雨水利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

雨水利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.1雨水利用發(fā)展歷史雨水利用是一項曾被廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)技術(shù)。據(jù)墨西哥的一份報告指出，雨水利用可追溯到公元前6000多年的阿滋泰克(Aztec)和馬雅文化時期，那時人們已把雨水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活所需。在墨西哥、秘魯和南美的安第斯山脈上，建有大片梯田和數(shù)百公里精巧的渠道。在哥倫比亞、厄瓜多爾、蘇里南沿海和秘魯南部高原，3000多年前的村居就成功地利用不同地形，修筑臺地種植玉米，在溝底種植水稻。公元前2000多年的中東地區(qū)，典型的中產(chǎn)階級家庭都有雨水收集系統(tǒng)用于生活和灌溉。阿拉伯人收集雨水，種植了無花果、橄欖樹、葡萄、大麥等。在利比亞的干燥河谷內(nèi)，人們利用堤壩、涵管把高原上的水引至谷底使用。埃及人利用集流槽收集雨水作為生活之用。2000年前，阿拉伯閃米特部族的納巴泰人在降雨僅100mm的內(nèi)蓋夫(Negev)沙漠，創(chuàng)造了徑流收集系統(tǒng)，利用這樣少量的雨水種莊稼，這種納巴泰技術(shù)直到現(xiàn)在仍在應(yīng)用。印度西部的塔爾沙漠，人們通過水池、石堤、水壩、水窖等多種形式收集雨水，獲得足夠的水量來支持世界上人口最稠密的沙漠，每平方公里達(dá)60人。幾百年前，在美國亞利桑那州的印第安人用漏斗狀的長堤，把雨水集中到幾公頃的土地上，種植玉米、甜瓜等。500多年前，科羅拉多州的阿那薩基人建造數(shù)以千計的小壩截留雨水種植玉米、豆子和蔬菜。雨水利用技術(shù)曾經(jīng)有力地支撐了古代許多地區(qū)的燦爛文明。我國雨水利用的歷史源遠(yuǎn)流長。早在4000年前的周朝時期，我國勞動人民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就利用中耕等技術(shù)增加降雨入滲，提高作物產(chǎn)量。秦漢時期在一些地方修建澇池塘壩攔蓄雨水進(jìn)行灌溉；而修筑梯田利用雨水的方式則可以追朔到東漢。在生活用水方面，干旱地區(qū)的農(nóng)民利用水桶、瓦盆等收集降雨時屋面滴檐水飲用；水窖修筑歷史也有數(shù)百年，在甘肅會寧尚有一清朝末年修筑的水窖至今仍在使用。1.2雨水利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.2.1雨水利用發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀(jì)初開始，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的興起，先是地下水的開采在許多地方逐漸取代了雨水利用技術(shù)。接著，以控制洪澇災(zāi)害、利用河川徑流和開采地下水為目標(biāo)的當(dāng)代水利工程的修建，又為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是農(nóng)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定增長，發(fā)揮了很大的作用，取得了巨大的效益，雨水利用技術(shù)漸漸被人們遺忘。但是，隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與發(fā)展，人口的不斷增長，對有限的水資源提出了越來越高的要求，水資源的緊缺已成為許多地區(qū)制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在這種背景下，雨水利用技術(shù)又重新引起了人們的注意。特別是聯(lián)合國1981一1990年“國際供水與衛(wèi)生十年”(IDWSSD)計劃啟動以來，這一技術(shù)迅速在世界各國得到復(fù)興和發(fā)展，成為許多國家解決水資源不足，特別是農(nóng)村人口生活用水困難的一個重要途徑。目前，在世界6大洲都有收集雨水解決生活用水的例子。包括發(fā)達(dá)國家的日本、澳大利亞、加拿大、美國、德國、瑞典等和發(fā)展中國家的泰國、印度、尼泊爾、斯里蘭卡、孟加拉國、菲律賓、伊朗、巴勒斯坦、肯尼亞、突尼斯、南非、博茨瓦納、納米比亞、津巴布韋、烏干達(dá)、贊比亞、坦桑尼亞、埃及以及巴西、墨西哥、哥倫比亞等國都在發(fā)展這一技術(shù)。