肯尼亞雨水集流利用現(xiàn)狀及思考*

曹建生董文旭李曉欣陳素英胡春勝

(1. 中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心石家莊 050022; 2. 中國科學院中-非聯(lián)合研究中心 內羅畢 00200 肯尼亞)

肯尼亞雨水集流利用現(xiàn)狀及思考*

曹建生1,2董文旭1,2李曉欣1,2陳素英1,2胡春勝1,2

(1. 中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心石家莊 050022; 2. 中國科學院中-非聯(lián)合研究中心 內羅畢 00200 肯尼亞)

雨水集流作為一項古老技術, 已有上千年的歷史。由于干旱缺水和缺乏天然的儲水介質, 雨水集流在肯尼亞具有非常重要的特殊意義。本文從庭院集雨、農田集雨、流域集雨及集雨的區(qū)域差異等方面, 對肯尼亞的雨水集流現(xiàn)狀進行了分析; 并從區(qū)域水循環(huán)與水量平衡的角度, 探討了降雨、入滲、徑流及蒸發(fā)的關系。最后指出, 通過不同形式的雨水集流, 減少無效蒸發(fā), 特別是無效的水面蒸發(fā), 是增加水資源總量的關鍵; 而科學利用天然的儲水介質與合理開發(fā)人工的儲水介質, 是提高水資源可利用量的關鍵。雨水集流利用在肯尼亞生活用水方面已相當普遍, 技術也相對較為成熟, 但是在年降雨量不足500 mm的旱區(qū)農業(yè)生產方面, 還有很大的發(fā)展空間, 目前面臨的主要問題是, 如何解決旱區(qū)降雨集流效率偏低, 以及有限降雨資源的合理儲蓄與高效利用。鑒于農田土壤對降雨再分配調蓄能力較低的緣故, 通過在農田內開挖溝槽, 進行降雨資源的短期儲蓄與調控, 將生育期前段多余的降雨資源留到無降雨的后段使用, 是實現(xiàn)作物生育期內水分供需平衡的關鍵。本研究為充分發(fā)揮雨水集流在肯尼亞旱區(qū)農業(yè)生產中的積極作用提供了參考。

肯尼亞 季節(jié)性干旱 雨水資源化 儲水介質 雨水集流

雨水是可更新水資源的總來源, 所有形式的水資源(包括河川徑流、地下水等), 從根本上來說都來自雨水[1-2]。在無法從區(qū)域外引水或短時期內不能實現(xiàn)區(qū)域外引水的情況下, 有效利用本地水資源是保障生活、生產的必然方略, 而雨水是一個區(qū)域水資源最根本的來源[3]。

雨水集流(蓄)利用是水資源開發(fā)利用最早的方式, 早在4 000 a前的中東、南阿拉伯以及北非等地區(qū)就出現(xiàn)了將收集的雨水用于生活、生產等的雨水集流系統(tǒng)[4]。在 20世紀上半葉, 由于江河開發(fā)和地下水供水技術的飛速發(fā)展, 雨水集流技術除在少數缺水地區(qū)利用外已被人們所忽視。20世紀 80年代以來, 隨著全世界水資源日益緊缺, 同時低成本的水源工程也幾乎都已開發(fā), 以供水為目的的雨水集流系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展, 雨水利用范圍也從生活用水向城市用水和農業(yè)用水方面擴展。1982年6月在美國夏威夷召開的第 1屆雨水集流利用國際會議和1980年11月聯(lián)合國在第35屆大會上提出的“聯(lián)合國1981—1990年國際飲水供應和環(huán)境衛(wèi)生十年”, 共同推動了雨水利用技術的研究和發(fā)展[5]。東南亞的尼泊爾、印度、泰國, 非洲的肯尼亞、坦桑尼亞, 以及日本、澳大利亞、美國、德國等發(fā)達國家, 都采用了多種技術開發(fā)和利用雨水[6]。我國自20世紀80年代末, 開始開發(fā)利用雨水資源, 如甘肅省實施的“121雨水集流工程”、內蒙古實施的“112集雨節(jié)水灌溉工程”、寧夏實施的“窖水工程”、陜西實施的“甘露工程”等都促進了我國雨水集蓄措施的研究和應用, 產生了明顯的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益[3]。1995年 6月在北京召開了“第七屆國際雨水集流系統(tǒng)大會”, 1998年9月在徐州召開了“國際雨水利用學術會議暨中國第二屆雨水大會”, 這兩次會議進一步推動了我國的雨水利用研究和示范工作。

