雨水資源集蓄利用研究綜述

1、雨水資源集蓄利用研究綜述提要由于干旱、人口增長(zhǎng)、地表水地下水污染等問題，人們對(duì)雨水資源的開發(fā)利用產(chǎn)生了極大的興趣并進(jìn)行了廣泛的研究，而且已初步顯示出雨水資源開發(fā)利用的巨大潛力。文中對(duì)雨水的匯集、蓄存、利用技術(shù)，雨水利用對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響，雨水資源的評(píng)價(jià)，雨水利用的效益評(píng)估等方面的最新研究進(jìn)行了全面的分析總結(jié)，同時(shí)，提出了目前研究中亟待解決的問題。關(guān)鍵詞雨水匯集；雨水利用；區(qū)域環(huán)境；雨水資源評(píng)價(jià)；效益評(píng)估中圖分類號(hào)P968； P426.62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1000-3037(2000)02-189-051 雨水集蓄利用的歷史及發(fā)展概述近年來，由于人口增長(zhǎng)、持續(xù)干旱、地表水污染、地下水超采等原因

2、，使得人們對(duì)雨水資源的開發(fā)利用產(chǎn)生了極大的興趣并進(jìn)行了廣泛的研究，并已初步顯示出雨水資源開發(fā)利用的巨大潛力。公元前 2000 年的中東地區(qū)，就有利用雨水的記載。在同干旱氣候長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)中，希臘人、阿拉伯人、以色列人積累了收集利用雨水的豐富經(jīng)驗(yàn)。20 世紀(jì) 60 年代，日本開始收集利用路面雨水，70 年代修筑集流面收集雨水1。1982 年，夏威夷召開第一屆國際雨水集流會(huì)議，嗣后成立了國際雨水集流系統(tǒng)協(xié)會(huì) (International Rainwater Catchment Systems Associat ion，IRCSA)，并多次召開雨水集蓄利用學(xué)術(shù)會(huì)議，促進(jìn)了國際間雨水利用的交流與研究。目前

3、，以色列在集雨農(nóng)業(yè)灌溉方面成就顯著，日本則研究利用雨水回灌地下水技術(shù)。我國在秦漢時(shí)期就有修建澇池塘壩攔蓄雨水利用的歷史記載，水窖修筑歷史也有數(shù)百年。20 世紀(jì) 50 年代開始利用窖水點(diǎn)澆玉米、蔬菜等，突破了原來只用窖水作為生活飲用水的傳統(tǒng)。在 80 年代后期，這一思路得到迅速發(fā)展，將收集的雨水用于發(fā)展庭院經(jīng)濟(jì)和大田作物需水關(guān)鍵期的補(bǔ)充灌溉。1995 年，甘肅省在干旱半干旱地區(qū)實(shí)施了“121 雨水集流工程”，幾乎在同一時(shí)期，寧南山區(qū)實(shí)施“窯窖農(nóng)業(yè)”，內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了“112 集雨節(jié)水灌溉工程”試驗(yàn)示范研究，陜西、山西、河南、江蘇、浙江等省亦進(jìn)行了雨水利用試驗(yàn)研究。1995 年 6 月，北京舉辦

4、了第七屆國際雨水集流系統(tǒng)大會(huì)，并分別在蘭州、徐州召開了第一、第二屆全國雨水利用學(xué)術(shù)討論會(huì)。目前，我們國家的研究主要集中在干旱半干旱地區(qū)人蓄飲水和集流節(jié)灌的問題上，同時(shí)對(duì)集蓄雨水補(bǔ)灌地下水及城市集流等問題也展開了研究。2 有關(guān)概念探討2.1 雨水利用的內(nèi)涵所有形式的水資源（包括河川徑流、地下水等），從根本上來說都來自雨水，因而雨水利用不僅僅是指雨水集流的家庭利用和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)利用，而且還包括人工增雨、水土保持、水源地涵養(yǎng)、城市防洪和生態(tài)環(huán)境的改善等水資源利用的各個(gè)方面 2、3。這種雨水利用的概念其外延幾乎囊括了水的所有利用方式，具有極大的廣泛性。一般文獻(xiàn)中提到的雨水利用是指對(duì)雨水的原始形式和最初轉(zhuǎn)化

5、為徑流或地下水，土壤水階段的利用4，可將其稱為狹義的雨水利用（有的文獻(xiàn)叫雨水的直接利用）。就狹義的雨水利用而言，其內(nèi)涵至少應(yīng)包括：解決人蓄飲水的家庭利用；集流補(bǔ)灌的農(nóng)業(yè)雨水利用；用于消防、城市綠地灌溉的城市雨水利用；雨水的地下水補(bǔ)給利用。2.2 農(nóng)業(yè)雨水利用農(nóng)業(yè)雨水利用是指通過自然過程或人類活動(dòng)過程將雨水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以提高作物產(chǎn)量和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的利用。蔡煥杰等人將農(nóng)業(yè)雨水利用分為雨水自然利用、疊加利用和聚集利用5。筆者認(rèn)為可將其分為：雨水的原始利用或自然利用，即雨水或土壤水被植物吸收利用，即植物對(duì)沒有人為活動(dòng)影響的、自然水文循環(huán)過程中的雨水利用；雨水的被動(dòng)利用，指通過一定的工程措施增加攔蓄

