北方地區(qū)溫室大棚雨水收集利用研究與示范

黃 乾 ，劉 凱 ，馬移軍

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省水利綜合事業(yè)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014）

1 研究背景

干旱氣候變化在世界范圍內(nèi)的加劇及水資源的緊缺，使得開發(fā)利用雨水資源成為缺水國家及地區(qū)解決水危機(jī)的新途徑。在我國北方及西北地區(qū)，直接收集利用雨水資源已有較多研究和應(yīng)用成果[1-3]。壽光市作為大棚蔬菜種植重要基地，在各類溫室大棚中，以土墻保暖塑料薄膜蔬菜大棚最為常見。山東省利用亞行貸款地下水漏斗區(qū)域綜合治理示范項目——綠色大棚雨水收集與回用示范工程，以壽光市最常見的土墻保暖塑料膜面蔬菜大棚為對象進(jìn)行研究和示范，對其工程設(shè)計思路、方案比選、使用效果進(jìn)行介紹。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東省半島中部，屬于半濕潤區(qū)，市內(nèi)大棚種植面積超過4 萬hm2，以地下水作為主要灌溉水源，隨著地下水資源的過度利用造成的地下水漏斗區(qū)域面積不斷擴(kuò)大。

示范地點(diǎn)選擇在壽光市北部的清水泊農(nóng)場，現(xiàn)有蔬菜溫室大棚32 座，為當(dāng)?shù)爻Ｒ姷耐翂ΡＥ芰媳∧ご笈?，示范大棚?～4 號大棚，位于清水泊農(nóng)場南側(cè)，大棚東西長200 m，南北寬10 m，單棚種植面積0.2 hm2左右，大棚南側(cè)低于地面0.5 m，為半地上半地下大棚。棚膜采用常用的PVC 塑料薄膜覆蓋，2 年更換一次。棚內(nèi)主要種植西紅柿、辣椒、茄子等常見蔬菜。

2.2 研究區(qū)降水及雨水收集能力

壽光市年均降水量為595.3 mm，年內(nèi)、年際時空分布不均，春季3～5 月份降雨量占14%，夏季6～9 月降雨量占73%，秋后10 月至次年2 月占13%。根據(jù)對50%、75%、90%三個水文年的典型年降水排頻計算后，50%降水保證率下一個大棚全年可收集雨量為689 m3，75%降水保證率下可收集雨量為593 m3，90%降水保證率下可收集雨量為457 m3。

2.3 雨水集蓄工程方案

壽光市溫室大棚雨水集蓄工程，包括集雨面、匯流輸送、雨水凈化、雨水存儲和灌溉系統(tǒng)5個組成部分。

1）雨水收集工程。溫室大棚的作物主要種植生產(chǎn)時間，為當(dāng)年秋冬季至第二年的夏初，因此，大棚膜面幾乎可以全年扣膜期間收集雨水，夏季和秋季為主要降水季節(jié)，雨水收集量平均占到全年雨水的70%以上。夏秋季節(jié)雨水收集后可以先貯存后使用，而其他季節(jié)收集的雨水可以收集后即時使用。溫室棚膜的雨水收集效率較高，一般可以達(dá)到0.90~0.94，是雨水的主要收集面；大棚側(cè)墻、棚前硬化便道也可收集較為潔凈的雨水。

2）雨水匯流與輸送工程。雨水收集后匯流到集雨溝。項目區(qū)集雨溝利用原有兩條排水溝改造而成。1 號大棚和2 號大棚共用集雨溝采用U 型明渠，為混凝土預(yù)制塊襯砌，左側(cè)渠頂與大棚棚前硬化便道齊平，雨水可以直接匯流進(jìn)入，右側(cè)渠頂高出地面15 cm，防止外側(cè)地面雨水混入。3號大棚和4 號大棚共用的集雨溝采用矩形渠，溝底采用混凝土現(xiàn)澆，渠壁使用預(yù)制自嵌式植生擋土墻砌塊的生態(tài)處理結(jié)構(gòu)，砌塊內(nèi)有植草孔，可填裝泥土后植草綠化。兩條集雨溝雨水匯流后通過地埋匯流管道進(jìn)入沉沙池凈化后，再進(jìn)入雨水存儲系統(tǒng)。