總之, 雨水集流利用已經遍及世界多個國家,包括干旱缺水的發(fā)展中國家和供水比較充足的發(fā)達國家, 但目前還基本處于以民間方式利用的階段,主要集中用于解決農村與小城鎮(zhèn)的人畜飲用水問題,如何更好地發(fā)揮雨水集流在農業(yè)生產與城市發(fā)展過程中的積極作用, 是目前及今后一個時期世界各國水資源可持續(xù)開發(fā)利用亟待解決的問題。

為了充分發(fā)揮雨水集流在農業(yè)生產中的積極作用, 本文通過對肯尼亞雨水集流利用現(xiàn)狀的實地考察, 同時結合國內不同地區(qū)雨水集流利用發(fā)展情況,分析了雨水集流的必要性與可行性, 揭示了雨水集流利用其根本就是人工儲水介質的合理開發(fā), 其前提是缺乏天然的儲水介質。這一點從我國華北平原地下水資源開發(fā)利用情況也可以得到印證, 華北平原擁有得天獨厚的天然地下儲水空間, 但是近些年來, 地下水位持續(xù)下降已經成為不爭的事實, 即使水資源如此短缺, 雨水集流利用在華北平原并不多見, 也就是說, 水資源短缺并不是雨水集流的主要原因。另外, 華北平原天然地下儲水空間的萎縮與污染更應引起人們的注意。

1 雨水集流利用的有關概念

雨水利用: 廣義的雨水利用是指雨水集流的家庭利用、雨養(yǎng)農業(yè)利用、人工增雨、水土保持、水源涵養(yǎng)、雨洪利用和生態(tài)環(huán)境改善等水資源利用的各個方面; 狹義的則是指對原始狀態(tài)下的雨水進行利用, 或對雨水在最初轉化為地表徑流、土壤水及地下水階段時的利用。

雨水集流(蓄)利用: 廣義的雨水集流(蓄)利用是指經過一定的人為措施, 對自然界中的雨水徑流過程進行干預, 使其就地入滲或匯集蓄存并加以利用;狹義的則指將集流面上的雨水徑流匯集到蓄水設施中再進行利用。

儲水介質: 簡單地講就是儲存水的各種介質。按照是否有人為干預, 可以分為天然的儲水介質與人工的儲水介質, 兩者的相同之處是都能存儲水,而兩者的不同之處是前者與外界存在自由的水交換過程(補給、排泄), 后者需要在人為干預下才能與外界發(fā)生水交換過程; 按照空間位置, 可以分為地上儲水介質與地下儲水介質。其中, 天然的儲水介質,一是江河、湖泊、洼地等; 二是“蓄水構造”, 即由含水層和隔水層相互結合而形成的能夠積蓄地下水的地質構造[7-9]; 三是“空隙介質”, 即指孔隙、裂隙和巖溶3種類型介質及其組合[10]。人工的儲水介質, 大致可以分為2類: 一是與流域有關的, 比如水庫、塘壩等; 二是與流域無關的, 比如集雨池、集水池、集水桶、集水溝、集水窖和旱井等。

2 肯尼亞雨水集流利用現(xiàn)狀

2.1 肯尼亞概述

肯尼亞位于非洲的東部, 赤道橫貫中部, 東非大裂谷縱觀南北。東與索馬里為鄰, 北與埃塞俄比亞、蘇丹接壤, 西與烏干達交界, 南與坦桑尼亞相連。東南瀕印度洋, 海岸線長 536 km, 沿海為平原地帶, 其余大部分為平均海拔1 500 m的高原。全境位于熱帶季風區(qū), 但受其地勢較高的影響, 為熱帶稀樹草原氣候, 沿海地區(qū)濕熱, 高原氣候溫和, 全年最高氣溫為攝氏22～26 ℃, 最低為10～14 ℃。降水的空間變化、年際變化、季節(jié)變化差異大。年降雨量自西南向東北由1 500 mm左右遞減到200 mm左右。3—6月、10—12月為雨季, 其余為旱季。首都內羅畢氣候溫和, 年平均氣溫17.7 ℃, 年降雨量1 049.0 mm。

