论“五水”齐抓，综合解决干旱问题的途径

论“五水”齐抓，综合解决干旱问题的途径

我国干旱地区面积约占国土面积的4成左右，干旱的核心问题是缺水，但地形、地质、气候等的影响，各种水的赋存形式、富集水平都有很大的差异，解决我们西北及北方的干旱缺水问题，根本出路在于充分利用各种水资源，包括天上水（雨水）、地表水、地下水、土壤水以及空气水，因地制宜“五水”齐抓，开源节流，保护生态。

在有一定河川径流（水资源）的地区，首先应推行水资源的集约利用，优化灌溉技术，提高利用率。在缺乏地表水或地下水的地区，发展雨水利用和薄膜技术。降水量相对较多的黄土高原则应充分利用土壤水库的作用，特别是建设人工控制的“不透水土壤水库”（双平双膜梯田），以缓解干旱的威胁。

对于更干旱的地区，可以推行空气灌溉技术，主要是铺砂田和利用沙漠凝结水，促进沙漠的治理及保护生态环境。

一、概论

1.我国干旱气候带大体以年降水量200～400mm来划分。对于黄土高原地区按照实际情况，上述指标适宜改为250～500mm。年降水量小于200mm地区为十分干旱气候带。

干旱气候带和十分干旱气候带，在我国所占面积约为4成，分布于北方和西北及藏北等地。其中小于200mm的地区约占上述面积的7成。

干旱的核心问题是缺水，表现为五水奇缺：降水量少，河川径流量少，相应的地下水也少，土壤干燥，大气中的含水量（湿度）也低。但是，上述各种水的存在形式由于受地区特点、地形、地貌、土壤植被、气候等诸多因素的影响，其赋存形式，富集的水平都有很大的差异。

2.我国干旱地区根据大地形单元，气候带的分布以及地质条件可分为三大类型区：西北内陆区、内蒙古高原区、黄土高原区。

西北内陆区包括新疆大部，甘肃河西走廊,青海柴达木盆地。它的特点是在极干旱的大背景下，分布有许多高大山体，孕育着丰富的水资源。水资源总量高达1000×10⁸m³，是发展以绿洲经济为主体的资源基础。

内蒙古高原区包括大兴安岭以西至阿拉善高原的广大地区；主要特点是地势平坦、沙漠广布、荒漠化严重、降水量偏少，为100～400mm，地表径流极少。黄土高原区主要特点为黄土丘陵山地,黄土层深厚，降水量300～500mm，水土流失严重，河川径流量少，地下水也少，土壤干燥，植被差，干旱灾害严重。

3.解决我国西部及北方的干旱问题，具体出路在于充分利用各种水资源，包括天上水（雨水），地表水，地下水，土壤水以及空气水。因地制宜，广开水源，节约利用，保护环境。

二、“五水”及其相互关系

1.降水与地表水

地表水即河川径流量，由降水转化而来，从宏观分析，在一定的年降水量条件下，不同地形地貌类型，不同下垫面岩性及植被状况的流域，其产流的差异性极大。从下表1可知：

黄土丘陵沟壑区年径流深只有石山林区的1/2～1/4，在干旱半干旱地区，尤其黄土丘陵沟壑区水资源十分贫乏，在靠近石山区的地方，可以仰赖从山区引水满足工农业生产及城市供水的需求。

2.降水与地下水

在山丘区降水量除直接产生地表径流外，大部分渗入地下（土壤），其中一部分补给地下水，并以地下径流（泉）方式进入河流，成为河川径流的基流量。因此山丘区地下水资源量的计算是以切割河川流量过程的基流量来推求的。它的数量完全是河川径流量的一部分。

黄土高原丘陵区的地下水补给量也非常少，约占河川径流量的1/3，大部地区只有10mm左右。因此黄土高原既缺地表水又缺地下水。在年降水量450mm以下的地区，河水矿化度很高，不能饮用。

平原地区，降水补给地下水的部分相对较多，而其转化为地下径流（汇入河流）的部分相对较少。因此，平原地区虽然自产河川径流量偏少，但自产地下水资源量却相对较多。在沙漠区，年降水量300mm，以上地区降水补给地下水的数量比较大，如鄂尔多斯东南部及西辽河上游一些沙区，地下水均比较丰富。

降水对地下水的补给量与地下埋深及土壤岩性有密切关系。通常地下水埋深成为主要影响因素，降水补给系数与埋深成反比例关系。黄土高原地下水少的原因，正是由于其埋深较大之故。地下水超采，埋深加大，势必也减少了降水补给地下水的数量。往往有这种情况，天越旱，地下水越采越多，埋深越降越大；同样的降水量补给的地下水越来越少，造成恶性循环。

