雨水与劣质水农业利用的发展

雨水与劣质水农业利用的发展【学习目的】通过对本讲的学习，使学员了解雨水与劣质水农业利用在国内外的发展概况，掌握集蓄雨水利用技术和雨水利用模式以及劣质水资源化的处理方法，通过对雨水与劣质水农业利用研究发展方向的了解，提高对雨水、劣质水资源农业利用的认识。【学习安排】16学时【教学内容】随着人类社会经济的进步与发展，人口的不断增长，对有限的水资源提出了越来越高的要求，水资源的紧缺已成为许多地区制约经济发展的重要因素。在这种背景下，雨水利用技术引起了人们的注意。雨水蓄存不仅可以用于生活，而且可以用于农业生产，从时空上调节雨水分配，使水分供给与作物需水期相吻合。目前雨水利用技术有雨水就地利用、雨水叠加利用和雨水异地利用三种模式。虽然雨水农业利用的研究与实践已取得一定进展，但雨水开潜力、雨水高效集蓄利用技术模式及其对生态环境的影响将是今后有待深入研究的主要方向。对劣质水（尤其是污水）进行适当处理，达到目标用途要求的水质标准，使之成为多种用途的水资源，可在很大程度上缓解水资源的紧缺状况，对节约水资源具有重要意义。污水处理技术主要包括物理法、生物法和化学法等方法。无论是我国还是国外，对劣质水和咸水资源农业利用都有理论与实践研究。随着对劣质水和微咸水灌溉研究的深入和社会对水资源与环境问题的关注，安全、高效与可持续发展的劣质水和微咸水农业利用，需要研究制定有关使用标准或指南。1.1雨水利用发展现状及趋势1.1.1雨水利用发展历史雨水利用是一项曾被广泛应用的传统技术。据墨西哥的一份报告指出，雨水利用可追溯到公元前6000多年的阿滋泰克(Aztec)和马雅文化时期，那时人们已把雨水用于农业生产和生活所需。在墨西哥、秘鲁和南美的安第斯山脉上，建有大片梯田和数百公里精巧的渠道。在哥伦比亚、厄瓜多尔、苏里南沿海和秘鲁南部高原，3000多年前的村居就成功地利用不同地形，修筑台地种植玉米，在沟底种植水稻。公元前2000多年的中东地区，典型的中产阶级家庭都有雨水收集系统用于生活和灌溉。阿拉伯人收集雨水，种植了无花果、橄榄树、葡萄、大麦等。在利比亚的干燥河谷内，人们利用堤坝、涵管把高原上的水引至谷底使用。埃及人利用集流槽收集雨水作为生活之用。2000年前，阿拉伯闪米特部族的纳巴泰人在降雨仅100mm的内盖夫(Negev)沙漠，创造了径流收集系统，利用这样少量的雨水种庄稼，这种纳巴泰技术直到现在仍在应用。印度西部的塔尔沙漠，人们通过水池、石堤、水坝、水窖等多种形式收集雨水，获得足够的水量来支持世界上人口最稠密的沙漠，每平方公里达60人。几百年前，在美国亚利桑那州的印第安人用漏斗状的长堤，把雨水集中到几公顷的土地上，种植玉米、甜瓜等。500多年前，科罗拉多州的阿那萨基人建造数以千计的小坝截留雨水种植玉米、豆子和蔬菜。雨水利用技术曾经有力地支撑了古代许多地区的灿烂文明。我国雨水利用的历史源远流长。早在4000年前的周朝时期，我国劳动人民在农业生产中就利用中耕等技术增加降雨入渗，提高作物产量。秦汉时期在一些地方修建涝池塘坝拦蓄雨水进行灌溉；而修筑梯田利用雨水的方式则可以追朔到东汉。在生活用水方面，干旱地区的农民利用水桶、瓦盆等收集降雨时屋面滴檐水饮用；水窖修筑历史也有数百年，在甘肃会宁尚有一清朝末年修筑的水窖至今仍在使用。1.1.2雨水利用现状与发展趋势1.1.2.1雨水利用发展现状从20世纪初开始，随着现代工业技术的兴起，先是地下水的开采在许多地方逐渐取代了雨水利用技术。接着，以控制洪涝灾害、利用河川径流和开采地下水为目标的当代水利工程的修建，又为社会经济的发展，特别是农业的持续稳定增长，发挥了很大的作用，取得了巨大的效益，雨水利用技术渐渐被人们遗忘。但是，随着人类社会经济的进步与发展，人口的不断增长，对有限的水资源提出了越来越高的要求，水资源的紧缺已成为许多地区制约经济发展的重要因素。在这种背景下，雨水利用技术又重新引起了人们的注意。特别是联合国1981一1990年“国际供水与卫生十年”(IDWSSD)计划启动以来，这一技术迅速在世界各国得到复兴和发展，成为许多国家解决水资源不足，特别是农村人口生活用水困难的一个重要途径。目前，在世界6大洲都有收集雨水解决生活用水的例子。包括发达国家的日本、澳大利亚、加拿大、美国、德国、瑞典等和发展中国家的泰国、印度、尼泊尔、斯里兰卡、孟加拉国、菲律宾、伊朗、巴勒斯坦、肯尼亚、突尼斯、南非、博茨瓦纳、纳米比亚、津巴布韦、乌干达、赞比亚、坦桑尼亚、埃及以及巴西、墨西哥、哥伦比亚等国都在发展这一技术。利用雨水解决生活用水不仅仅局限于农村，也包括诸多现代化的城市。例如，在日本大多数城市均设置雨水利用系统，主要用于冲洗厕所、浇灌草坪，也用于消防和发生灾害时应急用水。另外，存储雨水的水池还用做调节城市雨洪的设施，在洪水季节要留出约1／3的容积存放洪水，以减少城市下水道的负担。除了在一般住房中修建蓄水池外，在有些大型建筑物如相扑馆、大型会场、机关大楼下部均建有容积达数千立方米的地下水池存蓄雨水。美国从20世纪80年代初就开始研究用屋顶雨水集流系统解决家庭供水问题，1983—1993年，USAID资助了一项面向全球的雨水收集系统计划(RWCS)，以后又建立了雨水收集信息中心(RWIC)和一个通讯网。农村利用雨水规模最大的是泰国。20世纪80年代开展的泰缸(Taijar)工程，建造了1200多万个2m3的家庭集流水泥水缸，解决了300多万农村人口的吃水问题。澳大利亚在农村及城市郊区的房屋旁，普遍建造了用波纹钢板制作的圆形水仓，收集来自屋顶的雨水。据南澳大利亚的一项抽样问卷调查表明，使用雨水的居民比用城镇集中供水系统的要多。加勒比海地区雨水也是许多地方居民生活用水的主要来源，百慕大群岛80％以上的居民用水来自雨水收集系统。在非洲，肯尼亚的许多地方，UNDP和世界银行的农村供水和卫生项目把雨水存储罐作为项目的一个重要内容，在学校、医院建造了许多10～100m3的储水罐。这种技术后来传到博茨瓦纳、纳米比亚、坦桑尼亚等地，带动了非洲的雨水集蓄工程的发展。在拉丁美洲的墨西哥和巴西，雨水利用也开展得比较普遍。墨西哥的Chiapas高原有较完善的雨水收集系统，由铝制屋顶、梯形地下水池、过滤池、水泵等组成。巴西东北部靠近赤道的半干旱带Petroina地区，在国际组织的资助下，帮助贫苦居民修建用铁丝网水泥、预制混凝土板、石灰衬砌和砖砌的储水罐2000多个。20世纪中叶以来，国外兴起了对径流农业(RunoffAgriculture)的研究和实践。以色列政府制定了为期30年的庞大径流农业计划，在内盖夫地区建立可持续发展的农业生态系统。