施贮存，等到需水时再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。水窖主要用于人蓄饮水和部分农田补灌，水窖建筑容易，使用方便，蓄存的水质基本不受污染，渗漏蒸发少，目前较多采用。另外，蓄水池、瓷缸、水泥罐等也普遍使用。在一些来水量大的沟道或土地利用程度低的低洼地，修筑塘坝涝池蓄水，兼有沉沙调洪的作用。蓄水设施还包括引水渠、沉沙池、滤网等配套设施以导引雨水径流和保护改善水质。降落于地表的雨滴本身带有空气中的一些尘埃及大气污染物，再加上一般地区集流面没有适当的卫生防护设施，使得汇集于蓄水设施中的雨水水质较差。据对甘肃中部干旱半

10、干旱地区 6 个县的水窖水质调查分析，发现水质均达不到我国通用的 (GB574985) 生活饮用水卫生标准11，因而应加强这方面的工作。饮用水水质的主要保护措施有：降雨前清扫集流面，设置沉沙池、滤网，蓄水窖加盖，定期清洗水窖等。在采取保护措施的同时，应对蓄存的雨水净化。在我国饮用雨水的地区，一般家庭较多使用的有明矾、漂白粉、熟石灰等，但是某些常用的化学物质如漂白粉可与水中有机物反应，生成不利于人蓄的副产物如三卤甲烷12，因此，雨水净化技术还有待于进一步研究。利用城市建筑物收集的雨水由于工业污染（如汽车尾气、化工厂排放物），水质较差，但贮存一段时间后，经过雨水的自然净化，水质可满足一些工业生产和

11、环境用水标准10。3.3 集蓄雨水的利用技术雨水汇集蓄存，其目的是为了利用；而充分高效、经济合理地利用雨水是保证整个雨水集蓄利用技术体系取得最大效益的关键一环。利用庭院屋顶收集雨水解决干旱半干旱山区、淡水缺乏地区的人蓄饮水问题是提高这些地区人们生活质量的关键步骤。甘肃省中东部地区 1995 年实施“121 雨水集流工程”，一年多时间解决了 131.07 万人、118.7 万头生蓄的饮水问题13。浙江省余姚市由于地表河道蓄水量少，地下水水质差且污染严重，井水咸、涩、臭，所以这里居民家家都建有雨水集流设施。水是农业生产的命脉，在干旱半干旱地区，降雨量少且分布不均匀及降雨期与作物生长需水关键期错位，

12、作物产量长期低而不稳。通过对这些地区农业自然生产潜力的分析，发现水分亏缺限制了其他因子作用的发挥，是“箍桶效应”中的短板，如果解除水分胁迫，初级生产力是目前的 45 倍14。在这些地区，降雨多集中在 69 月，若将多余的雨水径流收集起来缓解春旱、夏初旱，将大大提高作物产量，实际上就是二重“箍桶效应”中的截长补短15。从时空上调节雨水分配，使水分供给与作物需水期相吻合，这就是集雨农业的出发点。另据研究，作物在中等水分亏缺条件下，有利于 WUE（水分利用率）的提高16；而且在作物发育的某一阶段施加一定的水分胁迫，有利于作物抗旱和品质的改善17，这从作物水分生理上为集雨农业灌溉提供了依据。此外，集雨

13、农业中的补灌必须用节水灌溉方式（微喷灌、滴灌、渗灌、点浇、穴灌等）并与农业节水措施（覆盖、松耕等）相结合，有条件的地方应使用设施农业。利用城市路面及一些建筑物表面集蓄的雨水可用于城市消防、厕所冲洗、城市绿化草坪灌溉；水质经处理后，可用于一些工业如木材加工10。将城市建筑物及平原地区的雨水直接拦蓄入渗或通过一定的渗漏过滤装置，回灌地下水，可补充地下水量兼有防洪作用9、18、19。3.4 雨水集蓄利用技术研究中存在的问题目前我国雨水集蓄利用技术主要应研究以下问题：新型的高效低价集流面材料的研制；蓄水设施的施工技术和防冻胀技术，饮用水水质净化技术；不同约束条件下补灌水量的确定，不同的灌水方式、不同的