3.降水与土壤水

土壤水指土壤包气带所含之水量。土壤是降水、地表水、地下水的中转站，土壤层中某一时期的总含水量近于常量，而其年月变化与降水量的变化有密切关系。加之在热力因素的作用下，土壤含水量往往与作物需水量不相吻合。在降水量较少地区土壤水多数不足。但夏秋多雨季节，土壤层中就会多蓄一些雨水。采取一定的保墒措施，可以作到秋雨春用。

土壤包气带是一个天然的“土壤水库”，它为作物的需水起着重要的调节作用。在正常情况下，可以移丰补欠，向作物均化供水。

地下水埋深较浅，土壤包气带经常可以得到经毛细管补充的地下水。但当地下水埋深很大时（如黄土高原），虽然“土壤水库”容量很大，但却经常“吃不饱”，整个土层的土壤含水量很低。在干旱半干旱地区这种情况更为突出。降雨过后，土壤上层湿润，但下层却很干，因此湿润层的水分，既要供给表层蒸发，又要供给下层浸润（水势的作用）。最终使得整层土柱含水量处于低水平，甚至往往低于植物正常生长的所需土壤含水率水平。这就是黄土高原呈现出光山秃岭特别干旱的原因所在。

表1　降水径流关系表

4.空气水

空气中的水汽含量随气温变化而变化，也随季节及天气过程而变化。水气的来源有外源与内源之分，外源即在各种天气过程下由外地气团携带而来，内源则产生于本地区的陆面蒸散发量。在干旱地区，大气中依然保存着一定数量的水汽含量，通常用绝对湿度或相对湿度来表征。如河西走廊中部即使在最干旱的春夏之交，相对湿度一般可达15%～30%，在气温为20℃时，水汽压可达4.7mb；在年降水量300mm的黄土高原干旱区水汽压约可达7mb，折合空气中单元水柱约有70mm的水量。

三、综合解决干旱问题的途径

1.水资源的集约利用和优化灌溉新技术

（1）农业灌溉节水新技术的发展。当今世界农业节水灌溉的新技术不断发展，除了常规灌溉所推行的节水技术外，主要以微灌、渗灌、滴灌、喷灌为主，亩用水量可以降到200m³左右。对于果园可以采用单棵滴注的灌溉方式，亩用水量可降至40～60m³。

（2）两类灌区的优化问题。在西部农业灌溉方式绝大部分仍以地面灌溉为主，有的仍沿用大水漫灌，用水较多。但是在有些闭合型灌区，或能多次重复利用的灌区，水的利用率也可达到很节约的水平。所谓闭合型灌区是由特定的地形、地质条件所决定，并在灌区下游有一收缩闭合峡口，灌区的地下回归水全部能汇于此峡口，并能为下游灌区提供再利用的水源。在闭合灌区内部，亦即绿洲内部采用密集型的结构，使农田面积占到绿洲总面积的80%以上，（一般不少于70%），进而庭院经济的发展，则可占到90%。在这样的绿洲内，灌溉净耗水量则可降到较低的水平。目前，武威、张掖灌区已经达以350立方米/亩～400立方米/亩的水平。如果继续进行改进，则可达到以色列的水平。（亩净耗水300立方米）。

在开敞形灌区，地下回归水不能集中于一处，所以难予实现多次重复利用。在这种情况，最好的措施就是推行以色列模式，灌区输水管道化，灌溉方式滴喷灌化，水可以做到全盘自控化。但是大部分地区难以做到。所以建议采用所谓“金塔模式”。此种模式的基本做法就是将灌区分为上、中、下三段：（或四段）上段以渠灌为主，利用余水、冬水回灌，提高地下水位；第二段井、渠结合，以井灌为主，充分利用地下水；第三段，井渠混合灌（一部分井水矿化度较高）使大部分地下水达到二次、三次利用，尽量减少淡咸早混。尾段地下水矿化度已高，可以群井排盐，并灌溉外围荒漠沙区，以维护外围自然生态环境的改善，起到保护绿洲总体生态环境的作用。这样在开敞形灌区仍可实现多次重复利用，提高有限水资源的利用率。

（3）塑料大棚及膜上灌技术

塑料大棚主要解决保温、增温问题进行反季节种植。但也是一种节水措施，大棚内保持高湿度，水分较少外逸，大大降低蒸发损失，因而有大的节水效果。

膜上灌水，既节水又保墒，而且有增加地温的作用，所以有较高的增产效果。

2.雨水利用

（1）聚流农业在无灌溉条件的旱作农业，靠天雨吃饭，农业的发展受雨量、雨期、雨强以及土壤、地下水位等诸多因素的制约，其中最主要的是降雨量和降雨时期。此二者不适量不合时，往往是形成干旱的主要原因。为解决农业干旱，近年聚流农业发展很快，主要内容有：沟垄耕作，覆膜技术，覆盖技术，点穴技术等。