联合国有关组织把发展适合当地条件的径流农业技术作为援助非洲的一项重要内容，组织发达国家科技人员在非洲许多地区做了大量试验示范。以色列通过多年努力，重新起用和改进了古代的纳巴泰系统，并被中东、非洲及美洲的一些国家的干旱地区效仿。在技术方面还研究了集流面材料和集流效果，提出了设计方法和发展径流农业的基本技术措施。国外径流农业分为以下几种类型：1、“集流区+种植区”为特征的微集水农业系统由微型集流区和利用径流的种植区组成。在集流区收集的径流直接集中到种植区，为农业系统增加水分。径流区和种植区的面积比例取决于降雨量和作物需水。例如在巴西的Petrolina地区进行了利用田间土垄富集雨水的试验和示范。对比试验表明，此种措施可使作物增产17％～58％。在墨西哥、博茨瓦纳等地也有此种实践，并建立了根据当地雨量、径流系数和作物需水量计算作物间距的数学模型。微集水技术应用在造林上称之为径流林业。其主要做法是在林带之间或林带附近地建立集水区，把径流集中到林带上，以供林业生长利用。以色列涅杰夫地区中北部稀树草原化工程，在年降水量不到200mm地区，用了两年的时间在山坡建造微集水区，利用该地区坡面黏重土壤的天然结皮汇集径流的作用，沿等高线的垂直方向每隔45~60m，在其下方挖一半月形植树坑(类似我国的鱼鳞坑)，坑的下沿用土或石块筑埂拦蓄径流。微型集水区的平均面积为265m2，经5年的观测，研究所有树种的高生长可达到初始栽植高度的3～5倍，它表明在微型集水区中储存的径流水足够支持树木正常生长的需要。自20世纪70年代以来，在美国、前苏联、突尼斯、巴基斯坦、印度、澳大利亚等国，在地形较为复杂干旱的丘陵及沙漠地区，在不需蓄水设置时，利用自然坡面建造微型集水区收集径流。每一微型集水区的坡面事前平整好，再在低处栽植一株树木。微型集水区的面积为20—1000m2，其大小要根据所在地的降水量和树木对水分需求量而定。2、“集流区+蓄水设施+输水设施”为特征的集雨蓄水技术集雨蓄水技术是收集雨水产生的径流并储存于蓄水池或蓄水罐内，再通过输水设施供给农业灌溉。收集径流的区域可以大到几个到十几平方公里的小流域，小到几百平方米。例如印度对AndhraPradesh地区8.9hm2的小流域研究认为，修建6处由1hm2集流面、300m3蓄水池组成的系统，即可为该流域农田提供充足的补充灌溉用水。在印度许多省份，采取修建小型水池、塘坝、谷坊等拦蓄雨水，进行灌溉。在墨西哥，采用淤地坝、谷坊等来收集储存雨水。肯尼亚莱基比亚(Laikipia)地区示范项目在年雨量600mm的情况下，资助居民修建容积为l00m3的地下水池，其中25m3用于家庭生活及牲畜饮水，75m3用于灌溉庭院，雨水收集面为铁皮屋顶。项目收到很好效果，玉米产量从项目实施前的1800kg／hm2提高到2700kg／hm2，增产50％。由于粮食的增加和水源的保证，畜牧业也得到相应发展。3、“平整土地+增加入渗+拦蓄雨洪”为特征的拦截雨水措施包括修整梯田、台地、水平沟等以增加土壤含水量等多种措施。前面所说的纳巴泰方法也是一种拦截雨水的技术，在中东和北非得到广泛应用。该方法是沿山坡修建浅的沟网，把洪水引入干旱河谷。在河谷中则修筑梯田，或者修建小水坝、堰，把土地截成小块，以拦蓄引过来的雨洪。伊朗北部阿塞拜疆省在年降水250mm的条件下，修建水平沟和台地，植树种草，增加植被，取得了一定效果。在布基纳法索试验了一种用植物障碍拦截雨洪的方法，可以增加在障碍前后的土壤含水量，由于植物障碍的透水性，又不至于造成上游被水淹没。这种形式在伊朗、墨西哥的干旱地区也得到应用。4、引洪漫地和回补地下水伊朗许多地方采取引洪漫地来恢复植被和回补地下水。或采取筑坝蓄积径流，对地下水进行回灌，增加井的出水量。由于城市化所带来的大面积不透水层，使得日本首府东京从1967—1987年20年问地下水的自然补给率下降了37％，由此造成地下水位下降，泉水枯竭，河水减少。从1990年开始，东京地区启动了一项利用下渗坑回补地下水的计划[102]，在房前屋后埋设直径为350mm深600mm管壁全为人渗孔的下渗坑，到1995年共安装了180000套下渗坑，观测结果表明，与项目实施前相比，在同样的降水量情况下，泉水断流期缩短了35％，回补地下水效果十分显著。径流农业技术带来了很大的经济效益。同时，这项技术所花的代价比一般工程要低。据美国新墨西哥州的试验，微集水技术的费用仅为水泵抽水工程的1／3~1／2。实践表明，径流收集技术不仅可以用在发展干旱、半干旱地区的农业生产，而且能建立新的农业生态系统，起到改善生态环境的作用。这在以色列及非洲、美洲有很多成功经验。我国从20世纪50年代开始，人们就利用窖水点浇玉米、蔬菜等，突破了原来只用窖水作为生活饮用水的观念。80年代后期，这一思路得到迅速发展，人们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。1988年以来，甘肃省在中东部干旱缺水地区开展了雨水利用试验示范研究，并将其成果进行推广；1995年在甘肃干旱半干旱地区实施了“121雨水集流工程”，1997年制定并出版了《甘肃省雨水集蓄利用工程技术标准》。同一时期，宁南山区实施“窑窖农业”，内蒙古自治区在准格尔旗和清水河县进行了“112集雨节水灌溉工程”试验示范研究，陕西、山西、河南、河北、江苏、浙江、贵州等省亦进行了雨水利用试验研究。2001年我国正式编制出版了国家行业标准《雨水集蓄利用工程技术规范》(SL267—2001)。这是世界上在此方面的第一部正式技术法规。1995年第7届国际雨水集流系统协会(InternationalRainwaterCatchmentSysternAssociation)大会在北京举办，1996年11月，在兰州召开了第一届全国雨水利用学术讨论会暨东亚地区雨水利用国际学术研讨会，1998年9月和2000年9月分别在徐州和大连举行第二和三届全国雨水利用学术研讨会，2001年在兰州又举行了第四届全国雨水利用学术讨论会及国际研讨会，成立了中国水利学会雨水利用专业委员会。近年来我国在雨水集蓄利用系统中集流面的集雨效率、蓄水工程的形式和结构、雨水集蓄系统的应用模式、水质问题、节水灌溉方式、非充分灌溉及有限灌溉理论的研究和应用和灌溉制度及效益等问题上都取得了大量成果。据有关部门的统计，从20世纪80年代后期到目前为止，全国已建成水窖、水池、小塘坝等小微型工程1200万处，蓄水160亿m3，初步解决了3600万人的饮用水问题，为近266．7万hm2旱作农田提供了补充灌溉水源，使近3000万人有了较稳定的水利条件，开始摆脱干旱缺水的束缚和困扰。这项技术已经产生了显著的社会、经济和环境效益。