潛在雨洪水資源在生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)開發(fā)利用探討

位鐵強(qiáng)，傅長(zhǎng)鋒

（1.河北省水利廳，河北 石家莊　050011；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津　300250）

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潛在雨洪水資源在生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)開發(fā)利用探討

位鐵強(qiáng)1，傅長(zhǎng)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

摘 要：在研究河北省潛在雨洪水量基礎(chǔ)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(nóng)業(yè)高產(chǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目為依托調(diào)控地下水位、秸稈覆蓋等方法，達(dá)到增加雨水入滲轉(zhuǎn)換、減少無效蒸發(fā)、長(zhǎng)期有效集水的目的，為水資源短缺地區(qū)集水方法研究提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：土壤水庫；土壤包氣帶；雨水資源；秸稈覆蓋

生態(tài)水文學(xué)認(rèn)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(fā)研究流域淡水資源利用的理念拓展了人們的思路。事實(shí)上，生產(chǎn)糧食所需要的水不僅僅來自灌溉用水，專家分析認(rèn)為糧食產(chǎn)量的60%～70%依靠雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)［1］，要靠降雨入滲產(chǎn)生的蒸汽流。趙西寧等［2，3］、李紅軍等［4］對(duì)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(zhuǎn)換、減少無效蒸發(fā)、長(zhǎng)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(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候區(qū)，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(fā)量1 442.1 mm。降水量、蒸發(fā)量年內(nèi)、年際變化懸殊，分配極不均勻。傅長(zhǎng)鋒［5］根據(jù)河北省水資源第二次評(píng)價(jià)成果，統(tǒng)計(jì)分析了河北省不同頻率年降水總量與傳統(tǒng)水資源量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該區(qū)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(tài)水文學(xué)的角度來觀察滋潤(rùn)地表植被生態(tài)系統(tǒng)的水資源，那就應(yīng)該是流域的全部降水，降水組成流域內(nèi)所有與水相關(guān)活動(dòng)的共同水源，這個(gè)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(fā)返回大氣層或被植物吸收，蒸發(fā)與蒸騰對(duì)水資源的利用、對(duì)流域生態(tài)環(huán)境和人們的生產(chǎn)、生活起到了重要作用，是水循環(huán)系統(tǒng)中的主要耗水項(xiàng)。人們要實(shí)現(xiàn)對(duì)雨洪水資源的開發(fā)利用，就要充分考慮降水轉(zhuǎn)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(guó)出現(xiàn)較早。從20世紀(jì)50—60年代的魚鱗坑、隔坡梯田、窖窯農(nóng)業(yè)工程等［7］就地?cái)r蓄方法到21世紀(jì)初實(shí)施的雨水集流利用工程以及海綿城市建設(shè)的理念和方法，都是通過降水就地?cái)r蓄入滲、覆蓋抑制蒸發(fā)利用、雨水富集等技術(shù)，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(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)利用土壤包氣帶的儲(chǔ)水特性可以增大雨水轉(zhuǎn)換、減少雨水的無效蒸發(fā)。

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(zhì)）的吸附作用下形成包氣帶地下水，受毛管效應(yīng)的影響參與地表蒸發(fā)，交替進(jìn)行入滲或蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)非常復(fù)雜的水動(dòng)力過程。基質(zhì)勢(shì)是極小單位水量從一個(gè)平衡的含水土壤系統(tǒng)可逆地移到同條件非基質(zhì)系統(tǒng)，土壤水較自由水降低的自由能勢(shì)。受蒸發(fā)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(zhì)勢(shì)之間的關(guān)系如圖1所示，地下水在包氣帶運(yùn)動(dòng)過程中，土壤中出現(xiàn)交替的吸濕與脫濕，基質(zhì)滯留起重要作用，該作用使得土壤從飽和狀態(tài)脫濕所需的基質(zhì)勢(shì)比土壤再吸濕過程所需的基質(zhì)勢(shì)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(jù)。

