雨水集流灌溉在農(nóng)業(yè)示范區(qū)的應(yīng)用

陳 倩，曹優(yōu)明，王秀茹，王 希，康 璇，吳驍博

（北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

雨水集流灌溉技術(shù)是指在人工創(chuàng)造集水工程（集水面、集水池）的基礎(chǔ)上，配套實(shí)施簡便高效的滴灌微灌等技術(shù)，具體地說，就是在我國北方半干旱地區(qū)，將雨水集流與高效節(jié)水灌溉技術(shù)結(jié)合利用，發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)。

1 實(shí)施雨水集蓄的必要性與可行性

1.1 必要性

干旱缺水、洪澇災(zāi)害和水環(huán)境惡化成為新世紀(jì)我國面臨的三大水問題，并較大程度地制約了經(jīng)濟(jì)增長和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，開源節(jié)流、用好每一滴水是我們每一個人的責(zé)任與義務(wù)。合理利用降水，發(fā)展雨水集蓄工程，有利于解決經(jīng)濟(jì)貧困和生態(tài)環(huán)境問題，促進(jìn)小康社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)。一般而言，雨水收集量十分有限，特別是北方干旱地區(qū)，降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、作物水分虧缺量較大。因此，必須根據(jù)非充分灌溉原理，將有限的水分與微噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合，獲取最高的水分利用效率與產(chǎn)量。

1.2 可行性

雨水利用在我國具有悠久的歷史，早在2700年前的春秋時期，黃土高原地區(qū)已有利用引洪漫地技術(shù)的記載；在600多年前出現(xiàn)的水窖，證明了古人對雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和集雨農(nóng)業(yè)已有樸素的認(rèn)識[1]?，F(xiàn)在，我國雨水集蓄主要應(yīng)用在生活及農(nóng)業(yè)灌溉兩個方面，尤其是近20年來，雨水集蓄技術(shù)再次引起了人們的注意，并取得了良好的效果，如甘肅省實(shí)施的“121”雨水集流工程、內(nèi)蒙古的“112”集雨節(jié)灌工程、陜西的“甘露工程”、寧夏的“窖水蓄流工程”等雨水集蓄工程等。

據(jù)國際先進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)資料，降水（折合灌水量0.67 m3/667m2）生產(chǎn)潛力可達(dá)2～25 kg/mm谷物或更多。在我國北方，年降雨量為250～550mm的半干旱區(qū)，如能使降水的70%得到有效收集，則在采用先進(jìn)節(jié)水技術(shù)、盡可能減少灌溉過程中無效流失的情況下，可以滿足作物的最低需水要求。這就為發(fā)展雨水集流灌溉技術(shù)提供了理論依據(jù)[2]。同時，北方地域遼闊，有充分的地面可以作為集流面，為該理論的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。

2 技術(shù)方法

2.1 集雨工程

集雨工程主要在農(nóng)地的周圍或上面用壓實(shí)的土、瀝青、混凝土和塑料薄膜等材質(zhì)做成防水的收集面，以收集雨水，主要包括道路和坡面集水。由于路面塌實(shí)度較好，水的滲漏較少，因此道路集水是雨水集流工程的主要組成部分，農(nóng)田道路及側(cè)面的空閑地是可利用的天然集流場；坡面集水可根據(jù)山體的坡度，大小來確定集水區(qū)的形狀，在坡面底部修建截流溝或截流埂，攔截坡面上的徑流使其定向匯流。此外，隨著溫室大棚成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式，溫棚膜面集水回用灌溉也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 凈化蓄水工程

蓄水工程是存蓄由集水區(qū)導(dǎo)引聚集的雨水徑流水量，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┬藿ㄌ?、壩及小水池（柜）等集蓄雨水。蓄水系統(tǒng)包括儲水體及其附屬設(shè)施，儲水體主要是水窖、水柜和蓄水池等，附屬設(shè)施主要包括沉沙池、攔污柵與進(jìn)水暗管。蓄水池多建在用水量相對稀少、有一定集水面積的低洼地或坡面，多采用地下式，其形式有方形或圓形，可以是封閉式或開敞式的。為防止泥沙淤塞水窖，在進(jìn)水口處要修建沉沙池，一般距離水窖（池）4 m左右，沉沙池可根據(jù)沉沙原理和攔沙原理來設(shè)計(jì)。根據(jù)沉沙情況可分為一級沉沙池和多級沉沙池，結(jié)構(gòu)可分為迷宮式斜墻沉沙池、迷宮式直墻沉沙池、梯形沉沙池和矩形沉沙池等[3]。