目前，经过数十年的发展，雨水集蓄利用已不单单是一项普通的微型水利工程，而成为干旱缺水地区人民改善农业生产条件，提高粮食单产，保护生态环境，发展经济脱贫致富的重要手段。1.1.2.2雨水利用的发展趋势从国际上看，对雨水利用已从单纯解决家庭供水，发展到注意其在提高农业生产和保护生态环境上的应用。2001年国际雨水集流系统协会理事会已决定把协会的宗旨扩大到农业生产和环境保护，并对会标也相应作了改变。在这方面我国已走在世界前列。当前我国对雨水集蓄节水灌溉的研究主要集中在：一是在雨水集蓄工程系统中，研制开发经济高效的集流面材料，研究各类蓄水工程的适用条件和优化模式；二是研究雨水集蓄节水灌溉的方式、优化灌溉制度及与传统和现代旱作农业结合使雨水利用效益最大化；三是研究雨水集蓄家庭水安全性问题。这些问题在上述研究项目中均进行了大量工作，但距离完全解决还需要作很多工作。1.1.2.3雨水农业利用的意义我国的雨水利用已遍及全国，但集雨农业主要适用于半干旱和半干旱偏旱气候区。干旱气候区年降水量一般不足250mm，远不能满足植物正常生长的需要，农业生产只能在有径流汇集的绿洲主要依靠灌溉进行。由于降水稀少，多数降水过程不产流，单位集雨面的可集蓄水量较少，依靠集雨维持农业生产的成本很高，发展集雨农业的潜力较小。半湿润和湿润地区除特别严重的季节性干旱外，一般不会出现人畜饮水困难。且由于降雨量较大，不可能通过家庭建窑蓄存，主要通过修建水库和塘坝。半干旱偏旱气候区的降水量为250-400mm，而干旱气候区为400-500mm，既存在人畜饮水困难和缺乏灌溉用水，有存在具有一定强度的可集蓄降水过程，从分具备发展集雨农业的必要性和可行性。特别是地表水和地下水均十分缺乏的黄土高原的沟壑丘陵区和华北的石质山区。半干旱地区大部分是我国主要的生态脆弱与贫困地区，发展集雨农业不仅是解决当地基本生存条件的需要，而且开展保持水土恢复林草植被的生态环境建设提供了基本条件。1.2集蓄雨水的利用技术及雨水利用模式1.2.1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、经济合理的利用雨水是保证雨水集蓄利用技术体系取得最大效益的关键一环。1．生活利用雨水利用庭院屋顶收集雨水解决干旱半干旱山区、渗漏很强的石灰岩山区、淡水缺乏的岛屿及滨海地区以及苦咸水和高氟水地区的人、畜饮水问题，是提高这些地区人们生活质量的关键步骤。甘肃省中东部通过实施“121雨水集流工程”，解决了131.07万人，118.7万头牲畜的饮水问题，节省了从外地拉水的资金，方便了群众，结束了原来那种“不借油借水”的生活。浙江省余姚市由于地表水河道蓄水量少，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。西太平洋的一些火山岛上，汇集的雨水占居民淡水用量的80％～90％，中东及非洲一些国家也用雨水解决人、畜饮水问题。目前，我国解决人、畜饮水问题的研究重点应放在水质的改善、高位蓄水以实现自压供水及水窖的自动取水技术等方面。从区域上来讲，应加强西南石灰岩地区及苦咸水地区的研究。2．农业生产利用雨水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期的错位，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，初级生产力大概是目前的4～5倍。在这些地区，降雨多集中在6～9月，如果将多余的雨水径流收集起来缓解春旱，夏初旱及伏旱，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。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。(1)雨水利用工程特点及取水模式黄土高原地区，集蓄雨水的利用必须考虑到雨水利用工程的三个基本特点：一是蓄水设施较为分散。雨水汇集的蓄水设施分布主要取决于集流场的位置，黄土高原地区集流场多为硬化地面或防渗处理的场地，包括农家屋顶庭院及晒场、公路、街道、部分山坡(经过夯实或加膜防渗处理)等。因蓄水设施多以农户为单元所建，尽管公路两边布设密度较大，有些地方还采取多个并联和串联，但水源相对有限，因此就蓄水设施整体分布而言，较为分散。二是储水量有限。雨水汇集产流量主要取决次降雨量和降雨强度。在黄土高原地区年降雨量250～550mm半干旱地区，丰水年产流15次左右，平水年约10次左右，枯水年不足5次。为了提高蓄水保证率和设施的利用率(即年重复蓄水次数)，蓄水设施的容积不可能太大。就目前农户所建的蓄水窑窖而言，其容积多在25～50m3之间，每窖每次可利用最大的水量为20～40m3。三是自然和社会经济条件较差。黄土高原地区的集雨蓄水工程大都远离水源丰富的河谷川道，分布在干旱少雨、水资源缺乏的塬区和缓坡丘陵地带。由于缺水，制约了当地社会经济发展，农业生产基础设施较差，除位于村镇附近的集雨工程外，道路两边及山坡地带处的集雨工程大都缺乏动力设施配套，因此，这对汇集雨水的利用带来诸多不便。根据雨水利用工程的特点，以下四种小型配套提水补灌系统较为适宜：一是潜水泵加滴灌系统。适宜有电力供应的大田作物区，推广较快。二是手压泵配软管灌系统。适宜庭院经济和近村农田；三是汽油泵配微灌系统。适宜无电力供应的田间作物区。四是自压灌溉系统。适宜丘陵山区高位水池下的农田灌溉。雨水利用工程的取水方式由所处的特定环境条件决定。对于无动力取水方式，主要是利用地形高差，具有取水方便、节约能源、便于控制、节省劳力、投资少、效益明显等优点。因此，可配套各种节水型地面灌溉技术和抗旱补充灌溉。当压力达到一定程度后，也可配套喷微灌及滴灌。对有动力取水方式，不论是电动还是油动取水，不适合于间断供水的抗旱补充灌溉，可配套与之相适应的高效节水灌溉和节水型地面灌水技术。而油动取水设备的提水能力较小，而且由于动力较小，不可能长久地工作，因此，油动取水设备更适合于小面积、小定额的农作物灌溉之用。例如，可作为庭院经济、大棚温室蔬菜灌水设备，与之相适应的节水灌溉技术有滴灌、渗灌、抗旱坐水种、注射灌及地膜穴灌等。(2)集雨灌溉技术由于水窖等存贮汇集雨水量较小，一般每窖20～30m3，因而单位农田面积灌水量十分有限，必须实行高效利用。即增产的同时，汇集的雨水水分利用效率应高于传统的田间雨水利用效率。从实际情况看，集雨灌溉通常是在作物需水关键期，或土壤含水量低于作物允许的低限时补充灌水，属于作物的保命水或救命水，灌水定额较小，灌溉次数有限。因此，集雨节溉的重点是根据作物生理需水规律，研究作物适宜的补灌时问和补灌定额，以达到汇集雨水高效利用的目标。