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西北黄土区降水资源综合调控利用基本理论和方式研究

作者:陈智汉 刘 斌 李 典  来源:澳门匍京88807com  点击数:4014   www.88807.com:2010-6-8  

[摘  要]总结西北黄土区自然环境基本特征和降水资源利用措施,针对天然降水时空分布特征和自然转化方式特点,提出了以人为调整降水自然转化方式类型组合为核心理念、以调整降水资源综合调控利用时间组合比和空间组合比为核心内容的基本理论和数学表达式,同时总结了以该理论为依据、以符合西北黄土区自然环境特征和社会经济特点为特色的降水资源综合调控利用基本方式,并列举相应典型事例证明其可行性。
[基金项目]国家重点基础研究发展计划项目(“973”项目)“水土流失综合调控原理与治理范式”(2007CB407207)

1   西北黄土区降水资源利用措施

        针对西北黄土区水土流失和干旱缺水严重并同时存在的问题,国家和地方各级水利、水保职能部门和中央、省、市科研单位等在西北黄土区降水资源利用方面开展了大量的研究工作。西北黄土区降水资源利用措施可归纳为以下3个方面:
        一是在入渗水利用方面,主要通过大面积平田整地和集水造林种草等强化降水入渗,提高降水入渗利用率和利用效率。以甘肃省庆阳市董志塬为代表的西峰黄土区为例,自20世纪50年代起,黄河水利委员会西峰水保站即组织科研人员开始了以塬面条田化为典型措施的“土壤水库”建设研究工作。特别是20世纪70年代至今大规模建设的塬面条田等基本农田使西峰黄土区完全实现了“土壤水库”建设,不仅改善了农业基本生产条件、提高了水土资源利用的经济效益,而且为消除产生严重沟谷侵蚀的塬水下沟和生态环境整治等提供了重要科技支撑,被水利部命名为“全国基本农田建设示范区”。
  二是在径流水利用方面,主要通过建设坝、塘、池、窖等工程拦蓄措施,提高降水径流利用率和利用效率。西北黄土高原地区淤地坝工程建设项目和有关省(区)雨水集蓄利用工程建设项目的实施极大地推动了西北黄土区径流资源化的进程,既为当地发展灌溉农业、解决水资源短缺创造了条件,也为治理黄土高原地区水土流失和黄河防洪减沙打下了基础。
  三是在蒸发水利用方面,主要通过地膜覆盖、调整农作物布局等措施,降低入渗降水无效蒸发损失率,提高土壤水利用率和利用效率。近年来,在甘肃中东部大面积实施的全覆盖地膜玉米农业耕作技术措施,对提高土壤保墒率、水分利用率和粮食单产作用显著。
  上述各项降水利用措施的应用,对加快西北黄土区水土流失治理进程和降水资源化利用起到了示范作用,但就整体而言,西北黄土区降水资源化尚处在无基本理论支持阶段,降水转化方式和利用方式依旧以自然化和单调化为主,其中径流水的无序流动和利用方式自然化直接导致了该区土壤侵蚀的剧烈发生和降水资源的严重流失。