肯尼亞是一個旱澇災害多發(fā)的國家, 特別是近年來全球氣候變暖導致肯尼亞干旱災害頻現(xiàn), 農業(yè)和糧食生產都頻繁遭遇與氣候變化有關的不穩(wěn)定危機, 城市和農村地區(qū)均面臨嚴重的供水短缺問題,牧民面臨放棄千年不變的放牧生活, 而另謀生路。同時, 在持續(xù)干旱之后, 由于暴雨和曬得過于干旱的土地無法吸收突然降臨的雨水而引發(fā)的洪澇災害,在肯尼亞的一些地區(qū)也時常發(fā)生。導致肯尼亞旱澇災害多發(fā)的原因, 除了地形、地貌等地理環(huán)境與氣候特征外, 主要是國家的防災減災能力不足, 表現(xiàn)在天氣預報與災害預警系統(tǒng)不完善, 水資源調控水平與供水保障能力不夠, 采取應急措施的反應遲鈍與行動遲緩等方面。

在喬莫肯雅塔農業(yè)與科技大學教授Clifford Obiero的陪同下, 對位于肯尼亞干旱半干旱農業(yè)區(qū)的納庫魯省(Nakuru)和馬查科斯(Machakos)省的雨水集流利用現(xiàn)狀進行了實地考察(圖1), 并與雨水集流社會組織(Utooni Development Organization)、民間組織及農戶分別進行了交流和討論。在此基礎上, 分別從庭院、農田和流域尺度, 對肯尼亞雨水集流利用現(xiàn)狀進行了分析, 力求從中發(fā)現(xiàn)一些可以借鑒的經驗, 同時,指出其中存在的不足, 為下一步發(fā)展提供參考。

圖1　肯尼亞農業(yè)氣候分區(qū)圖Fig. 1 Agro-climatic zones map of Kenya濕潤、半濕潤區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)占國土面積20％, 嚴重干旱、干旱、半干旱區(qū)(Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)占國土面積為80％。Areas of the humid and semi-humid zones (zone Ⅰ, Ⅱ Ⅲ & Ⅳ in the map) cover less than 20％ of the county area; areas of the semi-arid to arid and hyper-arid zones (zone Ⅴ, Ⅵ & Ⅶ) cover about 80％ of the county area.

2.2 雨水集流的庭院利用技術

利用農戶、單位庭院的屋頂、地面等作為集流面, 進行雨水的收集, 然后為人畜用水提供水源。根據供水對象的不同, 肯尼亞的雨水集流庭院利用技術分為飲用水的雨水集流技術與牲畜用水的雨水集流技術兩部分。

2.2.1 飲用水的雨水集流利用技術

飲用水的雨水集流系統(tǒng)主要由屋頂面、匯流槽、導水管、集水窖等幾部分組成(圖2)。其中, 集水窖可以采取半地下式結構, 在滿足結構安全與雨水集蓄自流要求的同時, 盡量保持較高水位, 從而解決提水所需動力問題。另外, 為了保證水窖里的水能夠在重力作用下自流供水, 通過一段連接管, 將供水閥門外延并降低其高度, 人可以站到取水坑坑底去放水、提水。整套系統(tǒng)結構簡單, 管理方便, 充分利用水的流動性, 不需任何動力, 只利用體力即可,這也是與該地區(qū)沒有電力、水泵等動力提水設施相協(xié)調的。

關于雨水的凈化裝置, 目前沒有涉及到。該地區(qū)由于發(fā)展相對落后, 除了種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè), 工業(yè)基本沒有, 空氣質量良好, 因此雨水凈化裝置不是必須的。為了飲用更衛(wèi)生的雨水, 可以考慮去掉雨水集流的初始徑流, 這在方法上并不復雜, 只需在降雨產流過程初期人為調整一下導水管的出口位置即可。

1: 屋頂產流面; 2: 匯流槽; 3: 導水管; 4: 集水窖; 5: 輸水管; 6:用水閥; 7: 地下臺階。1: rainwater collecting roof; 2: converge trough; 3: water conveying pipe; 4: rainwater cellar; 5: water pipe; 6: valve; 7: stairs for getting rainwater.圖2　肯尼亞庭院屋頂雨水集流示意圖Fig. 2 Roof rainwater harvesting system of courtyard in Kenya

2.2.2 牲畜用水的雨水集流利用技術

牲畜用水的雨水集流系統(tǒng)主要由庭院地面、匯流溝、沉淀池、集水池組成。沉淀池與集水池一般位于庭院的一個角落, 根據產流情況與用水情況確定集水池的大小, 一般情況下, 集水池的長、寬可取4～5 m, 深度可取3～4 m, 儲水量在50～100 m3左右,可以供5頭牛和15只羊的用水。為了減少水面蒸發(fā)損失, 集水池可以建于樹林旁邊, 也可以采用樹枝進行覆蓋。

