潛在雨洪水資源在生態農業試驗區開發利用探討

位鐵強，傅長鋒

（1.河北省水利廳，河北 石家莊　050011；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津　300250）

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潛在雨洪水資源在生態農業試驗區開發利用探討

位鐵強1，傅長鋒2

（1.河北省水利廳，河北 石家莊050011；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

摘 要：在研究河北省潛在雨洪水量基礎上，利用土壤水庫收集雨水的原理分析土壤包氣帶含水特性，提出以農業高產試驗項目為依托調控地下水位、秸稈覆蓋等方法，達到增加雨水入滲轉換、減少無效蒸發、長期有效集水的目的，為水資源短缺地區集水方法研究提供了一種新思路。

關鍵詞：土壤水庫；土壤包氣帶；雨水資源；秸稈覆蓋

生態水文學認為流域最根本的水資源就是降水而非河川徑流，這種從降水出發研究流域淡水資源利用的理念拓展了人們的思路。事實上，生產糧食所需要的水不僅僅來自灌溉用水，專家分析認為糧食產量的60%～70%依靠雨養農業［1］，要靠降雨入滲產生的蒸汽流。趙西寧等［2，3］、李紅軍等［4］對流域雨水資源化潛力都曾做過理論探討。筆者通過研究利用土壤水庫收集雨水的原理，探討增大雨水入滲轉換、減少無效蒸發、長期有效集水的水資源利用方法。

1　潛在雨洪水資源量

河北省地區屬于暖溫帶大陸性季風型氣候區，總面積18.77萬km2，多年平均年降水量531.7 mm，年均降水總量為997.93億m3（潛在水資源總量），多年平均年蒸發量1 442.1 mm。降水量、蒸發量年內、年際變化懸殊，分配極不均勻。傅長鋒［5］根據河北省水資源第二次評價成果，統計分析了河北省不同頻率年降水總量與傳統水資源量之間的關系，發現該區域多年平均水資源量181.26億m3，僅占降水量的18.16%。如果從生態水文學的角度來觀察滋潤地表植被生態系統的水資源，那就應該是流域的全部降水，降水組成流域內所有與水相關活動的共同水源，這個潛在水資源總量就可以稱為流域雨水資源化潛力。

降水的絕大部分被地表植被等截留后蒸發返回大氣層或被植物吸收，蒸發與蒸騰對水資源的利用、對流域生態環境和人們的生產、生活起到了重要作用，是水循環系統中的主要耗水項。人們要實現對雨洪水資源的開發利用，就要充分考慮降水轉換成人類可利用水資源的過程［6］。

2　降水資源收集方法

降水資源收集方法在我國出現較早。從20世紀50—60年代的魚鱗坑、隔坡梯田、窖窯農業工程等［7］就地攔蓄方法到21世紀初實施的雨水集流利用工程以及海綿城市建設的理念和方法，都是通過降水就地攔蓄入滲、覆蓋抑制蒸發利用、雨水富集等技術，提高雨水的利用率。雨水利用的形式也很多，海河流域通過多年的試驗研究，發現利用土壤包氣帶的儲水特性可以增大雨水轉換、減少雨水的無效蒸發。

2.1土壤包氣帶

降水通過土壤界面入滲地下，在固體顆粒（土壤基質）的吸附作用下形成包氣帶地下水，受毛管效應的影響參與地表蒸發，交替進行入滲或蒸發運動，這是一個非常復雜的水動力過程。基質勢是極小單位水量從一個平衡的含水土壤系統可逆地移到同條件非基質系統，土壤水較自由水降低的自由能勢。受蒸發與入滲的影響，包氣帶土壤在吸濕與脫濕條件下，含水量與基質勢之間的關系如圖1所示，地下水在包氣帶運動過程中，土壤中出現交替的吸濕與脫濕，基質滯留起重要作用，該作用使得土壤從飽和狀態脫濕所需的基質勢比土壤再吸濕過程所需的基質勢要高［8］。有效地利用土壤包氣帶這一特性，可以為合理使用地下水提供理論依據。

圖1　土壤吸濕與脫濕的滯留曲線

2.2采咸蓄淡

河北省環渤海地區淺層地下咸水豐富。為采咸蓄淡，20世紀80年代在南皮縣生態農業試驗區進行了以下試驗：開發利用咸水，調控地下水位，疏干土壤包氣帶咸水，補充淡水（雨水），讓土壤包氣帶儲水量處在動態控制狀態，汛前騰出地下庫容，汛期增大降雨入滲，減少地表徑流。

南皮縣生態農業試驗區位于河北省南皮縣馮家口鎮，北緯38°06'，東經116°40'。試驗區為環渤海鹽漬化類型區，地勢平坦，海拔高度20 m以下，淺層地下咸水豐富；多年平均年降水量579.6 mm，多年平均年水面蒸發力2 100 mm，太陽總輻射559.36 kJ/ （cm2·a），平均氣溫≥10℃，積溫4 300℃。

