潜在雨洪水资源在生态农业试验区开发利用探讨

位铁强，傅长锋

（1.河北省水利厅，河北 石家庄　050011；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津　300250）



潜在雨洪水资源在生态农业试验区开发利用探讨

位铁强1，傅长锋2

（1.河北省水利厅，河北 石家庄050011；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

摘 要：在研究河北省潜在雨洪水量基础上，利用土壤水库收集雨水的原理分析土壤包气带含水特性，提出以农业高产试验项目为依托调控地下水位、秸秆覆盖等方法，达到增加雨水入渗转换、减少无效蒸发、长期有效集水的目的，为水资源短缺地区集水方法研究提供了一种新思路。

关键词：土壤水库；土壤包气带；雨水资源；秸秆覆盖

生态水文学认为流域最根本的水资源就是降水而非河川径流，这种从降水出发研究流域淡水资源利用的理念拓展了人们的思路。事实上，生产粮食所需要的水不仅仅来自灌溉用水，专家分析认为粮食产量的60%～70%依靠雨养农业［1］，要靠降雨入渗产生的蒸汽流。赵西宁等［2，3］、李红军等［4］对流域雨水资源化潜力都曾做过理论探讨。笔者通过研究利用土壤水库收集雨水的原理，探讨增大雨水入渗转换、减少无效蒸发、长期有效集水的水资源利用方法。

1　潜在雨洪水资源量

河北省地区属于暖温带大陆性季风型气候区，总面积18.77万km2，多年平均年降水量531.7 mm，年均降水总量为997.93亿m3（潜在水资源总量），多年平均年蒸发量1 442.1 mm。降水量、蒸发量年内、年际变化悬殊，分配极不均匀。傅长锋［5］根据河北省水资源第二次评价成果，统计分析了河北省不同频率年降水总量与传统水资源量之间的关系，发现该区域多年平均水资源量181.26亿m3，仅占降水量的18.16%。如果从生态水文学的角度来观察滋润地表植被生态系统的水资源，那就应该是流域的全部降水，降水组成流域内所有与水相关活动的共同水源，这个潜在水资源总量就可以称为流域雨水资源化潜力。

降水的绝大部分被地表植被等截留后蒸发返回大气层或被植物吸收，蒸发与蒸腾对水资源的利用、对流域生态环境和人们的生产、生活起到了重要作用，是水循环系统中的主要耗水项。人们要实现对雨洪水资源的开发利用，就要充分考虑降水转换成人类可利用水资源的过程［6］。

2　降水资源收集方法

降水资源收集方法在我国出现较早。从20世纪50—60年代的鱼鳞坑、隔坡梯田、窖窑农业工程等［7］就地拦蓄方法到21世纪初实施的雨水集流利用工程以及海绵城市建设的理念和方法，都是通过降水就地拦蓄入渗、覆盖抑制蒸发利用、雨水富集等技术，提高雨水的利用率。雨水利用的形式也很多，海河流域通过多年的试验研究，发现利用土壤包气带的储水特性可以增大雨水转换、减少雨水的无效蒸发。

2.1土壤包气带

降水通过土壤界面入渗地下，在固体颗粒（土壤基质）的吸附作用下形成包气带地下水，受毛管效应的影响参与地表蒸发，交替进行入渗或蒸发运动，这是一个非常复杂的水动力过程。基质势是极小单位水量从一个平衡的含水土壤系统可逆地移到同条件非基质系统，土壤水较自由水降低的自由能势。受蒸发与入渗的影响，包气带土壤在吸湿与脱湿条件下，含水量与基质势之间的关系如图1所示，地下水在包气带运动过程中，土壤中出现交替的吸湿与脱湿，基质滞留起重要作用，该作用使得土壤从饱和状态脱湿所需的基质势比土壤再吸湿过程所需的基质势要高［8］。有效地利用土壤包气带这一特性，可以为合理使用地下水提供理论依据。

图1　土壤吸湿与脱湿的滞留曲线

2.2采咸蓄淡

河北省环渤海地区浅层地下咸水丰富。为采咸蓄淡，20世纪80年代在南皮县生态农业试验区进行了以下试验：开发利用咸水，调控地下水位，疏干土壤包气带咸水，补充淡水（雨水），让土壤包气带储水量处在动态控制状态，汛前腾出地下库容，汛期增大降雨入渗，减少地表径流。

南皮县生态农业试验区位于河北省南皮县冯家口镇，北纬38°06'，东经116°40'。试验区为环渤海盐渍化类型区，地势平坦，海拔高度20 m以下，浅层地下咸水丰富；多年平均年降水量579.6 mm，多年平均年水面蒸发力2 100 mm，太阳总辐射559.36 kJ/ （cm2·a），平均气温≥10℃，积温4 300℃。

通过开发利用咸水，降低了包气带土壤咸水的含量，不仅治理了旱涝碱咸，还增大了雨洪利用，有效改善了当地生态环境的良性循环。地下水埋深对降雨入渗与地表径流的影响，见表1。

表1　地下水埋深对降雨入渗与地表径流的影响

观测表明，径流量明显随地下水位下降而减少。试验区1987年降水735 mm，为偏丰水年，其中雨季降雨509 mm，未发生涝灾。同年8月26日6 h降暴雨189 mm，雨前地下水埋深4.62 m，降雨后没有产生地表径流，全部入渗［9］。试验区采用雨季前开采地下水，疏干土壤包气带咸水，经过雨季降雨补充，地下水位上升1.75 m，扣除当年开采及潜水蒸发水量，可采量模数增加85 230 m3/（km2·a），为秋季及来年春季抗旱增补了地下水源。

