雨水集流灌溉在农业示范区的应用

陈 倩，曹优明，王秀茹，王 希，康 璇，吴骁博

（北京林业大学，北京 100083）

雨水集流灌溉技术是指在人工创造集水工程（集水面、集水池）的基础上，配套实施简便高效的滴灌微灌等技术，具体地说，就是在我国北方半干旱地区，将雨水集流与高效节水灌溉技术结合利用，发展灌溉农业。

1 实施雨水集蓄的必要性与可行性

1.1 必要性

干旱缺水、洪涝灾害和水环境恶化成为新世纪我国面临的三大水问题，并较大程度地制约了经济增长和社会的可持续发展。因此，开源节流、用好每一滴水是我们每一个人的责任与义务。合理利用降水，发展雨水集蓄工程，有利于解决经济贫困和生态环境问题，促进小康社会经济建设。一般而言，雨水收集量十分有限，特别是北方干旱地区，降雨稀少、蒸发强烈、作物水分亏缺量较大。因此，必须根据非充分灌溉原理，将有限的水分与微喷灌等节水灌溉技术相结合，获取最高的水分利用效率与产量。

1.2 可行性

雨水利用在我国具有悠久的历史，早在2700年前的春秋时期，黄土高原地区已有利用引洪漫地技术的记载；在600多年前出现的水窖，证明了古人对雨养农业和集雨农业已有朴素的认识[1]。现在，我国雨水集蓄主要应用在生活及农业灌溉两个方面，尤其是近20年来，雨水集蓄技术再次引起了人们的注意，并取得了良好的效果，如甘肃省实施的“121”雨水集流工程、内蒙古的“112”集雨节灌工程、陕西的“甘露工程”、宁夏的“窖水蓄流工程”等雨水集蓄工程等。

据国际先进节水农业技术资料，降水（折合灌水量0.67 m3/667m2）生产潜力可达2～25 kg/mm谷物或更多。在我国北方，年降雨量为250～550mm的半干旱区，如能使降水的70%得到有效收集，则在采用先进节水技术、尽可能减少灌溉过程中无效流失的情况下，可以满足作物的最低需水要求。这就为发展雨水集流灌溉技术提供了理论依据[2]。同时，北方地域辽阔，有充分的地面可以作为集流面，为该理论的实施提供了基础。

2 技术方法

2.1 集雨工程

集雨工程主要在农地的周围或上面用压实的土、沥青、混凝土和塑料薄膜等材质做成防水的收集面，以收集雨水，主要包括道路和坡面集水。由于路面塌实度较好，水的渗漏较少，因此道路集水是雨水集流工程的主要组成部分，农田道路及侧面的空闲地是可利用的天然集流场；坡面集水可根据山体的坡度，大小来确定集水区的形状，在坡面底部修建截流沟或截流埂，拦截坡面上的径流使其定向汇流。此外，随着温室大棚成为我国农业生产的主要形式，温棚膜面集水回用灌溉也得到了广泛的应用。

2.2 净化蓄水工程

蓄水工程是存蓄由集水区导引聚集的雨水径流水量，采取适当的工程措施修建塘、坝及小水池（柜）等集蓄雨水。蓄水系统包括储水体及其附属设施，储水体主要是水窖、水柜和蓄水池等，附属设施主要包括沉沙池、拦污栅与进水暗管。蓄水池多建在用水量相对稀少、有一定集水面积的低洼地或坡面，多采用地下式，其形式有方形或圆形，可以是封闭式或开敞式的。为防止泥沙淤塞水窖，在进水口处要修建沉沙池，一般距离水窖（池）4 m左右，沉沙池可根据沉沙原理和拦沙原理来设计。根据沉沙情况可分为一级沉沙池和多级沉沙池，结构可分为迷宫式斜墙沉沙池、迷宫式直墙沉沙池、梯形沉沙池和矩形沉沙池等[3]。

2.3 节水灌溉工程

综合考虑作物种类、灌溉水源条件、地形条件、工程投资、技术可行性、实施难度等因素，选择适宜的节水灌溉方式。菜园（包括塑料大棚和日光温室）适宜用滴灌，果园、庭院种植的花卉、食用菌等可以考虑用微喷灌。根据作物种类，灌溉类型可选用固定式或移动式，对于面积较小的庭院种植多采用移动式，对于灌水次数较多，行距较宽的作物多采用固定式[4-7]。其它灌溉形式还有抗旱坐水种、膜上灌、膜下灌等（见图1）。

3 农业示范区集雨灌溉模式研究

农业部关于创建国家现代农业示范区的意见中指出：当前，我国总体上已进入加快改造传统农业、走中国特色农业现代化道路的关键时期。创建国家现代农业示范区，是顺应农业发展趋势、创新工作思路、强化工作指导、促进农业增产增效、农民持续增收的重大举措，对规范农业示范区发展，示范和引领现代农业建设具有重大意义。创建现代农业示范区必须要以物质装备为基础，以高新科技为依托，以集成配套的科学技术助推现代农业的发展[8]。

