高雅玉，田晉華，宋佳奇

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.隴南市水利電力勘測設(shè)計院，甘肅 隴南 746000)

黃土高原半干旱區(qū)雨洪資源高效管理利用技術(shù)模式研究

高雅玉1，田晉華1，宋佳奇2

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.隴南市水利電力勘測設(shè)計院，甘肅 隴南 746000)

雨洪資源；集蓄利用；高效管理；技術(shù)模式；黃土高原半干旱區(qū)

根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)的水資源特點，以最基本的地形單元——塬面和溝道為基礎(chǔ)，提出了塬面雨洪資源村社高效管理集中收集利用技術(shù)模式、“高效凈化型庭院經(jīng)濟(jì)式”管理利用技術(shù)模式、生態(tài)水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統(tǒng)技術(shù)模式、道路雨洪高效收集生態(tài)灌溉技術(shù)模式，以及溝道雨洪資源單壩利用技術(shù)模式、多壩利用技術(shù)模式和壩庫聯(lián)蓄高效利用技術(shù)模式。通過對各技術(shù)模式的推廣和應(yīng)用，可使雨洪資源的利用效率提高40%、蓄水效率提高40%、保土效率提高34%、水資源保障程度提高26%，這些水資源用于灌溉可使糧食產(chǎn)量增加20%、產(chǎn)值增加20%。這些技術(shù)模式的應(yīng)用為區(qū)域提供了安全、經(jīng)濟(jì)的水資源，保障了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，也為區(qū)域雨洪資源高效管理利用提供了新途徑。

黃土高原半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，煤炭、石油、天然氣資源豐富，但是水資源短缺，降雨量年際年內(nèi)變化大，洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)頻發(fā)，而近年來經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對區(qū)域水資源保障提出了更高的要求。為充分利用寶貴的雨洪資源，當(dāng)?shù)厝罕娺M(jìn)行了大量探索實踐，但是存在幾個問題：一是水資源總量極端貧乏；二是河川徑流年際年內(nèi)分配不均；三是部分地區(qū)為苦水區(qū)，水質(zhì)礦化度高，干流全河段水質(zhì)差，難以利用。經(jīng)過多年治理，在黃土高原半干旱區(qū)建成了大量淤地壩等水土保持溝道工程，積蓄了一定量的雨洪資源。合理利用這部分水資源，開展流域水土保持溝道工程雨洪資源高效管理、集蓄利用技術(shù)研究，提高雨洪資源的利用效率，可解決部分新能源產(chǎn)業(yè)、工業(yè)的需水問題，顯著改善區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，增加糧食產(chǎn)量，為區(qū)域發(fā)展提供安全、經(jīng)濟(jì)的水資源保障，為生態(tài)文明建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 黃土高原半干旱區(qū)雨洪資源利用技術(shù)研究進(jìn)展

雨洪資源利用是指通過自然或人類活動對天然降水進(jìn)行收集和利用的過程，包括雨洪資源自然利用和雨洪資源集蓄利用兩個方面。雨洪資源自然利用是指天然降水未受到人工干預(yù)，自然降至下墊面，通過土壤入滲直接被植物吸收利用的過程[1]；雨洪資源集蓄利用是指采取工程措施對雨洪資源進(jìn)行收集、蓄存，結(jié)合水利工程、供排水工程等措施調(diào)節(jié)利用的過程。