2.3 雨水集流的農田利用技術

肯尼亞大部分農田為坡耕地, 或是有一定坡度的梯田, 土層較薄, 土壤結構不良, 透水能力較差,同時經營管理粗放, 沒有灌溉措施, 靠天吃飯, 屬于雨養(yǎng)農業(yè)。夏季種植作物主要為玉米, 生育期內降雨總量雖然不少, 但不一定能夠滿足玉米的需水要求, 因為降雨只有轉化為土壤水之后才能被作物吸收利用。由于降雨時間分布極為不均, 降雨主要分布在生育前期(5—6月), 土壤水基本上處于田持狀態(tài), 有時還處于飽和及超飽和狀態(tài), 部分降雨將以無效蒸發(fā)的形式損失掉; 而生育后期(7—8月)基本上無降雨, 土壤水基本上處于長期虧缺狀態(tài), 有時還接近于凋萎。為了提高玉米單產量, 在生育后期必須進行灌溉。根據雨水的產流特征與利用模式,可以將農田的雨水集流利用分為農田外集雨異地利用與農田內集雨就地利用兩種。

2.3.1 農田外集雨異地利用技術

對農田以外的自然坡地、撂荒地及道路的集雨產流, 通過匯流溝、擋水墻、集水池(或集水溝)進行收集, 這屬于農田外集流(圖 3a); 農田外集流的水用于農田內, 屬于異地利用, 基本上有兩種利用方式, 一是將收集到集水池內的水, 根據實際需要進行人工提水灌溉; 二是將收集到集水溝內的水, 以壤中流、滲流的形式自動側向補給農田, 同時生育期結束后, 將富集在集水溝內的泥土人工開挖補給農田表層, 以達到改善土壤結構, 提高土壤養(yǎng)分目的(圖 3b)。這與張萬軍等[11]在太行山低山丘陵區(qū)干旱陽坡所進行的水土富集工程具有相似之處, 不同之處在于后者是將切割坡面上的水土直接匯集到梯田內, 以改善梯田內的水土條件。

2.3.2 農田內集雨就地利用技術

由于農田土壤有效水含量偏低與參與農田水循環(huán)的土層厚度較薄(大部分在30 cm左右), 即農田土壤對降雨的調蓄能力有限, 導致降雨多以農田地表積水與地表徑流的形式存在, 最后又以水面蒸發(fā)的形式散失掉。因此, 將生育前期集中降雨產生的多余地表水, 通過田間集流暫時儲存于水窖、集雨池中(圖4), 并在生育后期土壤水虧缺時段分批次回灌于農田土壤, 是減少田間無效水蒸發(fā), 提高農田降雨利用率的關鍵, 同時也是減少農田水澇災害的重要手段。鑒于目前肯尼亞農田水利基礎設施與配套設施都比較差, 但是人力資源較為豐富, 因此, 可以利用手動壓水機, 進行人工提水灌溉。當然, 也可以利用太陽能驅動水泵, 同時, 借助時間控制器或者土壤水分控制器, 實現(xiàn)水泵定時或者適時提水灌溉。

a: 平面圖; b: 立面圖。A: plan view; b: cross-sectional view.圖3　肯尼亞農田外集雨異地利用示意圖Fig. 3 Rainwater harvesting outside farmland and its utilization in farmland irrigation in Kenya

圖4　農田內集雨就地利用示意圖Fig. 4 Rainwater harvesting and its local utilization in farmland irrigation

2.4 雨水集流的流域利用技術

降落到流域坡地與河網上的降雨, 將直接或間接地匯集到流域出口。流域的雨水集流就是在降雨匯集到流域出口之前, 對流域的自然匯流過程進行人為干預與調控。一種措施是在流域的溝道、河道、河槽等低洼河網地帶, 通過修建塘壩、開挖大口井等攔截、儲存、

和集聚當地附近的雨水地表徑流、地下徑流等, 用以農田灌溉、人畜用水等。另外一種措施是在流域的坡地上, 通過開挖截流溝、鉆井等攔截、開發(fā)坡地壤中流、坡地滲流等坡地淺層地下徑流。

2.4.1 溝道塘壩集蓄利用技術

主要是通過修建塘壩攔截、儲存和積聚當地附近的雨水與地表徑流。壩址的選擇基本上應滿足以下幾點: 第一, 溝道基巖裸露, 這樣塘壩的修建無需向地下開挖地基, 就可完成溝道地表徑流的集蓄;第二, 肚子大、脖子細, 這樣可以在工程量較小的情況下, 有相當多的集蓄徑流, 提高雨水集流的投入產出比。雖然塘壩所攔截、儲存的雨水與地表徑流相對較多, 其利用也較為方便, 但是由于地質條件的限制, 并不是所有的溝道都適宜修建塘壩, 還需要對溝道的地形、地貌、地質等環(huán)境條件進行調查與可行性分析。