图1 节水灌溉系统结构

3.1 农业示范区特点

农业示范区应具有以下特点：（1）高品质产品占的比重较大，在大中城市郊区，蔬菜、水果、食用菌和花卉等高效园艺作物较为突出；（2）示范性比较强，依据农业部优势农产品区域布局规划，在新一轮特色农产品区域布局规划中，应重点在优势农产品区域、大中城市郊区和特色产品区域择优创建国家现代农业示范区，使之成为高产、优质、高效、生态、安全的农产品生产的模板；（3）温室大棚所占比重较大，为了打破季节限制，充分利用光能，温室大棚在农业示范区应占有很大的比重；（4）具有配套的休闲设施，很多农业示范区充分利用自身优势，大力发展生态旅游，举办采摘节。随着人们物质生活水平的提高，越来越多的人在工作之余会选择户外活动，很多农业示范区都开放了采摘园，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。如果示范区附近有住宅小区，即可在楼顶安装集雨设施，雨水能通过管道和过滤设施进入蓄水设备，而且其维修管理也比较方便。如果距离住宅区较远，则应以路面集雨、膜面集雨等方法为主。示范区内及周围道路规格较高，路面平整，硬化程度好，采用道路集雨较为方便，所集雨水质量较高，同时可以收到减少雨水对道路的冲刷，改善示范区环境等效果。由于路面采集雨水的能力有限，高品质膜面集雨产品在示范区的比例较大，故可将膜面集雨视为示范区具有代表性的集雨方式。很多示范区，尤其是北方，为减轻温度对作物的影响，多采用温室大棚栽种的形式，这为膜面集雨创造了良好的条件。膜面集雨具有节水、防洪、改善生态环境等3个方面的效益。对于集中连片的普通日光温室，雨水可以通过集雨管（沟）统一收集到一个或几个集雨池，实行统一规划、统一配水。雨水经棚面、集雨管沟、拦物栅和沉沙池汇集到集雨池，再用水泵抽到单棚内的储水池进行滴灌。在棚内修建储水池，可以避免灌溉时水泵一直开启的现状，节水、节能，降低了运行费用和工程造价。

3.3 雨水净化存储模式

净化方法主要采用沉沙池。在农业示范区雨水集蓄工程中，所采用的集流方法主要是路面集雨、膜面集雨，径流中常挟带大量泥沙。这些泥沙若直接进入蓄水池，不仅对蓄水池的安全和利用效益带来负面影响，而且严重影响水质。农业示范区的灌溉方式往往采用喷灌、滴灌，对水质的要求较高，因此修建沉沙池是十分必要的。雨水存储方式主要为蓄水池或水窖。由于雨水集蓄量有限，单纯的利用雨水作为灌溉水源是不能满足灌溉要求的，可以同时利用天然降雨和地下水作为灌溉水源，优先使用收集的雨水。当蓄水池或水窖水量不能满足灌溉需要时，则用机井的地下水作为灌溉水源，以补足所缺的水量。

3.4 雨水灌溉模式

灌溉方式可采取滴灌、微喷灌，在温室大棚区域均可采用自动控制系统。温室蔬菜（果菜类、根菜类和茎菜类等）宜选用滴灌工程；温室大棚蔬菜（叶菜类、花菜类和花卉等）宜选用微喷灌工程。自动控制系统是基于自动气象站的中央计算机控制的灌溉系统，属于闭环控制的灌溉系统。自动气象站中的气温、雨量、湿度等传感器，作为系统的信号反馈设备，此信号供中央计算机采集和决策后，自动指挥灌溉系统运行。

综上所述，我们得出适用于以高品质农产品为主的农业示范区的集雨灌溉模式（如图2所示）。

4 实例研究

4.1 项目背景

顺义区位于北京市东北郊，区中心距市区30 km。东邻平谷，北连怀柔、密云，西接昌平、朝阳，南界通州、河北三河市。项目区为顺义区仁和镇等12个乡镇54个行政村。

图2 农业示范区集雨灌溉模式

顺义区土壤质地为粘性砂壤土，土壤容重为1.45 g/cm3，田间最大持水率为23%，土壤允许入渗速率为10mm/h，最大冻土层深度0.8m。该地区多年平均降水量为614.9mm，全年降水量集中在6～9月的汛期，约占全年降水量的80%以上。项目区雨水资源丰富，但区内无任何集雨设施，雨水资源有浪费现象。自20世纪80年代以来，密云水库为保证城市用水，农业供水减少，在水资源供需矛盾日益突出的情况下，亟需采取相应的集雨措施，将收集到的雨水回用于作物灌溉，以充分利用水资源，提高农业经济效益。

顺义区作为北京最早的喷灌化县，区各届政府都非常重视农业节水灌溉的发展，但由于缺乏先进、科学的管理模式，部分设施年久失修，使用寿命缩短甚至报废，加之部分节水工程的配置、选型也不尽合理，甚至没有计量设备，故没有充分发挥节水灌溉效益。近年来，农业种植结构调整力度大，若不及时采用相应的节水灌溉措施，则难以达到农业增产增收的目的。因此，需对项目区的种植结构和比例进行统一地规划和设计，引进新技术、新设备，调整区内农业结构，提高农业综合效益。