黃土高原半干旱區(qū)雨洪集蓄利用具有較長時間的歷史，秦漢時期就曾修建澇池、塘壩攔蓄雨水并加以利用，水窖的修建歷史也有數(shù)百年；20世紀(jì)50年代，人們開始使用水窖集蓄的雨水點澆蔬菜、玉米等農(nóng)作物，改變了過去只將收集來的雨水作為生活用水的做法[2]；20世紀(jì)70年代，在山西呂梁地區(qū)人們利用自然坡面進(jìn)行雨水資源收集利用，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]；20世紀(jì)80年代后期，人們收集雨洪資源用于發(fā)展庭院經(jīng)濟(jì)和作為補充灌溉水源，將傳統(tǒng)的雨水利用技術(shù)與現(xiàn)代的節(jié)水灌溉方法相結(jié)合；20世紀(jì)80年代末，甘肅開展了雨水集蓄利用技術(shù)的系統(tǒng)試驗研究和示范推廣，在此基礎(chǔ)上組織實施了“121雨水集流工程”；之后，大規(guī)模的雨水集蓄利用工程在各地區(qū)相繼開展，包括內(nèi)蒙古的“112”集雨節(jié)水灌溉工程、寧夏的窖水灌溉工程、陜西的甘露工程等；1992年甘肅省水利科學(xué)研究院等單位完成了“干旱、半干旱地區(qū)雨水集蓄利用試驗研究和示范推廣”工作，此后蘭州大學(xué)等單位完成了“集流農(nóng)業(yè)的理論和實踐”研究，內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院完成了“干旱山區(qū)集雨節(jié)灌試驗、示范及推廣”等雨水收集利用項目；21世紀(jì)初科技部“新型高效雨水集蓄與利用技術(shù)研究”“北方半干旱集雨補灌旱作區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)體系集成與示范”“天然降水富集利用類型區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水模式與產(chǎn)業(yè)化示范”等項目的實施促進(jìn)了黃土高原半干旱區(qū)雨洪資源利用技術(shù)的深入研究和廣泛推廣[4]。

2 黃土高原半干旱區(qū)雨洪資源高效管理利用技術(shù)模式

黃土高原半干旱區(qū)由高原、溝壑、梁峁、河谷等多種地形地貌共同組成，對于該區(qū)雨洪資源的管理和利用應(yīng)根據(jù)不同的地形特點，即分塬面和溝道兩個最基本的地貌單元進(jìn)行技術(shù)模式研究。

2.1 塬面雨洪資源高效管理利用技術(shù)模式

根據(jù)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50596—2010)，雨洪資源高效利用可分為直接利用(將雨洪資源集中收集作為生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉水源)、間接利用(通過土壤入滲補充地下水)和綜合利用(回用與滲透相結(jié)合、利用與改善生態(tài)相結(jié)合)三種形式。根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)塬面的降水情況及地形地貌條件，提出了塬面雨洪資源村社高效管理集中收集利用技術(shù)模式、“高效凈化型庭院經(jīng)濟(jì)式”管理利用模式、生態(tài)水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統(tǒng)技術(shù)模式、道路雨洪高效收集生態(tài)灌溉技術(shù)模式。面村社的雨洪資源進(jìn)行集中高效管理和利用，對庭院外排水、鄉(xiāng)村道路和其他集水面的雨洪資源進(jìn)行收集、集中處理和高效利用。庭院外排水首先要滿足村社的生態(tài)用水，多余的外排水、道路水和其他集水面收集到的雨洪資源經(jīng)過沉砂池集中收集過濾(過濾池對雨水做初期凈化，水質(zhì)可滿足一般用水要求，采用“三布兩砂”的過濾形式，即粗砂-土工布-細(xì)砂-土工布-粗砂)，再進(jìn)入集水池。集水池內(nèi)的初次過濾水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村養(yǎng)殖業(yè)和鄉(xiāng)村建設(shè)用水。農(nóng)業(yè)灌溉需采用高效節(jié)水設(shè)施。經(jīng)過二次凈化達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后可用于鄉(xiāng)村小型加工業(yè)。

(1)塬面雨洪資源村社高效管理集中收集利用技術(shù)模式。該模式(圖1)主要針對黃土高原半干旱區(qū)塬

圖1 塬面雨洪資源村社高效管理集中收集利用技術(shù)模式

(2)“高效凈化型庭院經(jīng)濟(jì)式”管理利用模式。屋面、庭院所收集雨水水質(zhì)不同，需對其進(jìn)行分別收集利用。屋面雨水進(jìn)入溢流箱，對其進(jìn)行初次澄清后進(jìn)入雨水收集池，通過雨水凈化器處理后可用于生活、飲用，多余部分可通過潛水泵提升至高位水箱，便于自流使用，作為牲畜飲用水和其他生產(chǎn)用水。庭院雨水收集后進(jìn)入溢流池澄清后再進(jìn)入雨水收集池，配備高效節(jié)水灌溉設(shè)施用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，多余部分再次通過潛水泵提升至高位水箱。在此過程中定期清理溢流箱和溢流池泥沙及雜物，以滿足初期雨水利用對水質(zhì)的要求(圖2)。

