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摘要集雨灌溉工程是对降雨进行收集、汇流，存储和进行节水灌溉的微型水利工程，主要解决农业生产缺水性问题。通过国内外集雨灌溉利用的研究和实践，较详细地阐述了集雨灌溉工程的主要研究内容：集水工程集雨面防渗材料的研究、蓄水工程中蓄水设施的防渗，水分蒸发处理，喷灌、滴灌、渗灌等灌溉技术。文章分析了目前集雨灌溉工程研究存在的问题并提出了发展研究方向。
关键词集雨灌溉工程；防滲；水分蒸发
中图分类号S277文献标识码A文章编号0517-6611（2015）16-383-04
Review on Researches about Rainwatercollecting Irrigation Project
LI Yawei， YANG Yang， WANG Jinxia
（ Faculty of Water Conservancy， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201）
Abstract Rainwatercollecting irrigation project is to collect rainfall， convergence， storage and watersaving irrigation microengineering， mainly to solve the water shortage problem in agricultural production. Through study and practice of rainwatercollecting irrigation utilization at home and abroad， the main research content was elaborated in detail： research about water harvesting surface impervious materials， water storage facilities seepageproofing， evaporation of water treatment， irrigation， drip irrigation， irrigation and other irrigation techniques. The existing problems were analyzed and research direction of rainwatercollecting irrigation engineering was put forward.
Key words Rainwatercollecting irrigation engineering； Seepageproofing； Water evaporation
1 概述
从广义上来说，水利工程的水源均来自降水。一般讲的集雨灌溉工程是指在缺水地区采取工程措施对雨水进行收集蓄存和调节利用，并采用先进的节水灌溉方法灌溉农作物而建立起来的微型水利工程[1-2]。集雨灌溉工程一般由集雨系统、蓄水系统、输水系统和节水灌溉系统等部分组成[2]。
1.1集雨灌溉工程的应用现状
从我国开展雨水集蓄利用地区的大量实践证明：简单的对原始状态下的雨水或降雨在最初转化阶段的利用是难以解决农业用水需求的，而通过雨水集蓄工程对雨水资源进行调控，把有限但是有效的供水与传统旱农措施结合起来，是当前解决干旱问题的一种重要方式。实践经验还表明，在一些地区，雨水集蓄利用还是水资源开发利用不可替代的形式。集雨灌溉工程不仅可拦蓄雨水径流作为灌溉的水源，充分而有效地利用当地雨水径流，同时还可防止水土流失，保护水土资源，改善生态环境。要实现这些地区的可持续发展，雨水集蓄利用是一种不可替代的选择。
1.2国外集雨灌溉工程的应用
