黄土高原半干旱区雨洪资源高效管理利用技术模式研究

高雅玉，田晋华，宋佳奇

(1.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730000； 2.陇南市水利电力勘测设计院，甘肃 陇南 746000)

黄土高原半干旱区雨洪资源高效管理利用技术模式研究

高雅玉1，田晋华1，宋佳奇2

(1.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730000； 2.陇南市水利电力勘测设计院，甘肃 陇南 746000)

雨洪资源；集蓄利用；高效管理；技术模式；黄土高原半干旱区

根据黄土高原半干旱区的水资源特点，以最基本的地形单元——塬面和沟道为基础，提出了塬面雨洪资源村社高效管理集中收集利用技术模式、“高效净化型庭院经济式”管理利用技术模式、生态水箱式道路雨洪资源蓄集利用系统技术模式、道路雨洪高效收集生态灌溉技术模式，以及沟道雨洪资源单坝利用技术模式、多坝利用技术模式和坝库联蓄高效利用技术模式。通过对各技术模式的推广和应用，可使雨洪资源的利用效率提高40%、蓄水效率提高40%、保土效率提高34%、水资源保障程度提高26%，这些水资源用于灌溉可使粮食产量增加20%、产值增加20%。这些技术模式的应用为区域提供了安全、经济的水资源，保障了区域经济社会的可持续发展，也为区域雨洪资源高效管理利用提供了新途径。

黄土高原半干旱区农业生产历史悠久，煤炭、石油、天然气资源丰富，但是水资源短缺，降雨量年际年内变化大，洪涝灾害和旱灾频发，而近年来经济快速发展对区域水资源保障提出了更高的要求。为充分利用宝贵的雨洪资源，当地群众进行了大量探索实践，但是存在几个问题：一是水资源总量极端贫乏；二是河川径流年际年内分配不均；三是部分地区为苦水区，水质矿化度高，干流全河段水质差，难以利用。经过多年治理，在黄土高原半干旱区建成了大量淤地坝等水土保持沟道工程，积蓄了一定量的雨洪资源。合理利用这部分水资源，开展流域水土保持沟道工程雨洪资源高效管理、集蓄利用技术研究，提高雨洪资源的利用效率，可解决部分新能源产业、工业的需水问题，显著改善区域农业生产条件，提高农业生产水平，增加粮食产量，为区域发展提供安全、经济的水资源保障，为生态文明建设奠定基础。

1 黄土高原半干旱区雨洪资源利用技术研究进展

雨洪资源利用是指通过自然或人类活动对天然降水进行收集和利用的过程，包括雨洪资源自然利用和雨洪资源集蓄利用两个方面。雨洪资源自然利用是指天然降水未受到人工干预，自然降至下垫面，通过土壤入渗直接被植物吸收利用的过程[1]；雨洪资源集蓄利用是指采取工程措施对雨洪资源进行收集、蓄存，结合水利工程、供排水工程等措施调节利用的过程。

黄土高原半干旱区雨洪集蓄利用具有较长时间的历史，秦汉时期就曾修建涝池、塘坝拦蓄雨水并加以利用，水窖的修建历史也有数百年；20世纪50年代，人们开始使用水窖集蓄的雨水点浇蔬菜、玉米等农作物，改变了过去只将收集来的雨水作为生活用水的做法[2]；20世纪70年代，在山西吕梁地区人们利用自然坡面进行雨水资源收集利用，发展农业生产[3]；20世纪80年代后期，人们收集雨洪资源用于发展庭院经济和作为补充灌溉水源，将传统的雨水利用技术与现代的节水灌溉方法相结合；20世纪80年代末，甘肃开展了雨水集蓄利用技术的系统试验研究和示范推广，在此基础上组织实施了“121雨水集流工程”；之后，大规模的雨水集蓄利用工程在各地区相继开展，包括内蒙古的“112”集雨节水灌溉工程、宁夏的窖水灌溉工程、陕西的甘露工程等；1992年甘肃省水利科学研究院等单位完成了“干旱、半干旱地区雨水集蓄利用试验研究和示范推广”工作，此后兰州大学等单位完成了“集流农业的理论和实践”研究，内蒙古水利科学研究院完成了“干旱山区集雨节灌试验、示范及推广”等雨水收集利用项目；21世纪初科技部“新型高效雨水集蓄与利用技术研究”“北方半干旱集雨补灌旱作区节水农业综合技术体系集成与示范”“天然降水富集利用类型区农业高效用水模式与产业化示范”等项目的实施促进了黄土高原半干旱区雨洪资源利用技术的深入研究和广泛推广[4]。

