雨水集流灌溉在農業示范區的應用

陳 倩，曹優明，王秀茹，王 希，康 璇，吳驍博

（北京林業大學，北京 100083）

雨水集流灌溉技術是指在人工創造集水工程（集水面、集水池）的基礎上，配套實施簡便高效的滴灌微灌等技術，具體地說，就是在我國北方半干旱地區，將雨水集流與高效節水灌溉技術結合利用，發展灌溉農業。

1 實施雨水集蓄的必要性與可行性

1.1 必要性

干旱缺水、洪澇災害和水環境惡化成為新世紀我國面臨的三大水問題，并較大程度地制約了經濟增長和社會的可持續發展。因此，開源節流、用好每一滴水是我們每一個人的責任與義務。合理利用降水，發展雨水集蓄工程，有利于解決經濟貧困和生態環境問題，促進小康社會經濟建設。一般而言，雨水收集量十分有限，特別是北方干旱地區，降雨稀少、蒸發強烈、作物水分虧缺量較大。因此，必須根據非充分灌溉原理，將有限的水分與微噴灌等節水灌溉技術相結合，獲取最高的水分利用效率與產量。

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，黃土高原地區已有利用引洪漫地技術的記載；在600多年前出現的水窖，證明了古人對雨養農業和集雨農業已有樸素的認識[1]。現在，我國雨水集蓄主要應用在生活及農業灌溉兩個方面，尤其是近20年來，雨水集蓄技術再次引起了人們的注意，并取得了良好的效果，如甘肅省實施的“121”雨水集流工程、內蒙古的“112”集雨節灌工程、陜西的“甘露工程”、寧夏的“窖水蓄流工程”等雨水集蓄工程等。

據國際先進節水農業技術資料，降水（折合灌水量0.67 m3/667m2）生產潛力可達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，如能使降水的70%得到有效收集，則在采用先進節水技術、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。這就為發展雨水集流灌溉技術提供了理論依據[2]。同時，北方地域遼闊，有充分的地面可以作為集流面，為該理論的實施提供了基礎。

2 技術方法

2.1 集雨工程

集雨工程主要在農地的周圍或上面用壓實的土、瀝青、混凝土和塑料薄膜等材質做成防水的收集面，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，農田道路及側面的空閑地是可利用的天然集流場；坡面集水可根據山體的坡度，大小來確定集水區的形狀，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業生產的主要形式，溫棚膜面集水回用灌溉也得到了廣泛的應用。

2.2 凈化蓄水工程

蓄水工程是存蓄由集水區導引聚集的雨水徑流水量，采取適當的工程措施修建塘、壩及小水池（柜）等集蓄雨水。蓄水系統包括儲水體及其附屬設施，儲水體主要是水窖、水柜和蓄水池等，附屬設施主要包括沉沙池、攔污柵與進水暗管。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，沉沙池可根據沉沙原理和攔沙原理來設計。根據沉沙情況可分為一級沉沙池和多級沉沙池，結構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、技術可行性、實施難度等因素，選擇適宜的節水灌溉方式。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 農業示范區集雨灌溉模式研究

農業部關于創建國家現代農業示范區的意見中指出：當前，我國總體上已進入加快改造傳統農業、走中國特色農業現代化道路的關鍵時期。創建國家現代農業示范區，是順應農業發展趨勢、創新工作思路、強化工作指導、促進農業增產增效、農民持續增收的重大舉措，對規范農業示范區發展，示范和引領現代農業建設具有重大意義。創建現代農業示范區必須要以物質裝備為基礎，以高新科技為依托，以集成配套的科學技術助推現代農業的發展[8]。