2.3 節(jié)水灌溉工程

綜合考慮作物種類、灌溉水源條件、地形條件、工程投資、技術(shù)可行性、實(shí)施難度等因素，選擇適宜的節(jié)水灌溉方式。菜園（包括塑料大棚和日光溫室）適宜用滴灌，果園、庭院種植的花卉、食用菌等可以考慮用微噴灌。根據(jù)作物種類，灌溉類型可選用固定式或移動式，對于面積較小的庭院種植多采用移動式，對于灌水次數(shù)較多，行距較寬的作物多采用固定式[4-7]。其它灌溉形式還有抗旱坐水種、膜上灌、膜下灌等（見圖1）。

3 農(nóng)業(yè)示范區(qū)集雨灌溉模式研究

農(nóng)業(yè)部關(guān)于創(chuàng)建國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的意見中指出：當(dāng)前，我國總體上已進(jìn)入加快改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、走中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路的關(guān)鍵時期。創(chuàng)建國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，是順應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢、創(chuàng)新工作思路、強(qiáng)化工作指導(dǎo)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效、農(nóng)民持續(xù)增收的重大舉措，對規(guī)范農(nóng)業(yè)示范區(qū)發(fā)展，示范和引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)具有重大意義。創(chuàng)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)必須要以物質(zhì)裝備為基礎(chǔ)，以高新科技為依托，以集成配套的科學(xué)技術(shù)助推現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展[8]。

圖1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 農(nóng)業(yè)示范區(qū)特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)示范區(qū)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）高品質(zhì)產(chǎn)品占的比重較大，在大中城市郊區(qū)，蔬菜、水果、食用菌和花卉等高效園藝作物較為突出；（2）示范性比較強(qiáng)，依據(jù)農(nóng)業(yè)部優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局規(guī)劃，在新一輪特色農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局規(guī)劃中，應(yīng)重點(diǎn)在優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域、大中城市郊區(qū)和特色產(chǎn)品區(qū)域擇優(yōu)創(chuàng)建國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，使之成為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的模板；（3）溫室大棚所占比重較大，為了打破季節(jié)限制，充分利用光能，溫室大棚在農(nóng)業(yè)示范區(qū)應(yīng)占有很大的比重；（4）具有配套的休閑設(shè)施，很多農(nóng)業(yè)示范區(qū)充分利用自身優(yōu)勢，大力發(fā)展生態(tài)旅游，舉辦采摘節(jié)。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，越來越多的人在工作之余會選擇戶外活動，很多農(nóng)業(yè)示范區(qū)都開放了采摘園，吸引了大量的游客。

3.2 集雨模式

雨水集蓄可以采用屋面雨水集蓄、路面集雨、膜面集雨的方法。如果示范區(qū)附近有住宅小區(qū)，即可在樓頂安裝集雨設(shè)施，雨水能通過管道和過濾設(shè)施進(jìn)入蓄水設(shè)備，而且其維修管理也比較方便。如果距離住宅區(qū)較遠(yuǎn)，則應(yīng)以路面集雨、膜面集雨等方法為主。示范區(qū)內(nèi)及周圍道路規(guī)格較高，路面平整，硬化程度好，采用道路集雨較為方便，所集雨水質(zhì)量較高，同時可以收到減少雨水對道路的沖刷，改善示范區(qū)環(huán)境等效果。由于路面采集雨水的能力有限，高品質(zhì)膜面集雨產(chǎn)品在示范區(qū)的比例較大，故可將膜面集雨視為示范區(qū)具有代表性的集雨方式。很多示范區(qū)，尤其是北方，為減輕溫度對作物的影響，多采用溫室大棚栽種的形式，這為膜面集雨創(chuàng)造了良好的條件。膜面集雨具有節(jié)水、防洪、改善生態(tài)環(huán)境等3個方面的效益。對于集中連片的普通日光溫室，雨水可以通過集雨管（溝）統(tǒng)一收集到一個或幾個集雨池，實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一配水。雨水經(jīng)棚面、集雨管溝、攔物柵和沉沙池匯集到集雨池，再用水泵抽到單棚內(nèi)的儲水池進(jìn)行滴灌。在棚內(nèi)修建儲水池，可以避免灌溉時水泵一直開啟的現(xiàn)狀，節(jié)水、節(jié)能，降低了運(yùn)行費(fèi)用和工程造價(jià)。