3）雨水凈化設(shè)施。收集的雨水污染物主要為收集面上的灰塵、土沙，收集面以外部分雨水徑流越過路沿石、渠頂或通過缺口進(jìn)入集雨溝的泥沙和少量雜草等，其他影響水質(zhì)的污染物較少。通過簡單的凈化工程措施、物理方法即可除去大部分雜質(zhì)、污染物。

集雨溝中的雨水進(jìn)入存儲系統(tǒng)前，應(yīng)先進(jìn)行初步凈化處理，在兩條集雨溝的末端各設(shè)置兩道攔污柵，去除雨水中較大雜物；在存儲系統(tǒng)前，雨水進(jìn)入首部沉沙池進(jìn)行泥沙預(yù)沉。沉沙池長5 m，寬3.5 m，深4 m，沉沙池進(jìn)水管道（雨水進(jìn)入沉沙池）直徑為0.8 m，出水管道（雨水進(jìn)入存儲系統(tǒng)）直徑為0.8 m，出水管道管底距離沉沙池池底1.9 m。沉沙池采用現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)檢修爬梯、棄水管等，沉沙池與存儲系統(tǒng)連接管道之間利用智能監(jiān)控一體化閘門連接控制。

4）雨水存儲系統(tǒng)。雨水存儲是整個雨水收集利用系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于地形、場地和生產(chǎn)安全的要求，雨水存儲系統(tǒng)必須為地埋式封閉系統(tǒng)，通過對混凝土蓄水池、PP 模塊儲水結(jié)構(gòu)、管道儲水結(jié)構(gòu)等幾種工程形式進(jìn)行方案比較，從生態(tài)環(huán)境、單位儲水投資、運(yùn)行管理及可推廣等方面進(jìn)行論證比選后，初步方案選用管道式存儲裝置。

對鋼筋混凝土管、鋼管、PE 管、玻璃鋼夾砂管（FRP）等管道材料進(jìn)行比較論證，選擇了管徑2 m 的大口徑玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼管道存儲系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：可以充分利用場地做成線性儲存裝置，適合普通大棚的土地利用現(xiàn)狀，具有可推廣性；單位體積下貯水容積較大，并擁有一定的抗壓強(qiáng)度；施工安裝方便，便于拆裝；造價適中，且不易造成污染。根據(jù)現(xiàn)場地形，4 個大棚的集雨量被存儲在三根東西向平行放置的玻璃鋼管道內(nèi)，管道之間相互連通。管道由雨水進(jìn)口至尾部，按照一定的坡降鋪設(shè)，管頂距離地面1.2 m，滿足日常耕作和地面行車要求。

5）雨水灌溉系統(tǒng)。蔬菜大棚在項目實施前以漫灌為主。項目實施后，4 個大棚蔬菜灌溉采用了高效節(jié)水的滴灌形式。由于收集貯存的雨水內(nèi)含有部分細(xì)微泥沙和懸著物，因此在滴灌系統(tǒng)首部安裝了砂石過濾器和疊片過濾器，保證雨水水質(zhì)達(dá)到滴灌要求。

大棚灌溉水源以存儲在玻璃鋼管道內(nèi)的雨水為主，為防止收集的雨水不足，將原有的地下水作為備用水源。兩種水源的灌溉主管道通過閥門分別控制，可以單獨(dú)使用。

3 應(yīng)用效果

自2020 年應(yīng)用至今，壽光市大棚雨水收集利用系統(tǒng)取得了較好的應(yīng)用效果。項目區(qū)蔬菜大棚在項目實施前，以機(jī)井開采深層的地下水為灌溉水源，采用畦田漫灌，耗水量大，提水成本高，且近兩年機(jī)井出水量降低，水質(zhì)也有變差的傾向。通過置換水源，以雨水代替地下水，雨水水質(zhì)滿足灌溉要求，保護(hù)了寶貴的地下水資源，蔬菜的提水灌溉成本降低，作物品質(zhì)提高，取得了良好的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的示范推廣作用[4]。