2 黄土高原半干旱区雨洪资源高效管理利用技术模式

黄土高原半干旱区由高原、沟壑、梁峁、河谷等多种地形地貌共同组成，对于该区雨洪资源的管理和利用应根据不同的地形特点，即分塬面和沟道两个最基本的地貌单元进行技术模式研究。

2.1 塬面雨洪资源高效管理利用技术模式

根据《雨水集蓄利用工程技术规范》(GB/T 50596—2010)，雨洪资源高效利用可分为直接利用(将雨洪资源集中收集作为生活用水及农业灌溉水源)、间接利用(通过土壤入渗补充地下水)和综合利用(回用与渗透相结合、利用与改善生态相结合)三种形式。根据黄土高原半干旱区塬面的降水情况及地形地貌条件，提出了塬面雨洪资源村社高效管理集中收集利用技术模式、“高效净化型庭院经济式”管理利用模式、生态水箱式道路雨洪资源蓄集利用系统技术模式、道路雨洪高效收集生态灌溉技术模式。面村社的雨洪资源进行集中高效管理和利用，对庭院外排水、乡村道路和其他集水面的雨洪资源进行收集、集中处理和高效利用。庭院外排水首先要满足村社的生态用水，多余的外排水、道路水和其他集水面收集到的雨洪资源经过沉砂池集中收集过滤(过滤池对雨水做初期净化，水质可满足一般用水要求，采用“三布两砂”的过滤形式，即粗砂-土工布-细砂-土工布-粗砂)，再进入集水池。集水池内的初次过滤水主要用于农业灌溉、乡村养殖业和乡村建设用水。农业灌溉需采用高效节水设施。经过二次净化达到饮用水水质标准后可用于乡村小型加工业。

(1)塬面雨洪资源村社高效管理集中收集利用技术模式。该模式(图1)主要针对黄土高原半干旱区塬

图1 塬面雨洪资源村社高效管理集中收集利用技术模式

(2)“高效净化型庭院经济式”管理利用模式。屋面、庭院所收集雨水水质不同，需对其进行分别收集利用。屋面雨水进入溢流箱，对其进行初次澄清后进入雨水收集池，通过雨水净化器处理后可用于生活、饮用，多余部分可通过潜水泵提升至高位水箱，便于自流使用，作为牲畜饮用水和其他生产用水。庭院雨水收集后进入溢流池澄清后再进入雨水收集池，配备高效节水灌溉设施用于农业生产，多余部分再次通过潜水泵提升至高位水箱。在此过程中定期清理溢流箱和溢流池泥沙及杂物，以满足初期雨水利用对水质的要求(图2)。

图2 “高效净化型庭院经济式”管理利用模式

图3 生态水箱式道路雨洪资源蓄集利用系统技术模式

(3)生态水箱式道路雨洪资源蓄集利用系统技术模式。生态水箱式城镇道路雨水蓄集利用系统(图3)设置于城镇道路的中间和边缘，夯实底部土层，系统模拟了天然地下水储水环境，以及地表水与地下水相互转化的动态平衡机制，最终达到雨水自动蓄集、供给绿化植物生长的动态平衡。雨水通过拦污栅后，树叶、垃圾、油类和悬浮固体等污染物被滤除，净化后的雨水进入储水装置储存起来，通过种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过拦污栅进入PP塑料雨水收集模块储存起来。雨水在收集模块中相当于地下潜水层，通过上层种植土的毛管作用供给植物生长，达到自动供给植物需水的目的。降雨量大时，PP塑料雨水收集模块蓄满水后，由于生态水箱式城市道路雨水蓄集利用系统比路面高出10 cm，雨水可通过路面排水设施排出，因此不会对系统造成破坏，保证了其抗冲击能力和运行稳定性。在缺乏降水或干旱季节可通过种植土的毛管作用向上面种植的绿化植物供水，自动调节供水量，达到雨水蓄集和利用的动态平衡，省去了绿化植物的灌溉耗水。尤其是在半干旱地区，降雨量分配不均且常以暴雨形式出现，生态水箱式城市道路雨水蓄集利用系统的优势和实用性就显得尤为突出。