3.3 雨水凈化存儲模式

凈化方法主要采用沉沙池。在農(nóng)業(yè)示范區(qū)雨水集蓄工程中，所采用的集流方法主要是路面集雨、膜面集雨，徑流中常挾帶大量泥沙。這些泥沙若直接進(jìn)入蓄水池，不僅對蓄水池的安全和利用效益帶來負(fù)面影響，而且嚴(yán)重影響水質(zhì)。農(nóng)業(yè)示范區(qū)的灌溉方式往往采用噴灌、滴灌，對水質(zhì)的要求較高，因此修建沉沙池是十分必要的。雨水存儲方式主要為蓄水池或水窖。由于雨水集蓄量有限，單純的利用雨水作為灌溉水源是不能滿足灌溉要求的，可以同時利用天然降雨和地下水作為灌溉水源，優(yōu)先使用收集的雨水。當(dāng)蓄水池或水窖水量不能滿足灌溉需要時，則用機(jī)井的地下水作為灌溉水源，以補(bǔ)足所缺的水量。

3.4 雨水灌溉模式

灌溉方式可采取滴灌、微噴灌，在溫室大棚區(qū)域均可采用自動控制系統(tǒng)。溫室蔬菜（果菜類、根菜類和莖菜類等）宜選用滴灌工程；溫室大棚蔬菜（葉菜類、花菜類和花卉等）宜選用微噴灌工程。自動控制系統(tǒng)是基于自動氣象站的中央計(jì)算機(jī)控制的灌溉系統(tǒng)，屬于閉環(huán)控制的灌溉系統(tǒng)。自動氣象站中的氣溫、雨量、濕度等傳感器，作為系統(tǒng)的信號反饋設(shè)備，此信號供中央計(jì)算機(jī)采集和決策后，自動指揮灌溉系統(tǒng)運(yùn)行。

綜上所述，我們得出適用于以高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品為主的農(nóng)業(yè)示范區(qū)的集雨灌溉模式（如圖2所示）。

4 實(shí)例研究

4.1 項(xiàng)目背景

順義區(qū)位于北京市東北郊，區(qū)中心距市區(qū)30 km。東鄰平谷，北連懷柔、密云，西接昌平、朝陽，南界通州、河北三河市。項(xiàng)目區(qū)為順義區(qū)仁和鎮(zhèn)等12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)54個行政村。

圖2 農(nóng)業(yè)示范區(qū)集雨灌溉模式

順義區(qū)土壤質(zhì)地為粘性砂壤土，土壤容重為1.45 g/cm3，田間最大持水率為23%，土壤允許入滲速率為10mm/h，最大凍土層深度0.8m。該地區(qū)多年平均降水量為614.9mm，全年降水量集中在6～9月的汛期，約占全年降水量的80%以上。項(xiàng)目區(qū)雨水資源豐富，但區(qū)內(nèi)無任何集雨設(shè)施，雨水資源有浪費(fèi)現(xiàn)象。自20世紀(jì)80年代以來，密云水庫為保證城市用水，農(nóng)業(yè)供水減少，在水資源供需矛盾日益突出的情況下，亟需采取相應(yīng)的集雨措施，將收集到的雨水回用于作物灌溉，以充分利用水資源，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

順義區(qū)作為北京最早的噴灌化縣，區(qū)各屆政府都非常重視農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的發(fā)展，但由于缺乏先進(jìn)、科學(xué)的管理模式，部分設(shè)施年久失修，使用壽命縮短甚至報(bào)廢，加之部分節(jié)水工程的配置、選型也不盡合理，甚至沒有計(jì)量設(shè)備，故沒有充分發(fā)揮節(jié)水灌溉效益。近年來，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度大，若不及時采用相應(yīng)的節(jié)水灌溉措施，則難以達(dá)到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的目的。因此，需對項(xiàng)目區(qū)的種植結(jié)構(gòu)和比例進(jìn)行統(tǒng)一地規(guī)劃和設(shè)計(jì)，引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備，調(diào)整區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)綜合效益。

4.2 灌溉方案

本工程采用的是滴灌、微噴灌等節(jié)水灌溉形式，屬于非充分灌溉。水分對土壤以滲潤為主，工程實(shí)施可以有效地減少灌溉退水從農(nóng)田帶入大量泥沙、農(nóng)藥、各種有機(jī)物和無機(jī)毒物，避免對河流、地下水等水體的污染。在灌溉技術(shù)上，溫室蔬菜（果菜類、根菜類和莖菜類等）選用滴灌工程；溫室大棚內(nèi)種植花卉及菌類選用微噴灌工程。在面積15.33 hm2的地塊上，在配備溫室大棚的滴灌系統(tǒng)內(nèi)，修建膜面集雨工程和自動控制工程，以達(dá)到利用雨水和節(jié)約用水的目的。