其灌溉技术通常为点浇、坐水种、覆膜灌溉及微灌技术等。当然，在集约农业中应当发展节水灌溉方式(如滴灌、微喷灌、渗灌、点浇等)与节水农业措施(如覆膜灌溉坐水种、松耕等)相结合的方式效果会更佳。国内对春小麦和玉米，对马铃薯和谷子等作物的需水规律已经进行了较为系统的研究。研究表明，拔节期补充限量水是黄土高原地区春小麦和玉米灌水的最佳时期，针对拔节期这一需水敏感期，60％～70％CW(土壤毛管持水量)拔节期供水，植株籽粒产量和WUE可达到同步较高值，且为最高。1.2.2雨水利用模式降雨落到地表后，通过人渗成为作物可利用的土壤水资源，也可以转化为能够收集储存的径流水资源。水土保持、旱作农业等对雨水的利用方式是强化入渗，促其转化为作物可利用的土壤水；集雨工程对雨水的利用方式是强化产流，增加径流量，进而对径流进行收集储存，供人、畜饮水或农田抗旱补灌。强化入渗和强化产流是两种截然不同的雨水利用方法。但两种方法的共同点是都必须对降雨对应的地形、土壤、植被等下垫面条件进行改变，以达到增加降雨入渗或产流的目的。增加降雨入渗主要通过坡改梯、水平沟、土壤结构改良剂、增加地表植被覆盖度等措施来实现。增加降雨产流主要通过硬化地面、覆盖地膜等不透水材料或施加高分子化合物改变土壤人渗性能等措施来实现。根据不同措施利用雨水的方式和特点，可将目前雨水利用技术概括为雨水就地利用、雨水叠加利用和雨水异地利用三种模式。1、雨水就地利用模式通过地表微地形的改变，增加地表土壤入渗能力，通过土壤水库的储蓄调节功能，达到雨水资源的高效利用。这种技术的理论依据在于通过对地表坡度即地表径流水力坡度的降低，截短径流流径长度，减缓径流运移速度，从而增加地表径流在一定区域的滞留时间，达到增加土壤人渗的目的。土壤入渗量的增加，一方面可以提高土壤中的储水容量，以供地表植物吸收利用，另一方面还可以补给地下水储量。同时，还可降低坡面径流冲刷作用力，达到减缓坡耕地水土流失的目的。这种技术常见的有水平梯田、鱼鳞坑等。21世纪初尝试的设施农业集雨灌溉也是这种模式范畴，其方法是利用温室大棚作为集流面将其汇集的雨水存储于棚附近的蓄水设施，作为棚内作物灌溉水源。2、雨水叠加利用模式除了通过对部分微地形的改变及对改变微地形区域内所接纳的雨水进行利用之外，同时，接收区域上部来水，使之流人该区域之内，并加以利用的一种综合技术。由于这种技术不仅利用区域所直接接收的天然降水，而且利用区域相邻上部的地表径流，事实上是一种雨水资源的叠加，故我们称之为雨水叠加利用技术。这种技术与雨水就地利用技术的区别在于，它充分利用了自然地形，利用径流的天然汇集作用，将其输送到指定的区域，而所指定的区域，通过夷平原来坡面，不仅可接收区域本身降水，增加土壤的储水能力。同时，区域又接纳了上部或邻近区域的地表径流。这种技术，对于降水量较小的地区，尤其是区域本身降水不能满足其用水需求时，效果十分显著。同时，它的单位体积用水量的造价要比雨水就地利用技术相对便宜。在这种方式中究竟集流区与汇流区选多大合适?二者合适的比例是多少等等都是值得深入研究与探讨的问题。事实上，这种技术在生产实践中也应用的比较广泛。如隔坡梯田，就是把隔坡上的地表径流汇集到水平田面之上，水平田面除了接收梯田本身雨水之外，又接收田面上部坡地地表径流，是将二者叠加起来加以利用的一种技术。再比如，目前在山西、陕北、甘肃等干旱半干旱地区推广应用的大垄沟覆膜技术，将塑料薄膜覆盖在垄上，两垄所夹之间地段种植玉米等农作物，再加上农业耕作技术，这样农作物不仅可以利用沟内的天然降水，而两垄之上所降之水也可以汇集在沟内供农作物利用，从而达到雨水资源叠加利用的目的。3、雨水异地利用模式通过某种手段，改变地表原有人渗能力，即减少地表人渗量，从而增加地表径流量，并将其汇集存储在某一指定区域或容器供其他区域加以利用的一种技术。这种技术的适应范围较广，除适用干旱缺水的干旱半干旱地区外，也适应水资源较为丰富的湿润半湿润地区，还适应道路建设发达的工矿、乡镇、县城及中小型城市等地区。这种技术的主要特点在于充分利用汛期流失的“多余”径流量，减少地表人渗而用于无效蒸发的那部分水量。同时，减少了水土流失量。实际上是把无效蒸发的水量或者区域内“多余”的地表径流，通过汇集存储加以调蓄，用于异处的一种水资源高效利用技术，与水库的调蓄功能有点类似。这种技术的理论依据非常明确，就是设法汇集存储多余的地表径流，一般总是尽量通过其他各种措施降低地表入渗能力，从而增加地表径流的手段而实现。这种技术在生产实际中也随处可见。比较常见的有集流场+存储设施+利用方式所组合而成的集流灌溉系统。而集流场目前最常见的则是水泥路面、柏油马路以及其他各种硬地面。还有水土保持工程中的淤地坝系统，通过在沟道中修筑水坝，将沟道两边山坡上的径流蓄集在坝库之中，供坝地使用，也是一种典型的雨水异地利用技术。当然，国外比较流行的城市雨洪利用系统也大多属于雨水异地利用技术的范畴。1.3雨水农业利用研究发展的主要方向随着世界范围内水资源的日益紧缺和干旱程度加剧，开发利用雨水资源已成为一项缓解水危机的重要措施而备受关注。雨水资源分布广，数量多，开发潜力巨大。实践证明，只要技术适当，措施合理，利用雨水资源完全可以解决农村或城市缺水地区生活、生产、生态需水问题。1.1.1雨水资源开发潜力与分区雨水资源开发潜力是指对于某一流域或区域通过实施一定的技术措施所能提供的雨水资源最大可利用量。雨水资源开发潜力是流域或区域发展规划、农业生产、土地资源开发、生态环境建设应当首要考虑的问题，也是科学、合理、安全开发水资源的前提。对于某一特定的流域，通过一定的技术措施布设，就可以为人类生活、农业生产或林草生态提供一定数量的雨水资源。目前在流域或区域尺度，对雨水资源的开发利用还处于一个相对较低的水平。但随着人口增加以及生态环境建设的需求，雨水资源的开发利用程度将会不断增加，逐渐逼近雨水资源的最大开发潜力。对于某一特定的流域，在现有的自然、社会、技术、经济条件下，雨水资源开发现状如何?雨水资源可用于生活、生产、生态的开发潜力究竟有多大?如何计算雨水资源开发潜力?不同流域或区域雨水资源的开发潜力如何评价、比较，这是流域雨水资源的开发必须回答的首要问题。针对上述问题，近期应重点研究3个问题：①雨水资源开发潜力评价方法及指标；②流域雨水资源潜力开发主要影响因素分析；③不同流域或区域雨水资源开发潜力分区。1.1.2雨水集蓄利用材料与设备雨水集蓄利用技术虽然古老，但在现代科学技术日新月异的今天，如何使其提高效益，复苏开发，关键在于怎样把现代科学技术应用于“古老”的技术之中，进行融合、改善、提高。