4.2 灌溉方案

本工程采用的是滴灌、微喷灌等节水灌溉形式，属于非充分灌溉。水分对土壤以渗润为主，工程实施可以有效地减少灌溉退水从农田带入大量泥沙、农药、各种有机物和无机毒物，避免对河流、地下水等水体的污染。在灌溉技术上，温室蔬菜（果菜类、根菜类和茎菜类等）选用滴灌工程；温室大棚内种植花卉及菌类选用微喷灌工程。在面积15.33 hm2的地块上，在配备温室大棚的滴灌系统内，修建膜面集雨工程和自动控制工程，以达到利用雨水和节约用水的目的。

4.2.1 膜面集雨 膜面集雨及自动化控制滴灌系统设在示范基地，结合项目面积和位置，将项目区划分为13个轮灌组，一个蓄水池。灌区大棚采用膜面集雨、集雨槽导流、蓄水池蓄集雨水的方式。大棚间的空地采用硬化处理，硬化后的路面产生的地表径流汇入与之相对应的一级集雨槽。田间道也采用混凝土硬化处理，道路两边设置二级集雨槽，集雨槽均为砖砌结构，砖墙内侧采用水泥沙浆抹面；底板和盖板均为素混凝土，棚顶向有一级集雨槽的一侧倾斜，雨水顺二级集雨槽流入沉沙池，铺设时设置一定的比降，使雨水在沉沙池内沉淀、过滤，最终供给蓄水池。

4.2.2 滴灌工程 滴灌工程的管网系统由干管、支管和毛管（滴灌带）组成，采用半固定式管网系统，即干管埋于地下，大棚内的支管和毛管铺设在地面，这样既便于灌溉设备使用、管理和维护，又便于农业耕作。系统首部设置安全保护及过滤设备，以保证系统安全运行，防止滴灌系统堵塞；毛管选取管径16mm、壁厚0.25mm的滴灌带。

4.2.3 大棚蔬菜微喷灌工程 干管采用UPVC塑料管，支管采用PE塑料管，设在温室内作业道边并沿温室纵向布置，微喷头采用单行布置、三角形布置。系统首部设置安全保护及过滤设备，以保证系统安全稳定的运行。

4.2.4 自动控制系统 本系统属于闭环控制的中央计算机控制灌溉系统，整个控制系统分为中央控制系统、数据采集系统和灌溉控制系统。其中，中央控制系统包括一个中央控制室、一台计算机、一套LDI控制器和配套的线路等；数据采集系统包括SD210传感器解码器和FDR（MP-406）土壤湿度传感器以及水位传感器；灌溉控制系统包括田间解码器、电磁阀、PRS-D压力调节器等。中央控制系统对棚内土壤的湿度和蓄水池的水位情况进行实时自动连续监测，优先使用膜面集雨作为灌溉水源。当大棚内土壤湿度达到允许下限时，中央控制系统会对蓄水池的水量（通过水位换算）作出判断：若水量可以至少满足一个灌溉轮灌组所需的水量要求时，则抽取蓄水池的雨水进行灌溉；否则，将抽取新建机井的地下水进行灌溉。当大棚内土壤湿度达到其规定上限时，中央控制系统会向灌溉控制系统发出指令,控制电磁阀的关闭，停止灌水。

5 结 论

农业示范区合理的集流灌溉模式，在整个示范区农业发展中起到十分关键的作用。本文旨在探讨农业示范区的雨水集流灌溉模式，为农业示范区今后的发展提供思路，但同时也要注意解决好如下问题。（1）选用的技术应当与当地经济发展水平、生产经营管理体制、农民科学文化素质相适应。当同时有多种节水灌溉技术方式适用时，应进行技术经济性比较，挑选投资经济、技术先进、管理简便的形式。自动控制系统成本相对较高，本项目区也仅在示范基地使用。（2）由于管道开挖会造成一定的水土流失，故应尽量避开雨季，选择非雨季集中施工。回填土应采取拦挡措施，避免扬尘产生水土流失。临时堆土应在土堆两侧用铁质围挡进行挡护，并在土堆表面用防尘网遮盖，以防止水蚀和风蚀。施工结束后，要做好迹地恢复工作，施工生产区土地整治后要撒播草籽。（3）某些农业示范区开放了采摘园，可同时利用雨水建设小型景观设施，进行绿化灌溉，建造人工湖，创造更多的经济效益和生态效益。

[1] 黄 乾，赵 蛟，谭媛媛，等.北方农业雨水利用实践与发展前景展望[J].节水灌溉，2006，（4）：22-25.

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[3] 李元红，朱 强，张 洁.雨水集蓄利用技术及设施系统[J].中国水利，2007，（10）：106-107.

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[8] 农业部.农计发[2009]33号农业部关于创建国家现代农业示范区的意见[z].2009.