北方地區溫室大棚雨水收集利用研究與示范

黃 乾 ，劉 凱 ，馬移軍

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250014；3.山東省水利綜合事業服務中心，山東 濟南 250014）

1 研究背景

干旱氣候變化在世界范圍內的加劇及水資源的緊缺，使得開發利用雨水資源成為缺水國家及地區解決水危機的新途徑。在我國北方及西北地區，直接收集利用雨水資源已有較多研究和應用成果[1-3]。壽光市作為大棚蔬菜種植重要基地，在各類溫室大棚中，以土墻保暖塑料薄膜蔬菜大棚最為常見。山東省利用亞行貸款地下水漏斗區域綜合治理示范項目——綠色大棚雨水收集與回用示范工程，以壽光市最常見的土墻保暖塑料膜面蔬菜大棚為對象進行研究和示范，對其工程設計思路、方案比選、使用效果進行介紹。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

壽光市位于山東省半島中部，屬于半濕潤區，市內大棚種植面積超過4 萬hm2，以地下水作為主要灌溉水源，隨著地下水資源的過度利用造成的地下水漏斗區域面積不斷擴大。

示范地點選擇在壽光市北部的清水泊農場，現有蔬菜溫室大棚32 座，為當地常見的土墻保暖塑料薄膜大棚，示范大棚為1～4 號大棚，位于清水泊農場南側，大棚東西長200 m，南北寬10 m，單棚種植面積0.2 hm2左右，大棚南側低于地面0.5 m，為半地上半地下大棚。棚膜采用常用的PVC 塑料薄膜覆蓋，2 年更換一次。棚內主要種植西紅柿、辣椒、茄子等常見蔬菜。

2.2 研究區降水及雨水收集能力

壽光市年均降水量為595.3 mm，年內、年際時空分布不均，春季3～5 月份降雨量占14%，夏季6～9 月降雨量占73%，秋后10 月至次年2 月占13%。根據對50%、75%、90%三個水文年的典型年降水排頻計算后，50%降水保證率下一個大棚全年可收集雨量為689 m3，75%降水保證率下可收集雨量為593 m3，90%降水保證率下可收集雨量為457 m3。

2.3 雨水集蓄工程方案

壽光市溫室大棚雨水集蓄工程，包括集雨面、匯流輸送、雨水凈化、雨水存儲和灌溉系統5個組成部分。

1）雨水收集工程。溫室大棚的作物主要種植生產時間，為當年秋冬季至第二年的夏初，因此，大棚膜面幾乎可以全年扣膜期間收集雨水，夏季和秋季為主要降水季節，雨水收集量平均占到全年雨水的70%以上。夏秋季節雨水收集后可以先貯存后使用，而其他季節收集的雨水可以收集后即時使用。溫室棚膜的雨水收集效率較高，一般可以達到0.90~0.94，是雨水的主要收集面；大棚側墻、棚前硬化便道也可收集較為潔凈的雨水。

2）雨水匯流與輸送工程。雨水收集后匯流到集雨溝。項目區集雨溝利用原有兩條排水溝改造而成。1 號大棚和2 號大棚共用集雨溝采用U 型明渠，為混凝土預制塊襯砌，左側渠頂與大棚棚前硬化便道齊平，雨水可以直接匯流進入，右側渠頂高出地面15 cm，防止外側地面雨水混入。3號大棚和4 號大棚共用的集雨溝采用矩形渠，溝底采用混凝土現澆，渠壁使用預制自嵌式植生擋土墻砌塊的生態處理結構，砌塊內有植草孔，可填裝泥土后植草綠化。兩條集雨溝雨水匯流后通過地埋匯流管道進入沉沙池凈化后，再進入雨水存儲系統。

3）雨水凈化設施。收集的雨水污染物主要為收集面上的灰塵、土沙，收集面以外部分雨水徑流越過路沿石、渠頂或通過缺口進入集雨溝的泥沙和少量雜草等，其他影響水質的污染物較少。通過簡單的凈化工程措施、物理方法即可除去大部分雜質、污染物。

集雨溝中的雨水進入存儲系統前，應先進行初步凈化處理，在兩條集雨溝的末端各設置兩道攔污柵，去除雨水中較大雜物；在存儲系統前，雨水進入首部沉沙池進行泥沙預沉。沉沙池長5 m，寬3.5 m，深4 m，沉沙池進水管道（雨水進入沉沙池）直徑為0.8 m，出水管道（雨水進入存儲系統）直徑為0.8 m，出水管道管底距離沉沙池池底1.9 m。沉沙池采用現鋼筋混凝土結構，設檢修爬梯、棄水管等，沉沙池與存儲系統連接管道之間利用智能監控一體化閘門連接控制。

4）雨水存儲系統。雨水存儲是整個雨水收集利用系統的關鍵。由于地形、場地和生產安全的要求，雨水存儲系統必須為地埋式封閉系統，通過對混凝土蓄水池、PP 模塊儲水結構、管道儲水結構等幾種工程形式進行方案比較，從生態環境、單位儲水投資、運行管理及可推廣等方面進行論證比選后，初步方案選用管道式存儲裝置。

對鋼筋混凝土管、鋼管、PE 管、玻璃鋼夾砂管（FRP）等管道材料進行比較論證，選擇了管徑2 m 的大口徑玻璃鋼夾砂管。玻璃鋼管道存儲系統優點是：可以充分利用場地做成線性儲存裝置，適合普通大棚的土地利用現狀，具有可推廣性；單位體積下貯水容積較大，并擁有一定的抗壓強度；施工安裝方便，便于拆裝；造價適中，且不易造成污染。根據現場地形，4 個大棚的集雨量被存儲在三根東西向平行放置的玻璃鋼管道內，管道之間相互連通。管道由雨水進口至尾部，按照一定的坡降鋪設，管頂距離地面1.2 m，滿足日常耕作和地面行車要求。

5）雨水灌溉系統。蔬菜大棚在項目實施前以漫灌為主。項目實施后，4 個大棚蔬菜灌溉采用了高效節水的滴灌形式。由于收集貯存的雨水內含有部分細微泥沙和懸著物，因此在滴灌系統首部安裝了砂石過濾器和疊片過濾器，保證雨水水質達到滴灌要求。

大棚灌溉水源以存儲在玻璃鋼管道內的雨水為主，為防止收集的雨水不足，將原有的地下水作為備用水源。兩種水源的灌溉主管道通過閥門分別控制，可以單獨使用。

3 應用效果

自2020 年應用至今，壽光市大棚雨水收集利用系統取得了較好的應用效果。項目區蔬菜大棚在項目實施前，以機井開采深層的地下水為灌溉水源，采用畦田漫灌，耗水量大，提水成本高，且近兩年機井出水量降低，水質也有變差的傾向。通過置換水源，以雨水代替地下水，雨水水質滿足灌溉要求，保護了寶貴的地下水資源，蔬菜的提水灌溉成本降低，作物品質提高，取得了良好的生態環境和經濟效益，具有較好的示范推廣作用[4]。