14、作物及其农业经营措施综合利用雨水的最佳模式；大气污染对城市雨水水质的影响，城市汇集雨水水质的净化、应用及汇集雨水回灌地下水技术等。4 雨水集蓄利用对区域环境的影响4.1 雨水集蓄利用与水土保持黄土高原国土整治 28 字方略的核心是“全部降雨就地入渗拦蓄”20。生产实践中，通过修筑梯田、鱼鳞坑、水平阶等水土保持工程措施和松耕、等高耕作等水土保持农业措施，就地拦蓄雨水径流入渗，提高了作物产量和林木成活，拦截分散了地表径流从而减轻了对土壤的冲刷侵蚀，水土保持作用十分明显。从雨水利用的角度来看，属于被动的雨水利用，也就是说通过一定的人为措施对自然的水文循环进行干预，使其向着更有利于人类生产和生活的方向

15、发展，但这种干预具有一定的局限性，譬如，严重的春旱和夏初旱使作物生长很差或完全枯死，那么嗣后的强度降雨将会对裸露的地表产生严重的冲刷；但是，如果在田头路边修一些水窖（池），沟道、低洼地修塘坝、涝池（类似水保工程中的淤地坝，但淤地坝的主要作用是淤泥，而蓄雨设施的作用主要是用水）拦蓄降雨集中时期（黄土高原 69 月降雨量占全年降雨量的 70%80%）多余的雨水径流，到作物需水关键期进行补充灌溉，解决作物、林木在旱季因缺水而枯死减产的“门坎”问题，同时防止了暴雨径流对坡面、路面、沟头的侵蚀21，这实际上是雨水的主动利用。因此，就水土保持而言，雨水集蓄利用是“就地入渗拦蓄”的进一步延伸和拓展，在水土保

16、持中具有更积极的作用和意义。4.2 雨水集蓄利用对区域生态环境的影响通过上述分析，干旱半干旱地区雨水集蓄利用具有拦泥减沙的作用，同时，利用集蓄雨水节灌作物、林草，提高作物产量和林草成活，改善了农田生态系统，增加了区域生态系统的稳定性。庭院屋顶雨水集蓄利用解决饮水问题，城市雨水收集可用于绿地灌溉、城市清洁等环境改善，都产生了良好的环境效益；而地下水补灌，可缓解已形成的地下水漏斗和由此产生的地下水环境问题22。另一方面，由于人工雨水收集干扰了正常的水文循环，从而对区域的径流、蒸发、入渗及地下水位产生影响；尤其在降雨量少的干旱半干旱地区，要防止雨水资源的过度利用对环境的负面影响。关于雨水集蓄利用与环

17、境方面目前应主要研究：雨水集蓄利用的水土保持作用对区域水环境、区域生态系统结构和稳定性的影响，地下水回灌对地下水环境的影响等。5 雨水资源评价与雨水集蓄利用效益评估雨水资源的正确评价对其合理开发利用具有十分重要的意义。据估算，我国多年平均降水量为 6.19 万亿 m3，年降水最大的地方超过 6000mm，而约有 1/3 的面积降水量低于 200mm23。可见，降水总量丰富，但分布不均匀且差异悬殊，因此，要进行区域合理评价。在雨水资源评价中，除对雨水资源的总量进行评价外，更重要的是对可开发利用的雨水资源潜力进行合理评价，估算出由于目前人们认识、技术等限制而浪费掉的或没有发挥最佳效益的那部分雨水资源量，确定合理的开发量。雨水资源的评价应引起人们的重视，以防止过度利用而产生的环境问题。据一些试验 相关课件请到: 课件下载 栏目下载 教学反思研究24-26，集蓄雨水补灌农作物，可大大提高产量，具有显著的经济效益，但由于各地试