早在公元前2000多年，在中东地区、内夫（Negev）沙漠、利比亚的干燥河谷内以及埃及北部等地都建立过雨水收集系统[1]。上世纪末许多国家在人畜用水、作物生产、抗旱造林、发展畜牧业、盐碱地的改造及工业用水等不同方面，都广泛应用各种雨水集蓄技术[1-2]。国外在推进雨水集蓄工程的过程中，取得了不少的技术经验和科研成果。如：在巴基斯坦的塔尔沙漠地区，学者利用简单的数学模型对雨水地下蓄水池的尺寸和空间分布进行优化设计，尽可能地减少渗漏和蒸发的损耗，使雨季的储水满足旱季的生活和灌溉需求[3]；近年来美国和日本在农业节水灌溉着重雨水的高效利用率和渠道防渗等方面的研究，还有学者通过GS和GIS技术建立了TM水量平衡模型[4]，通过该模型确认某一地区是否适合雨水调蓄利用；并尝试应用GIS模型对雨水调蓄利用设施的可行性进行评估，将物理、生态和社会经济的因素都纳入到该模型的综合评价中[5]。
1.3国内集雨灌溉工程的应用
我国最早对雨水进行拦蓄和灌溉利用可追溯到秦汉时期人们在汉水流域修建的堰塘群。人们在同干旱长期斗争的过程中，创造了雨水利用技术，如土窖、大口井、坎儿井等设施[6-7]。改革开放以来，我国积极推进以水窖为主的集雨利用工程建设，在半干旱区形成了一定规模。如甘肃“121”雨水集流工程，宁夏 “窑窖工程”，内蒙古清水河县的“112雨水集流灌溉工程”等都取得了显著的成效[8]。其中，清河县的集雨工程在拦蓄雨水的同时，缓解了雨水对土壤表层的冲刷，减少了水土流失。对于防止沙漠化、保持水土发挥了重要的作用。近20年来我国在集雨灌溉工程的规模上、雨水利用的深度开发、集雨节灌的技术和方法都有很大发展。如：21世纪初，吴明舒[9]针对山涧溪流提出将塑料软管作为导流输水并配套使用水窖储水，可以调节降水资源时空分布不均与工农业用水不匹配的矛盾；高宏洲[10]利用太阳能供电装置和沼液反应装置研发的太阳能集雨灌溉系统，实现了植物水能一体化连续灌溉。打破了传统的集雨灌溉系统模式的局限；李晔、马啸[11]等人研发的“三峡库区山坡地沟壑农业面污染生态谷坊阻抗系统”对流域坡地沟壑的农业面源污染进行有效拦截和控制，减少水土流失。这些集雨灌溉利用工程不仅在很大程度上解决了我国资源性缺水这一难题，而且已慢慢从单一的集雨灌溉农业延伸到水土流失控制、生态效益改善等方面。 和国外一样，在推进集雨灌溉工程的过程中，我国也取得了不少的技术经验和科研成果。主要有：（1）注重雨水集蓄工程系统化建设，系统一般由包括集水、蓄水、输配水组成，比较典型的就是由集水面、沉砂池、水窖组成的系统；（2）加强对集流面和蓄水工程的防渗处理，一般采用水泥材料；（3）开发、改进新型集雨灌溉设备，如开发提高性能和研制新型喷头，异形喷嘴、特殊材质喷嘴、多孔管、大孔口滴头等，提高喷灌均匀度和克服滴灌系统易堵塞的缺点；（4）应用新材料，采用耐磨、防渗性能好、施工方便、造价低的柔性橡塑材料作为蓄水设施。总体来说，我国集雨灌溉工程技术处于世界先进行列，对国外有不少影响[12-14]。
2集雨灌溉工程的主要研究内容
内容主要包括集水工程集雨面防渗材料的研究、蓄水工程中蓄水设施的防渗和水分蒸发处理、输配水工程和节水灌溉技术。
2.1集雨面防渗材料的研究
集雨面是通过自然或人工使降雨径流能够承接、汇集，引流到蓄水工程的地表面积。为提高集流效率，减少渗漏损失，对集雨面进行防渗处理。目前应用较多的是混凝土、塑料薄膜集雨面，相对传统的道路和硬地面集雨，混凝土集雨面成本较高且还需日常养护，塑料薄膜使用耐久性差，风化后易对环境造成污染。再者基于不同地区的环境条件和经济状况以及不同目的选择集雨面也不尽相同。随着近年来我国经济的发展和生态建设的需要，研发适合干旱半干旱地区应用的新型低成本、施工方便、效率高的经济环保防渗材料，因此学者将研究关注在以下3个方向：①土壤固化剂；②高分子有机硅材料；③新型生物集雨材料。
2.1.1