6、入滲（如梯田）或減少蒸發(fā)（如覆蓋）來利用雨水；雨水的主動(dòng)利用，指通過一定的匯流面將雨水匯集蓄存，到作物需水關(guān)鍵期進(jìn)行補(bǔ)灌。和被動(dòng)利用相比，主動(dòng)利用中須使用灌溉手段，使作物不完全依賴于降水，從而提高了可控性6。2.3 雨水集蓄利用廣義的雨水集蓄利用是指經(jīng)過一定的人為措施，對(duì)自然界中的雨水徑流進(jìn)行干預(yù)，使其就地入滲或匯集蓄存并加以利用，狹義的則指將匯流面上的雨水徑流匯集在蓄水設(shè)施中再進(jìn)行利用。雨水集蓄利用中強(qiáng)調(diào)了對(duì)正常水文循環(huán)的人為干預(yù)，如前所述的主動(dòng)利用和被動(dòng)利用就屬于雨水集蓄利用的范疇。3 雨水集蓄利用技術(shù)研究進(jìn)展雨水集蓄利用技術(shù)主要包括匯集、蓄存與利用 3 個(gè)方面，這 3 個(gè)方面互相銜接，組

7、成完整的雨水集蓄利用系統(tǒng)。3.1 雨水匯集技術(shù)雨水匯集是指利用天然或人工修筑的匯流面，匯集雨水形成的地表徑流以備高效利用。利用庭院屋頂、路面及一些城市建筑物（如體育場(chǎng)）收集雨水具有投資少、集流效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們的普遍關(guān)注。屋頂庭院雨水匯集主要解決干旱半干旱山區(qū)、石灰?guī)r地區(qū)、淡水缺乏的島嶼、高氟水地區(qū)和苦咸水地區(qū)人蓄飲水問題。路面集水則主要用于灌溉，甘肅省定西地區(qū) 1996 年實(shí)施道路集雨灌溉工程以來，在國道及地方公路沿線共修建水窖（池）9.254 萬眼，總?cè)莘e 437.48萬m3，發(fā)展節(jié)灌面積 1.99萬hm2，經(jīng)濟(jì)效益顯著7；利用公路集流時(shí)，要合理布設(shè)蓄水設(shè)施，否則，將會(huì)給公路造成隱

8、患8。此外，城市路面及建筑物也被作為集流面，收集雨水用于城市環(huán)境及地下水補(bǔ)灌的研究也正在展開9、10。在干旱半干旱地區(qū)，人工修筑集流面匯集雨水進(jìn)行作物補(bǔ)灌是提高糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要舉措?，F(xiàn)生產(chǎn)上常用的有混凝土、塑料薄膜、水泥土夯實(shí)、三七灰土夯實(shí)、原土夯實(shí)等處理。不同材料處理其集流效率不同，據(jù)甘肅省干旱半干旱地區(qū)雨水集蓄利用技術(shù)指南，柏油路面為 70%，原土翻夯路面為 23%，混凝土硬化集流面為 75%。需要指出的是目前人工修筑的集流面僅用于庭院或試驗(yàn)區(qū)，尚未廣泛使用。3.2 雨水貯蓄技術(shù)雨水貯蓄技術(shù)包括雨水的蓄存和水質(zhì)改善兩方面的技術(shù)。雨水蓄存是雨水集蓄利用系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是指將匯流面

9、匯集的雨水通過導(dǎo)流渠（管）引入蓄水設(shè)施貯存，等到需水時(shí)再從蓄水設(shè)施取水的過程。我國北方干旱半干旱地區(qū)使用較多的蓄水設(shè)施有水窖、塘壩、澇池等。水窖主要用于人蓄飲水和部分農(nóng)田補(bǔ)灌，水窖建筑容易，使用方便，蓄存的水質(zhì)基本不受污染，滲漏蒸發(fā)少，目前較多采用。另外，蓄水池、瓷缸、水泥罐等也普遍使用。在一些來水量大的溝道或土地利用程度低的低洼地，修筑塘壩澇池蓄水，兼有沉沙調(diào)洪的作用。蓄水設(shè)施還包括引水渠、沉沙池、濾網(wǎng)等配套設(shè)施以導(dǎo)引雨水徑流和保護(hù)改善水質(zhì)。降落于地表的雨滴本身帶有空氣中的一些塵埃及大氣污染物，再加上一般地區(qū)集流面沒有適當(dāng)?shù)男l(wèi)生防護(hù)設(shè)施，使得匯集于蓄水設(shè)施中的雨水水質(zhì)較差。據(jù)對(duì)甘肅中部干旱半

