大棚雨水蓄存系統(tǒng)方案比選

劉 凱，黃 乾，馬移軍

（1.山東省水利綜合事業(yè)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

雨水直接收集利用歷史悠久，對(duì)半干旱、半濕潤(rùn)及濕潤(rùn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展起到了積極作用。隨著水資源的短缺和農(nóng)業(yè)用水的進(jìn)一步壓縮，雨水由于水質(zhì)良好，作為農(nóng)業(yè)和生活中可替代的水源，是一個(gè)成功可行的用水策略和方法[1]。

壽光市蔬菜大棚種植面積超過4 萬hm2，以使用地下水灌溉為主，壽光市北部地區(qū)，地表水缺乏，受海水入侵影響，淺層地下水含鹽量高不適宜作物灌溉，長(zhǎng)期抽取深層地下水導(dǎo)致漏斗區(qū)面積不斷擴(kuò)大。

壽光市作為利用亞行貸款進(jìn)行漏斗區(qū)域治理的示范區(qū)，在壽光北部項(xiàng)目區(qū)示范推廣能夠進(jìn)行雨水集蓄利用的綠色智能大棚供水灌溉系統(tǒng)，以大棚棚膜作為集雨面，收集利用清潔雨水代替?zhèn)鹘y(tǒng)地下水水源進(jìn)行灌溉，取得了較好的效果，達(dá)到了節(jié)水壓采的目的。

1 項(xiàng)目區(qū)基本情況

壽光市位于山東半島北部，渤海萊州灣西南岸，地處濱海平原，是我國(guó)重要的蔬菜生產(chǎn)基地。壽光市屬于半濕潤(rùn)區(qū)，年均降水量為554.1 mm，為暖溫帶大陸行季風(fēng)氣候。近年來，隨著壽光市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，地下水資源利用過度，地下水漏斗區(qū)域面積不斷擴(kuò)大。

示范項(xiàng)目區(qū)位于壽光市北部清水泊農(nóng)場(chǎng)，該地區(qū)淺層地下水為咸水，農(nóng)場(chǎng)內(nèi)大棚蔬菜采用深層地下水作為灌溉水源，隨著節(jié)水壓采的政策要求，以雨水集蓄利用作為替代水源是可行的方法。農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的蔬菜大棚為本地常見的薄膜大棚，大棚長(zhǎng)寬為200 m×10 m 左右，利用土墻作為北墻和側(cè)墻，大棚之間有行車土路和空地。推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜大棚雨水集蓄利用技術(shù)，在蔬菜生長(zhǎng)期內(nèi)利用雨水代替常規(guī)地下水源，具有較好的典型示范性和推廣價(jià)值。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水集蓄工程

設(shè)施農(nóng)業(yè)（溫室）雨水集蓄設(shè)施利用集雨面，通過修建集雨槽、沉淀池、地下集雨池（窖）等設(shè)施將降落在溫室、大棚等的塑料棚膜面上的雨水收集存儲(chǔ)起來，再將雨水通過灌溉系統(tǒng)利用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2]。在大棚雨水集蓄設(shè)施中，蓄存工程投資是整個(gè)設(shè)施中投資的主體，占到工程總投資的70%以上。蓄存工程的規(guī)模、材料、形式是決定雨水集蓄利用工程經(jīng)濟(jì)合理和可靠性的最重要的環(huán)節(jié)。因此，在壽光市“亞行貸款地下水漏斗區(qū)域綜合治理示范項(xiàng)目——綠色大棚棚頂雨水收集”示范工程建設(shè)伊始，對(duì)雨水蓄存工程方案進(jìn)行了充分的比較，從工程造價(jià)、儲(chǔ)水能力、材料環(huán)保、維護(hù)管理、便于施工、運(yùn)行管理、占地等方面進(jìn)行了形式和材料比較優(yōu)選。