2.3秸秆覆盖

田间采用秸秆覆盖可以降低棵间土壤含水量的无效蒸发损失，把无效蒸发转化为有效蒸发；同时，在秸秆涵养水头的作用下增加了土壤对雨水的吸收入渗能力。试验区与对照区相比，1997年8月之前，秸秆覆盖区域可使表层土壤含水量上升5%。当年9月15日后由于自然降雨量减少，气候变得干燥，蒸发量增大，表层土壤含水量下降。秸秆覆盖区域在夏玉米生长后期可使表层土壤含水量增大2%～4%，秸秆覆盖处理后夏玉米生长后期土壤含水量变化过程［10］如图2所示。通过对海河流域大量示范和推广成果分析发现，玉米地麦秸秆覆盖可降低蒸腾蒸发量17.6 mm，冬小麦地玉米秸秆覆盖可降低蒸腾蒸发量32 mm，少耕覆盖可降低蒸腾蒸发量36 mm。

图2　覆盖处理后表层土壤含水量变化曲线

3　效果分析

降水后，表层土壤吸收的降水使表层土壤含水量迅速增大，当土壤含水量超过田间持水量时形成重力水团并逐渐向下运移，沿程不断地填充包气带孔隙［11，12］，直至到达地下水面。根据观测资料分析，雨季前适宜地下水埋深—降雨入渗补给量分析成果见表2，地下水水位调控如图3所示。观测表明，在平水年（P=50%）雨季前地下水埋深控制在4.5 m左右，降雨入渗补给量可收到较好的效果。

表2　雨季前适宜地下水埋深一降雨入渗补给量分析成果

图3　地下水水位调控

2003年汛前，项目区地下水埋深调控接近6 m，潞灌、寨子两乡镇7月23日连续8 h降雨分别为118 和160 mm，雨后田间无积水；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时累积降雨量达到暴雨级，最小的潞灌乡降雨123 mm，最大的城关镇达到189.6 mm，除大浪淀乡局部有5～15 cm积水外，其余八乡镇降水在12～24 h内全部入渗，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（属丰水年）3次大暴雨累积蓄纳地下水近2.6亿m3，不但没对农作物产生危害，反而补足了土壤淡水，取得了较好的效果。

统计以上试验成果见表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，可减少暴雨积水对农作物产生的危害，补足土壤淡水；平均降雨量在155.37～156.3 mm时地下水水位可上升1.5～1.8 m。

表3　试验区内平均降雨量与地下水水位上升的关系

4　结论

（1）通过调控地下水埋深，利用土壤包气带储水特性，增大降雨入渗补给，能够把时空分布不均的天然降雨转化为可利用的水资源，提高农业生态环境可持续发展的能力。

（2）我国农村地域辽阔，雨洪潜在资源量巨大，农业开发利用雨洪水资源除采用传统的“窖窑”等方式外，还可结合地形和土壤地层条件，充分利用土壤包气带含水特性，发挥土壤水库的巨大作用，增大雨水下渗转换；利用秸秆还田提高地力的同时，以秸秆覆盖形式减少无效蒸发。实践表明，可增加雨水利用量126.4～192 mm。

（3）统计成果表明，试验区内平水年雨季前地下水埋深控制在4.5 m左右，可减少暴雨积水对农作物产生的危害，补足土壤淡水，平均降雨量在155.37～156.3 mm时地下水水位可上升1.5～1.8 m。

参考文献

［1］Malin Falkenmark，Johan Rockstrom著，任立良，束龙仓等译.人与自然和谐的水需求：生态水文学新途径［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］赵西宁，吴普特，冯浩.黄土高原小流域雨水资源化潜力及其可持续利用分析［J］.农业工程学报，2005，21（7）：38-41.

［3］赵西宁，吴普特，冯浩，等.基于GIS的区域雨水资源化潜力评价模型研究［J］.农业工程学报，2007，23（2）：6-10.

［4］李红军，曹建生，张万军.流域雨水资源化目标潜力计算模型研究［J］.干旱地区农业研究，2005，23（2）：159-163.

［5］傅长锋.子牙河流域生态水资源规划模型研究及应用［D］.天津：天津大学，2012.

［6］于伟东.海河流域水平衡与水资源可持续开发利用分析与建议［J］.水文，2008（6）：79-82.

［7］吴普特，黄占斌，高建恩.人工汇集雨水技术研究［M］.郑州：黄河出版社，2002.

［8］王金生，杨志峰，陈家军，等.包气带土壤水分滞留特征研究［J］.水利学报，2000，31（2）：1-6.

［9］方生，陈秀玲.农业节水灌溉与咸水利用淡化［M］.北京：中国农业科学技术出版社，2008.

［10］丁昆仑.秸秆覆盖对土壤水分及夏玉米产量的影响［J］.中国农村水利水电，1999（6）：3-6.

［11］张光辉，费宇红，申建梅，等.降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响［J］.水利学报，2007，38（5）：610-617.

［12］陈志辉，程旭学.河西走廊灌溉水田间入渗补给地下水机理研究［J］.西安工程学院学报，2002，24（1）：33-38.

中图分类号：TV213.4

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）01-0039-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.014

收稿日期：2015—09—10

作者简介：位铁强（1964—），男，助理研究员，主要从事水利管理工作。