摘要：人工匯集雨水利用技術(shù)研究為“九五”國家科技攻關(guān)項目“節水農業(yè)技術(shù)研究與示范”項目的專(zhuān)題之一，主要研究利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區農業(yè)，通過(guò)雨水匯集、存貯和高效利用，促進(jìn)當地農業(yè)生產(chǎn)。主要取得的進(jìn)展為：確立了試驗區，并對試驗區所在縣進(jìn)行雨水集流發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真預測，提出了集流場(chǎng)規劃設計指南，研究了存貯雨水的水窖優(yōu)化結構及其配套的防滲、凈化和提水技術(shù)，確定了作物的適宜節灌方法以及相應的農業(yè)綜合技術(shù)措施，建立了試驗示范區。

　　關(guān)鍵詞：人工匯集雨水 節水農業(yè) 旱半干旱地區 水窖 農業(yè)綜合技術(shù)

　　甘肅省1988年率先在我國開(kāi)展雨水集蓄利用技術(shù)研究。研究目標主要是為了解決農村飲水問(wèn)題，同時(shí)，兼顧庭院經(jīng)濟的發(fā)展。該項研究較為成功地解決了當地缺水地區的農村飲水問(wèn)題，并于1992年完成了階段總結報告，總結報告中還對利用雨水發(fā)展農業(yè)的可行性做了一些分析。

　　在上述基礎上，“九五”國家科技攻關(guān)項目“節水農業(yè)技術(shù)研究與示范”專(zhuān)門(mén)設立了“人工匯集雨水利用技術(shù)研究”專(zhuān)題，將其研究范疇定位在利用雨水發(fā)展干旱半干旱地區農業(yè)，即通過(guò)雨水的匯集、存貯和高效利用，促進(jìn)當地農業(yè)生產(chǎn)。依據上述思想，本專(zhuān)題設立雨水匯集方式與配套技術(shù)研究、雨水存貯與凈化技術(shù)研究和匯集雨水的高效利用技術(shù)研究三個(gè)子專(zhuān)題。

　　幾年來(lái)，本專(zhuān)題主要以甘肅省定西縣為研究基地，通過(guò)野外調研、室內試驗、野外定點(diǎn)觀(guān)測、試驗示范及大量的綜合分析等工作，取得以下主要進(jìn)展。

　　一、調研確立試驗區，并對試驗區所在縣進(jìn)行雨水集流發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真預測

　　基于甘肅省開(kāi)展雨水集蓄利用技術(shù)研究工作較早的現實(shí)，專(zhuān)題首先對甘肅省集雨節灌工程的現狀進(jìn)行了調研。結果表明，除去投資與管理因素外，雨水匯集利用技術(shù)存在的主要問(wèn)題為工程系統性差、缺乏科學(xué)規劃設計；集流場(chǎng)形式單一，對沉沙、過(guò)濾設施重視不夠，灌溉制度研究較為薄弱；同時(shí)，坡耕地集雨技術(shù)還是空白等。

　　針對上述情況，我們選擇在半干旱地區代表性強，當地政府、群眾積極性相對較高的甘肅省定西縣作為主要研究區域。利用系統動(dòng)力學(xué)原理，首先建立了定西縣雨水利用發(fā)展動(dòng)態(tài)仿真模型。選擇了三種方案分析計算，即：①充分利用現有的柏油路面等集流面，加速發(fā)展庭院及地邊的混凝土面集流，以滿(mǎn)足農村飲水為主，適當發(fā)展節水補充灌溉；②充分利用柏油路面和沙石路面，加快發(fā)展庭院集流面和田間人工集流面，在滿(mǎn)足農村飲水的同時(shí)，發(fā)展節水補灌為主；③在充分利用現有公路面、庭院集流面的基礎上，近期加快庭院集流面建設，后期則大力發(fā)展人工集流面，集流以農灌為主。結合實(shí)際，對定西縣發(fā)展雨水利用提出建議：水窖與集流面建設同步發(fā)展，提高水窖利用率；集流工程建設應持續發(fā)展，保持適度規模；合理規劃布局水窖與集流面、集水與高效利用相結合；加強新型集流材料和窖灌設備的研制推廣，促進(jìn)雨水集流持續發(fā)展。

　　二、開(kāi)展雨水匯集工程的基本參數、集流場(chǎng)地表處理技術(shù)研究，提出集流場(chǎng)規劃設計指南

　　首先分析了研究區降雨參數。通過(guò)對該地1958～1996年降雨資料分析，發(fā)現次降雨量＜5mm的降雨基本上不產(chǎn)流或產(chǎn)流甚少。為此，提出雨水匯集工程參數研究過(guò)程中，應重點(diǎn)分析日降雨量≥5mm的降雨。通過(guò)系統分析，提出可按5年一遇最大60日≥5mm降雨量作為設計集雨水窖的標準，該降雨量略大于同頻率≥5mm降雨量的50％。若以30m³作為水窖容積，對于混凝土集水面、塑料薄膜集水面等，則可容納約140m²集水面的水量。