土壤固化剂。用以固结土壤的新型节能环保材料，具有就地取材、成本低、性能稳定等优点，在集雨面的应用上有广阔前景。通过将土壤固化剂以工业废渣为主要原料加入土壤中可以自身水化，并发生一系列物理化学反应，改变土壤的工程结构，使土颗粒表面紧密接触，激发土体中铝硅酸盐矿物潜在活性，使表面形成牢固的多晶粘粒聚集体。经过固化剂处理后的土壤抗渗能力、强度等性能得到了提高。吴普特[15]等人根据不同地区不同土质，在土壤固化剂HEC（一种以工业废渣为主要原料的无机类水硬性胶凝材料）的基础上研发出了一种新型的固化剂MBER（由水泥材料、矿渣、石膏和核心原料等混合磨细而成的一种粉末状环保型无机胶凝材料），集流效率高达60%～90%。而且利用MBER固化剂发明了一种坡地集流方法并得到广泛应用。高建恩[16]等人利用固化剂提出集流面减糙增流技术。在固化剂施工工艺技术上，樊恒辉、高建恩[17]等人通过试验对干硬性—整体式施工—固化剂浆液收光、干硬性—整体施工—自然收光、干硬性—砌块施工、塑性—整体式施工—自然收光4种不同施工工艺比较得出砌块施工造价低，施工方便，性能稳定，集流效率高达90%。
2.1.2
高分子有机硅。具有成本低、施工简单、生态环保的特点，是近年来集流材料研究的重点对象。北京林业大学王斌瑞[18]等人利用有机硅的憎水性，在拍光坡面喷涂5%～10%高分子有机硅溶液，喷施后可在很短的时间内形成一层致密坚硬的不透水膜，减少土壤入渗量，增加集流；有机硅所形成的不透水膜还能能有效防止土壤蒸發，减少土壤水分的损失。李巧珍、吴普特等[19]人研究表明，硅水的最优配比在1∶5～1∶7，适宜用量为150 ml/m。当雨强在1.2～1.5 mm/min，土壤前期含水率17%左右、干容重为1.3 g/cm3左右，其集流效率可以达到70%以上，是夯实坡面集流效率的2～3倍，而侵蚀量只是对照坡面侵蚀量的1/5。
2.1.3
新型生物集雨材料。主要通过地表附着植物（苔藓、地衣、蓝藻等）为基础与土壤中其他生物体通过菌丝体、假根和分泌物等与土壤表层颗粒胶结形成的复合土壤层，是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料，具有植物根系固土、憎水性、提高土壤抗蚀性，兼顾生态护坡、防止水土流失的功能。周贵连、张万军等[20]人通过研究生物土壤结皮与自然土壤的入渗速率和集雨效率进行对比试验，研究结果表明生物土壤结皮降低土壤入渗率的作用和集雨效果明显优于自然土面，并具有明显的减少地表径流沉积物含量，提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出，人工土壤生物结皮是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料。
2.2蓄水工程
蓄水工程是集雨灌溉的主要工程，主要是将集雨面汇集的雨水储存起来。常用的蓄水设施有水窖、蓄水池、塘坝等，由于蒸发渗漏等原因，导致蓄水效率不高，水分流失。蓄水设施的蓄水有效性与侧壁和设施底部的渗漏损失有关。传统的防渗漏方法是用粘土、柔性薄膜、沥青、土壤分散剂和土壤水泥混合物进行表面处理。但相对较高的处理和维持费用在很多情况下不太实用。近年来对于蓄水设施的防渗有在工程施工时采用复合土工布等措施进行处理以及外添加新材料提高增密防水性能。如修建混凝土水窖，可在混凝土加入粉煤灰及适量的具有膨胀增密性能的外加剂。如聚丙烯纤维、防水剂、膨胀剂等，一般加入防水剂HE（4%～10%），膨胀剂EUA（8%～12%）以及缓凝剂（0.5%～3%）[21-22]。王志钊[23]通过在混凝土掺入聚丙烯纤维能提高混凝土强度、抗渗和抗裂等性能。但是对于蓄水工程无论采用哪种蓄水设施，防渗处理都是必不可少的。
目前在干旱半干旱区，对于开敞式的蓄水设施，水面蒸发十分剧烈。抑制水面蒸发可分为化学、物理、生物3类方法。
2.2.1
化学方法。常用的化学试剂有单分子膜、各种脂肪酸、非离子型表面活性剂、“含脂酒精”的有机分子等物质。吴邦信、陈天祥等人[25] 以乌柏脂为原料制取棕榈酸、油酸的聚氧乙烯酰胺和氨基醇酰胺，用所得的非离子型表面活性剂抑制水面蒸发。加拿大用一种“含脂酒精”的有机分子物质抑制水面蒸发，通过试验表明，该技术可以使蒸发率平均降低30%。用化学试剂抑制水面蒸发的主要优点是：投资少，使用方便；吸附水中杂质，净化水。但是，随之而来的一系列问题，如在外界强力的干扰下，膜能否自动修复以及膜在化学、生物环境下的稳定性、可降解性和寿命是否会对水质产生污染[26]。尽管对采用化学试剂的方法抑制水面蒸发进行了大量的研究，但由于存在上述问题还难以推广应用。 2.2.2