2 西北黄土区降水资源综合调控利用基本理论

  从理论上讲,入渗、径流、蒸发是天然降水在地球陆地表面完成二次转化的3种基本方式,也是实现陆地水循环的基本途径。但由于地球表面地貌形态、下垫面类型、气温气压等自然环境因子和人类活动方式与频率、资源利用方式与强度等人为因子时空差异性的存在,使得天然降水的转化方式类型组合和数量分布类型组合在地域上差异很大,特别是在我国西北黄土区水土流失方式和数量分布差异很大,如当天然降水降落在平坦疏松的水平梯田时,入渗即为主要的转化方式类型;当降水落于城市水泥路面等不透水地面时,径流即为主要的转化方式类型;盛夏季节在干旱黄土丘陵区降水时,蒸发即上升为降水转化的主要方式类型。特别当降水时间、空间和降水量、降水强度等因素出现多元组合差异时,降水转化方式类型组合在时空上的差异性将更趋多样和多变,此即我国西北黄土区存在严重水土流失和干旱缺水的根源所在。本研究采用“时空错位”理论[1]调控天然降水的转化方式类型组合,通过对天然降水按人为用水时空类型进行调整,实现以降水资源化和利用高效化为目的的降水资源综合调控利用,并从理论上归纳为对天然降水转化利用时间组合比和空间组合比两个层面的调整问题。
2.1 时间组合比
  依据天然降水时间分布特征提出的时间组合比概念,是指通过对天然降水时间和降水量自然分布组合按人为需水时间和需水量分布组合进行人为调整。其基本表达式为
        Ф=Tj·TL/(RY·RL)                       (1)
式中:Ф为时间组合比;Tj为自然降水时段,单位根据具体情况设定;TL为自然降水时段降水量,mm;RY为人为需水时段,单位根据具体情况设定;RL为人为需水时段需水量,mm。
  从理论上讲,公式(1)涵盖了以下了3种基本情况:①当Ф=1时,表示降水时段和降水量与需水时段和需水量呈时间同步、数量持平状态,无需异时客水补给即可实现降水与用水的平衡,即呈所谓风调雨顺;②当Ф>1时,表示降水时段或降水量大于需水时段或需水量,此时易发生涝灾,在西北黄土区很少见,仅在个别年份汛期暴雨或霪雨多发时节发生;③当Ф<1时,表示降水时段或降水量小于需水时段或需水量,此时易发生干旱,在西北黄土区(特别是干旱半干旱区)很常见。
  公式(1)为天然降水与人为需水的时间和总量分布态势判断提供了定量分析的基本方法。由于天然降水在自然转化条件下可被植物直接利用的有效降水主要为入渗水,即降水转化利用方式类型组合仅为入渗水利用类型。对于可大幅度减少土壤侵蚀、提高降水利用率的径流水和蒸发水的利用,在降水利用完全自然化条件下则是空白,西北黄土区历史上经常发生严重水土流失和干旱缺水的主要原因即在于此。采用土壤渗蓄法和设施集存法,通过大规模建设水平梯田、集水林地等各种类型的“土壤水库”和坝、塘、池、窖等工程拦蓄措施及非工程拦蓄措施,将降水转化利用类型组合人为调整为“入渗水利用+径流水利用”或“入渗水利用+径流水利用+蒸发水利用”等复合型类型组合,即除依靠自然入渗水外,还可采用对丰水期径流水和蒸发水的设施集存和土壤蓄存等方法,消除天然降水时间、降水量与人为需水时间、需水量因时间和数量分布错位而发生的水土流失和干旱缺水问题。
2.2 空间组合比
  依据天然降水空间分布特征提出的空间组合比概念,是指通过对天然降水空间和降水量自然分布组合按人为需水空间和需水量分布组合的人为调整。其基本表达式为
        μ=Mj·ML/(SY·SL)                        (2)
式中:μ为空间组合比;Mj为降水区面积,单位根据具体情况设定;ML为降水区降水量,mm;SY为用水区面积,单位根据具体情况设定;SL为用水区需水量,mm。
  从理论上讲,在降水利用自然化方式下,公式(2)涵盖了以下3种基本情况:①当μ=1时,为典型的“天上降水满足地面用水”的理想“雨养农业”状态,在黄土高原多数地方不常见。②当μ>1时,为典型的“天上降水超过地面用水”现象,在西北黄土区很少见,仅出现在汛期暴雨或霪雨多发时节。③当μ<1时,为典型的“天上降水不够地面用水”现象,在西北黄土区不仅时有发生,而且在有些地方的发生频率还相当高,特别是在经常出现旱灾的干旱黄土丘陵区。
  公式(2)为天然降水与人为需水的空间和总量分布态势判断提供了定量的分析方法。在天地对应的降水利用自然化状态下,μ<1(即天上降水量小于地面需水量)的情况在西北黄土区很常见,是发生干旱缺水的实质性原因。调整降水区与用水区的面积比,可达到用空间上利用效益低值区降水径流补充效益高值区需水量不足的目的。具体方法是采用“径流叠加法”[2],即将N倍于用水区面积的降水区径流通过集流渗蓄等措施就近补充于用水关键区土壤中,使μ值趋近于1,从而达到用较大面积的低效降水区降水径流满足较小面积高效用水区需水量的目的,如工程集水造林就是通过将行间坡面径流集蓄于树木根系密布区的方法解决在降水利用自然化条件下因土壤干旱而存在的造林“三低”问题。

