(一)雨水利用内涵
1.概念及其类型
天然降水一般由降雨、降雪、降霜等组成。由此可见,雨水是天然降水的主要表现形式之一。从这个意义上说,雨水利用是一个非常广泛的概念。因此,从广义角度上来说,对雨水的一切利用方式都可界定为雨水利用。
从根本上说,在自然界水资源循环系统中,几乎所有形式的水都来自于大气降水——雨水。因此,雨水利用不仅仅是指单纯地从时间尺度上进行调控的雨养农业利用和从时间、空间尺度上加以双重调控的农村生活利用,同时还应该包括跨区域、跨流域实施综合调控的人工增雨、水土保持、水源涵养、城市防洪和生态环境改善等水资源利用的各个层次和方方面面。就这种广义的雨水利用而言,其外延几乎囊括了目前水资源利用的所有形式,涵盖了水资源利用的所有途径,涉及经济社会发展的方方面面,具有显著的普遍性、广泛性和社会性。
随着水资源利用内涵和外延的不断拓展,无论是狭义还是广义的水资源及其开发利用概念都发生了显著变化。与此同时,雨水资源、雨水资源化概念的提出,为丰富和完善雨水利用内涵,拓展雨水利用范围,发展雨水利用技术奠定了理论基础,由此使得研究者对雨水利用的认识、理解不断得以强化。但即便如此,随着不同研究者对雨水利用理解的不同,其对雨水利用类型的划分也有所不同。20世纪90年代,有学者从水资源与雨水资源之间的派生关系出发,认为雨养农业利用和农村生活利用属于雨水的直接利用,也可称为雨水一级利用;而由此衍生的河流、湖泊、水库、地下水等雨水派生资源的开发利用则应属于雨水的间接利用,也可称之为雨水二级利用。同时认为,与水资源的循环与重复利用一样,雨水资源也可以进行多次派生和循环利用。21世纪初,有学者针对农业生产需水要求与已经形成的旱作农业用水模式,将其分为雨水自然利用、雨水叠加利用和雨水聚集利用。但随着雨水利用技术的不断发展、完善和技术体系的逐步形成,最新研究成果认为,雨水利用主要包括以土壤蓄水为主的单纯的以时间调控为手段的雨水就地利用、以膜料覆盖与垄沟种植为主的以空间调控为手段的雨水叠加利用与以收集、储存为主要手段同时辅以时间、空间双重调控的雨水集蓄利用。
2.基本内涵
作为具有特定含义的雨水利用,是指对雨水的原始形式和最初转化为地表径流或地下水、土壤水阶段的利用,也称之为雨水的直接利用或雨水一级利用。目前,一般文献所述的雨水利用即指这种对雨水的直接利用,也称之为狭义概念上的雨水利用。狭义雨水利用的途径主要包括:①以解决人畜饮水为主的农村生活雨水利用;②以发展农业补充灌溉为主的农业灌溉雨水利用;③以补给地下水、恢复生态植被为主的生态环境雨水利用。
(二)雨水集蓄利用定义
1.雨水利用
如前所述,雨水利用是指对雨水的原始形式和最初转化为地表径流或地下水、土壤水阶段的利用。雨水利用的形式很多,从广义的角度来看,主要包括以下几个方面:
(1)传统农业生产雨水利用:旱作农业生产中,雨水是满足作物水分需求与供给的唯一水源,基于对雨水的当时和就地利用,采取的技术措施主要包括为提高土壤蓄水能力和土壤水利用率而采取的传统雨养农业生产与耕作措施,如深松耕、耕作耙耱等。
(2)水土保持工程雨水利用:水土保持工程对雨水的利用过程主要包括建设梯田、水平沟、鱼鳞坑以及结合小流域治理实施的治沟工程措施,如沟头防护工程、谷坊、淤地坝等。这些工程的作用主要是保土保水,即尽可能把雨水就地拦蓄在土壤中,以便最大限度地被植被与其他生态系统持续利用,被认为是对雨水利用时间调控的雏形。
(3)微地形叠加雨水利用:微地形集雨措施主要包括垄沟(覆膜)种植方式以及利用作物或树木之间的空间,通过自然集流或人工措施集流,实现对雨水的叠加利用,被认为是一种较为低级的对雨水利用的空间调控,但仍可以显著增加作物或树木根系的土壤水分,保障作物或树木生育过程的水分需求。(www.daowen.com)
(4)雨洪截引工程雨水利用:通过一定的工程措施,截引某一小区域或流域的雨洪径流进行淤灌或补给地下水,事实上是把某一区域或流域的雨洪径流截引到另一区域或流域并加以利用,可以认为是雨水的一种异地利用形式,初步实现了对雨水在时间、空间尺度上的双重调控利用,形成了雨水集蓄利用的雏形。
2.雨水集蓄利用
