北方地区温室大棚雨水收集利用研究与示范

黄 乾 ，刘 凯 ，马移军

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014；3.山东省水利综合事业服务中心，山东 济南 250014）

1 研究背景

干旱气候变化在世界范围内的加剧及水资源的紧缺，使得开发利用雨水资源成为缺水国家及地区解决水危机的新途径。在我国北方及西北地区，直接收集利用雨水资源已有较多研究和应用成果[1-3]。寿光市作为大棚蔬菜种植重要基地，在各类温室大棚中，以土墙保暖塑料薄膜蔬菜大棚最为常见。山东省利用亚行贷款地下水漏斗区域综合治理示范项目——绿色大棚雨水收集与回用示范工程，以寿光市最常见的土墙保暖塑料膜面蔬菜大棚为对象进行研究和示范，对其工程设计思路、方案比选、使用效果进行介绍。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

寿光市位于山东省半岛中部，属于半湿润区，市内大棚种植面积超过4 万hm2，以地下水作为主要灌溉水源，随着地下水资源的过度利用造成的地下水漏斗区域面积不断扩大。

示范地点选择在寿光市北部的清水泊农场，现有蔬菜温室大棚32 座，为当地常见的土墙保暖塑料薄膜大棚，示范大棚为1～4 号大棚，位于清水泊农场南侧，大棚东西长200 m，南北宽10 m，单棚种植面积0.2 hm2左右，大棚南侧低于地面0.5 m，为半地上半地下大棚。棚膜采用常用的PVC 塑料薄膜覆盖，2 年更换一次。棚内主要种植西红柿、辣椒、茄子等常见蔬菜。

2.2 研究区降水及雨水收集能力

寿光市年均降水量为595.3 mm，年内、年际时空分布不均，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%。根据对50%、75%、90%三个水文年的典型年降水排频计算后，50%降水保证率下一个大棚全年可收集雨量为689 m3，75%降水保证率下可收集雨量为593 m3，90%降水保证率下可收集雨量为457 m3。

2.3 雨水集蓄工程方案

寿光市温室大棚雨水集蓄工程，包括集雨面、汇流输送、雨水净化、雨水存储和灌溉系统5个组成部分。

1）雨水收集工程。温室大棚的作物主要种植生产时间，为当年秋冬季至第二年的夏初，因此，大棚膜面几乎可以全年扣膜期间收集雨水，夏季和秋季为主要降水季节，雨水收集量平均占到全年雨水的70%以上。夏秋季节雨水收集后可以先贮存后使用，而其他季节收集的雨水可以收集后即时使用。温室棚膜的雨水收集效率较高，一般可以达到0.90~0.94，是雨水的主要收集面；大棚侧墙、棚前硬化便道也可收集较为洁净的雨水。

2）雨水汇流与输送工程。雨水收集后汇流到集雨沟。项目区集雨沟利用原有两条排水沟改造而成。1 号大棚和2 号大棚共用集雨沟采用U 型明渠，为混凝土预制块衬砌，左侧渠顶与大棚棚前硬化便道齐平，雨水可以直接汇流进入，右侧渠顶高出地面15 cm，防止外侧地面雨水混入。3号大棚和4 号大棚共用的集雨沟采用矩形渠，沟底采用混凝土现浇，渠壁使用预制自嵌式植生挡土墙砌块的生态处理结构，砌块内有植草孔，可填装泥土后植草绿化。两条集雨沟雨水汇流后通过地埋汇流管道进入沉沙池净化后，再进入雨水存储系统。

3）雨水净化设施。收集的雨水污染物主要为收集面上的灰尘、土沙，收集面以外部分雨水径流越过路沿石、渠顶或通过缺口进入集雨沟的泥沙和少量杂草等，其他影响水质的污染物较少。通过简单的净化工程措施、物理方法即可除去大部分杂质、污染物。

集雨沟中的雨水进入存储系统前，应先进行初步净化处理，在两条集雨沟的末端各设置两道拦污栅，去除雨水中较大杂物；在存储系统前，雨水进入首部沉沙池进行泥沙预沉。沉沙池长5 m，宽3.5 m，深4 m，沉沙池进水管道（雨水进入沉沙池）直径为0.8 m，出水管道（雨水进入存储系统）直径为0.8 m，出水管道管底距离沉沙池池底1.9 m。沉沙池采用现钢筋混凝土结构，设检修爬梯、弃水管等，沉沙池与存储系统连接管道之间利用智能监控一体化闸门连接控制。

4）雨水存储系统。雨水存储是整个雨水收集利用系统的关键。由于地形、场地和生产安全的要求，雨水存储系统必须为地埋式封闭系统，通过对混凝土蓄水池、PP 模块储水结构、管道储水结构等几种工程形式进行方案比较，从生态环境、单位储水投资、运行管理及可推广等方面进行论证比选后，初步方案选用管道式存储装置。

对钢筋混凝土管、钢管、PE 管、玻璃钢夹砂管（FRP）等管道材料进行比较论证，选择了管径2 m 的大口径玻璃钢夹砂管。玻璃钢管道存储系统优点是：可以充分利用场地做成线性储存装置，适合普通大棚的土地利用现状，具有可推广性；单位体积下贮水容积较大，并拥有一定的抗压强度；施工安装方便，便于拆装；造价适中，且不易造成污染。根据现场地形，4 个大棚的集雨量被存储在三根东西向平行放置的玻璃钢管道内，管道之间相互连通。管道由雨水进口至尾部，按照一定的坡降铺设，管顶距离地面1.2 m，满足日常耕作和地面行车要求。

5）雨水灌溉系统。蔬菜大棚在项目实施前以漫灌为主。项目实施后，4 个大棚蔬菜灌溉采用了高效节水的滴灌形式。由于收集贮存的雨水内含有部分细微泥沙和悬着物，因此在滴灌系统首部安装了砂石过滤器和叠片过滤器，保证雨水水质达到滴灌要求。

大棚灌溉水源以存储在玻璃钢管道内的雨水为主，为防止收集的雨水不足，将原有的地下水作为备用水源。两种水源的灌溉主管道通过阀门分别控制，可以单独使用。

3 应用效果

自2020 年应用至今，寿光市大棚雨水收集利用系统取得了较好的应用效果。项目区蔬菜大棚在项目实施前，以机井开采深层的地下水为灌溉水源，采用畦田漫灌，耗水量大，提水成本高，且近两年机井出水量降低，水质也有变差的倾向。通过置换水源，以雨水代替地下水，雨水水质满足灌溉要求，保护了宝贵的地下水资源，蔬菜的提水灌溉成本降低，作物品质提高，取得了良好的生态环境和经济效益，具有较好的示范推广作用[4]。