圖1　土壤吸濕與脫濕的滯留曲線

2.2采咸蓄淡

河北省環(huán)渤海地區(qū)淺層地下咸水豐富。為采咸蓄淡，20世紀(jì)80年代在南皮縣生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了以下試驗(yàn)：開發(fā)利用咸水，調(diào)控地下水位，疏干土壤包氣帶咸水，補(bǔ)充淡水（雨水），讓土壤包氣帶儲(chǔ)水量處在動(dòng)態(tài)控制狀態(tài)，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(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)位于河北省南皮縣馮家口鎮(zhèn)，北緯38°06'，東經(jīng)116°40'。試驗(yàn)區(qū)為環(huán)渤海鹽漬化類型區(qū)，地勢(shì)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(fā)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(fā)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(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。地下水埋深對(duì)降雨入滲與地表徑流的影響，見表1。

表1　地下水埋深對(duì)降雨入滲與地表徑流的影響

觀測(cè)表明，徑流量明顯隨地下水位下降而減少。試驗(yàn)區(qū)1987年降水735 mm，為偏豐水年，其中雨季降雨509 mm，未發(fā)生澇災(zāi)。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(chǎn)生地表徑流，全部入滲［9］。試驗(yàn)區(qū)采用雨季前開采地下水，疏干土壤包氣帶咸水，經(jīng)過雨季降雨補(bǔ)充，地下水位上升1.75 m，扣除當(dāng)年開采及潛水蒸發(fā)水量，可采量模數(shù)增加85 230 m3/（km2·a），為秋季及來年春季抗旱增補(bǔ)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(fā)損失，把無效蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為有效蒸發(fā)；同時(shí)，在秸稈涵養(yǎng)水頭的作用下增加了土壤對(duì)雨水的吸收入滲能力。試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)相比，1997年8月之前，秸稈覆蓋區(qū)域可使表層土壤含水量上升5%。當(dāng)年9月15日后由于自然降雨量減少，氣候變得干燥，蒸發(fā)量增大，表層土壤含水量下降。秸稈覆蓋區(qū)域在夏玉米生長(zhǎng)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(zhǎng)后期土壤含水量變化過程［10］如圖2所示。通過對(duì)海河流域大量示范和推廣成果分析發(fā)現(xiàn)，玉米地麥秸稈覆蓋可降低蒸騰蒸發(fā)量17.6 mm，冬小麥地玉米秸稈覆蓋可降低蒸騰蒸發(fā)量32 mm，少耕覆蓋可降低蒸騰蒸發(fā)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(dāng)土壤含水量超過田間持水量時(shí)形成重力水團(tuán)并逐漸向下運(yùn)移，沿程不斷地填充包氣帶孔隙［11，12］，直至到達(dá)地下水面。根據(jù)觀測(cè)資料分析，雨季前適宜地下水埋深—降雨入滲補(bǔ)給量分析成果見表2，地下水水位調(diào)控如圖3所示。觀測(cè)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(bǔ)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(bǔ)給量分析成果

圖3　地下水水位調(diào)控

2003年汛前，項(xiàng)目區(qū)地下水埋深調(diào)控接近6 m，潞灌、寨子兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)7月23日連續(xù)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(shí)累積降雨量達(dá)到暴雨級(jí)，最小的潞灌鄉(xiāng)降雨123 mm，最大的城關(guān)鎮(zhèn)達(dá)到189.6 mm，除大浪淀鄉(xiāng)局部有5～15 cm積水外，其余八鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水在12～24 h內(nèi)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(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生危害，反而補(bǔ)足了土壤淡水，取得了較好的效果。

統(tǒng)計(jì)以上試驗(yàn)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(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的危害，補(bǔ)足土壤淡水；平均降雨量在155.37～156.3 mm時(shí)地下水水位可上升1.5～1.8 m。

表3　試驗(yàn)區(qū)內(nèi)平均降雨量與地下水水位上升的關(guān)系

4　結(jié)論

（1）通過調(diào)控地下水埋深，利用土壤包氣帶儲(chǔ)水特性，增大降雨入滲補(bǔ)給，能夠把時(shí)空分布不均的天然降雨轉(zhuǎn)化為可利用的水資源，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的能力。

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

（3）統(tǒng)計(jì)成果表明，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)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(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的危害，補(bǔ)足土壤淡水，平均降雨量在155.37～156.3 mm時(shí)地下水水位可上升1.5～1.8 m。

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中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：位鐵強(qiáng)（1964—），男，助理研究員，主要從事水利管理工作。