从目前雨水集蓄利用技术的研究现状来看，高效、低廉的集流材料、水窖的防渗材料以及适合小水源的微型提水设备和相应的灌溉设备，还存在诸多问题急待研究。主要表现在三个方面：第一，目前常用的人工集流材料最普遍的就是采用砼硬化地面，使用砼建造集流面，集流效率较高，但成本较大，也不利生态环境的改善。因此，新修建的集流场急需一种价格低廉、操作简单，又不至于引起环境污染的新型集流材料，这一问题至今仍未很好解决。第二，现有水窖的防渗材料多采用水泥抹面，一方面施工难度大，寿命较短(如果增加寿命，则增大投资)，尤其对水质的影响程度还没有定论。如果水窖实施标准化后，则可以研制开发一些活动窖体，在降低价格，确保防渗性能的前提下，达到降低施工强度和难度的目的。第三，与小水源相互配套的低成本提灌设备也急需开发，这是保证有限雨水资源高效利用的关键。针对上述问题，近期应着重研究的几个问题：①新型低成本集流材料；②水窖防渗材料及标准化窖体；③小型提水设备；④适用于小水源的灌溉设备。1.1.3雨水高效集蓄利用技术与模式雨水集蓄利用技术的研究与开发，是实现雨水资源开发的关键环节之一。从雨水资源化的实现过程考虑。一般来讲，大致包括3个环节，即如何汇集自天空而降并在地面形成径流的雨水、如何存储业已汇集的雨水、如何高效利用已经存储的雨水。因此，雨水集蓄利用技术包括3个方面，即雨水汇集技术，雨水存储与净化技术，雨水高效利用技术。目前关于上述3种技术的研究，虽然做了较多的工作，取得了一定的进展，国家也颁布了相应的技术规范，但就技术的广度和深度还未取得突破性进展。如关于汇集雨水的技术参数，存储设施的优化结构，如何合理高效汇集雨水、存储雨水，存储雨水的水质及变化过程等，与小水源灌溉相适应的高效节水灌溉制度，雨水集蓄利用工程智能化设计，不同区域雨水资源高效开发技术集成模式等。因此，在近期内应着重的强化研究以下内容：①雨水高效汇集技术；②雨水存贮设施优化设计与雨水净化技术；③有限雨水资源的高效节水灌溉技术；④雨水集蓄利用工程规划设计智能决策系统；⑤雨水高效集蓄利用技术集成模式。1.1.4雨水集蓄利用技术对区域生态环境的影响目前，雨水资源的开发利用还处于一个相对较低的水平，雨水集蓄利用技术对流域或区域生态环境的影响还不显著。但随着区域综合开发治理以及生态环境建设的进程，区域雨水资源的开发利用程度将会不断增加，雨水集蓄利用开发对区域环境的影响，包括对区域水土环境、植被、水土流失、农田生产力等方面的影响将会逐渐显现。研究雨水资源的开发是否会对区域水环境的演变带来不良影响，或者研究它与区域水环境演变之间到底存在一种什么样的关系，就可以为确定区域雨水资源开发的适宜程度，制定合理的区域雨水集蓄利用规划，提供科学的指导，避免雨水资源的过度开发，以及减少不必要的工程投资与浪费。针对上述问题，应着重研究3个问题：①雨水资源开发对区域水环境的影响；②雨水资源开发对区域生态环境的影响；③区域雨水资源开发宏观战略研究。1.4劣质水资源化农业利用的发展1.4.1劣质水资源化处理新技术对劣质水（尤其是污水）进行适当处理，达到目标用途要求的水质标准，使之成为多种用途的水资源，可在很大程度上缓解水资源的紧缺状况，对节约水资源具有重要意义。污水处理技术主要包括物理法、生物法和化学法等方法。单独利用其中一种方法或者综合利用其中几种方法的污水处理系统则是多种多样的。应用最为广泛的污水处理系统是综合应用各种技术的污水处理厂。它可以通过多道工序除去污水中的各种污染物，并将处理过的污水排放到自然水体中。如果不考虑费用问题，污水处理厂应用各种处理技术，完全可以将污水处理到理想的水质标准。但高昂的建设和运行费用使其广泛应用的主要限制因素。特别是当营养物和其他化学物质的除去率要求较高时，这一缺点就更为明显。因此，包括我国在内的很多经济不发达国家和地区，污水处理厂的数量远远满足不了污水处理的需要。现有污水处理厂一般至多是对污水进行一级和二级处理，有的甚至只进行一级处理。但是，即使是二级处理后的污水氮、磷含量依然很高，排放到地表水体后易发生富营养化问题，造成水环境恶化。从污水资源化的角度看，如果是以农田灌溉利用为目的，不论品质和污染物成分如何，一概对污水进行二级处理甚至更深程度的处理，也没有必要。目前，在污水资源化和灌溉利用方面，国际上的发展趋势是综合利用各种技术，充分发挥土壤、植物、水体的自然净化作用，对污水进行处理和利用。常用的污水处理方法可按作用原理区分为以下几类：1.4.1.1物理法主要是利用物理分离污水中呈悬浮状态的污染物，在处理过程中不改变化学性质。属于物理的处理方法有：1、沉淀（重力分离法）利用污水中的悬浮物和水比重不同这一原理，借重力沉降（或上浮）作用，从水中分离出来。沉淀装置有沉砂池、沉淀池、隔油池等。污水在沉淀装置的停留时间：沉砂池2min，沉淀池和隔油池1.5-2h。2、过滤法用过滤介质截留污水中的悬浮物。过滤介质有铜条、筛网、砂、布、塑料、微孔管等。过滤设备有栅、筛微滤机、砂滤池、真心过滤机、压滤机（后两种多用于污泥脱水）等。处理效果与过滤介质孔隙度有关。3、离心分离法污水中的悬浮物借离心设备的旋转，在离心力的作用下悬浮物与水分离。离心力与悬浮物的质量成正比，与转速（或圆周线速度）的平方成正比。由于转速在一定范围内人工可以控制，所以能获得很好的分离效果，远远超过重力分离法。离心设备有水力旋流器、旋流沉淀池、离心机等。一般离心法多用于处理轧钢污水氧化铁皮的出去以及从洗羊毛污水中回收羊毛脂或污泥脱水等。4、浮选（气浮）法将空气打入污水中，使污水中乳状油粒（粒径0.5-2.5μm）黏附在空气泡上，油粒随气泡上升至水面，形成浮渣而除去。根据空气加入的方式不同，浮选设备有加压溶气浮选池、叶轮浮选池、射流浮选池等。污水在浮选池中大约停留0.5-1h。为了提高浮选效果，有时需向污水中投加混凝剂。5、蒸发结晶法将污水加热至沸腾，气化，使溶质浓缩，在冷却结晶。如酸洗钢材的含酸污水处理就是经蒸发浓缩，冷却后分离出硫酸亚铁结晶及酸性母液。6、反渗透法通过一种特殊的半渗透膜，在一定压力下，将水分子压过去，而溶质则被膜所截留，污水得到浓缩，而压过膜的水就是处理过的水。膜材料为有机高分子物质，加入添加剂可做成板式抹、内管式膜、外管式膜以及中空纤维膜等。操作眼里一般需要2942-4901.2kpa，每天通过每平方米渗透膜的水量从几十升到几百升。目前已用于海水淡化以及含重金属的污水处理。1.4.1.2化学法利用化学反应原理及方法来分离回收污水中的污染物或改变污染物的性质，使其从有害变为无害。属于化学处理方法有：1、混凝法水中的胶体物质，通常是带有负电荷，胶体颗粒之间互相排斥不能凝聚，多形成稳定的混合液。