沟垄耕作：垄上覆膜，沟床种植，可以起到三份土地上的雨水满足一份或二份土地上作物的需要。覆膜技术，即普通的地膜覆盖，有增加地温保墒集雨等作用，增产效果显著，被誉为“白色革命”。覆盖技术主要有秸杆覆盖等，可以起到增加雨水入渗，减少土壤蒸发的作用。点穴技术的作用与沟垄耕作有类似聚集雨水的作用。此外一些水保措施如水平沟、鱼鳞坑等也都属于聚流农业的范畴。

（2）集雨工程甘肃省推行的“1.2.1“集雨工程，是一项通过现代科技改变传统的水窖集雨方法，即将集雨场地由原土质改为防渗材料，如薄膜、沥青、混凝土等，屋顶则改为机瓦。这样就可大大提高集流效率，（提高降雨径流系数）。如混凝土与水泥机瓦的集流效率较高，在较小的雨量和雨强下也能产流。其效率一般可达70%，最高可达80%。而一般夯实土面只有10%～20%。

干旱半干旱流域，年径流系数一般均很小，黄土高原沟壑区多年平均仅0.04～0.06。次洪水的径流系数一般可达0.1～0.2，特大暴雨区洪水径流系数最大可达0.4～0.5，但是大暴雨出现的机会很少，且往往又是灾害性的。据降水资料分析年降水量300mm左右的地区，小于10mm的次雨量，不会在一般土地或夯实土面上产流。因此一般年份水窖蓄不上水，群众吃水困难。

“1.2.1”工程就是将农家场院铺成混凝土面，屋顶改装机瓦，则一般年份每平方米可集流约0.2立方米，每户约需集流面积100平方米。此项工程的推广，基本解决了多年存在的群众吃水的老大难问题。

雨水利用除解决人畜饮水问题外，发展农业灌溉也是很有前途的。在年降水量400mm地区，农家1亩左右果树及瓜菜的滴灌，只需2.5分地的集流场即敷应用。

（3）抑制水分蒸发

如何减少和抑制水分的无效蒸发，也是实现节水的一个重要途径。目前国内外发展的新方法有在水库或蓄水池水面喷洒单分子膜，如十六烷醇、十八烷醇等化学制剂，可减少水面蒸发20%～40%。

减少植物蒸腾的方法有：①在叶面喷洒有关化学品，阻塞部分气孔或刺激气孔部分关闭，以减少蒸腾量。②喷洒白色反光物质，减少吸收太阳辐射，降低叶面温度。

此外在减少土壤蒸发方面还有地表喷洒有关石油化学制剂，如沥青制剂等，可以有效地减少土壤水分蒸发损失。

3.土壤水的人工控制利用。

（1）双平双膜梯田—不透水土壤水库

如何充分利用土壤水库的调蓄作用，也是值得研究的大问题，在黄土高原地区，土壤墒情受到上下两方面的消耗，因此所谓“土壤水库”它实质是一个既无底又无盖的漏水跑水土壤水库，作者提出双平双膜梯田设想，就是解决“水库”水量的上跑下漏的问题，从而造成“不透水的土壤水库。”其方法是在一定深度（80～100cm）铺设底膜，截断有效雨水继续下渗的通道，保持作物根系层有足够的土壤含水量。在地表覆膜，主要是减少土壤蒸发。这种梯田适应于年降水量300～450mm地区。双平梯田最主要的是蓄秋雨，度春旱，解决黄土高原地区最主要的卡脖子旱—春旱问题。

（2）U形覆膜技术

在较陡的坡地修梯田时，可以应用“双平”原理，将梯田挖成U形渠，渠底覆膜，再回填修成梯田，也可称为不漏水平沟或窄幅双平梯田，这样肯定有利于植树造林成活。

（3）化学不透水层。国外在沙漠地区用一种化学试剂喷洒地面，此种物质下渗到一定深度后，可以凝结成一层不透水层（或近似不透水层），以截断雨水继续下渗，用以维持一定深度内的适宜土壤含水率，满足植物生长的需要。

4.空气水的利用

前述空气中即使在干旱的地区也存在一定数量的水汽，那么这些水汽在不下雨的情况下，能被利用吗？答案是肯定的。在自然界和长期的抗旱实践中已经得到了应用。沙丘上的沙生植物靠沙漠凝结水生存，利用铺砂田产生凝结水种植瓜菜。因此我们可将利用空气产生凝结水来灌溉作物的方法称作“空气灌溉”。

