浙江省设施农业雨水集蓄利用研究初探

刘述丽,陈 瑾

(浙江同济科技职业学院,浙江 杭州 311231)

1 浙江省水资源状况及雨水资源利用的可行性

浙江省位于我国东南沿海,海洋带来充沛的水汽,空气湿润,雨量充沛,属于丰水地区。所以,对许多人来说,并没有深刻认识到水资源短缺对浙江经济社会发展的制约作用。随着浙江省工业化、城市化的快速发展,水资源对经济发展的瓶颈作用日益明显。据水利部门测算,浙江省多年平均水资源总量937亿m3,单位面积水资源量较高,仅次于广东、台湾、福建省,居全国第4位,达全国平均数的3倍。但是,人均水资源占有量只有约2 010m3,低于全国平均水平。水资源的时空分布很不均匀,雨旱季节性明显,且多以暴雨形式出现,影响地表径流的利用率,60%左右的水以洪水形式流入大海。另外,水资源的地区分布与人口、耕地和经济布局也不相匹配,人口稠密的平原与滨海地区水资源短缺较为突出[1]。2003年发生的严重干旱,区域性缺水矛盾更加突出,一些地区甚至出现了人畜饮水困难。于此同时,浙江省城市用水、工业用水、服务业用水、生态用水已经进入一个快速增长期,水资源制约将显现化、长期化。水资源有限性与需求增长的矛盾,将是今后相当长时期内浙江经济社会发展的制约因素。解决的措施除了计划用水、全面节流、加强管理外,开源节流、科学调蓄、充分利用降雨,是缓解浙江水资源紧缺问题和防洪减灾的重要举措。

从浙江省雨水资源的时空分布上看,由于受季风气候影响,降水主要集中在春夏之交的 “梅雨季”和夏秋之交的“台风季”,特别是梅雨季节降水范围广,持续时间久,台风降雨强度大,降水资源相对充沛[1]。全省多年平均降雨量为1 403.1 mm,湿度为76%左右。从雨水资源上来看,全省完全可以发展雨水集蓄利用技术。

2 集雨节灌对浙江省设施农业发展的意义

2.1 浙江省设施农业现状分析

设施农业是采用具有特定结构和性能的设施、工程技术和管理技术,改善或创造局部环境,为种植业、养殖业及其产品的储藏保鲜等提供相对可控制的最适宜温度、湿度、光照度等环境条件,以期充分利用土壤、气候和生物潜能,在一定程度上摆脱对自然环境的依赖而进行有效生产的农业。按主体不同,设施农业可以分为2种类型:设施栽培和设施养殖[2]。设施农业使农作物远离了自然灾害的影响,摆脱了靠天吃饭的局面,是农业现代化的一个重要标志,近年在浙江等经济发达地区发展极为迅速。目前,全省设施农业面积达8.5×104hm2(127.2万亩),设施农业总产值达150多亿元,平均产值达到8 000元/667 m2以上。在2009年召开的全省设施农业现场会上,省政府明确了加快浙江省设施农业发展的目标任务:到2012年,全省设施大棚栽培面积超过1.2×105hm2(180万亩),山地竹林设施栽培面积达到6.67×104hm2(100万亩),喷微灌面积达到6.67×104hm2(100万亩)。然而设施大棚中雨水资源不能被直接利用,温室大棚中的用水全靠取水灌溉,而且温室中的作物具有生长期长、茬数多,需水量大等特点,故多数水源不能满足花卉、果蔬优质高效生产需要,多数常将饮用水用作灌溉。据报道,不同蔬菜在大棚栽培下不同土壤和不同时期的需水量为1.1～15 mm/d,故大棚年耗水量为4 015～54 750 m3/hm2,若以5 mm/d计,则大棚栽培年需水量为18 250 m3/hm2。以年降雨量1 300 mm、雨水收集率85%计算[3],则雨水收集量为11 050 m3/hm2,能在较大程度上满足灌溉用水,大大节约水资源。