10、干旱地區(qū) 6 個(gè)縣的水窖水質(zhì)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)均達(dá)不到我國通用的 (GB574985) 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)11，因而應(yīng)加強(qiáng)這方面的工作。飲用水水質(zhì)的主要保護(hù)措施有：降雨前清掃集流面，設(shè)置沉沙池、濾網(wǎng)，蓄水窖加蓋，定期清洗水窖等。在采取保護(hù)措施的同時(shí)，應(yīng)對(duì)蓄存的雨水凈化。在我國飲用雨水的地區(qū)，一般家庭較多使用的有明礬、漂白粉、熟石灰等，但是某些常用的化學(xué)物質(zhì)如漂白粉可與水中有機(jī)物反應(yīng)，生成不利于人蓄的副產(chǎn)物如三鹵甲烷12，因此，雨水凈化技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。利用城市建筑物收集的雨水由于工業(yè)污染（如汽車尾氣、化工廠排放物），水質(zhì)較差，但貯存一段時(shí)間后，經(jīng)過雨水的自然凈化，水質(zhì)可滿足一些工業(yè)生產(chǎn)和

11、環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)10。3.3 集蓄雨水的利用技術(shù)雨水匯集蓄存，其目的是為了利用；而充分高效、經(jīng)濟(jì)合理地利用雨水是保證整個(gè)雨水集蓄利用技術(shù)體系取得最大效益的關(guān)鍵一環(huán)。利用庭院屋頂收集雨水解決干旱半干旱山區(qū)、淡水缺乏地區(qū)的人蓄飲水問題是提高這些地區(qū)人們生活質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。甘肅省中東部地區(qū) 1995 年實(shí)施“121 雨水集流工程”，一年多時(shí)間解決了 131.07 萬人、118.7 萬頭生蓄的飲水問題13。浙江省余姚市由于地表河道蓄水量少，地下水水質(zhì)差且污染嚴(yán)重，井水咸、澀、臭，所以這里居民家家都建有雨水集流設(shè)施。水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，在干旱半干旱地區(qū)，降雨量少且分布不均勻及降雨期與作物生長(zhǎng)需水關(guān)鍵期錯(cuò)位，

12、作物產(chǎn)量長(zhǎng)期低而不穩(wěn)。通過對(duì)這些地區(qū)農(nóng)業(yè)自然生產(chǎn)潛力的分析，發(fā)現(xiàn)水分虧缺限制了其他因子作用的發(fā)揮，是“箍桶效應(yīng)”中的短板，如果解除水分脅迫，初級(jí)生產(chǎn)力是目前的 45 倍14。在這些地區(qū)，降雨多集中在 69 月，若將多余的雨水徑流收集起來緩解春旱、夏初旱，將大大提高作物產(chǎn)量，實(shí)際上就是二重“箍桶效應(yīng)”中的截長(zhǎng)補(bǔ)短15。從時(shí)空上調(diào)節(jié)雨水分配，使水分供給與作物需水期相吻合，這就是集雨農(nóng)業(yè)的出發(fā)點(diǎn)。另據(jù)研究，作物在中等水分虧缺條件下，有利于 WUE（水分利用率）的提高16；而且在作物發(fā)育的某一階段施加一定的水分脅迫，有利于作物抗旱和品質(zhì)的改善17，這從作物水分生理上為集雨農(nóng)業(yè)灌溉提供了依據(jù)。此外，集雨

13、農(nóng)業(yè)中的補(bǔ)灌必須用節(jié)水灌溉方式（微噴灌、滴灌、滲灌、點(diǎn)澆、穴灌等）并與農(nóng)業(yè)節(jié)水措施（覆蓋、松耕等）相結(jié)合，有條件的地方應(yīng)使用設(shè)施農(nóng)業(yè)。利用城市路面及一些建筑物表面集蓄的雨水可用于城市消防、廁所沖洗、城市綠化草坪灌溉；水質(zhì)經(jīng)處理后，可用于一些工業(yè)如木材加工10。將城市建筑物及平原地區(qū)的雨水直接攔蓄入滲或通過一定的滲漏過濾裝置，回灌地下水，可補(bǔ)充地下水量兼有防洪作用9、18、19。3.4 雨水集蓄利用技術(shù)研究中存在的問題目前我國雨水集蓄利用技術(shù)主要應(yīng)研究以下問題：新型的高效低價(jià)集流面材料的研制；蓄水設(shè)施的施工技術(shù)和防凍脹技術(shù)，飲用水水質(zhì)凈化技術(shù)；不同約束條件下補(bǔ)灌水量的確定，不同的灌水方式、不同的