　　其次，通過(guò)野外定點(diǎn)觀(guān)測試驗，分別對HEC（與土混合比例1:6、1:8、1:10）、水泥土、沙蘭特油氈、混凝土、塑膜、玻璃絲油氈等6種材料的集流特征、效率進(jìn)行了分析研究。野外試驗共布設9個(gè)小區，截至1999年底已獲得288場(chǎng)次資料，經(jīng)初步分析，認為PI30是影響該地降雨集流的主要影響因子，并建立了集流效率E與PI30的函數關(guān)系式。據分析，塑膜集流效率高達80％以上；同等條件下，瀝青玻璃絲油氈集流效率比塑膜高15％，HEC比水泥土高80％左右。為此，我們推薦HEC、瀝青玻璃絲油氈、塑膜、沙蘭特油氈等4種集流材料，其每平方米造價(jià)分別為3～5元、4元、1元及5.5元。而目前常用的混凝土每平方米造價(jià)高達18～30元。

　　通過(guò)上述工作，提出了集雨場(chǎng)規劃設計指南。該指南重點(diǎn)論述了規劃設計的任務(wù)、方法、步驟，并給出了典型集雨工程的設計實(shí)例和經(jīng)濟分析。

　　三、研究存貯雨水的水窖優(yōu)化結構及其配套的防滲、凈化和提水技術(shù)

　　首先，通過(guò)野外調研、總結分析以及力學(xué)結構計算，提出應大力推廣應用的三種水窖形式，即混凝土球形水窖、混凝土薄殼圓柱形水窖及紅膠泥水窖，并給出了定型設計圖紙，以及相應的施工方法與技術(shù)。同時(shí)，根據不同作物、不同降雨保證率下的需水量和集水量，確定出蓄水設施的容積。經(jīng)計算，混凝土球形窖單個(gè)容積以20～40m³為宜，混凝土薄殼圓柱形窖以40～60m³為宜，紅膠泥水窖以15～40m³為宜。

　　其次，提出了水窖防滲抗凍技術(shù)，即采用15混凝土，抗滲標號選取S4，抗凍指標選取D50的＃425以上的水泥等建材，抹面時(shí)摻入2％～5％（指占水泥重量）的防滲劑，且窖體設在地面80cm以下。

　　為確保水窖水質(zhì)，采取了沉沙與過(guò)濾方法，給出了上述設施的定型設計方法，并進(jìn)行現場(chǎng)觀(guān)測。水窖水質(zhì)經(jīng)分析表明，混凝土窖水的pH值偏高，高達9.7，其主要原因在于水泥中析出Ca(HO）₂所致，但4～5年后，pH均降到7��8以下，可滿(mǎn)足灌溉需求。

　　針對雨水利用特點(diǎn)，利用市場(chǎng)現有的小型汽油機泵，采用軟軸連接技術(shù)，使其吸程增加4～8m，其揚程為36～42m，該機可配4～7組F－4系列或SW200系列噴頭，實(shí)施噴灌作業(yè)。

　　四、選配適宜水窖的小型灌水機具，以作物生理需水規律為基礎，研究確定該地區主要作物的適宜節灌方法，以及相應的農業(yè)綜合技術(shù)措施

　　首先，根據小水源的灌溉特點(diǎn)，選擇3種提水機具，即手壓泵、汽油泵及潛水泵，并提出相應的灌水技術(shù)與方法。對于手動(dòng)取水，一般宜用地面灌水方式，如點(diǎn)澆等；對于油動(dòng)取水，可選用滴灌，抗旱坐水種、地膜穴灌及注射灌等灌水方式；對于電動(dòng)取水，一般應選用噴灌、微灌技術(shù)，也可選用高效地面灌水技術(shù)，如膜上灌、膜下灌等，但不適宜于選取點(diǎn)澆等灌水方式�！　∑浯�，通過(guò)對玉米、小麥等作物的多次田間小區和控制小區試驗，指出定西春小麥需水與降水量之間存在著(zhù)永恒的供需矛盾，生育期缺水80～160mm，進(jìn)行集雨灌溉的需水關(guān)鍵期是拔節期，拔節期適宜的土壤水分下限為60％田間持水量。3年田間灌水試驗證明，春小麥在苗期和拔節后期灌水2次，每次10～30m³可增產(chǎn)23％～62％，灌水利用效率達到3.58～4.8kg／m³.玉米需水量關(guān)鍵期為抽雄揚花期，此階段受旱減產(chǎn)18％以上。試驗證明，小麥和玉米的灌水方式以膜下滴灌為優(yōu)，小麥膜下滴灌單產(chǎn)126kg，灌水利用效率達到2.3kg／m³；玉米抽雄揚花期膜下滴灌10～30m³，較未滴灌增產(chǎn)25％～109％，水分利用效率達到3.25～6.88kg／m³，較露地滴灌和畦灌都高。