利用雨水解決生活用水不僅僅局限于農(nóng)村，也包括諸多現(xiàn)代化的城市。例如，在日本大多數(shù)城市均設(shè)置雨水利用系統(tǒng)，主要用于沖洗廁所、澆灌草坪，也用于消防和發(fā)生災(zāi)害時應(yīng)急用水。另外，存儲雨水的水池還用做調(diào)節(jié)城市雨洪的設(shè)施，在洪水季節(jié)要留出約1／3的容積存放洪水，以減少城市下水道的負(fù)擔(dān)。除了在一般住房中修建蓄水池外，在有些大型建筑物如相撲館、大型會場、機(jī)關(guān)大樓下部均建有容積達(dá)數(shù)千立方米的地下水池存蓄雨水。美國從20世紀(jì)80年代初就開始研究用屋頂雨水集流系統(tǒng)解決家庭供水問題，1983—1993年，USAID資助了一項面向全球的雨水收集系統(tǒng)計劃(RWCS)，以后又建立了雨水收集信息中心(RWIC)和一個通訊網(wǎng)。農(nóng)村利用雨水規(guī)模最大的是泰國。20世紀(jì)80年代開展的泰缸(Taijar)工程，建造了1200多萬個2m3的家庭集流水泥水缸，解決了300多萬農(nóng)村人口的吃水問題。澳大利亞在農(nóng)村及城市郊區(qū)的房屋旁，普遍建造了用波紋鋼板制作的圓形水倉，收集來自屋頂?shù)挠晁?jù)南澳大利亞的一項抽樣問卷調(diào)查表明，使用雨水的居民比用城鎮(zhèn)集中供水系統(tǒng)的要多。加勒比海地區(qū)雨水也是許多地方居民生活用水的主要來源，百慕大群島80％以上的居民用水來自雨水收集系統(tǒng)。在非洲，肯尼亞的許多地方，UNDP和世界銀行的農(nóng)村供水和衛(wèi)生項目把雨水存儲罐作為項目的一個重要內(nèi)容，在學(xué)校、醫(yī)院建造了許多10～100m3的儲水罐。這種技術(shù)后來傳到博茨瓦納、納米比亞、坦桑尼亞等地，帶動了非洲的雨水集蓄工程的發(fā)展。在拉丁美洲的墨西哥和巴西，雨水利用也開展得比較普遍。墨西哥的Chiapas高原有較完善的雨水收集系統(tǒng)，由鋁制屋頂、梯形地下水池、過濾池、水泵等組成。巴西東北部靠近赤道的半干旱帶Petroina地區(qū)，在國際組織的資助下，幫助貧苦居民修建用鐵絲網(wǎng)水泥、預(yù)制混凝土板、石灰襯砌和磚砌的儲水罐2000多個。20世紀(jì)中葉以來，國外興起了對徑流農(nóng)業(yè)(RunoffAgriculture)的研究和實踐。以色列政府制定了為期30年的龐大徑流農(nóng)業(yè)計劃，在內(nèi)蓋夫地區(qū)建立可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。聯(lián)合國有關(guān)組織把發(fā)展適合當(dāng)?shù)貤l件的徑流農(nóng)業(yè)技術(shù)作為援助非洲的一項重要內(nèi)容，組織發(fā)達(dá)國家科技人員在非洲許多地區(qū)做了大量試驗示范。以色列通過多年努力，重新起用和改進(jìn)了古代的納巴泰系統(tǒng)，并被中東、非洲及美洲的一些國家的干旱地區(qū)效仿。在技術(shù)方面還研究了集流面材料和集流效果，提出了設(shè)計方法和發(fā)展徑流農(nóng)業(yè)的基本技術(shù)措施。國外徑流農(nóng)業(yè)分為以下幾種類型：1、“集流區(qū)+種植區(qū)”為特征的微集水農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由微型集流區(qū)和利用徑流的種植區(qū)組成。在集流區(qū)收集的徑流直接集中到種植區(qū)，為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)增加水分。徑流區(qū)和種植區(qū)的面積比例取決于降雨量和作物需水。例如在巴西的Petrolina地區(qū)進(jìn)行了利用田間土壟富集雨水的試驗和示范。對比試驗表明，此種措施可使作物增產(chǎn)17％～58％。在墨西哥、博茨瓦納等地也有此種實踐，并建立了根據(jù)當(dāng)?shù)赜炅?、徑流系?shù)和作物需水量計算作物間距的數(shù)學(xué)模型。微集水技術(shù)應(yīng)用在造林上稱之為徑流林業(yè)。其主要做法是在林帶之間或林帶附近地建立集水區(qū)，把徑流集中到林帶上，以供林業(yè)生長利用。以色列涅杰夫地區(qū)中北部稀樹草原化工程，在年降水量不到200mm地區(qū)，用了兩年的時間在山坡建造微集水區(qū)，利用該地區(qū)坡面黏重土壤的天然結(jié)皮匯集徑流的作用，沿等高線的垂直方向每隔45~60m，在其下方挖一半月形植樹坑(類似我國的魚鱗坑)，坑的下沿用土或石塊筑埂攔蓄徑流。