2.4.2 溝道潛流開發(fā)利用技術

山間河流在長期的地質年代中, 曾發(fā)生多次的改造與變遷, 形成被沖積層覆蓋的谷地, 其中常埋藏著較為豐富的地下水資源, 即溝道潛流(圖5)。溝道的沖洪積層(基巖埋深), 由于溝道特征、降雨徑流特征的不同, 其厚度深淺不一, 雖然在非雨季節(jié)溝道內沒有地表徑流, 但溝道潛流還是存在的?？梢酝ㄟ^開挖大口井與安裝壓水機, 對溝道潛流進行開發(fā)利用[12]。溝道潛流可以作為人畜飲用水源, 不僅在水量上能夠得到滿足并且由于溝道潛流被埋藏在地下的砂石介質之中, 不會受到地表污染, 因此水質也完全能夠達到飲用水標準; 但是如果作為工礦企業(yè)的集中供水源, 由于地下水流動補給過程較慢,其水量還是不夠的。

1: 松散沖洪積層; 2: 基巖層; 3: 透水層; 4: 不透水層; 5:大口井。1: loose alluvial layer; 2: bedrock; 3: aquifer; 4: aquitard; 5: large opening well.圖5　山間河谷水文地質剖面Fig. 5 Hydrogeologic profile of mountain valley

2.4.3 坡地滲流的開發(fā)利用技術

在肯尼亞的大部分高原地區(qū), 自然坡地的巖土并非單一、均勻介質, 而是由不同質地、不同結構的復雜介質而構成。當降雨發(fā)生時, 下滲到坡地表面以下巖土層中的降水, 在滿足一定的條件后, 也要通過巖土層中各種孔隙、裂隙匯集至流域出口。也就是說, 當重力水滲透到風化巖石所構成的弱透水層或相對不透水層時, 一部分水量在土壤—風化巖石的交界面處積聚, 并沿相對不透水層側向流動,形成壤中流(圖 6)?？梢酝ㄟ^開挖截流溝、鉆井等攔截、開發(fā)坡地壤中流、坡地滲流等坡地淺層地下徑流。為了提高坡地滲流的利用率, 可以先將坡地滲流收集到旱井、集水池, 或者儲水桶內, 再進行利用[13]。

1: 降水入滲補給土壤水; 2: 土壤水入滲補給非飽和裂隙水; 3: 非飽和裂隙水補給飽和裂隙水; 4: 土壤水騰發(fā); 5: 非飽和裂隙水補給土壤水; 6: 飽和裂隙水補給非飽和裂隙水; 7: 壤中流; 8: 裂隙流。1: rainwater infiltrating into soil; 2: soil water infiltrating into unsaturated fissure; 3: unsaturated fissure water flowing into saturated fissure; 4: evaporation of soil water; 5: unsaturated fissure water flowing into soil water; 6: saturated fissure water flowing into unsaturated fissure; 7: interflow in soil layer; 8: fissure groundwater.圖6　坡地界面水分交換示意圖Fig. 6 Flow and transform of rainwater in slope

2.5 降雨分布與集雨的區(qū)域差異

肯尼亞降水的空間變化差異較大, 年降雨量自西南向東北由1 500 mm左右遞減到200 mm左右。西南部降雨量較多, 雖然降雨的集流效率較高, 但是沒有必要進行農田集雨, 因為降雨基本上能夠滿足農業(yè)生產對水分的需求, 雨水集流主要用于人畜飲用水; 而東部旱區(qū)降雨量較少, 雖然降雨的集流效率較低, 但是有必要進行農田集雨, 發(fā)展節(jié)水灌溉,因為降雨無法滿足農業(yè)生產對水分的需求, 因此,雨水集流既要為人畜提供飲用水源, 也要為農業(yè)生產提供灌溉水源。

3 雨水集流利用的新思考

3.1 水循環(huán)過程維持水的動態(tài)平衡

水循環(huán)是多環(huán)節(jié)的自然過程, 全球性的水循環(huán)涉及降雨、入滲、蒸發(fā)、大氣水分輸送、地表水和地下水徑流以及多種形式的水量儲蓄, 降水、入滲、蒸發(fā)和徑流是水循環(huán)過程的4個最主要環(huán)節(jié), 這四者構成的水循環(huán)途徑決定著全球的水量平衡, 也決定著一個地區(qū)的水資源總量。