(4)道路雨洪高效收集生态灌溉技术模式。道路雨水通过道路两侧边沟收集引入沉砂池澄清后再进入雨水收集池，作为补充道路绿化带、临近耕地灌溉和生态用水，采用高效节水灌溉技术。若道路附近无耕地、绿化带等，可通过管道输送至需水量较大的区域，通过修建小型蓄水存储设施和配备高效节水灌溉设施，补充农业、生态和小微工业用水(图4)。

图4 道路雨洪高效收集生态灌溉技术模式

2.2 沟道雨洪资源高效管理利用技术模式

根据黄土高原半干旱区沟道地形地貌条件和产流特点，提出了沟道雨洪资源单坝利用技术模式、多坝利用技术模式和坝库联蓄高效利用技术模式。

(1)沟道雨洪资源单坝利用技术模式。淤地坝在淤满之前，其作用相当于一个小型的调蓄水池，可以利用坝内蓄水发展养殖、灌溉农业、休闲观光等(图5)。通过有效滞洪，淤地坝将高含沙洪水一部分转化为地下水，一部分转化为清水，通过泄水建筑物排放到下游沟道，增加了沟道常流水，涵养了水源，同时对汛期洪水起到了调节作用，使水资源得到了合理利用。利用方式主要包括：①农业生产用水。在工程运行前期，淤地坝作为水源工程，有助于改善黄土高原半干旱地区群众的生产生活条件。通过单个淤地坝建设，可以在小范围内解决区域农业灌溉的缺水问题，满足农作物在需水关键时期对水分的需求。②养殖业。根据区域实际情况，利用雨洪资源发展适合当地的渔业养殖，补充大规模牛羊养殖用水，缓解当地用水短缺现状，促进雨洪资源多元化利用。③旅游观光。对于形成水域面积较大、雨洪资源收集量较大的单坝和自然环境优越的区域，可在进行农业灌溉及发展养殖业的同时，配备旅游基础设施，发展旅游观光产业，以促进当地经济发展。④其他。根据区域实际需水情况，充分利用收集的雨洪资源，减少对地下水、地表径流的取用。

图5 沟道雨洪资源单坝利用技术模式

(2)沟道雨洪资源多坝利用技术模式。以小流域为单元，通过梯级建设，大、中、小结合，治沟骨干工程控制，层层拦蓄，具有较强的削峰、滞洪能力和上拦下保作用，能有效防止洪水泥沙对下游造成的危害和收集沟道雨洪资源。坝系建成初期以蓄水拦沙为主，而随着淤地面积的不断增加，部分单坝的防洪蓄水能力逐渐降低，生产能力不断突显，这时坝系的运行模式就进入另一种状态。根据黄土高原半干旱区的降雨、洪水特点，采取“上游蓄洪+下游集蓄利用”模式，提出原有水土保持工程体系的完善方案，以集蓄洪水的最优模式新建部分坝系、确定坝系的修建规模和布置形式。以流域为单元对集蓄的雨洪资源按需分配，分新能源产业、工业农业、生活用水进行优化配置，在最大程度减少水土流失的情况下，对水资源进行高效利用。根据集蓄水资源的水量、水质情况，以“优水优用、劣水劣用”原则，按照不同保证率对集蓄的雨洪资源进行高效利用，优化合理配置水土资源。通过建设沟道坝系不但治理了沟道，而且促进了坡面治理，拦蓄了大量天然降水资源，补偿了地下水资源，提高了水资源的利用率；坝系蓄水可使旱季作物供水充足，还可发展养殖业和解决人畜饮水困难。以小流域为单元，将一条(或多条)沟道的多个淤地坝的雨洪资源利用沟道、渠道、管道等方式收集于大型水池(或水库)中，用于工业、生活和农业生产。兼顾各项水土保持沟道治理措施，联合配置使用，依次从支毛沟至主沟道布设“蓄水型沟头防护+谷坊工程+小型淤地坝+中型淤地坝+大型淤地坝”(图6)。