圖2 “高效凈化型庭院經(jīng)濟(jì)式”管理利用模式

圖3 生態(tài)水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統(tǒng)技術(shù)模式

(3)生態(tài)水箱式道路雨洪資源蓄集利用系統(tǒng)技術(shù)模式。生態(tài)水箱式城鎮(zhèn)道路雨水蓄集利用系統(tǒng)(圖3)設(shè)置于城鎮(zhèn)道路的中間和邊緣，夯實底部土層，系統(tǒng)模擬了天然地下水儲水環(huán)境，以及地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)平衡機(jī)制，最終達(dá)到雨水自動蓄集、供給綠化植物生長的動態(tài)平衡。雨水通過攔污柵后，樹葉、垃圾、油類和懸浮固體等污染物被濾除，凈化后的雨水進(jìn)入儲水裝置儲存起來，通過種植土的毛管作用被植物吸收利用，完成了雨水的高效蓄集和利用。路面上的雨水大部分通過攔污柵進(jìn)入PP塑料雨水收集模塊儲存起來。雨水在收集模塊中相當(dāng)于地下潛水層，通過上層種植土的毛管作用供給植物生長，達(dá)到自動供給植物需水的目的。降雨量大時，PP塑料雨水收集模塊蓄滿水后，由于生態(tài)水箱式城市道路雨水蓄集利用系統(tǒng)比路面高出10 cm，雨水可通過路面排水設(shè)施排出，因此不會對系統(tǒng)造成破壞，保證了其抗沖擊能力和運行穩(wěn)定性。在缺乏降水或干旱季節(jié)可通過種植土的毛管作用向上面種植的綠化植物供水，自動調(diào)節(jié)供水量，達(dá)到雨水蓄集和利用的動態(tài)平衡，省去了綠化植物的灌溉耗水。尤其是在半干旱地區(qū)，降雨量分配不均且常以暴雨形式出現(xiàn)，生態(tài)水箱式城市道路雨水蓄集利用系統(tǒng)的優(yōu)勢和實用性就顯得尤為突出。

(4)道路雨洪高效收集生態(tài)灌溉技術(shù)模式。道路雨水通過道路兩側(cè)邊溝收集引入沉砂池澄清后再進(jìn)入雨水收集池，作為補充道路綠化帶、臨近耕地灌溉和生態(tài)用水，采用高效節(jié)水灌溉技術(shù)。若道路附近無耕地、綠化帶等，可通過管道輸送至需水量較大的區(qū)域，通過修建小型蓄水存儲設(shè)施和配備高效節(jié)水灌溉設(shè)施，補充農(nóng)業(yè)、生態(tài)和小微工業(yè)用水(圖4)。

圖4 道路雨洪高效收集生態(tài)灌溉技術(shù)模式

2.2 溝道雨洪資源高效管理利用技術(shù)模式

根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)溝道地形地貌條件和產(chǎn)流特點，提出了溝道雨洪資源單壩利用技術(shù)模式、多壩利用技術(shù)模式和壩庫聯(lián)蓄高效利用技術(shù)模式。

(1)溝道雨洪資源單壩利用技術(shù)模式。淤地壩在淤滿之前，其作用相當(dāng)于一個小型的調(diào)蓄水池，可以利用壩內(nèi)蓄水發(fā)展養(yǎng)殖、灌溉農(nóng)業(yè)、休閑觀光等(圖5)。通過有效滯洪，淤地壩將高含沙洪水一部分轉(zhuǎn)化為地下水，一部分轉(zhuǎn)化為清水，通過泄水建筑物排放到下游溝道，增加了溝道常流水，涵養(yǎng)了水源，同時對汛期洪水起到了調(diào)節(jié)作用，使水資源得到了合理利用。利用方式主要包括：①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。在工程運行前期，淤地壩作為水源工程，有助于改善黃土高原半干旱地區(qū)群眾的生產(chǎn)生活條件。通過單個淤地壩建設(shè)，可以在小范圍內(nèi)解決區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉的缺水問題，滿足農(nóng)作物在需水關(guān)鍵時期對水分的需求。②養(yǎng)殖業(yè)。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，利用雨洪資源發(fā)展適合當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)養(yǎng)殖，補充大規(guī)模牛羊養(yǎng)殖用水，緩解當(dāng)?shù)赜盟倘爆F(xiàn)狀，促進(jìn)雨洪資源多元化利用。③旅游觀光。對于形成水域面積較大、雨洪資源收集量較大的單壩和自然環(huán)境優(yōu)越的區(qū)域，可在進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉及發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)的同時，配備旅游基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展旅游觀光產(chǎn)業(yè)，以促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。④其他。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H需水情況，充分利用收集的雨洪資源，減少對地下水、地表徑流的取用。