降雨的廣普性, 決定了雨水集流在全球的大部分地區(qū)均可以進行, 雖然降雨存在較大的時空差異,但這并不影響雨水的集流利用; 巖土下墊面入滲的選擇性, 決定了優(yōu)先通道、優(yōu)先路徑對降雨入滲補給地下水的貢獻; 徑流的匯集性, 決定了徑流總是從流域高處向低處匯集, 面積不斷縮小, 數量不斷增多; 蒸發(fā)的全程性, 決定了降雨過程中、入滲過程中、徑流過程中及結束后均存在, 同時蒸發(fā)也是4個環(huán)節(jié)中最重要、最復雜的一個。

如果降雨只有入滲、沒有徑流, 結果只能就地利用, 不會產生異地與疊加利用; 如果降雨只有徑流、沒有入滲, 結果只能異地與疊加利用, 不能就地利用; 現(xiàn)實情況是徑流、入滲同在, 并且相互轉化、交替進行, 關鍵是如何根據實際需要進行調控, 減少無效蒸發(fā), 提高雨水資源化率。

在肯尼亞的大部分地區(qū), 土壤入滲能力都較差、持水能力偏低, 雖然蒸發(fā)潛力較大, 但土壤實際蒸發(fā)量并不太大; 降雨年內分配不均, 多集中在3—6月份, 且以暴雨形式出現(xiàn), 易造成地面積水與水土流失, 之后, 一部分水通過優(yōu)先通道、優(yōu)先路徑入滲補給地下徑流; 另一部分則以水面蒸發(fā)的形式損失掉, 因此, 要向水面蒸發(fā)爭取水資源。在區(qū)域尺度上可以通過開挖排水管網, 并分段修建集水池, 構建“長藤結瓜”的雨水集流模式, 化零為整, 減少積水坑洼數量, 縮小水域面積, 以實現(xiàn)減少水面蒸發(fā)的目的, 為農牧業(yè)發(fā)展提供水資源。在農田尺度上, 可以通過修建田間微型排水溝與集水窖(桶), 將生育前期集中降雨產生的多余地表水, 暫時儲存起來,并在生育后期土壤水虧缺時段分批次回灌于農田土壤, 從而減少田間的無效水蒸發(fā), 提高農田降雨的利用效率。

3.2 科學利用與合理開發(fā)儲水介質

水資源的開發(fā)其實就是儲水介質的尋找、探索與開發(fā), 不論是傳統(tǒng)的水資源的開發(fā)利用(江河、地下水), 還是雨水集流利用, 都離不開儲水介質, 只是前者利用的主要為天然的儲水介質, 并因其巨大而被人們所注意; 而后者利用的主要為人工的儲水介質, 卻因其微小而被人們所忽視。殊不知, 河川徑流與賦存地下的蓄水量都是由雨水轉化而來, 如果一個地區(qū)缺乏天然的儲水介質, 那就只能合理開發(fā)人工的儲水介質, 否則將面臨缺水的困境。

根據儲水介質的不同, 水資源的開發(fā)利用模式基本可以分為兩大類。一類是修建人工的儲水介質,包括屋頂面、庭院集雨開發(fā)利用, 坡面、路面集雨開發(fā)利用, 溝道塘壩集蓄開發(fā)利用; 另一類是利用天然的儲水介質, 包括坡地滲流(巖土界面流、壤中流)集蓄開發(fā)利用, 江河、湖泊等地表水資源的開發(fā)利用, 溝道潛流(淺層地下水)開發(fā)利用, 深層構造、斷層裂隙水開發(fā)利用及地下含水層組水資源(淺層、深層)的開發(fā)利用。

3.3 水資源開發(fā)利用的3個階段

隨著科學技術與人類文明的不斷發(fā)展, 人們對水資源的認識經歷了由“無限”到“有限”的轉變。同時, 水資源的開發(fā)利用也基本經歷了3個不同的發(fā)展階段: 第1階段為欠開發(fā)階段, 即有水, 沒有能力開發(fā)利用, 屬于水利工程技術落后; 第2階段為過度開發(fā)階段, 即有水, 有能力開發(fā)利用, 超采, 屬于水文化意識落后; 第3階段為可持續(xù)開發(fā)階段, 即有水,有能力開發(fā)利用, 可持續(xù)開發(fā)利用, 屬于水生態(tài)文明。