图6 沟道雨洪资源多坝利用技术模式

(3)沟道雨洪资源坝库联蓄高效利用技术模式。该模式即“上游蓄洪+下游集蓄利用”“上游淤地坝、骨干坝+下游水库”的蓄洪利用及水资源空间调度模式。通过骨干坝、水库的联合调度调控洪水，降低利用洪水风险，改善区域供水条件。在多条沟道、多个坝的下游修建水库，坝蓄洪排清、库蓄清排洪，将经过淤地坝澄清的水蓄存于中小型水库，供区域水资源联合调度与配置。通过支、干沟多坝群系统联合调度，对流域内相互间具有水文、水力、水利联系的淤地坝及相关工程设施进行统一的协调调度，既可保证水利设施自身安全，又可确保上下游雨洪水量损失最小，从而达到全流域系统水量损失最小的目的。以沟道坝系建设为基础，构建上游沟道坝系与下游水库联合调度体系，利用联合调度的方式达到上游坝系淤地排洪、下游水库蓄洪排清，对水库蓄水进行合理、有效的配置使用，改善生态，发展生产。依托坝库联合调度形成的体系，充分发挥坝系功能，达到拦泥淤地，雨洪合理配置利用，促进沟道生态恢复、区域经济发展的目的(图7)。

图7 沟道雨洪资源坝库联蓄高效利用技术模式

3 沟道工程、植物措施配置

在形成黄土高原半干旱区沟道工程措施技术模式的条件下，应为工程措施配备相应的植物措施(图8)。以蓄水保土为目的，在沟道治理、高效管理利用雨洪资源的同时，对沟道采取谷坊、沟头防护、淤地坝相结合的方式进行治理，形成水土保持防护体系。在沟道坡面和两侧边坡配备植物措施，选择乡土树种和经多年种植已经适应当地环境的引进树草种，如紫穗槐、柠条、沙棘、高羊茅、黑麦草、紫花苜蓿等，形成绿色屏障，以涵养水源，减少风沙和地面径流。对于支沟及主沟的治理，应统筹安排工程、植物措施，在主沟道上游布设谷坊工程，下游设淤地坝等工程，做到节节拦蓄、梯级利用。

图8 沟道工程、植物措施配置

4 效益分析

根据《水土保持综合治理效益计算方法》(GB/T 15774—2009)的规定和实地调查，应用以上技术模式建立示范点，并对示范点的经济、社会和生态效益进行分析。经调查测算，“高效净化型庭院经济式”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态灌溉技术模式每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，可以使雨洪资源的利用效率提高40%、蓄水效率提高40%、保土效率提高34%、水资源保障程度提高26%，这些水资源用于灌溉可使粮食产量增加20%、产值增加20%。黄土高原半干旱区流域雨洪资源高效管理利用技术模式的实施和推广应用，可显著提高区域水资源集蓄利用水平，增强雨洪资源利用效率，减少集中常规灌溉工程投入的1/5～1/4。洪水资源的有效利用不仅可以缓解洪水灾害，减轻城镇防洪排洪压力，而且可以提高水资源支撑能力。雨洪资源的综合利用，对于改善区域内居民的生存环境、解决地区的水资源危机、促进区域社会经济的健康稳定发展具有重大现实意义。

5 结 语

根据黄土高原半干旱区的降水分布特点，以最基本的地形单元——塬面和沟道为基础，提出村社、庭院、道路塬面雨洪资源收集技术模式和单坝、多坝、坝库联蓄沟道雨洪管理利用模式。通过对上述技术模式的推广和应用，可解决部分新能源产业、工业的需水问题，显著改善区域农业生产条件，提高农业生产水平，有效增加粮食产量，为区域提供安全、经济的水资源，大大缓解区域水资源危机，提高区域的水土资源利用效益和对经济社会发展的支撑能力，保障区域经济社会的可持续发展。

[1] 张新燕,蔡焕杰.雨水集蓄利用研究进展[J].干旱区资源与环境,2001,15(3):87-90.

[2] 陈爱侠,于法稳.黄土高原半干旱区雨水集蓄利用研究[J].前沿论坛,2002(12):46-48.

[3] 李云岚,王志发,丁福俊,等.雨水资源集蓄利用研究进展[J].水土保持应用技术,2008(3):29-31.

[4] 雨水利用专业委员会.雨水集蓄利用学科发展与展望[J].中国水利,2004(11):31-36.

(责任编辑 李杨杨)

陇原青年创新人才扶持计划(甘组通字〔2014〕93号)；甘肃省科技厅重大专项课题(1203FKDA035)；甘肃省水利科研技术推广项目(甘水科外发〔2013〕293号，〔2014〕223号，〔2015〕55号)；甘肃省科技支撑计划项目(1204NKCA087)；甘肃省水利厅水资源费项目(甘财农〔2010〕162号)

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1000-0941(2015)12-0064-04

高雅玉(1985—)，女，天津市人，工程师，硕士，主要从事水资源与水土保持方面的研究工作。

2015-07-20