3 雨水蓄存工程方案比選

3.1 預(yù)選方案

在綠色大棚雨水收集系統(tǒng)的初始方案中，就確定了蓄存采用閉合式存儲(chǔ)系統(tǒng)。因?yàn)殚_放式表面儲(chǔ)存，如開敞式水池、水塘等，雖然工程造價(jià)低，容易管理，形成親水美景，但水池占地后無法再利用,無法大面積推廣。采用閉合式存儲(chǔ)系統(tǒng)方案中，初選了鋼筋混凝土地下蓄水池（Concrete Tank，簡(jiǎn)稱CT 方案）、PP 蓄水模塊（PP Module，簡(jiǎn)稱PPM 方案）、管道式蓄水結(jié)構(gòu)（Pipe Storage，簡(jiǎn)稱PS 方案）三種方案。三種方案中都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)從各方面綜合比較，并結(jié)合當(dāng)?shù)厝罕姷慕邮艹潭冗x擇實(shí)施。

3.2 方案比較因素

在進(jìn)行蓄水池因素比選時(shí)，主要考慮因素包括工程造價(jià)、建筑物抗浮抗壓、施工難易程度、材料環(huán)保、工程壽命、維護(hù)管理等幾個(gè)方面。通過綜合比較，可以初步確定雨水蓄存工程方案。

1）從造價(jià)方面看CT 方案、PPM 方案和PS方案中，設(shè)計(jì)蓄水條件下的單方蓄水造價(jià)從高到低依次為：PPM 方案＞CT 方案＞PS 方案。

2）建筑物抗浮抗壓。三種結(jié)構(gòu)形式和材料，都可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)空間，蓄水池上面回填后可以恢復(fù)地表，項(xiàng)目區(qū)地下水位較深，抗壓抗浮三種方案均可行。地表恢復(fù)后均可進(jìn)行種植和地面人車通行。

3）施工難易程度。CT 方案施工難度最大，基坑挖深大，對(duì)水文地質(zhì)條件要求高，PPM 方案其次，PS 方案施工難度最低。

4）材料環(huán)保性。如果管道式蓄水結(jié)構(gòu)采用PE 管或者玻璃鋼管材料，則PPM 方案和PS 方案均使用環(huán)?？稍倮貌牧?，優(yōu)于CT 方案。如果管道式蓄水結(jié)構(gòu)采用混凝土、夾鋼混凝土等材料，則PPM 方案優(yōu)于PS 方案和CT 方案。

5）維護(hù)管理和使用。三種方案的后期運(yùn)行維護(hù)管理難度、工程使用壽命相當(dāng)。通過比較，該項(xiàng)目選擇了利用管道式蓄水結(jié)構(gòu)作為雨水蓄存的工程結(jié)構(gòu)形式。

3.3 方案優(yōu)化

結(jié)合本工程雨水收集利用的實(shí)際情況，選擇利用管道式蓄水結(jié)構(gòu)，管材可以使用鋼筋混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管（FRP）、PE 管、預(yù)應(yīng)力加鋼P(yáng)E 管（SRPE）管等材料。選用的管材應(yīng)具有一定的抗壓、抗?jié)B、抗腐蝕（項(xiàng)目區(qū)淺層地下水為堿性硬水），且滿足有供貨的定型產(chǎn)品，方便柔性接頭連接、開通氣孔等設(shè)計(jì)要求，造價(jià)適中，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。根據(jù)綜合考慮，優(yōu)選利用玻璃鋼夾砂管作為最終管道式蓄水結(jié)構(gòu)所選管材。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)場(chǎng)地和蓄水庫(kù)容要求，將3 根DN2000 玻璃鋼夾砂管道組件東西向相鄰放置，組件間距1 m，管頂覆土厚度為1.4 m，施工完畢后不影響綠化、蔬菜種植和通行。雨水蓄存管道具備檢修孔、通氣孔、提水豎井、溢流裝置等。該雨水蓄存設(shè)施與雨水匯流設(shè)施、高效灌溉設(shè)施組合，成為完整的直接利用雨水的水費(fèi)一體化高效節(jié)水灌溉工程體系。

4 應(yīng)用效果

“亞行貸款地下水漏斗區(qū)域綜合治理示范項(xiàng)目——綠色大棚棚頂雨水收集”工程實(shí)施后，已投入使用，可以替代部分地下水源，顯示了較好的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)北方大棚區(qū)而言，是一項(xiàng)值得推廣的實(shí)用技術(shù)。