14、作物及其農(nóng)業(yè)經(jīng)營措施綜合利用雨水的最佳模式；大氣污染對(duì)城市雨水水質(zhì)的影響，城市匯集雨水水質(zhì)的凈化、應(yīng)用及匯集雨水回灌地下水技術(shù)等。4 雨水集蓄利用對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響4.1 雨水集蓄利用與水土保持黃土高原國土整治 28 字方略的核心是“全部降雨就地入滲攔蓄”20。生產(chǎn)實(shí)踐中，通過修筑梯田、魚鱗坑、水平階等水土保持工程措施和松耕、等高耕作等水土保持農(nóng)業(yè)措施，就地?cái)r蓄雨水徑流入滲，提高了作物產(chǎn)量和林木成活，攔截分散了地表徑流從而減輕了對(duì)土壤的沖刷侵蝕，水土保持作用十分明顯。從雨水利用的角度來看，屬于被動(dòng)的雨水利用，也就是說通過一定的人為措施對(duì)自然的水文循環(huán)進(jìn)行干預(yù)，使其向著更有利于人類生產(chǎn)和生活的方向

15、發(fā)展，但這種干預(yù)具有一定的局限性，譬如，嚴(yán)重的春旱和夏初旱使作物生長(zhǎng)很差或完全枯死，那么嗣后的強(qiáng)度降雨將會(huì)對(duì)裸露的地表產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷；但是，如果在田頭路邊修一些水窖（池），溝道、低洼地修塘壩、澇池（類似水保工程中的淤地壩，但淤地壩的主要作用是淤泥，而蓄雨設(shè)施的作用主要是用水）攔蓄降雨集中時(shí)期（黃土高原 69 月降雨量占全年降雨量的 70%80%）多余的雨水徑流，到作物需水關(guān)鍵期進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，解決作物、林木在旱季因缺水而枯死減產(chǎn)的“門坎”問題，同時(shí)防止了暴雨徑流對(duì)坡面、路面、溝頭的侵蝕21，這實(shí)際上是雨水的主動(dòng)利用。因此，就水土保持而言，雨水集蓄利用是“就地入滲攔蓄”的進(jìn)一步延伸和拓展，在水土保

16、持中具有更積極的作用和意義。4.2 雨水集蓄利用對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響通過上述分析，干旱半干旱地區(qū)雨水集蓄利用具有攔泥減沙的作用，同時(shí)，利用集蓄雨水節(jié)灌作物、林草，提高作物產(chǎn)量和林草成活，改善了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，增加了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。庭院屋頂雨水集蓄利用解決飲水問題，城市雨水收集可用于綠地灌溉、城市清潔等環(huán)境改善，都產(chǎn)生了良好的環(huán)境效益；而地下水補(bǔ)灌，可緩解已形成的地下水漏斗和由此產(chǎn)生的地下水環(huán)境問題22。另一方面，由于人工雨水收集干擾了正常的水文循環(huán)，從而對(duì)區(qū)域的徑流、蒸發(fā)、入滲及地下水位產(chǎn)生影響；尤其在降雨量少的干旱半干旱地區(qū)，要防止雨水資源的過度利用對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。關(guān)于雨水集蓄利用與環(huán)

17、境方面目前應(yīng)主要研究：雨水集蓄利用的水土保持作用對(duì)區(qū)域水環(huán)境、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，地下水回灌對(duì)地下水環(huán)境的影響等。5 雨水資源評(píng)價(jià)與雨水集蓄利用效益評(píng)估雨水資源的正確評(píng)價(jià)對(duì)其合理開發(fā)利用具有十分重要的意義。據(jù)估算，我國多年平均降水量為 6.19 萬億 m3，年降水最大的地方超過 6000mm，而約有 1/3 的面積降水量低于 200mm23?？梢?，降水總量豐富，但分布不均勻且差異懸殊，因此，要進(jìn)行區(qū)域合理評(píng)價(jià)。在雨水資源評(píng)價(jià)中，除對(duì)雨水資源的總量進(jìn)行評(píng)價(jià)外，更重要的是對(duì)可開發(fā)利用的雨水資源潛力進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，估算出由于目前人們認(rèn)識(shí)、技術(shù)等限制而浪費(fèi)掉的或沒有發(fā)揮最佳效益的那部分雨水資源量，確定合理的開發(fā)量。雨水資源的評(píng)價(jià)應(yīng)引起人們的重視，以防止過度利用而產(chǎn)生的環(huán)境問題。據(jù)一些試驗(yàn) 相關(guān)課件請(qǐng)到: 課件下載 欄目下載 教學(xué)反思研究24-26，集蓄雨水補(bǔ)灌農(nóng)作物，可大大提高產(chǎn)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但由于各地試