圖5 溝道雨洪資源單壩利用技術(shù)模式

(2)溝道雨洪資源多壩利用技術(shù)模式。以小流域為單元，通過梯級建設(shè)，大、中、小結(jié)合，治溝骨干工程控制，層層攔蓄，具有較強(qiáng)的削峰、滯洪能力和上攔下保作用，能有效防止洪水泥沙對下游造成的危害和收集溝道雨洪資源。壩系建成初期以蓄水?dāng)r沙為主，而隨著淤地面積的不斷增加，部分單壩的防洪蓄水能力逐漸降低，生產(chǎn)能力不斷突顯，這時壩系的運行模式就進(jìn)入另一種狀態(tài)。根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)的降雨、洪水特點，采取“上游蓄洪+下游集蓄利用”模式，提出原有水土保持工程體系的完善方案，以集蓄洪水的最優(yōu)模式新建部分壩系、確定壩系的修建規(guī)模和布置形式。以流域為單元對集蓄的雨洪資源按需分配，分新能源產(chǎn)業(yè)、工業(yè)農(nóng)業(yè)、生活用水進(jìn)行優(yōu)化配置，在最大程度減少水土流失的情況下，對水資源進(jìn)行高效利用。根據(jù)集蓄水資源的水量、水質(zhì)情況，以“優(yōu)水優(yōu)用、劣水劣用”原則，按照不同保證率對集蓄的雨洪資源進(jìn)行高效利用，優(yōu)化合理配置水土資源。通過建設(shè)溝道壩系不但治理了溝道，而且促進(jìn)了坡面治理，攔蓄了大量天然降水資源，補償了地下水資源，提高了水資源的利用率；壩系蓄水可使旱季作物供水充足，還可發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)和解決人畜飲水困難。以小流域為單元，將一條(或多條)溝道的多個淤地壩的雨洪資源利用溝道、渠道、管道等方式收集于大型水池(或水庫)中，用于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。兼顧各項水土保持溝道治理措施，聯(lián)合配置使用，依次從支毛溝至主溝道布設(shè)“蓄水型溝頭防護(hù)+谷坊工程+小型淤地壩+中型淤地壩+大型淤地壩”(圖6)。

圖6 溝道雨洪資源多壩利用技術(shù)模式

(3)溝道雨洪資源壩庫聯(lián)蓄高效利用技術(shù)模式。該模式即“上游蓄洪+下游集蓄利用”“上游淤地壩、骨干壩+下游水庫”的蓄洪利用及水資源空間調(diào)度模式。通過骨干壩、水庫的聯(lián)合調(diào)度調(diào)控洪水，降低利用洪水風(fēng)險，改善區(qū)域供水條件。在多條溝道、多個壩的下游修建水庫，壩蓄洪排清、庫蓄清排洪，將經(jīng)過淤地壩澄清的水蓄存于中小型水庫，供區(qū)域水資源聯(lián)合調(diào)度與配置。通過支、干溝多壩群系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度，對流域內(nèi)相互間具有水文、水力、水利聯(lián)系的淤地壩及相關(guān)工程設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)調(diào)度，既可保證水利設(shè)施自身安全，又可確保上下游雨洪水量損失最小，從而達(dá)到全流域系統(tǒng)水量損失最小的目的。以溝道壩系建設(shè)為基礎(chǔ)，構(gòu)建上游溝道壩系與下游水庫聯(lián)合調(diào)度體系，利用聯(lián)合調(diào)度的方式達(dá)到上游壩系淤地排洪、下游水庫蓄洪排清，對水庫蓄水進(jìn)行合理、有效的配置使用，改善生態(tài)，發(fā)展生產(chǎn)。依托壩庫聯(lián)合調(diào)度形成的體系，充分發(fā)揮壩系功能，達(dá)到攔泥淤地，雨洪合理配置利用，促進(jìn)溝道生態(tài)恢復(fù)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的(圖7)。