4.2.1 膜面集雨 膜面集雨及自動化控制滴灌系統(tǒng)設(shè)在示范基地，結(jié)合項(xiàng)目面積和位置，將項(xiàng)目區(qū)劃分為13個輪灌組，一個蓄水池。灌區(qū)大棚采用膜面集雨、集雨槽導(dǎo)流、蓄水池蓄集雨水的方式。大棚間的空地采用硬化處理，硬化后的路面產(chǎn)生的地表徑流匯入與之相對應(yīng)的一級集雨槽。田間道也采用混凝土硬化處理，道路兩邊設(shè)置二級集雨槽，集雨槽均為磚砌結(jié)構(gòu)，磚墻內(nèi)側(cè)采用水泥沙漿抹面；底板和蓋板均為素混凝土，棚頂向有一級集雨槽的一側(cè)傾斜，雨水順二級集雨槽流入沉沙池，鋪設(shè)時設(shè)置一定的比降，使雨水在沉沙池內(nèi)沉淀、過濾，最終供給蓄水池。

4.2.2 滴灌工程 滴灌工程的管網(wǎng)系統(tǒng)由干管、支管和毛管（滴灌帶）組成，采用半固定式管網(wǎng)系統(tǒng)，即干管埋于地下，大棚內(nèi)的支管和毛管鋪設(shè)在地面，這樣既便于灌溉設(shè)備使用、管理和維護(hù)，又便于農(nóng)業(yè)耕作。系統(tǒng)首部設(shè)置安全保護(hù)及過濾設(shè)備，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，防止滴灌系統(tǒng)堵塞；毛管選取管徑16mm、壁厚0.25mm的滴灌帶。

4.2.3 大棚蔬菜微噴灌工程 干管采用UPVC塑料管，支管采用PE塑料管，設(shè)在溫室內(nèi)作業(yè)道邊并沿溫室縱向布置，微噴頭采用單行布置、三角形布置。系統(tǒng)首部設(shè)置安全保護(hù)及過濾設(shè)備，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

4.2.4 自動控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制的中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)分為中央控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)。其中，中央控制系統(tǒng)包括一個中央控制室、一臺計(jì)算機(jī)、一套LDI控制器和配套的線路等；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括SD210傳感器解碼器和FDR（MP-406）土壤濕度傳感器以及水位傳感器；灌溉控制系統(tǒng)包括田間解碼器、電磁閥、PRS-D壓力調(diào)節(jié)器等。中央控制系統(tǒng)對棚內(nèi)土壤的濕度和蓄水池的水位情況進(jìn)行實(shí)時自動連續(xù)監(jiān)測，優(yōu)先使用膜面集雨作為灌溉水源。當(dāng)大棚內(nèi)土壤濕度達(dá)到允許下限時，中央控制系統(tǒng)會對蓄水池的水量（通過水位換算）作出判斷：若水量可以至少滿足一個灌溉輪灌組所需的水量要求時，則抽取蓄水池的雨水進(jìn)行灌溉；否則，將抽取新建機(jī)井的地下水進(jìn)行灌溉。當(dāng)大棚內(nèi)土壤濕度達(dá)到其規(guī)定上限時，中央控制系統(tǒng)會向灌溉控制系統(tǒng)發(fā)出指令,控制電磁閥的關(guān)閉，停止灌水。

5 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)示范區(qū)合理的集流灌溉模式，在整個示范區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中起到十分關(guān)鍵的作用。本文旨在探討農(nóng)業(yè)示范區(qū)的雨水集流灌溉模式，為農(nóng)業(yè)示范區(qū)今后的發(fā)展提供思路，但同時也要注意解決好如下問題。（1）選用的技術(shù)應(yīng)當(dāng)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生產(chǎn)經(jīng)營管理體制、農(nóng)民科學(xué)文化素質(zhì)相適應(yīng)。當(dāng)同時有多種節(jié)水灌溉技術(shù)方式適用時，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，挑選投資經(jīng)濟(jì)、技術(shù)先進(jìn)、管理簡便的形式。自動控制系統(tǒng)成本相對較高，本項(xiàng)目區(qū)也僅在示范基地使用。（2）由于管道開挖會造成一定的水土流失，故應(yīng)盡量避開雨季，選擇非雨季集中施工?；靥钔翍?yīng)采取攔擋措施，避免揚(yáng)塵產(chǎn)生水土流失。臨時堆土應(yīng)在土堆兩側(cè)用鐵質(zhì)圍擋進(jìn)行擋護(hù)，并在土堆表面用防塵網(wǎng)遮蓋，以防止水蝕和風(fēng)蝕。施工結(jié)束后，要做好跡地恢復(fù)工作，施工生產(chǎn)區(qū)土地整治后要撒播草籽。（3）某些農(nóng)業(yè)示范區(qū)開放了采摘園，可同時利用雨水建設(shè)小型景觀設(shè)施，進(jìn)行綠化灌溉，建造人工湖，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

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