2.2 集雨节灌对浙江省设施农业发展的意义

集雨节灌是设施农业实现持续优质高效的重要途径。目前,国内仅北京等少数地区对此有所研究,但研究的深度和广度较有限,雨水的收集利用主要限制在连栋大棚上,集流面积也以地面硬化或铺膜集雨为主,方法较传统。而浙江在这方面的研究尚未见报道,浙江雨水资源较丰富、分布不匀,雨水集蓄效率较高,目前全省已发展设施农业面积达8.5×104hm2,其中90%以上为普通大棚,这部分大棚的雨水集蓄和利用几乎还是空白,故在浙江研究集雨节灌在设施农业中的应用意义重大,主要体现在:

(1)集雨节灌是设施农业中节约水资源的有效举措。设施大棚中雨水资源不能直接利用,作物需水全靠灌溉用水,需水量大。如果对雨水加以集蓄利用,以年降雨量1 300mm、雨水收集率85%[3]计算,则雨水收集量为11 050 m3/hm2,能在较大程度上满足灌溉用水,大大节约水资源。

(2)集雨节灌有利于提高农产品质量,实现设施农业优质高效生产。设施农业中水的质量及其灌溉方式是影响其优质高效的重要因素,多数作物对水质有较高的要求,而普通灌溉用水很难满足作物的这些要求。如一般的灌溉河水的CE值 (含盐量)为1.5～3mmho/cm,而凤梨等优质花卉的灌溉水CE值要求在0.1 mmho/cm以下。雨水是十分良好的灌溉用水,不仅CE等各项指标都有利于大多数作物的生长发育,增进品质和产量,避免水质对作物的污染和影响,实现“绿色”生产。同时,雨水还能满足微喷、微滴等节水灌溉对水质的高要求,有利于避免或减轻微灌系统的喷、滴头堵塞,提高雨水利用率,改善作物灌溉模式。

(3)集雨节灌有利于优化土壤性质,使设施农业实现持续高效发展。设施大棚中长期靠提水或地下水灌溉,土壤性质极易恶化,尤其在土壤盐碱性较重的平原或海涂地区,返盐现象普遍存在。利用雨水灌溉,特别是采用微喷或微滴等节水灌溉方式,有利于降低土壤盐份,减少土壤污染,特别是减轻亚硝酸盐、重金属等有毒有害物质的污染或积累,优化土壤性质,有利于促进作物的良好生长,提高农产品品质和产量,保持生态良好循环,有利于设施农业这一现代农业实现优质高效,可持续发展。

(4)集雨节灌有利于排涝减洪、保持水土及其生态环境良好。浙江雨量较多,时空分布不均,尤其是在 “台风季”,降雨强度大,冲刷力强,由于大棚内不能直接吸收利用天然雨水,使得周围地表径流加大,土壤和养分冲刷加剧,水土流失严重。如果棚面雨水能有效收集贮存起来,不仅能减轻防洪排涝的压力,还可减少水土流失,保持良好的生态环境。

3 设施农业的雨水集蓄利用系统

3.1 雨水集蓄利用系统组成

设施农业的集雨系统主要包括集流系统、输水系统、储水系统及其它附属工程几部分。降落在集流面上的雨水,经过集流系统汇集在输水沟(管)中,经净化过滤装置后储存在储水池中,收集的雨水最后通过水泵、管道和原有灌溉首部连接,进入原灌溉管网,进行作物补灌。

(1)集流系统。集流系统主要包括集流面和集雨管。集流面主要为大棚棚面。集雨管包括棚顶集雨管和垂直集水管。棚顶集雨管可以利用半圆形或梯形水槽,安装在大棚两侧的棚檐处,和大棚钢架构成一个整体,只是集雨管长度要略大于棚檐长度,以便在外伸端处留孔,孔口承接竖直集水管。