肯尼亞目前基本上還處于第1個階段, 主要工作是水資源的開發(fā); 而中國目前基本上處于第2個階段, 但已經有向第3個階段發(fā)展的跡象, 主要工作是水資源的可持續(xù)利用, 當然在一些缺水地區(qū)同樣面臨著水資源的開發(fā)問題。

4 結語

在肯尼亞, 除了首都內羅畢與極少數大城市,其他地方的大部分人、大部分時間都在為找水、運水而忙碌, 給人的第一感覺很缺水, 但不要被這種表面缺水假象而迷惑。與其說肯尼亞的水資源短缺是資源型缺水, 更不如說是工程型缺水。集中供水的社會公共服務系統(tǒng)匱乏, 水資源調控水平與供水保障能力明顯不足是造成肯尼亞大部分地區(qū)缺水的主觀原因, 而降雨的時空分布不均與蒸發(fā)潛力大,以及天然的儲水介質明顯不足是造成肯尼亞大部分地區(qū)缺水的客觀原因。減少無效蒸發(fā)與合理開發(fā)人工儲水介質是解決目前肯尼亞水資源相對短缺的兩大主要途徑。雨水集流利用在肯尼亞的大部分地區(qū),特別是年降雨量不足 500 mm的旱區(qū), 還有很大的發(fā)展空間, 尤其是在農業(yè)發(fā)展方面, 還需要投入大量的科研力量, 重點解決旱區(qū)降雨集流效率較低的問題。

致謝 感謝喬莫肯雅塔農業(yè)與科技大學(JKTUAT) David M. Mburu 教授和Clifford Obiero教授在野外調查中給予的幫助。

References

[1] 劉昌明, 牟海省. 我國水資源可持續(xù)開發(fā)中的雨水利用[C]//中國雨水利用研究文集. 北京: 中國礦業(yè)大學出版社, 1998: 1–7 Liu C M, Mu H S. Rainwater utilization in the sustainable development of water resources in China[C]//Collection and Utilization of Rainwater in China. Beijing: China University of Mining and Technology Press, 1998: 1–7

[2] 牟海省. 國內外雨水利用的歷史、現(xiàn)狀與趨勢[C]//中國雨水利用研究文集. 北京: 中國礦業(yè)大學出版社, 1998: 44–52 Mu H S. Domestic and foreign history, current situation and trend of rainwater utilization[C]//Collection and Utilization of Rainwater in China. Beijing: China University of Mining and Technology Press, 1998: 44–52

[3] 張祖新, 龔時宏, 王曉玲, 等. 雨水集蓄工程技術[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1999: 1–5 Zhang Z X, Gong S H, Wang X L, et al. Engineering and Technology of Rainwater Harvesting[M]. Beijing: China Wa-ter Power Press, 1999: 1–5

[4] 尉永平, 張國祥. 國內外雨水利用情況綜述[J]. 山西水利科技, 1997(2): 50–53 Yu Y P, Zhang G X. Summary of domestic and foreign rainwater use[J]. Shanxi Hydrotechnics, 1997(2): 50–53

[5] 張步翀. 旱地集雨技術的基本特點與研究進展[J]. 灌溉排水學報, 2008, 27(2): 119–122 Zhang B C. Discussion on basic characteristics and developmental status of rainfall-harvesting technique in arid areas[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008, 27(2): 119–122

[6] 任楊俊, 李建牢, 趙俊俠. 國內外雨水資源利用研究綜述[J].水土保持學報, 2000, 14(1): 88–92 Ren Y J, Li J L, Zhao J X. Summary of rainfall resources utilization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(1): 88–92

[7] 李旺林, 束龍倉, 李硯閣. 地下水庫蓄水構造的特點分析與探討[J]. 水文, 2006, 26(5): 16–19 Li W L, Shu L C, Li Y G. Characteristics of water-storing structure of groundwater reservoirs[J]. Journal of China Hydrology, 2006, 26(5): 16–19

[8] 喬曉英, 王文科, 陳英, 等. 天山北麓蓄水構造模式與水循環(huán)特征[J]. 地球科學與環(huán)境學報, 2005, 27(3): 33–37 Qiao X Y, Wang W K, Chen Y, et al. Storage water structure modes and water cycle characteristic on Tianshan Mountain foot[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2005, 27(3): 33–37