（1）凝结水的产生机理。当空气中的水汽含量达到饱和时，就会产生凝结水。露水是凝结水，这是可以直接看到的。雨水是云中水汽上升迂冷却饱和后凝结的产物。气象上测定湿度的方法是通过观测干球和湿球温度来计算的。干、湿球温度相等时，说明空气湿度已饱和。有了干、湿球温度，就可从气象常用表中查出湿度。水汽的凝结温度要从下表（表2）中查出。表中数字表明，当气温为25℃,相对湿度为20%（比较干燥）时，凝结温度为14.1℃,这就是说在一个比较小的距离内只要有足够的温度差存在，就会产生凝结水。

表2　气温和凝结温度关系

（2）沙漠凝结水。高原大气所在黑河的观测研究成果表明：在白昼表层水汽通量为负值（即向下），其强度过程与日照强度相对应，说明地表层以上大气中的水汽向地层输送。那末输送到什么部位？作者在民勤及临泽治沙站看到实测的沙丘内垂向含水量变化资料表明：在裸露沙丘（暴露在阳光下）沙中20～60cm处有明显的湿沙层，含水率最高达3.47%（枯萎点0.8%）表层及下层均较干燥，含水量1%～2%。而荫蔽处沙中无湿层，含水率均在1.0%左右。同时经探挖表明沙生植物的根系全为水平扩展根系，恰好也分布于湿沙层。显然，可知空气中负通量的水汽进入沙层后，遇沙中低温即行凝结，而使该沙层变湿。所以沙漠中的沙生植物主要靠沙漠凝结水而生存。

凝结水的数量有多少？作者根据黑河实验资料及治沙站有关资料计算可达100～200mm，此数尚欠准确，应需进行实验测定。

在治沙过程中，应当充分利和沙漠凝结水的作用。那么大的面积的沙漠上为什么没有或很少有良好的植被呢？有以下原因：①降水特少的地区，空气相对湿度很低，所以产生的沙漠凝结水少；②流动性沙丘植株难以存活；③过度放牧和樵采，人为破坏严重。一旦植被破坏，沙丘流动，再难以恢复。所以治沙一定要注意以上因素，采用相应的措施。许多治理好的沙漠，沙生植被良好，起到了良好的固沙和防沙效果。同时也说明沙漠是能够治理的。值得注意的是沙生植物都是单株稀疏分布，一丛与一丛间要有足够的距离，留出足够的空旷面积，供日照增温，才能保证凝结水的产生和供应。

（3）铺砂田。铺砂田是典型的利用空气灌溉的农田。铺沙田是甘肃中部干旱地区（年降水量200～300mm）农民创造的一种既古老又新颖的抗旱增产的创举。说古老，是因为它有八百年的历史。说新颖，是对外地人来说的，他们不知底细，说：“这不是人造戈壁吗。”当然说新颖也是说它具有新颖的科学道理。

兰州北部的铺沙田大部种植瓜类作物，每年进入盛夏，市场上供应的西瓜、甜瓜多产于此地。作者曾向瓜农请教：你的瓜田灌水没有？其曰：没有，我的瓜是“旱砂瓜。”旱砂瓜田，大多分布于黄土丘陵缓坡地上，没有灌水条件。瓜农称“旱砂瓜”，显然是宣传其瓜抗旱长成，品质好，香甜，胜过水地瓜。作者又问，如此干旱的天气，没下一滴雨，瓜长的这么好（个儿大）地里墒好吗？答曰：“地里墒很好，一铁锨挖下去，全是湿块土。”瓜田为什么有这么好的墒？作者在盛夏看到的瓜田，瓜叶在暴晒下仍然不打蔫，不披晌。原来，这是铺砂田产生的凝结水起的作用。太阳越晒的厉害，凝结水产生得越多。似乎太阳在不停地给瓜苗浇水。

铺砂田是在土地上铺一层河卵石砂层，一般厚约10cm。由于砂石比热小，地面日晒增温很高，夏季经常可达50℃，甚至60℃以上，而土壤层中的地温仅约20℃～22℃，温差很大，热空气进入（通过卵石层孔隙）土层遇冷，立即产生凝结水。近几年景泰出产一种“红砂洋芋”，颇受市场青睐，红砂洋芋产自用红色沙石（当地铺砂材料）铺成的砂田，也是铺砂田的一种。在干旱地区，充分利用铺砂田产生凝结水的机理，发展农业生产，不失为抗旱的有效措施。

（4）金属喇叭管。据文献报导，国外在干旱地区用一种金属喇叭器具插入土壤中，产生凝结水，供给植株生长，这与砂田的作用类似。此金属喇叭管有一长管通到土壤根系层，喇叭露在外面。由于金属比热更小，日晒升温比砂石更高，产生的凝结水可能比砂田更多。以上这些方法和设想在干旱地区很值得试验研究。

2001年6月20日