一方面,雨水集蓄利用是在雨水利用技术基础上,借助现代材料与工程技术,通过采取集流面、引水渠槽、蓄水设施等人工措施,继而高效收集雨水、输送雨水,并加以蓄存和调节利用的过程,是对常规雨水利用技术的继承、发展和完善,完全实现了对雨水在时间、空间尺度上的双重调控和高效利用,被认为是雨水利用的高级阶段;另一方面,雨水集蓄利用是指在某一区域或范围内,通过采取一定的收集、储存、净化和利用等技术手段和工程措施,部分或全部改变天然降水的产流、汇流和径流过程,继而实现对天然降水的有效收集、合理储存、净化处理和高效利用。目前,农村雨水集蓄利用主要用来解决人畜饮水困难、发展农业补充灌溉(庭院经济、设施农业、小片农业种植)、增加生态建设用水以及为规模化畜牧业生产等提供水源。
由此可见,雨水集蓄利用的内涵主要包括雨水收集、雨水储存、水质净化和雨水利用四个环节:①雨水收集是指依托一定的高效、防渗集流面工程措施,最大限度地减少雨水收集阶段,即降雨径流过程在集流面上的水量渗漏损失,谋求对天然降雨径流的有效收集,继而增加一定区域内的可利用水资源数量,实现对区域经济社会发展水资源需求的保障供给;②雨水储存是指通过采取一定的高标准防渗工程措施和设施,对收集的雨水加以可靠储蓄的过程,此过程以尽可能减少蒸发渗漏损失为目的;③水质净化处理是指通过采取相应的絮凝沉淀、化学反应、物理过滤等工程技术手段和净水设施与设备,使其收集并储存的雨水满足不同用水对象对水质的使用要求;④雨水利用是指对收集、储存的雨水通过采取一定的工程技术手段加以高效利用的过程,是雨水集蓄利用的终极过程,直接体现雨水集蓄利用的技术水平,体现雨水集蓄利用的效果和效率。
3.雨水集蓄利用与雨水利用的区别
无论国际还是国内,传统、常规的雨水利用具有悠久的历史,在人类历史的发展演变中发挥了十分重要的作用。雨水集蓄利用是赋予现代科技、材料和工程技术的高层次雨水利用,发展于20世纪80—90年代,至21世纪初逐步得以完善并初步形成了一系列完整、配套的综合技术体系,在我国干旱地区人畜饮水、农业灌溉、生态建设等领域发挥了重要作用。总体来看,雨水集蓄利用和常规雨水利用的区别主要表现在以下几个方面:
(1)对雨水在时间尺度上的调控作用有所不同。当丰水期降雨量超过用水需求量时,对雨水的调控意味着要把多余的雨水加以储存以便用于补充枯水期用水需求的不足。在常规雨养农业生产中,唯一的方法是将雨水储存于土壤中。但是,一方面土壤的孔隙容积有限,相应的蓄水能力也相对有限;另一方面,在日照、风吹等外界因素的作用下,裸露土壤中的水分有很大一部分进入大气循环系统,消耗于无效蒸发,因此使得土壤中的水分不能全部被作物吸收利用,继而导致干旱发生,作物减产。而雨水集蓄利用则采用垄沟种植、膜料覆盖等就地集蓄利用措施,有效减少了土壤无效蒸发损失,延长了有效供水时段,实现了对雨水在时间尺度上的调控利用。
(2)对雨水在空间尺度上的调控作用有所不同。当某一区域的降雨量不足以满足用水需求时,雨水集蓄利用环节通常采取扩大雨水收集面,并通过对集流面的防渗处理,提高集流效率,从而增加可利用水量,实现了对雨水在空间尺度上的调控利用。而常规雨水利用,一方面往往只利用本区域天然降水,即便是从异地引入径流,其利用规模、利用效率也较低;另一方面,常规雨水利用通常不建设专用集流面,也不进行集流面的防渗处理。
(3)对雨水在时间、空间尺度上的调控作用均有所不同。雨水集蓄利用充分利用现代材料和工程技术,采用集流面、输水渠槽、蓄水设施等高效集水、输水、蓄水工程措施,实现了对雨水在时间、空间尺度上的双重有效调控,最大限度地减免了雨水集蓄利用各环节的蒸发渗漏损失,显著增强了雨水调控能力,提高了雨水利用效率和利用水平。
雨水集蓄利用与常规雨水利用比较见表2-1。
由此可见,雨水集蓄利用基于雨水利用,但又高于雨水利用,是雨水利用的一种特殊形式与高级阶段。与传统雨养农业生产中以土壤蓄水、被动利用过程比较,雨水集蓄利用采取工程措施收集、输送、储存雨水(集流面、引水渠槽和蓄水池),各环节工程措施均具有较高的利用效率,不仅提高了雨水的综合利用效率,而且通过输送、储存等环节,进一步增强了对雨水的调控能力,实现了对雨水的有效收集、合理储存,为进行雨水的高效利用创造了条件。可以认为,雨水集蓄利用是千百年来人类利用雨水智慧的结晶,是现代建筑材料与科技发展的产物,是雨水利用的更高层次,标志着雨水利用进入了更高阶段。
表2-1 雨水集蓄利用与常规雨水利用比较表
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