圖1 節水灌溉系統結構

3.1 農業示范區特點

農業示范區應具有以下特點：（1）高品質產品占的比重較大，在大中城市郊區，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，依據農業部優勢農產品區域布局規劃，在新一輪特色農產品區域布局規劃中，應重點在優勢農產品區域、大中城市郊區和特色產品區域擇優創建國家現代農業示范區，使之成為高產、優質、高效、生態、安全的農產品生產的模板；（3）溫室大棚所占比重較大，為了打破季節限制，充分利用光能，溫室大棚在農業示范區應占有很大的比重；（4）具有配套的休閑設施，很多農業示范區充分利用自身優勢，大力發展生態旅游，舉辦采摘節。隨著人們物質生活水平的提高，越來越多的人在工作之余會選擇戶外活動，很多農業示范區都開放了采摘園，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。如果示范區附近有住宅小區，即可在樓頂安裝集雨設施，雨水能通過管道和過濾設施進入蓄水設備，而且其維修管理也比較方便。如果距離住宅區較遠，則應以路面集雨、膜面集雨等方法為主。示范區內及周圍道路規格較高，路面平整，硬化程度好，采用道路集雨較為方便，所集雨水質量較高，同時可以收到減少雨水對道路的沖刷，改善示范區環境等效果。由于路面采集雨水的能力有限，高品質膜面集雨產品在示范區的比例較大，故可將膜面集雨視為示范區具有代表性的集雨方式。很多示范區，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，這為膜面集雨創造了良好的條件。膜面集雨具有節水、防洪、改善生態環境等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）統一收集到一個或幾個集雨池，實行統一規劃、統一配水。雨水經棚面、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的儲水池進行滴灌。在棚內修建儲水池，可以避免灌溉時水泵一直開啟的現狀，節水、節能，降低了運行費用和工程造價。

3.3 雨水凈化存儲模式

凈化方法主要采用沉沙池。在農業示范區雨水集蓄工程中，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。這些泥沙若直接進入蓄水池，不僅對蓄水池的安全和利用效益帶來負面影響，而且嚴重影響水質。農業示范區的灌溉方式往往采用噴灌、滴灌，對水質的要求較高，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，優先使用收集的雨水。當蓄水池或水窖水量不能滿足灌溉需要時，則用機井的地下水作為灌溉水源，以補足所缺的水量。

3.4 雨水灌溉模式

灌溉方式可采取滴灌、微噴灌，在溫室大棚區域均可采用自動控制系統。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。自動控制系統是基于自動氣象站的中央計算機控制的灌溉系統，屬于閉環控制的灌溉系統。自動氣象站中的氣溫、雨量、濕度等傳感器，作為系統的信號反饋設備，此信號供中央計算機采集和決策后，自動指揮灌溉系統運行。

綜上所述，我們得出適用于以高品質農產品為主的農業示范區的集雨灌溉模式（如圖2所示）。

4 實例研究

4.1 項目背景

順義區位于北京市東北郊，區中心距市區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。項目區為順義區仁和鎮等12個鄉鎮54個行政村。

圖2 農業示范區集雨灌溉模式

順義區土壤質地為粘性砂壤土，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。項目區雨水資源豐富，但區內無任何集雨設施，雨水資源有浪費現象。自20世紀80年代以來，密云水庫為保證城市用水，農業供水減少，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，提高農業經濟效益。

順義區作為北京最早的噴灌化縣，區各屆政府都非常重視農業節水灌溉的發展，但由于缺乏先進、科學的管理模式，部分設施年久失修，使用壽命縮短甚至報廢，加之部分節水工程的配置、選型也不盡合理，甚至沒有計量設備，故沒有充分發揮節水灌溉效益。近年來，農業種植結構調整力度大，若不及時采用相應的節水灌溉措施，則難以達到農業增產增收的目的。因此，需對項目區的種植結構和比例進行統一地規劃和設計，引進新技術、新設備，調整區內農業結構，提高農業綜合效益。

4.2 灌溉方案

本工程采用的是滴灌、微噴灌等節水灌溉形式，屬于非充分灌溉。水分對土壤以滲潤為主，工程實施可以有效地減少灌溉退水從農田帶入大量泥沙、農藥、各種有機物和無機毒物，避免對河流、地下水等水體的污染。在灌溉技術上，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內，修建膜面集雨工程和自動控制工程，以達到利用雨水和節約用水的目的。