(2)输水系统。雨水传输系统的作用是通过雨水管(沟)把雨水传输到净化过滤系统,然后进入储水系统。输水管 (沟)和集流系统中的竖直集水管相连。沟 (管)网断面尺寸一般为:宽30 cm,高50 cm,坡降0.5～1.0左右。

(3)储水系统。储水系统是雨水利用系统的主要构筑物,是实现雨水有效收集利用的重要保证。它不仅起到棚面雨水收集的作用,同时也起到调节、沉降作用。该研究设计了一种三分式储水池,这种储水池直接与过滤净化装置相连,净化吸附材料依次为粗砂、砾石、活化粉煤灰。经净化后的雨水进入三分式储水池,这种三分式结构利用储水池中的隔墙减小雨水流经的流速,使雨水充分沉淀,该套净化设施的断面如图1所示[4]。设计从简便、经济的角度出发,储水池一般很浅,在若干个用水周期结束后,可以采用人工方法进行清污处理,以便保证储水池的洁净性。

图1 雨水储水系统构成图

3.2 雨水集蓄利用系统成本核算及效益分析

设施农业雨水集蓄利用工程的投资概算主要包括:棚顶集雨管、竖直落水管、输水管沟、储水池及储水池所配备的雨水过滤净化装置。目前还没有明确的雨水集蓄利用工程规范,故参考 《浙江省建筑工程概算定额》,估算雨水利用工程的基建投资总额为3.75万元/hm2。

设施农业雨水集蓄利用项目本身具有直接的经济效益。雨水集蓄利用工程不仅可大大节省原有灌溉设施的建设、运行和维修费用,另外,还可直接节省水资源及灌溉用水成本费用。据资料显示,目前农田灌溉用水价不到成本价格的1/3,按照灌溉水成本均价0.4元/m3、每年收集雨水量11 050 m3/hm2计算,可节约4 500元/hm2灌溉水价。仅考虑该两方面,集雨设施建设成本就可在3～5 a内收回。

设施农业雨水集蓄利用项目本身除具有直接的经济效益外,更重要的,还具有长远的生态及社会效益。雨水集蓄利用不仅可防治强降雨造成的水土流失,节约水资源,还可在一定程度上缓解水资源日益短缺的局面,通过涵养地下水资源保护水生态环境,对节水型及生态型社会的建设起到一定的促进作用。

4 设施农业中雨水集蓄利用技术要点

设施农业雨水集蓄利用需要注意如下问题。

(1)集雨管、输水管 (沟)、沉沙池、储水池结构设计要根据当地降雨资料和作物灌溉制度确定,力求经济合理。通过对全年雨水集蓄量和不同季节的灌溉量,应提出适合浙江的贮水池容积与集雨面积的比值,以最大程度地集蓄雨水并节约成本。

(2)雨水水质处理技术及效果需进一步进行试验,净化后的雨水水质要适于作物灌溉。

(3)雨水利用应和原有灌溉首部和管网有机结合,集雨沟和排水沟有机结合,以降低投资。

5 结 语

设施农业通过雨水集蓄利用技术可有效地使作物喝上天上水,在一定程度上缓解了浙江省地下水资源不足和水资源需求不断增高的矛盾,特别是对地下水缺乏、设施农业生产相对集中的地区,有着重要的意义。

在设施农业雨水集蓄利用研究中,使雨洪水利用形成一个完整的系统,是一种产生多种效益的有效措施,具有明显的经济、社会及生态环境效益。

[1]ZHANG Jin-ru(张金如).Discussion on sustainable development for water resources in Zhejiang Province[M]//朱琰 (ZHU Yan).Water and DevelopmentⅡ (水与发展Ⅱ).北京:地质出版社,2004:9-17.

[2]毛罕平.设施农业的现状与发展[J].农业装备技术,2007,33(5):4-9.

[3]袁巧霞,蔡月秋.湿润地区温室集雨系统集雨效果的研究[J].节水灌溉,2008(6):19-20.

[4]刘述丽.城市雨水利用工程技术研究[J].河南水利与南水北调,2008(3):8-10.