摘要：人工匯集雨水利用技術(shù)研究為“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目的專題之一，主要研究利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)，通過(guò)雨水匯集、存貯和高效利用，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。主要取得的進(jìn)展為：確立了試驗(yàn)區(qū)，并對(duì)試驗(yàn)區(qū)所在縣進(jìn)行雨水集流發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測(cè)，提出了集流場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)指南，研究了存貯雨水的水窖優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其配套的防滲、凈化和提水技術(shù)，確定了作物的適宜節(jié)灌方法以及相應(yīng)的農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)措施，建立了試驗(yàn)示范區(qū)。

　　關(guān)鍵詞：人工匯集雨水 節(jié)水農(nóng)業(yè) 旱半干旱地區(qū) 水窖 農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)

　　甘肅省1988年率先在我國(guó)開(kāi)展雨水集蓄利用技術(shù)研究。研究目標(biāo)主要是為了解決農(nóng)村飲水問(wèn)題，同時(shí)，兼顧庭院經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該項(xiàng)研究較為成功地解決了當(dāng)?shù)厝彼�地區(qū)的農(nóng)村飲水問(wèn)題，并于1992年完成了階段總結(jié)報(bào)告，總結(jié)報(bào)告中還對(duì)利用雨水發(fā)展農(nóng)業(yè)的可行性做了一些分析。

　　在上述基礎(chǔ)上，“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究與示范”專門設(shè)立了“人工匯集雨水利用技術(shù)研究”專題，將其研究范疇定位在利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)，即通過(guò)雨水的匯集、存貯和高效利用，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。依據(jù)上述思想，本專題設(shè)立雨水匯集方式與配套技術(shù)研究、雨水存貯與凈化技術(shù)研究和匯集雨水的高效利用技術(shù)研究三個(gè)子專題。

　　幾年來(lái)，本專題主要以甘肅省定西縣為研究基地，通過(guò)野外調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、野外定點(diǎn)觀測(cè)、試驗(yàn)示范及大量的綜合分析等工作，取得以下主要進(jìn)展。

　　一、調(diào)研確立試驗(yàn)區(qū)，并對(duì)試驗(yàn)區(qū)所在縣進(jìn)行雨水集流發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測(cè)

　　基于甘肅省開(kāi)展雨水集蓄利用技術(shù)研究工作較早的現(xiàn)實(shí)，專題首先對(duì)甘肅省集雨節(jié)灌工程的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。結(jié)果表明，除去投資與管理因素外，雨水匯集利用技術(shù)存在的主要問(wèn)題為工程系統(tǒng)性差、缺乏科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)；集流場(chǎng)形式單一，對(duì)沉沙、過(guò)濾設(shè)施重視不夠，灌溉制度研究較為薄弱；同時(shí)，坡耕地集雨技術(shù)還是空白等。

　　針對(duì)上述情況，我們選擇在半干旱地區(qū)代表性強(qiáng)，當(dāng)?shù)卣�府、群眾積極性相對(duì)較高的甘肅省定西縣作為主要研究區(qū)域。利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，首先建立了定西縣雨水利用發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真模型。選擇了三種方案分析計(jì)算，即：①充分利用現(xiàn)有的柏油路面等集流面，加速發(fā)展庭院及地邊的混凝土面集流，以滿足農(nóng)村飲水為主，適當(dāng)發(fā)展節(jié)水補(bǔ)充灌溉；②充分利用柏油路面和沙石路面，加快發(fā)展庭院集流面和田間人工集流面，在滿足農(nóng)村飲水的同時(shí)，發(fā)展節(jié)水補(bǔ)灌為主；③在充分利用現(xiàn)有公路面、庭院集流面的基礎(chǔ)上，近期加快庭院集流面建設(shè)，后期則大力發(fā)展人工集流面，集流以農(nóng)灌為主。結(jié)合實(shí)際，對(duì)定西縣發(fā)展雨水利用提出建議：水窖與集流面建設(shè)同步發(fā)展，提高水窖利用率；集流工程建設(shè)應(yīng)持續(xù)發(fā)展，保持適度規(guī)模；合理規(guī)劃布局水窖與集流面、集水與高效利用相結(jié)合；加強(qiáng)新型集流材料和窖灌設(shè)備的研制推廣，促進(jìn)雨水集流持續(xù)發(fā)展。

　　二、開(kāi)展雨水匯集工程的基本參數(shù)、集流場(chǎng)地表處理技術(shù)研究，提出集流場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)指南

　　首先分析了研究區(qū)降雨參數(shù)。通過(guò)對(duì)該地1958～1996年降雨資料分析，發(fā)現(xiàn)次降雨量＜5mm的降雨基本上不產(chǎn)流或產(chǎn)流甚少。為此，提出雨水匯集工程參數(shù)研究過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)分析日降雨量≥5mm的降雨。通過(guò)系統(tǒng)分析，提出可按5年一遇最大60日≥5mm降雨量作為設(shè)計(jì)集雨水窖的標(biāo)準(zhǔn)，該降雨量略大于同頻率≥5mm降雨量的50％。若以30m³作為水窖容積，對(duì)于混凝土集水面、塑料薄膜集水面等，則可容納約140m²集水面的水量。