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

4.2.2 滴灌工程 滴灌工程的管網系統由干管、支管和毛管（滴灌帶）組成，采用半固定式管網系統，即干管埋于地下，大棚內的支管和毛管鋪設在地面，這樣既便于灌溉設備使用、管理和維護，又便于農業耕作。系統首部設置安全保護及過濾設備，以保證系統安全運行，防止滴灌系統堵塞；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，設在溫室內作業道邊并沿溫室縱向布置，微噴頭采用單行布置、三角形布置。系統首部設置安全保護及過濾設備，以保證系統安全穩定的運行。

4.2.4 自動控制系統 本系統屬于閉環控制的中央計算機控制灌溉系統，整個控制系統分為中央控制系統、數據采集系統和灌溉控制系統。其中，中央控制系統包括一個中央控制室、一臺計算機、一套LDI控制器和配套的線路等；數據采集系統包括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；灌溉控制系統包括田間解碼器、電磁閥、PRS-D壓力調節器等。中央控制系統對棚內土壤的濕度和蓄水池的水位情況進行實時自動連續監測，優先使用膜面集雨作為灌溉水源。當大棚內土壤濕度達到允許下限時，中央控制系統會對蓄水池的水量（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行灌溉；否則，將抽取新建機井的地下水進行灌溉。當大棚內土壤濕度達到其規定上限時，中央控制系統會向灌溉控制系統發出指令,控制電磁閥的關閉，停止灌水。

5 結 論

農業示范區合理的集流灌溉模式，在整個示范區農業發展中起到十分關鍵的作用。本文旨在探討農業示范區的雨水集流灌溉模式，為農業示范區今后的發展提供思路，但同時也要注意解決好如下問題。（1）選用的技術應當與當地經濟發展水平、生產經營管理體制、農民科學文化素質相適應。當同時有多種節水灌溉技術方式適用時，應進行技術經濟性比較，挑選投資經濟、技術先進、管理簡便的形式。自動控制系統成本相對較高，本項目區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，故應盡量避開雨季，選擇非雨季集中施工。回填土應采取攔擋措施，避免揚塵產生水土流失。臨時堆土應在土堆兩側用鐵質圍擋進行擋護，并在土堆表面用防塵網遮蓋，以防止水蝕和風蝕。施工結束后，要做好跡地恢復工作，施工生產區土地整治后要撒播草籽。（3）某些農業示范區開放了采摘園，可同時利用雨水建設小型景觀設施，進行綠化灌溉，建造人工湖，創造更多的經濟效益和生態效益。

[1] 黃 乾，趙 蛟，譚媛媛，等.北方農業雨水利用實踐與發展前景展望[J].節水灌溉，2006，（4）：22-25.

[2]程 序.雨水集流——灌溉農業的新思路[J].科技文萃，1996，（7）：62-63.

[3] 李元紅，朱 強，張 潔.雨水集蓄利用技術及設施系統[J].中國水利，2007，（10）：106-107.

[4] 張祖新.我國北方雨水集蓄與節水灌溉技術 [J].節水灌溉，2003，（3）：13-14.

[5] 諶昔林，何金海，趙 兵，等.現代節水灌溉技術與傳統灌溉方式對比試驗及分析[J].江西農業學報，2009，21（8）：105-108.

[6] 余 青，方小宇，馮 城.西南喀斯特地區小麥節水灌溉試驗研究[J].湖南農業科學，2010，（8）：44-46，49.

[7] 吳 英，蘭 偉，吳紅燕.新疆重鹽漬化平原區節水灌溉模式下的地下水量轉化模擬與分析[J].安徽農業科學，2010，（16）：8692-8695.

[8] 農業部.農計發[2009]33號農業部關于創建國家現代農業示范區的意見[z].2009.