通過開發利用咸水，降低了包氣帶土壤咸水的含量，不僅治理了旱澇堿咸，還增大了雨洪利用，有效改善了當地生態環境的良性循環。地下水埋深對降雨入滲與地表徑流的影響，見表1。

表1　地下水埋深對降雨入滲與地表徑流的影響

觀測表明，徑流量明顯隨地下水位下降而減少。試驗區1987年降水735 mm，為偏豐水年，其中雨季降雨509 mm，未發生澇災。同年8月26日6 h降暴雨189 mm，雨前地下水埋深4.62 m，降雨后沒有產生地表徑流，全部入滲［9］。試驗區采用雨季前開采地下水，疏干土壤包氣帶咸水，經過雨季降雨補充，地下水位上升1.75 m，扣除當年開采及潛水蒸發水量，可采量模數增加85 230 m3/（km2·a），為秋季及來年春季抗旱增補了地下水源。

2.3秸稈覆蓋

田間采用秸稈覆蓋可以降低棵間土壤含水量的無效蒸發損失，把無效蒸發轉化為有效蒸發；同時，在秸稈涵養水頭的作用下增加了土壤對雨水的吸收入滲能力。試驗區與對照區相比，1997年8月之前，秸稈覆蓋區域可使表層土壤含水量上升5%。當年9月15日后由于自然降雨量減少，氣候變得干燥，蒸發量增大，表層土壤含水量下降。秸稈覆蓋區域在夏玉米生長后期可使表層土壤含水量增大2%～4%，秸稈覆蓋處理后夏玉米生長后期土壤含水量變化過程［10］如圖2所示。通過對海河流域大量示范和推廣成果分析發現，玉米地麥秸稈覆蓋可降低蒸騰蒸發量17.6 mm，冬小麥地玉米秸稈覆蓋可降低蒸騰蒸發量32 mm，少耕覆蓋可降低蒸騰蒸發量36 mm。

圖2　覆蓋處理后表層土壤含水量變化曲線

3　效果分析

降水后，表層土壤吸收的降水使表層土壤含水量迅速增大，當土壤含水量超過田間持水量時形成重力水團并逐漸向下運移，沿程不斷地填充包氣帶孔隙［11，12］，直至到達地下水面。根據觀測資料分析，雨季前適宜地下水埋深—降雨入滲補給量分析成果見表2，地下水水位調控如圖3所示。觀測表明，在平水年（P=50%）雨季前地下水埋深控制在4.5 m左右，降雨入滲補給量可收到較好的效果。

表2　雨季前適宜地下水埋深一降雨入滲補給量分析成果

圖3　地下水水位調控

2003年汛前，項目區地下水埋深調控接近6 m，潞灌、寨子兩鄉鎮7月23日連續8 h降雨分別為118 和160 mm，雨后田間無積水；7月30日20 h降雨139～151.1 mm，雨后24 h地下水埋深由-5.8 m回升到-4.3 m；10月9—11日3時累積降雨量達到暴雨級，最小的潞灌鄉降雨123 mm，最大的城關鎮達到189.6 mm，除大浪淀鄉局部有5～15 cm積水外，其余八鄉鎮降水在12～24 h內全部入滲，地下水埋深由汛前的-4.3 m回升到-2.5 m左右，上升1.8 m。2003年度（屬豐水年）3次大暴雨累積蓄納地下水近2.6億m3，不但沒對農作物產生危害，反而補足了土壤淡水，取得了較好的效果。

統計以上試驗成果見表3，可以看出在平水年雨季前地下水埋深控制在4.5 m左右，可減少暴雨積水對農作物產生的危害，補足土壤淡水；平均降雨量在155.37～156.3 mm時地下水水位可上升1.5～1.8 m。

表3　試驗區內平均降雨量與地下水水位上升的關系

4　結論

（1）通過調控地下水埋深，利用土壤包氣帶儲水特性，增大降雨入滲補給，能夠把時空分布不均的天然降雨轉化為可利用的水資源，提高農業生態環境可持續發展的能力。

（2）我國農村地域遼闊，雨洪潛在資源量巨大，農業開發利用雨洪水資源除采用傳統的“窖窯”等方式外，還可結合地形和土壤地層條件，充分利用土壤包氣帶含水特性，發揮土壤水庫的巨大作用，增大雨水下滲轉換；利用秸稈還田提高地力的同時，以秸稈覆蓋形式減少無效蒸發。實踐表明，可增加雨水利用量126.4～192 mm。

（3）統計成果表明，試驗區內平水年雨季前地下水埋深控制在4.5 m左右，可減少暴雨積水對農作物產生的危害，補足土壤淡水，平均降雨量在155.37～156.3 mm時地下水水位可上升1.5～1.8 m。

參考文獻

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中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）01-0039-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.014

收稿日期：2015—09—10

作者簡介：位鐵強（1964—），男，助理研究員，主要從事水利管理工作。