微型集水區(qū)的平均面積為265m2，經(jīng)5年的觀測，研究所有樹種的高生長可達(dá)到初始栽植高度的3～5倍，它表明在微型集水區(qū)中儲存的徑流水足夠支持樹木正常生長的需要。自20世紀(jì)70年代以來，在美國、前蘇聯(lián)、突尼斯、巴基斯坦、印度、澳大利亞等國，在地形較為復(fù)雜干旱的丘陵及沙漠地區(qū)，在不需蓄水設(shè)置時，利用自然坡面建造微型集水區(qū)收集徑流。每一微型集水區(qū)的坡面事前平整好，再在低處栽植一株樹木。微型集水區(qū)的面積為20—1000m2，其大小要根據(jù)所在地的降水量和樹木對水分需求量而定。2、“集流區(qū)+蓄水設(shè)施+輸水設(shè)施”為特征的集雨蓄水技術(shù)集雨蓄水技術(shù)是收集雨水產(chǎn)生的徑流并儲存于蓄水池或蓄水罐內(nèi)，再通過輸水設(shè)施供給農(nóng)業(yè)灌溉。收集徑流的區(qū)域可以大到幾個到十幾平方公里的小流域，小到幾百平方米。例如印度對AndhraPradesh地區(qū)8.9hm2的小流域研究認(rèn)為，修建6處由1hm2集流面、300m3蓄水池組成的系統(tǒng)，即可為該流域農(nóng)田提供充足的補(bǔ)充灌溉用水。在印度許多省份，采取修建小型水池、塘壩、谷坊等攔蓄雨水，進(jìn)行灌溉。在墨西哥，采用淤地壩、谷坊等來收集儲存雨水?？夏醽喨R基比亞(Laikipia)地區(qū)示范項目在年雨量600mm的情況下，資助居民修建容積為l00m3的地下水池，其中25m3用于家庭生活及牲畜飲水，75m3用于灌溉庭院，雨水收集面為鐵皮屋頂。項目收到很好效果，玉米產(chǎn)量從項目實施前的1800kg／hm2提高到2700kg／hm2，增產(chǎn)50％。由于糧食的增加和水源的保證，畜牧業(yè)也得到相應(yīng)發(fā)展。3、“平整土地+增加入滲+攔蓄雨洪”為特征的攔截雨水措施包括修整梯田、臺地、水平溝等以增加土壤含水量等多種措施。前面所說的納巴泰方法也是一種攔截雨水的技術(shù)，在中東和北非得到廣泛應(yīng)用。該方法是沿山坡修建淺的溝網(wǎng)，把洪水引入干旱河谷。在河谷中則修筑梯田，或者修建小水壩、堰，把土地截成小塊，以攔蓄引過來的雨洪。伊朗北部阿塞拜疆省在年降水250mm的條件下，修建水平溝和臺地，植樹種草，增加植被，取得了一定效果。在布基納法索試驗了一種用植物障礙攔截雨洪的方法，可以增加在障礙前后的土壤含水量，由于植物障礙的透水性，又不至于造成上游被水淹沒。這種形式在伊朗、墨西哥的干旱地區(qū)也得到應(yīng)用。4、引洪漫地和回補(bǔ)地下水伊朗許多地方采取引洪漫地來恢復(fù)植被和回補(bǔ)地下水?；虿扇≈涡罘e徑流，對地下水進(jìn)行回灌，增加井的出水量。由于城市化所帶來的大面積不透水層，使得日本首府東京從1967—1987年20年問地下水的自然補(bǔ)給率下降了37％，由此造成地下水位下降，泉水枯竭，河水減少。從1990年開始，東京地區(qū)啟動了一項利用下滲坑回補(bǔ)地下水的計劃[102]，在房前屋后埋設(shè)直徑為350mm深600mm管壁全為人滲孔的下滲坑，到1995年共安裝了180000套下滲坑，觀測結(jié)果表明，與項目實施前相比，在同樣的降水量情況下，泉水?dāng)嗔髌诳s短了35％，回補(bǔ)地下水效果十分顯著。徑流農(nóng)業(yè)技術(shù)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。同時，這項技術(shù)所花的代價比一般工程要低。據(jù)美國新墨西哥州的試驗，微集水技術(shù)的費(fèi)用僅為水泵抽水工程的1／3~1／2。實踐表明，徑流收集技術(shù)不僅可以用在發(fā)展干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且能建立新的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，起到改善生態(tài)環(huán)境的作用。這在以色列及非洲、美洲有很多成功經(jīng)驗。我國從20世紀(jì)50年代開始，人們就利用窖水點(diǎn)澆玉米、蔬菜等，突破了原來只用窖水作為生活飲用水的觀念。80年代后期，這一思路得到迅速發(fā)展，人們將收集的雨水用于發(fā)展庭院經(jīng)濟(jì)和大田作物需水關(guān)鍵期的補(bǔ)充灌溉。1988年以來，甘肅省在中東部干旱缺水地區(qū)開展了雨水利用試驗示范研究，并將其成果進(jìn)行推廣；1995年在甘肅干旱半干旱地區(qū)實施了“121雨水集流工程”，1997年制定并出版了《甘肅省雨水集蓄利用工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。