3 西北黄土区降水资源综合调控利用基本方式

  降水资源综合调控利用是西北黄土区(特别是水蚀区)治理水土流失和实现降水资源化、利用高效化的根本方法和发展方向。所谓综合就是降水转化利用方式的多样组合性和技术集成性;所谓调控就是将天然降水的转化方式由自然无控向人为可控方向转变;所谓利用就是根据天然降水资源化过程规律,达到治理水土流失与解决干旱缺水双赢的目的。针对西北黄土区不同区域的自然、经济特点和降水、需水时空分布特征,依据上述降水资源综合调控利用基本理论,总结提出了西北黄土区降水资源综合调控利用方式组合类型的总体选择原则和基本方式,并列举相应典型事例证明其可行性。
3.1 总体选择原则
  西北黄土区降水资源综合调控利用基本方式的总体选择原则:一是坚持因时因地制宜的原则。在降水转化基本方式及类型组合的选择上,应依据当地天然降水转化时间组合比和空间组合比的计算结果,确定降水入渗、径流和蒸发3种基本转化方式的组合方式和组合比。二是在人为调控天然降水转化基本方式的选择上,应坚持宜强化则强化、宜弱化则弱化、宜强弱结合则强弱结合的原则。如在地处极干旱区的甘肃环县北部农村,采用在家庭院落等地铺设混凝土集流面等强化降水径流措施集存干旱季节低强度降水径流的方法,解决当地人畜饮水严重困难;在农林草地等植物生长区,采用强化入渗措施提高土壤含水率,解决土壤干旱问题。三是在降水转化方式具体措施的选择上,应根据实际需要分别采取宜渗则渗、宜集则集、宜集渗结合则集渗结合等多元方法设计具体调控措施。
3.2 基本方式及应用典型
  降水资源综合调控利用的基本方式及类型组合主要是依据天然降水形成入渗水、径流水和蒸发水3类转化水的自然分布时空环境和数量特征、人为需求方式和数量特点等因素划分的。本研究将西北黄土区降水资源综合调控利用基本方式划分为入渗水调控利用、径流水调控利用和蒸发水调控利用3种类型。
3.2.1 入渗水调控利用方式及应用典型
  入渗水主要是指天然降水在地表疏松土体中垂直下渗形成的土壤水,它是天然降水自然灌溉农林草地最宝贵的水资源。历史上,西北黄土区农业生产水平严重低下的主要原因是大面积农林草地多为吸纳入渗降水能力低下的自然坡地,后来在我国现代农业技术措施推广过程中,先后采用了多种技术措施改善地表土壤入渗能力,如在黄土高原地区大面积、大规模实施的坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等。
3.2.2 径流水调控利用方式及典型措施
  径流水主要是指降水强度大于地表入渗强度出现超渗产流时,降水沿地表发生水平位移过程中形成的可流动水。历史上,黄土高原地区在农业灌溉等方面很早就开始利用径流水,但应用范围和规模都很小。新中国成立以来,水利水保部门在大江大河治理和黄土高原地区水土流失治理中,先后建设了许多大、中、小型水库和淤地坝等坝工拦蓄工程。在澳门匍京直营集团工程措施中主要采取建设淤地坝、塘坝等沟道拦蓄工程和水平沟、鱼鳞坑等坡面拦蓄工程,其中前者是通过修建拦蓄工程集蓄降水径流以供干旱季节使用,后者则是采用土壤水库功能分散集渗坡面径流的方法实现对坡面径流水的调控利用。特别是近年来,黄土高原地区淤地坝工程建设项目和坡面集水造林种草工程建设项目的大规模实施,对大幅度提高地表径流(特别是汛期雨洪径流)利用率等收效显著。如黄河澳门匍京直营集团生态工程齐家川示范区建设项目就是通过分别在塬、坡、沟建设径流集蓄利用工程,解决当地农田灌溉和人畜饮水困难等水源短缺问题的。
3.2.3 蒸发水调控利用方式及典型措施
  蒸发水主要是指在高温湿热或低温干冷等气候环境下发生的地面入渗土壤水被蒸发散失的部分。在过去降水利用自然化,蒸发水的形成和损失往往成为干旱地区加剧旱灾、造成农作物严重减产的助推器。随着地膜等土壤水抑蒸技术的问世,利用蒸发水为农作物提供水分已成为现实。目前,在甘肃中东部黄土高原地区广泛实施的全覆盖地膜玉米种植技术,就是通过大面积应用地膜覆盖防止土壤水蒸发、提高土壤水在土壤中的保存数量和保存时间的有效办法。该措施应用后,对提高当地玉米单产作用显著。据多点测产,全覆盖地膜玉米比非覆盖玉米增产30%  ̄40%,说明其保墒持水功能非常显著,是防止土壤水损失和蒸发水形成的有效措施。

4 结果与讨论

  (1)本研究是作者在总结前人相关研究成果和自己多年研究黄土高原地区天然雨洪优化集存技术的基础上,提出的以人为调整天然降水转化方式类型组合为核心理念、以调整降水资源综合调控利用时间组合比和空间组合比为核心内容的基本理论和基本方式,其基础理论是作者在黄土高原地区天然雨洪优化集存技术研究中提出的“时空错位”理论。
  (2)为提高降水资源利用率、拓宽利用途径,本研究中所谓降水资源化概念涵盖降水二次转化中的3种存在形态(入渗水、径流水和蒸发水),即把对降水资源化的着眼点由注重径流水利用转变到注重入渗水、径流水和蒸发水3种转化水的集成利用。本研究成果不仅对西北黄土区治理水土流失、解决干旱缺水具有现实意义,而且为拓展实现降水资源化和利用高效化的技术途径提供了理论和方法支持。

[1]陈智汉,冉大川,闫晓玲,等。黄土高原地区山坡地雨洪径流优化集存技术--池窖联蓄系统技术研究初报[J]。澳门匍京直营集团研究, 1998(4):38-41。
[2]陈彰岑.试论开发黄土高原水土流失区的有关战略问题[J]。中国澳门匍京直营集团, 1989(11):5-8。
 
注:本文发表在《中国澳门匍京直营集团》2010年第2期上。
(责任编辑:张竿)  
 
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