若水中投入带有相反电荷的电解质（即混凝剂）后，可使污水中胶状物呈电中性，失去稳定性，并在分子引力作用下，絮凝成大颗粒而下沉。常用的混凝剂有硫酸铝、明矾、聚合氧化铝、硫酸亚铁、三氯化铁等。上述混凝剂可用于含油污水、染色污水、煤气站污水、洗毛污水处理等。2、中和法对酸性污水投加碱性物质，使污水达到中性。常用碱性物质有石灰、石灰石、白云石等。对碱性污水可吹入含二氧化碳的烟道气进行中和，也可用酸中和。3、氧化还原法污水中的溶解性有机物或无机物，再投入氧化剂或还原剂之后，由于电子的迁移运动，发生氧化或还原作用，使之转变为无害物质。氧化法多用于处理含酚、氰、硫等污水。常用氧化剂有空气、漂白粉、氯气、臭氧等。还原法多用于处理含铬、汞污水。常用的还原剂有铁屑、硫酸铁、二氧化硫等。4、萃取法将不溶于水的溶剂投入污水中，使污水的溶质溶于溶剂中，然后利用溶剂与水的比重差，将溶剂分离出来。再利用溶剂与溶质沸点差，将溶质蒸馏回收，再生后的溶剂可循环使用。例如含酚的污水回收。常用的萃取剂有醋酸丁酯、苯等，酚的回收率可达90%以上。5、吸附法将污水通过固体吸附剂，使污水中的溶解性有机或无机物吸附到吸附剂上。常用的吸附剂为活性炭。此法可吸附污水中的酚、铬、汞、氰等有毒物质。此法还有除色、脱臭等作用。一般多用于污水深度处理。6、电渗析法通过一种离子交换膜，在直流电作用下，污水中的离子朝相反电荷的极板方向迁移，阳离子能够穿透阳离子交换膜，而被阴离子交换膜阻挡。同样，阴离子能穿过阴离子交换膜，而被阳离子交换膜所阻。污水通过阴、阳离子交换膜所组成的电渗析器时，污水中的阴、阳离子就可得到分离，达到浓缩及处理目的。此法可用于酸性废液回收、含氰污水处理。1.4.1.3生物法主要是利用微生物的作用，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为无害的物质。属于生物处理方法有以下几种：1、活性污泥法将空气连续鼓入曝气池的污水中，经过一段时间，水中能形成繁殖有大量好气性微生物的活性污泥，它能吸附和分解污水中的有机物，并以有机物为养料使微生物获得能量，并不断繁殖。离开曝气池的污水与活性污泥的混合液，在沉淀池中沉淀，活性污泥分离后的水即为净化水。沉下的活性污泥除派出一部分多于（增值的）之外，其余的循环回到曝气池。曝气池中的悬浮物含量应维持在2-6g/L。污水在曝气池中一般停留3-5h，能除去污水中的BOD590%作用，是广泛采用的生物处理方法。2、生物膜法将污水连续通过固体调料（碎石、炉渣、塑料蜂窝等），在填料上繁殖的大量微生物形成生物膜。生物膜能吸附及分解污水中的有机物。从填料上脱落下来老死的生物膜随污水流入沉淀池中沉淀，使沉淀池的出水得到净化。此法能除去污水中的BOD5达到80-90%。3、生物（氧化）塘氧化塘分为厌氧塘、兼性塘、好氧塘、水生植物塘等。在实际应用中可将这些塘进行组合，与污水预处理连成一个系统，统称为氧化塘系统。这是一个简便的污水处理方法，适用于大中、小城市的污水处理。其净化污水的原理是利用种类繁多的菌、澡、原生物、后生物以及水生植物，对污水中的有机物进行分解、吸收。这种处理方法大多与农田灌溉相结合。缺点是占地面积大，优点是可以利用当地的坑、塘、洼淀改造为氧化塘，可以节省资金，耗能低，管理方便。污水在池塘中长时间停留（2-10d）会被水中微生物逐渐分解而得到处理。生物塘法可除去污水中BOD575%-90%，如污水无毒，在生物塘后段可养鱼。污水中的污染物多种多样，不能预期只用一种方法就能够把所有污染物质都除去干净。不论对何种污水，都往往需要通过几种方法组成的处理系统，才能达到处理的要求。按照不同的处理程度，污水处理系统可以分为一级处理、二级处理和深度处理等不同阶段。一级处理只除去污水中呈悬浮状的污染物。物理方法中的大部分方法适用于进行一级处理的。污水经一级处理后，一般仍达不到排放要求，尚须进行二级处理。因此，对二级处理来说，一级处理是预处理。二级处理的主要任务是，大幅度地除去污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。生物处理法是最常用的二级处理方法，比较经济有效。通过二级处理，一般污水均能达到排放标准。但在处理后的污水中，还残存有微生物不能降解的有机物和氮、磷等无机盐类，一般情况下，它们数量不多，对水体无大危害。深度处理时进一步除去污水中的悬浮物质、无机盐类及其他污染物质，以便达到工业用水或城市用水所要求的水质标准。1.4.1.4污水土地处理系统土地处理是将污水有效地投配到土地表层，通过土壤-植物系统自然完成一系列的物理、化学和生物过程，达到预先设计的处理程度的一种污水处理方法。有些文献对各种污水土地处理和回用系统进行了详细讨论。如果污水的水质适宜于利用土地系统进行处理，并且污水水源附近有可供利用的土地资源，或者铺设管道系统将污水输送到用于污水处理的土地系统处经济上可行，则可以考虑采用这种系统。根据处理地区土壤渗透速度的大小，常用的污水土地处理和回用系统一般可以分为污水快速渗滤系统、污水地表漫流系统，人工湿地系统。这几类系统的主要区别在于其水力负荷、要求图的土质条件和系统对污水的作用过程不同。其中，慢渗系统是污水处理（处置）和利用相结合的方法，在我国有很好的应用前景。该方法利用灌溉作物或林地。灌溉方法可以是地面灌溉，也可以是喷灌或滴灌。在污水通过土壤剖面过程中，污染物被除去。这一过程包括物理过程、化学过程以及生物过程。这类系统中，植物的作物起着非常重要的作用，尤其是对污水中所含氮、磷的除去。但是，在透水性较差的土壤上应用这种系统，有可能发生涝渍盐碱化，从而发生土壤退化现象。慢渗系统的另外一个主要缺点是处理能力低，需要土地面积大。这使得这种系统在土地资源紧缺的城市周边地区的应用受到了限制。在以污水作为灌溉水源进行灌溉利用时，污染物在土壤和作物中的积累以及可能对地下水的污染也是人们较为关心的问题。另外，这种系统无法对经过净化的水进行回收，只能用于污水的处置而非严格意义上的污水处理。因此，慢渗系统在污水处理领域为达到应有的应用。对传统的慢速渗滤系统进行改造，克服其缺点，并结合当地情况进行综合应用，具有广阔前景。人工湿地系统是一个完整的生态系统。它形成了内部良好的循环，并具有较好的经济效益和生态效益，是正在不断得到研究应用和发展的污水净化处理实用新技术。欧美等利用湿地污水净化功能，综合植物、微生物和介质的作用处理污水，然后用来灌溉作物、牧草、草坪、树木等。该方法具有建设、运行成本低，管理简便等优点，但是她们只限于单一的平流式或立流式的芦苇床系统，其水力负荷和污染负荷较低，且芦苇衰退，系统生命短促。