　　其次，通過(guò)野外定點(diǎn)觀測(cè)試驗(yàn)，分別對(duì)HEC（與土混合比例1:6、1:8、1:10）、水泥土、沙蘭特油氈、混凝土、塑膜、玻璃絲油氈等6種材料的集流特征、效率進(jìn)行了分析研究。野外試驗(yàn)共布設(shè)9個(gè)小區(qū)，截至1999年底已獲得288場(chǎng)次資料，經(jīng)初步分析，認(rèn)為PI30是影響該地降雨集流的主要影響因子，并建立了集流效率E與PI30的函數(shù)關(guān)系式。據(jù)分析，塑膜集流效率高達(dá)80％以上；同等條件下，瀝青玻璃絲油氈集流效率比塑膜高15％，HEC比水泥土高80％左右。為此，我們推薦HEC、瀝青玻璃絲油氈、塑膜、沙蘭特油氈等4種集流材料，其每平方米造價(jià)分別為3～5元、4元、1元及5.5元。而目前常用的混凝土每平方米造價(jià)高達(dá)18～30元。

　　通過(guò)上述工作，提出了集雨場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)指南。該指南重點(diǎn)論述了規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法、步驟，并給出了典型集雨工程的設(shè)計(jì)實(shí)例和經(jīng)濟(jì)分析。

　　三、研究存貯雨水的水窖優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其配套的防滲、凈化和提水技術(shù)

　　首先，通過(guò)野外調(diào)研、總結(jié)分析以及力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算，提出應(yīng)大力推廣應(yīng)用的三種水窖形式，即混凝土球形水窖、混凝土薄殼圓柱形水窖及紅膠泥水窖，并給出了定型設(shè)計(jì)圖紙，以及相應(yīng)的施工方法與技術(shù)。同時(shí)，根據(jù)不同作物、不同降雨保證率下的需水量和集水量，確定出蓄水設(shè)施的容積。經(jīng)計(jì)算，混凝土球形窖單個(gè)容積以20～40m³為宜，混凝土薄殼圓柱形窖以40～60m³為宜，紅膠泥水窖以15～40m³為宜。

　　其次，提出了水窖防滲抗凍技術(shù)，即采用15混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)選取S4，抗凍指標(biāo)選取D50的＃425以上的水泥等建材，抹面時(shí)摻入2％～5％（指占水泥重量）的防滲劑，且窖體設(shè)在地面80cm以下。

　　為確保水窖水質(zhì)，采取了沉沙與過(guò)濾方法，給出了上述設(shè)施的定型設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。水窖水質(zhì)經(jīng)分析表明，混凝土窖水的pH值偏高，高達(dá)9.7，其主要原因在于水泥中析出Ca(HO）₂所致，但4～5年后，pH均降到7��8以下，可滿足灌溉需求。

　　針對(duì)雨水利用特點(diǎn)，利用市場(chǎng)現(xiàn)有的小型汽油機(jī)泵，采用軟軸連接技術(shù)，使其吸程增加4～8m，其揚(yáng)程為36～42m，該機(jī)可配4～7組F－4系列或SW200系列噴頭，實(shí)施噴灌作業(yè)。

　　四、選配適宜水窖的小型灌水機(jī)具，以作物生理需水規(guī)律為基礎(chǔ)，研究確定該地區(qū)主要作物的適宜節(jié)灌方法，以及相應(yīng)的農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)措施

　　首先，根據(jù)小水源的灌溉特點(diǎn)，選擇3種提水機(jī)具，即手壓泵、汽油泵及潛水泵，并提出相應(yīng)的灌水技術(shù)與方法。對(duì)于手動(dòng)取水，一般宜用地面灌水方式，如點(diǎn)澆等；對(duì)于油動(dòng)取水，可選用滴灌，抗旱坐水種、地膜穴灌及注射灌等灌水方式；對(duì)于電動(dòng)取水，一般應(yīng)選用噴灌、微灌技術(shù)，也可選用高效地面灌水技術(shù)，如膜上灌、膜下灌等，但不適宜于選取點(diǎn)澆等灌水方式�！　∑浯危�通過(guò)對(duì)玉米、小麥等作物的多次田間小區(qū)和控制小區(qū)試驗(yàn)，指出定西春小麥需水與降水量之間存在著永恒的供需矛盾，生育期缺水80～160mm，進(jìn)行集雨灌溉的需水關(guān)鍵期是拔節(jié)期，拔節(jié)期適宜的土壤水分下限為60％田間持水量。3年田間灌水試驗(yàn)證明，春小麥在苗期和拔節(jié)后期灌水2次，每次10～30m³可增產(chǎn)23％～62％，灌水利用效率達(dá)到3.58～4.8kg／m³.玉米需水量關(guān)鍵期為抽雄揚(yáng)花期，此階段受旱減產(chǎn)18％以上。試驗(yàn)證明，小麥和玉米的灌水方式以膜下滴灌為優(yōu)，小麥膜下滴灌單產(chǎn)126kg，灌水利用效率達(dá)到2.3kg／m³；玉米抽雄揚(yáng)花期膜下滴灌10～30m³，較未滴灌增產(chǎn)25％～109％，水分利用效率達(dá)到3.25～6.88kg／m³，較露地滴灌和畦灌都高。