物理方法。物理方法主要利用漂浮物覆盖。新疆农业大学的严新军[27] 提出将苯板漂浮在水面上来抑制水面蒸发。武金慧[28]曾通过试验得出聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯板和石蜡平均抑制水面蒸发效率分别为51.97%、44.15%、20.83%。石蜡抑制效果欠佳，其他两种方法效果较好。但也只限于对水面的完全覆盖进行研究，而对其非完全覆盖以及两种材料在室外的物理化学性能的变化没有进行进一步的深入探讨。付克山、严新军[29]等人选用具有密度轻、强度高、吸水率极小、耐酸碱、不被生物分解的塑料空心板作为水面覆盖材料进行试验，结果表明塑料空心板的防蒸发率达87.88%，防蒸发效果非常明显。杨浦[30] 利用轻质混凝土板、聚苯乙烯泡沫塑料板、竹片、遮阳网以及竹片与遮阳网组合材料进行试验研究。研究表明，与聚苯乙烯泡沫塑料板相比，轻质混凝土抑制效果显著且稳定，局限性小，能保证抑制率，特别適用于干旱地区。但目前对轻质混凝土板的研究不多，需要考虑对水质是否有影响以及材料的廉价性等，并通过广泛的野外试验来验证。
2.2.3
生物方法。主要是利用水生植物的蒸腾规律来控制水面蒸发，调节水面温度。丁成[31]曾对水花生和浮萍进行水面蒸发的试验研究，研究表明在生长旺季水花生将增大水面蒸发20%左右，而浮萍可减少蒸发10%左右。就目前生物方法抑制水面蒸发的研究而言，抑制效果不太理想，而且的缺点在于不同水生植物对水面蒸发的影响及抑制效果也不同。
2.3输、配水工程与节水灌溉技术
输、配水是雨水储存与利用的重要环节，通过输水设施将雨水输送到农业灌溉区，根据作物的生长需要、工程条件等，在时间和空间上将集蓄的雨水通过输水设施进行合理分配。灌溉工程输、配水研究的目的，不仅仅是减少输配水过程中跑漏损失，还要减少灌溉过程的深层渗漏损失，提高灌溉效率，即用最少的雨水以保证农业生产达到节水的目的。集雨灌溉工程常用的工程性节水技术主要有以下几种。
2.3.1
喷灌。喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统，形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成水滴状态，洒落在土壤表面，为作物生长提供必要的水分的工程技术。喷灌与地面灌水相比，具有节水、省工、省地，适用范围广等优点。其缺点是受风的影响大、蒸发损失大、能耗大、一次性投资高、可能出现土壤底层湿润不足。
2.3.2
滴灌。滴灌是按照作物需水要求，通过一套设备将水加压、过滤、再通过低压管道系统和滴头，以较小的流量均匀而确地直接输送到作物根部附近的土壤或土层中的一种灌水方法。与喷灌相比，滴灌只是湿润作物根区附近的部分土壤，滴灌主要的优点是省水、省工、节能，灌水质量高，对土壤和地形适应性强。我国在引进外国技术的基础上，研究了膜下滴灌技术。现该技术已用于多种农作物的灌溉[34]。但是滴头的堵塞问题一直是滴灌研究的重点也是难点，滴头的堵塞关系到滴灌技术的推广，Rowan等[35]针对滴头堵塞问题提出了一些相应的措施，如先冲洗过滤器后过滤水源，对水源进行氯化处理。
2.3.3
渗灌。渗灌是利用修筑在地下的专门设施（管道或鼠洞等）或专用灌水器将灌溉水引入田间耕作层，借毛细管作用湿润灌水器周围土壤灌溉作物的灌水方法。随着渗灌研究的渗入，地下滴渗灌技术也有了长足的进步，从1913年美国E B House首先进行了地下滴灌的研究，到现在地下渗灌土壤水分运动数值模拟的研究[36]，地下滴渗灌的堵塞问题及抗堵塞灌水设备[37]等方面进行了广泛的研究。节点式渗灌是一种新型的地下微灌形式，具有节约水资源，对温室内空气温度和湿度影响小的优点，已在国内开始推广[38-39]。
3集雨灌溉工程研究存在的问题
集雨灌溉工程作为微型水利工程，经过多年的研究有了一定的发展，也取得了一些效果，技术上已基本趋于成熟，但仍存在以下几个方面的问题：