国内有许多学者对人工湿地进行研究，取得了许多优秀成果。不同工业污水中所含的污染物的性质各不相同。对含有酸、碱、有毒、有害物质、重金属等污染物污水，应在工厂内或车间内就地进行局部处理，这样做技术上容易办到，经济上也比较合理。对于与城市污染相近的工业污水，或经局部处理不致对城市下水道及城市污水的生物处理过程不产生危害的工业污水，单独设置污水处理设施时不必要的，也是不经济的，应该优先考虑排入城市地下水道与城市污水共同处理，这样既节约费用，又提高了处理效果。1.4.2劣质水资源化农业利用发展概况与存在问题1.4.2.1污水资源化农业利用发展概况1、国外污水资源化农业利用发展概况用污水进行灌溉可以向作物提供水分和养分。同时，又为污水通过土地进行处理提供了一条很方便的方法，从而避免了由于未控制的污水水流所造成的健康和环境危害的潜在可能。在干旱、半干旱地区，灌溉是农业发展的先决条件，把污水作为一个灌溉水资源与对污水进行处理显得一样重要。当其他水资源变得十分短缺时，污水就显得十分珍贵，而且把它用于灌溉，就可使得其他优质水资源用于其它用途。利用土地处理方法来处理污水，不仅在干旱地区使用，同时也可以在湿润气候条件下应用。根据资料记载，利用污水灌溉已经有几百年历史，最早记载的污水灌溉农场的是在德国（1531）和苏格兰（1650）。早期污水灌溉的目的是利用土地处理污水。自150年之前抽水马桶和污水处理系统引入西欧和北美城市以来，城市污水第一次用于大规模的作物灌溉。当时污水未经过任何处理就排放出去，从而使得水资源遭受严重污染。19世纪50年代，由于泰晤士河臭水迫使英国国会大厦不得不浸泡在漂白粉中。从无水口下方抽取的河水成为当时霍乱爆发的原音。解决此问题的部分措施是沿泰晤士河北岸建立巨大的拦截坝，形成了著名的泰晤士截污水坝工程。这样使伦敦市中心的压力减少了，但污染问题却移到河的下游。英国著名律师EdwinChadwik提出了“把雨水引向河流，把污水引入土壤”的口号。在这种思想的指导下，污水处理农场应运而生了，从拦截坝上引入的水流入农场的土壤中。在处理污水的同时，农场也顺便获得了农业收益。到1875年，英国约有50各这样原污水处理农场。到20世纪初，美国有12各这样的污水处理农场。但是污水排放量与作物生长中季节性养分和水分需要量常不能完全一致。污水处理农场在减轻河流污染的同时，却造成了不同程度的环境卫生问题。过量的水力负荷和污染物使得土壤孔隙被堵、地表积水、气味难闻以及对作物造成污染。尤其是随着城市规模的不断扩大，污水排放量不断增大，城市可用于处理污水的土地不断缩小，且随着污水处理新技术的发展，使得污水处理农场逐渐失去其原有的作用。为了控制水污染改善水质环境，20世纪70年代以来，以美国和欧洲国家为代表，开始了大规模污水处理厂的建设，美国在1972年制定了《联邦水污染控制法》，1987年又制定《水质法》。按照美国的法律规定到1977年，城市污水处理厂的出水要到达二级处理出水的水质标准。大量污水处理厂的建设，实现了城市污水的再生和回用（包括农业灌溉、景观用水、工业回用、回补地下水等）。美国目前357个城市的污水进行回用，会用点多大536个，城市污水年会用量达到94亿m3，其中灌溉用水达58亿m3，占总回用量的60%。以色列是个严重缺水的国家，目前这个国家是世界上节水程度最高的国家，95%的污水由地下道收集和净化，其中65%的处理后污水用于农业灌溉。气候干旱的以色列，1972年制定了国家污水再利用工程规划。目前以色列建有200多个污水回用工程，其中污水利用率达到70%，其中约2/3用于灌溉，灌溉用污水水量占总灌溉水量的1/5。还有些国家提出了无废污水的口号，即将全部的污水再生后回用。目前，美国、澳大利亚、日本、以色列等发达国家的污水灌溉技术及管理法规等已基本成熟，他们严格执行“先处理后利用”的原则，有效地利用了废污水，同时又避免了水环境的恶化。污水灌溉主要用于园林、牧草、饲料作物，也有用于果树、棉花、甜菜等作物，而对蔬菜和粮食作物应用较少。相对于经济发达的工业国家来讲，发展中国家再大面积污水灌溉方面起步较晚。但随着城市规模和工业生产的不断扩展，也越来越重视污水灌溉。在亚洲和非洲，尤其是严重缺水的北非和中东，不少国家将污水视为较为可靠的资源加以利用。如埃及、突尼斯、沙特阿拉伯、阿曼、科威特、巴林、摩洛哥、伊朗、苏丹等国都曾利用污水灌溉绿地、谷物、防护林，甚至有的国家用污水灌溉蔬菜。印度是实行城市污水资源化较早的发展中国家之一。而拉丁美洲的墨西哥、智利、秘鲁等国家，由于气候干燥，污水灌溉也开展的比较好。2、我国污水资源化农业利用发展概况我国年废污水排放总量亿m3（2000年，不包括火电直流冷却水）。其中工业污水占66%，生活污水占34%。废污水年排放量大于20亿m3的有12各省（自治区）。污水资源利用潜力巨大，它对解决我国缺水问题和水环境污染具有十分重要的意义。我国污水灌溉开始于20世纪50年代，到目前为止近50年的历史。大致经历了起步、快速、稳定发展三个阶段。第一阶段是50年代末到60年代初，当时国内对环境问题认识不深，普遍认为污水灌溉既可为农业增加水资源，又可为工业污水找到出路，应大力发展。由于当时的废污水排放量不大，到1963年全国污水灌溉面积仅4.2万hm2，污水灌溉对农村环境的影响不明显。第二阶段是从60年代后期到70年代后期，由于污水的大量排放，农业用水日益紧张，许多大、中城市郊区和工矿区附近越来越大地利用污水灌溉。到1980年污水灌溉面积达到131.3hm2。第三阶段是从80年代开始，环境问题逐渐引起人们的关注，人们普遍对污水灌溉造成的水、土、粮食污染产生怀疑。城市及工业废污水排放量迅猛增加，污水灌溉面积在稳步增长，到1998年发展到361hm2，占全国总灌溉面积的7.3%。这个时期由于污水灌溉面积大，加之管理工作跟不上，大部分污废水未经处理（特别是乡镇企业）直接用于灌溉，造成了部分农田严重污染，而且对农村水环境构成了威胁，特别是近年来水污染农田的事故不断发生。我国污水灌溉的农田主要集中在北方水资源严重短缺的海、辽、黄、淮四大流域，约占全国污水灌溉面积的85%。大型污水灌溉主要分布在我国北方大、中城市的近郊区。如北京污水灌溉区、天津武宝宁污水灌溉区、辽宁沈抚污水灌溉区、山西惠明污水灌溉区和新疆石河子污水灌溉区。污水中的污染物主要来自生活和工业生产等。城市污水中的污染物可划分为5类：有机物（由生化需氧量BOD表示）、导致疾病的微生物（病原体）、养分（氮和磷）、有害污染物（包括有机和无机）、可溶性物质。污水处理的目的是除去其中的污染物，使得经处理后的污水可以达到排放或再利用的水质标准。