[9] 劉新號. 基于蓄水構造類型的山區(qū)綜合找水技術[J]. 水文地質工程地質, 2011, 38(6): 8–12 Liu X H. Integrated techniques of locating groundwater in mountain areas based on groundwater-impounding types[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2011, 38(6): 8–12

[10] 陳崇希. 巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質地下水流模型及模擬方法研究[J]. 地球科學: 中國地質大學學報, 1995, 20(4): 361–366 Chen C X. Groundwater flow model and simulation method in triple media of karstic tube-fissure-pore[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 1995, 20(4): 361–366

[11] 張萬軍. 水土富集工程對土壤水分特性的改善及經濟林生長的影響[J]. 生態(tài)農業(yè)研究, 1995, 3(3): 30–33 Zhang W J. The effects of soil and water accumulation engineering on the improvement of soil water content and growth of economic forest[J]. Eco-Agriculture Research, 1995, 3(3): 30–33

[12] 曹建生, 劉昌明, 張萬軍. 山地旱農區(qū)集蓄徑流節(jié)水綜合技術體系研究[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究, 2005, 23(3): 154–158 Cao J S, Liu C M, Zhang W J. Integrate technology system on collecting runoff and water-saving in aird field in mountainous area[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2005, 23(3): 154–158

[13] 曹建生, 劉昌明, 張萬軍. 太行山片麻巖區(qū)坡地滲流集蓄技術研究[J]. 山地學報, 2005, 23(5): 621–625 Cao J S, Liu C M, Zhang W J. Slope seepage water collecting techniques in gneiss area in Taihang Mountain[J]. Journal of Mountain Science, 2005, 23(5): 621–625

Utilization state and thought on rainwater harvesting in Kenya*

CAO Jiansheng1,2, DONG Wenxu1,2, LI Xiaoxin1,2, CHEN Suying1,2, HU Chunsheng1,2
(1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Agricultural Water-saving / Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. Sino-African Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Nairobi 00200, Kenya)

Kenya is in East Africa and has a tropical monsoon climate. Prolonged droughts and unexpected shifts in normal weather patterns are the main hurdles preventing Kenya from realizing poverty eradication, food security, and environmental sustainability. Rainwater harvesting, as a highly efficient old economic technique of saving additional water, has a history spanning over thousands of years. Due to lack efficient medium for natural rainwater storage in Kenya, rainwater harvesting has become a critical mode of fighting off drought in the country. A systemic analysis of the state of rainwater harvesting was conducted along with the local climatic, hydrological and geographic conditions for realistically determining highly efficient storage and use of rainwater. In this study, based on virtual field trips and discussions with local farmers and researchers in educational institutions, the state of utilization of various rainwater harvesting systems in Kenya was evaluated. The study analyzed the differences in space and time in rainwater collection methods at courtyard, farmland and basin levels. The study also determined rainfall, infiltration, runoff and evaporation in relation to regional water cycle and water balance. The analysis showed that it was critical to increase the total volume of water resources by using various rainwater harvesting techniques, and to reduce invalid evaporation, especially unproductive water evaporation. The main way of increasing the volume of available water resources was by scientifically using natural and artificial water storage media. Even though rainwater har-vesting systems that had relatively mature technologies were very common in daily domestic life, there was still big development space for improvement in less than 500 mm annual rainfall in agricultural production area. The prevailing problems faced in the region were how to improve the low efficiency of rainwater harvesting, and to reasonably store and efficiently use collected rainwater in the arid region. Given the weak regulation and storage capacity of the local soil to redistribute rainwater, it was necessary to balance water supply and demand during crop growth period. One way of doing this was by regulating short-term storage and rainwater by excavating trenches in farmlands. This implies the early harvest of extra rainwater in raining season and then irrigated crops at the later stages of growth when there was no rainfall. The suggestions and recommendations in this research will lay the reference needed to increase the role of rainwater harvesting in agricultural production in Kenya and in other arid and semi-arid regions around the globe.

Kenya; Seasonal drought; Rainfall recycling; Water storage medium; Rainwater harvesting

TV213; S342.1; P349; TU991.11+4

A

1671-3990(2016)07-0987-08

10.13930/j.cnki.cjea.151282

* 中國科學院中-非聯(lián)合研究中心項目(SAJC201603)資助

曹建生, 主要研究方向為山區(qū)水循環(huán)和水資源利用。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

2015-12-20 接受日期: 2016-03-09

* This study was funded by the Project of Sino-Africa Joint Research Center of Chinese Academy of Sciences. Corresponding author, CAO Jiansheng, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn Received Dec. 20, 2015; accepted Mar. 9, 2016