　　實(shí)驗(yàn)表明，定西半干旱區(qū)春小麥、玉米的集雨灌溉，一般年份滴灌1～2次，旱年灌水2～3次為宜，每次水10～20m³為宜。

　　最后，主要從引種篩選、覆蓋、耕種栽培、間作套種和化學(xué)節(jié)水劑應(yīng)用，以及田間管理等方面進(jìn)行研究，提出地膜小麥栽培規(guī)程和玉米地膜集雨補(bǔ)灌技術(shù)規(guī)程，以及各種單項(xiàng)技術(shù)措施方案。通過(guò)研究，指出定西農(nóng)田布局適宜“保夏擴(kuò)秋”，合理調(diào)配作物品種；地膜小麥在一般年份增產(chǎn)顯著，大旱年分秸稈覆蓋的節(jié)水增量更優(yōu)。壟溝地膜玉米畝產(chǎn)可達(dá)835kg，較露地和平地膜增產(chǎn)27.7％和38.3％；采用地膜加滴灌，玉米和馬鈴薯間套畝產(chǎn)可達(dá)1149kg，產(chǎn)值618.9元，分別較單種玉米和馬鈴薯產(chǎn)值高50％和17％。以鈣赤合劑和保水劑為主的化學(xué)節(jié)水技術(shù)試驗(yàn)，鈣赤合劑拌種增產(chǎn)10％左右，保水劑玉米旁施和馬鈴薯穴施，以畝用量1kg為宜，分別增產(chǎn)22.3％和40％，投產(chǎn)比分別為1∶4.5和1∶13.3，是值得推廣的高新技術(shù)。

　　五、組裝配套雨水匯集利用單項(xiàng)技術(shù)，建立試驗(yàn)示范區(qū)，積極參與西部大開(kāi)發(fā)，不斷擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用范圍

　　根據(jù)調(diào)查，專題系統(tǒng)總結(jié)并提出了黃土高原3種水窖配置模式及相應(yīng)的窖水配套技術(shù)，即峁頂光頭式配置模式，路旁葡萄串式配置模式及場(chǎng)、院、凹地單點(diǎn)式配置模式，其相應(yīng)的窖水高效利用技術(shù)為自壓微灌、外動(dòng)力加壓微灌、坑灌及水肥穴灌。同時(shí)，在定西縣安家坡流域?qū)嶒?yàn)示范區(qū)創(chuàng)建了坡耕地活動(dòng)式集雨自壓滴灌雨水高效利用實(shí)體模型。提出“上部坡地夏季種糧、秋季覆膜集雨、地邊打窖貯水、補(bǔ)灌下部作物”的一地多用，低耗高產(chǎn)，水保與集雨相結(jié)合的綜合配套模式。

　　結(jié)果表明：防滲膜集流效率達(dá)到93％，補(bǔ)灌新修梯田玉米畝產(chǎn)達(dá)到210kg，比對(duì)照區(qū)增產(chǎn)40％；集流場(chǎng)坡地覆膜后播前土壤含水量為15.43％，而對(duì)照區(qū)為12.48％，有效地保持了土壤水分。坡地春小麥畝產(chǎn)166.8kg，比對(duì)照區(qū)高33.5kg，增產(chǎn)25.1％。

　　為了加大人工匯集雨水利用技術(shù)力度，在“節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目辦領(lǐng)導(dǎo)、項(xiàng)目專家組、示范區(qū)地縣鄉(xiāng)村各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、專題協(xié)作單位和專題全體工作人員的配合下，本專題在甘肅定西縣安家坡流域和九華溝流域、陜西富平縣底店鄉(xiāng)建立了3個(gè)試驗(yàn)示范區(qū)，示范了各種集流場(chǎng)和水窖建造技術(shù)、集雨補(bǔ)灌應(yīng)用滴灌、噴灌、微灌、點(diǎn)澆和坐水種等節(jié)水灌溉和抗旱補(bǔ)灌技術(shù)。包括小麥、玉米、谷子等作物，以及果樹和大棚蔬菜，共計(jì)示范推廣面積167hm²，增產(chǎn)效益明顯。僅定西縣安家坡流域和九華溝流域集雨節(jié)灌水窖878眼，補(bǔ)灌農(nóng)田133hm²，畝產(chǎn)糧食平均300kg，較大田對(duì)照增產(chǎn)90％，補(bǔ)灌水分利用效率達(dá)到2kg／m³以上。本專題已達(dá)到和超額完成攻關(guān)合同的指標(biāo)任務(wù)。