在污水处理中，处理方法的选择取决于污染物的物理和化学状态以及处理后污水再利用的对象。污水和处理后的污水（再生水）与淡水的不同之处：（1）污水中的可降解有机物质（用BOD和COD等指标来衡量）较高，只有通过处理后使有机物质含量降低到理想的水平。（2）城市用水不可避免地增加了水中的无机可溶性盐分的含量。主要累计的离子是钠、氯和碳酸盐。这些离子使得水中的总含盐量（盐度）和碱含量（SAR）增加。不像有机质、无机盐在处理过程中难于被除去，利用污水进行灌溉，可能导致土壤中盐分累积，并对土壤和作物产生危害。（3）污水中含有作物所需要的大量营养元素，特别是氮和磷，尽管它们是作物必需的养分，但过量会引起地下水的潜在污染。（4）污水中含有一定量的痕量元素，利用其进行灌溉一些作物所需要的痕量元素（如硼、铜、懵、钼和锌等）可能过量，而另外一些元素如镉、铅和汞也可能导致痕量元素的毒害作用。（4）虽然在一般的污水处理过程中，病原微生物（如细菌、病毒等）的含量大大减少，但它们确实存在经过处理后的污水中。通常污水中也可能存在寄生虫（如原生动物、蠕虫等）。因此，利用污水进行灌溉，可能产生相应的健康问题。1.4.2.2咸水资源农业利用发展概况咸水作为很多淡水资源贫乏国家的灌溉水源，在农业生产中发挥了十分重要的作用。美国西南部咸水灌溉至今有100多年的历史。中东如以色列、伊拉克、科威特等国都大量使用咸水进行灌溉。其他国家如印度、日本、西班牙、突尼斯、摩洛哥、埃尔及利亚、前苏联的中亚地区等都有长期咸水灌溉的历史和很大的灌溉面积。我国有着丰富的地下咸水资源，适当的咸水灌溉具有节约水资源、增加产量和改善环境等效益。以华北平原为例，该区属半干旱、半湿润气候区，年降雨量为400-500mm，是地下水的主要补给来源。华北平原区总面积为11.81万km2，咸水分布面积为8.39km2（其中浅层有淡水面积为1.28万km2），占总面积的60.7%，扣除有浅层淡水资源面积，纯咸水区的面积为51.5%。经估算，华北平原浅层咸水区年降雨补给量达75亿m2，但由于未利用浅层咸水，这部分补给量被天然蒸发而浪费了。开发这部分咸水资源，不仅使其得到有效地利用，更重要的是，通过对咸水的开采，腾空了地下库容，得以承接降水和其他地表水的补给，补给的淡水资源将把咸水驱替到深层并通过排水系统排出区外，使咸水层逐渐淡化。因此，在利用咸水的同时，也在改造咸水。在内蒙古河套灌区，浅层咸水区面积约占总面的一般，未得到充分利用的浅层咸水体将成为灌区土壤次生盐碱化的根源。如能将这部分咸水加以利用，除能减轻黄河的供水压力外，还能减轻盐碱害威胁，改善当地的生态环境。此外，在宁夏、山西、陕西、甘肃、新疆等地，都有丰富的咸水资源，其情况与河套灌区类似。因此，咸水资源在我国具有广阔的应用前景和巨大的经济效益、社会效益和生态效益。由于淡水资源日益短缺，利用咸水灌溉在一些地方受到重视。我国宁夏、山东、山西、天津、河北、陕西、甘肃、河南、内蒙古、辽宁等地都有咸水灌溉的试验或生产实践。一些地区的咸水灌溉初具规模。如山东乐陵、河北盐山、天津静海等地利用咸水灌溉粮棉农田推广利用了微咸水灌溉技术，到1993年，灌溉农田累计约8700hm2。在河南虞城县，用矿化度3-5g/L的咸水进行灌溉的土地面积已达1万hm2。河北省沧州地区自1976年开始利用矿化度小于5g/L的咸水灌溉小麦一万hm2以上，咸水灌溉的小麦不同程度地增产。1.5劣质水灌溉标准与灌溉管理1.5.1劣质水高效安全利用标准1、微咸水高效安全利用概况为了安全利用污水灌溉农田，不同国家或国际组织制定了一些相关标准。美国国家环境保护局（USEPA）会同有关方面于1992年提出了污水回用建议指导书，包括了回用处理工艺、水质要求和监测以及适宜灌溉的作物和适宜灌水技术等污水回用的各个方面。这为类似地区的污水灌溉提供了重要的指导信息。美国很多州也分别制定了污水灌溉水质标准，虽具体内容各不相同，但规定具体，要求严格，以确保作业人员或其他接触回用水安全人言的安全，保证污水灌溉的可持续利用。例如亚利桑那州污水回用标准允许用未经消毒的二级出水灌溉纤维作物、畜牧饲料作物和果实不接触灌溉水的果树。犹他州允许二级出水用于饲料作物以及有足够高度的食用作物（谷物、玉米等）的灌溉。以色列对于不同的灌溉项目制定了具体的污水灌溉回用标准，规定除去皮水果外，生食作物不得食用二级出水灌溉。世界卫生组织（WHO）对不同国家和地区污水灌溉回用的经验进行了总结，于1993年出版了污水回用于农田灌溉和水产养殖的健康指南。该指南对卫生学指标要求十分严格。随着污水灌溉实践的不断发展，人们对污水灌溉的认识不断深化。WHO对该指南进行了修订并于1989年出版了新版指南。与1973年出版的指南相比，新版指南各指标要求显著降低，但大多数情况下难以达到。上述标准和指南都是建立在零风险基础上的，因此，指标要求较高。近些年来，人们逐渐认识到零风险的要求难以达到，在实际中也无必要。因此，联合国粮农组织（FAO）在世界各地开展污水灌溉的基础上，先后出版《污水处理与灌溉回用》、《污水灌溉水质控制》两部技术报告，对于回用于农业的灌溉水质要求和可以选用的污水处理方法进行了讨论。目前，国际上正在进行有关标准的重新修订。我国于1979年、1985年和1992年先后3次颁布了《农田灌溉水质标准》。在1992年的标准中增补了有关有机物指标。但迄今为止，还没有专门适用于污水（再生水）灌溉回用的有关标准或指南。由于不用用途的作物对灌溉水的水质标准的要求各不相同，国际上目前的一个重要趋势就是针对不同用途，制定不同的水质标准。因此在开展污水（再生水）灌溉水质标准相关的研究工作的同时，应该考虑这一因素，以便制定污水（再生水）灌溉回用的有关标准或指南既安全，又经济实用。2、微咸水高效安全利用标准咸水安全灌溉的基本要求是将土壤的盐分浓度控制在作物耐盐度临界范围内，通过适当的冲洗及排水措施来维持作物根系活动层的盐分在年内或多年的补排平衡。灌溉水的电导度（ECi）、钠吸附比(SAR)和各类作物对硼的耐抗限量是咸水灌溉的常用水质和作物耐性指标。1976年FAO根据咸水灌溉的适宜性，综合考虑咸水的电解质、渗透性、毒害性、悬移质、不溶性固体、pH等，出台了多项指标评价法。国外Maas等学者总结了150多种主要组屋的耐盐阈值及耐盐性等级等耐盐性能指标，该项成果得到广泛应用。Rhoades（1992年）在总结他人研究成果的基础上指出，作物的耐盐能力还与土壤、气候、生育阶段、灌水方法、管理水平等有关。不当的咸水灌溉会引起土壤盐分的积累。咸水的灌溉需水量除了要满足作物正常需水量之外，还要满足淋洗土壤盐分的蓄水量。《美国国家灌溉工程手册》（1