同一時期，寧南山區(qū)實施“窯窖農(nóng)業(yè)”，內(nèi)蒙古自治區(qū)在準(zhǔn)格爾旗和清水河縣進(jìn)行了“112集雨節(jié)水灌溉工程”試驗示范研究，陜西、山西、河南、河北、江蘇、浙江、貴州等省亦進(jìn)行了雨水利用試驗研究。2001年我國正式編制出版了國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范》(SL267—2001)。這是世界上在此方面的第一部正式技術(shù)法規(guī)。1995年第7屆國際雨水集流系統(tǒng)協(xié)會(InternationalRainwaterCatchmentSysternAssociation)大會在北京舉辦，1996年11月，在蘭州召開了第一屆全國雨水利用學(xué)術(shù)討論會暨東亞地區(qū)雨水利用國際學(xué)術(shù)研討會，1998年9月和2000年9月分別在徐州和大連舉行第二和三屆全國雨水利用學(xué)術(shù)研討會，2001年在蘭州又舉行了第四屆全國雨水利用學(xué)術(shù)討論會及國際研討會，成立了中國水利學(xué)會雨水利用專業(yè)委員會。近年來我國在雨水集蓄利用系統(tǒng)中集流面的集雨效率、蓄水工程的形式和結(jié)構(gòu)、雨水集蓄系統(tǒng)的應(yīng)用模式、水質(zhì)問題、節(jié)水灌溉方式、非充分灌溉及有限灌溉理論的研究和應(yīng)用和灌溉制度及效益等問題上都取得了大量成果。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，從20世紀(jì)80年代后期到目前為止，全國已建成水窖、水池、小塘壩等小微型工程1200萬處，蓄水160億m3，初步解決了3600萬人的飲用水問題，為近266．7萬hm2旱作農(nóng)田提供了補(bǔ)充灌溉水源，使近3000萬人有了較穩(wěn)定的水利條件，開始擺脫干旱缺水的束縛和困擾。這項技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。目前，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，雨水集蓄利用已不單單是一項普通的微型水利工程，而成為干旱缺水地區(qū)人民改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高糧食單產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展經(jīng)濟(jì)脫貧致富的重要手段。1.2.2雨水利用的發(fā)展趨勢從國際上看，對雨水利用已從單純解決家庭供水，發(fā)展到注意其在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境上的應(yīng)用。2001年國際雨水集流系統(tǒng)協(xié)會理事會已決定把協(xié)會的宗旨擴(kuò)大到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，并對會標(biāo)也相應(yīng)作了改變。在這方面我國已走在世界前列。當(dāng)前我國對雨水集蓄節(jié)水灌溉的研究主要集中在：一是在雨水集蓄工程系統(tǒng)中，研制開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的集流面材料，研究各類蓄水工程的適用條件和優(yōu)化模式；二是研究雨水集蓄節(jié)水灌溉的方式、優(yōu)化灌溉制度及與傳統(tǒng)和現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)結(jié)合使雨水利用效益最大化；三是研究雨水集蓄家庭水安全性問題。這些問題在上述研究項目中均進(jìn)行了大量工作，但距離完全解決還需要作很多工作。1.2.3雨水農(nóng)業(yè)利用的意義我國的雨水利用已遍及全國，但集雨農(nóng)業(yè)主要適用于半干旱和半干旱偏旱氣候區(qū)。干旱氣候區(qū)年降水量一般不足250mm，遠(yuǎn)不能滿足植物正常生長的需要，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)只能在有徑流匯集的綠洲主要依靠灌溉進(jìn)行。由于降水稀少，多數(shù)降水過程不產(chǎn)流，單位集雨面的可集蓄水量較少，依靠集雨維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成