圖7 溝道雨洪資源壩庫聯(lián)蓄高效利用技術(shù)模式

3 溝道工程、植物措施配置

在形成黃土高原半干旱區(qū)溝道工程措施技術(shù)模式的條件下，應(yīng)為工程措施配備相應(yīng)的植物措施(圖8)。以蓄水保土為目的，在溝道治理、高效管理利用雨洪資源的同時，對溝道采取谷坊、溝頭防護(hù)、淤地壩相結(jié)合的方式進(jìn)行治理，形成水土保持防護(hù)體系。在溝道坡面和兩側(cè)邊坡配備植物措施，選擇鄉(xiāng)土樹種和經(jīng)多年種植已經(jīng)適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的引進(jìn)樹草種，如紫穗槐、檸條、沙棘、高羊茅、黑麥草、紫花苜蓿等，形成綠色屏障，以涵養(yǎng)水源，減少風(fēng)沙和地面徑流。對于支溝及主溝的治理，應(yīng)統(tǒng)籌安排工程、植物措施，在主溝道上游布設(shè)谷坊工程，下游設(shè)淤地壩等工程，做到節(jié)節(jié)攔蓄、梯級利用。

圖8 溝道工程、植物措施配置

4 效益分析

根據(jù)《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T 15774—2009)的規(guī)定和實地調(diào)查，應(yīng)用以上技術(shù)模式建立示范點，并對示范點的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益進(jìn)行分析。經(jīng)調(diào)查測算，“高效凈化型庭院經(jīng)濟(jì)式”管理利用模式每1 000 m2的高效集流面可收集雨水400 m3左右，道路雨洪高效收集生態(tài)灌溉技術(shù)模式每1 000 m2的高效集流面可收集雨水450 m3左右，再配以高效利用的灌溉措施，可以使雨洪資源的利用效率提高40%、蓄水效率提高40%、保土效率提高34%、水資源保障程度提高26%，這些水資源用于灌溉可使糧食產(chǎn)量增加20%、產(chǎn)值增加20%。黃土高原半干旱區(qū)流域雨洪資源高效管理利用技術(shù)模式的實施和推廣應(yīng)用，可顯著提高區(qū)域水資源集蓄利用水平，增強(qiáng)雨洪資源利用效率，減少集中常規(guī)灌溉工程投入的1/5～1/4。洪水資源的有效利用不僅可以緩解洪水災(zāi)害，減輕城鎮(zhèn)防洪排洪壓力，而且可以提高水資源支撐能力。雨洪資源的綜合利用，對于改善區(qū)域內(nèi)居民的生存環(huán)境、解決地區(qū)的水資源危機(jī)、促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。

5 結(jié) 語

根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)的降水分布特點，以最基本的地形單元——塬面和溝道為基礎(chǔ)，提出村社、庭院、道路塬面雨洪資源收集技術(shù)模式和單壩、多壩、壩庫聯(lián)蓄溝道雨洪管理利用模式。通過對上述技術(shù)模式的推廣和應(yīng)用，可解決部分新能源產(chǎn)業(yè)、工業(yè)的需水問題，顯著改善區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，有效增加糧食產(chǎn)量，為區(qū)域提供安全、經(jīng)濟(jì)的水資源，大大緩解區(qū)域水資源危機(jī)，提高區(qū)域的水土資源利用效益和對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐能力，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 張新燕,蔡煥杰.雨水集蓄利用研究進(jìn)展[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2001,15(3):87-90.

[2] 陳愛俠,于法穩(wěn).黃土高原半干旱區(qū)雨水集蓄利用研究[J].前沿論壇,2002(12):46-48.

[3] 李云嵐,王志發(fā),丁?？?等.雨水資源集蓄利用研究進(jìn)展[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2008(3):29-31.

[4] 雨水利用專業(yè)委員會.雨水集蓄利用學(xué)科發(fā)展與展望[J].中國水利,2004(11):31-36.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

隴原青年創(chuàng)新人才扶持計劃(甘組通字〔2014〕93號)；甘肅省科技廳重大專項課題(1203FKDA035)；甘肅省水利科研技術(shù)推廣項目(甘水科外發(fā)〔2013〕293號，〔2014〕223號，〔2015〕55號)；甘肅省科技支撐計劃項目(1204NKCA087)；甘肅省水利廳水資源費項目(甘財農(nóng)〔2010〕162號)

S157

C

1000-0941(2015)12-0064-04

高雅玉(1985—)，女，天津市人，工程師，碩士，主要從事水資源與水土保持方面的研究工作。

2015-07-20