　　實(shí)驗表明，定西半干旱區春小麥、玉米的集雨灌溉，一般年份滴灌1～2次，旱年灌水2～3次為宜，每次水10～20m³為宜。

　　最后，主要從引種篩選、覆蓋、耕種栽培、間作套種和化學(xué)節水劑應用，以及田間管理等方面進(jìn)行研究，提出地膜小麥栽培規程和玉米地膜集雨補灌技術(shù)規程，以及各種單項技術(shù)措施方案。通過(guò)研究，指出定西農田布局適宜“保夏擴秋”，合理調配作物品種；地膜小麥在一般年份增產(chǎn)顯著(zhù)，大旱年分秸稈覆蓋的節水增量更優(yōu)。壟溝地膜玉米畝產(chǎn)可達835kg，較露地和平地膜增產(chǎn)27.7％和38.3％；采用地膜加滴灌，玉米和馬鈴薯間套畝產(chǎn)可達1149kg，產(chǎn)值618.9元，分別較單種玉米和馬鈴薯產(chǎn)值高50％和17％。以鈣赤合劑和保水劑為主的化學(xué)節水技術(shù)試驗，鈣赤合劑拌種增產(chǎn)10％左右，保水劑玉米旁施和馬鈴薯穴施，以畝用量1kg為宜，分別增產(chǎn)22.3％和40％，投產(chǎn)比分別為1∶4.5和1∶13.3，是值得推廣的高新技術(shù)。

　　五、組裝配套雨水匯集利用單項技術(shù)，建立試驗示范區，積極參與西部大開(kāi)發(fā)，不斷擴大技術(shù)的應用范圍

　　根據調查，專(zhuān)題系統總結并提出了黃土高原3種水窖配置模式及相應的窖水配套技術(shù)，即峁頂光頭式配置模式，路旁葡萄串式配置模式及場(chǎng)、院、凹地單點(diǎn)式配置模式，其相應的窖水高效利用技術(shù)為自壓微灌、外動(dòng)力加壓微灌、坑灌及水肥穴灌。同時(shí)，在定西縣安家坡流域實(shí)驗示范區創(chuàng )建了坡耕地活動(dòng)式集雨自壓滴灌雨水高效利用實(shí)體模型。提出“上部坡地夏季種糧、秋季覆膜集雨、地邊打窖貯水、補灌下部作物”的一地多用，低耗高產(chǎn)，水保與集雨相結合的綜合配套模式。

　　結果表明：防滲膜集流效率達到93％，補灌新修梯田玉米畝產(chǎn)達到210kg，比對照區增產(chǎn)40％；集流場(chǎng)坡地覆膜后播前土壤含水量為15.43％，而對照區為12.48％，有效地保持了土壤水分。坡地春小麥畝產(chǎn)166.8kg，比對照區高33.5kg，增產(chǎn)25.1％。

　　為了加大人工匯集雨水利用技術(shù)力度，在“節水農業(yè)技術(shù)研究與示范”項目辦領(lǐng)導、項目專(zhuān)家組、示范區地縣鄉村各級領(lǐng)導、專(zhuān)題協(xié)作單位和專(zhuān)題全體工作人員的配合下，本專(zhuān)題在甘肅定西縣安家坡流域和九華溝流域、陜西富平縣底店鄉建立了3個(gè)試驗示范區，示范了各種集流場(chǎng)和水窖建造技術(shù)、集雨補灌應用滴灌、噴灌、微灌、點(diǎn)澆和坐水種等節水灌溉和抗旱補灌技術(shù)。包括小麥、玉米、谷子等作物，以及果樹(shù)和大棚蔬菜，共計示范推廣面積167hm²，增產(chǎn)效益明顯。僅定西縣安家坡流域和九華溝流域集雨節灌水窖878眼，補灌農田133hm²，畝產(chǎn)糧食平均300kg，較大田對照增產(chǎn)90％，補灌水分利用效率達到2kg／m³以上。本專(zhuān)題已達到和超額完成攻關(guān)合同的指標任務(wù)。