（1） 集雨灌溉综合性系统研究不够。集雨灌溉利用技术包括集雨、蓄水、输水和高效利用等多个技术，尽管这各项技术已相对成熟，但没有使之形成一个技术体系，许多地方出现收集与蓄存、收集与利用、蓄存与输送、蓄存与利用等脱节。
（2）雨水利用效率不高。主要有两方面原因：第1，集水效率低。集流效率的高低主要取决于集水区的处理及集流材料。目前所使用的各种集流材料及处理方式均不尽人意，或者造价太高，如混凝土集雨面造价高，而原土夯实的集雨面则集雨效率低。而且应用在集雨面上的大部分防渗材料耐久性都差，在使用一段时间之后防渗效果越来越差，影响集水效果；第2，节水灌溉设施匹配不够，雨水利用效率低。尽管节水灌溉措施很多，但由于劳动强度、资金、规模等限制，灌溉设施匹配不够，使先进的雨水利用技术难以大范围推广应用。
（3）缺乏统一的技术指导和工程规划。工程规划布局不合理，蓄积雨水量不足；施工过程中出现一些工程质量问题，窖体轻则漏水，重则坍塌。
（4）有的地区田间节水综合措施不完善。有的地区田间节水设施没有充分引导，将集雨与节水灌溉、节水增产农艺措施及种植业的发展结合起来；有的重建设，轻管理，不利于充分发挥有限水资源的利用效率；有的注重蓄水工程建设，忽略了雨水汇集措施和沉沙过滤设施的配套建设。
（5）缺乏环境影响评价制度，生态效应不明显。目前，大多集雨利以工程措施为主，且强调尽可能多地截留、蓄集雨水资源，而相关的生态措施并未受到重视，且没有对通过单一的工程措施过分截留雨水，是否会对生态造成影响进行研究。
43卷16期
李亚伟等集雨灌溉工程研究综述
4 结论与前景
集雨灌溉工程是干旱半干旱地区解决农业需水的重要途径之一。集雨灌溉工程已从单一的集蓄雨水解决农业生产缺水转向兼顾农、林业等多元生态性发展。从现阶段集雨灌溉工程的研究来看，未来集雨溉工程研究的重点应包括以下几点。 （1）对雨水的汇集、存储、输送、利用等技术进行综合研究，成为一套完整的体系。
（2）对雨水资源进行优化配置理、方法及其相应集雨利用模式的研究，高效利用雨水。
（3）向新型环保材料研发、生态节水技术以及生态环境建设靠近。
（4）加大资金投入和强化管理规范，引入高效节灌技术和设备。
同时在集雨灌溉工程的基础下，要根据当地农业生产、水土资源条件等实际情况，兼顾集雨灌溉的社会效益、经济效益和生态效益，因地制宜开创出不同的新型集雨灌溉组合模式。
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1 概述
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1.2国外集雨灌溉工程的应用
早在公元前2000多年，在中东地区、内夫（Negev）沙漠、利比亚的干燥河谷内以及埃及北部等地都建立过雨水收集系统[1]。上世纪末许多国家在人畜用水、作物生产、抗旱造林、发展畜牧业、盐碱地的改造及工业用水等不同方面，都广泛应用各种雨水集蓄技术[1-2]。国外在推进雨水集蓄工程的过程中，取得了不少的技术经验和科研成果。如：在巴基斯坦的塔尔沙漠地区，学者利用简单的数学模型对雨水地下蓄水池的尺寸和空间分布进行优化设计，尽可能地减少渗漏和蒸发的损耗，使雨季的储水满足旱季的生活和灌溉需求[3]；近年来美国和日本在农业节水灌溉着重雨水的高效利用率和渠道防渗等方面的研究，还有学者通过GS和GIS技术建立了TM水量平衡模型[4]，通过该模型确认某一地区是否适合雨水调蓄利用；并尝试应用GIS模型对雨水调蓄利用设施的可行性进行评估，将物理、生态和社会经济的因素都纳入到该模型的综合评价中[5]。
1.3国内集雨灌溉工程的应用
我国最早对雨水进行拦蓄和灌溉利用可追溯到秦汉时期人们在汉水流域修建的堰塘群。人们在同干旱长期斗争的过程中，创造了雨水利用技术，如土窖、大口井、坎儿井等设施[6-7]。改革开放以来，我国积极推进以水窖为主的集雨利用工程建设，在半干旱区形成了一定规模。如甘肃“121”雨水集流工程，宁夏 “窑窖工程”，内蒙古清水河县的“112雨水集流灌溉工程”等都取得了显著的成效[8]。其中，清河县的集雨工程在拦蓄雨水的同时，缓解了雨水对土壤表层的冲刷，减少了水土流失。对于防止沙漠化、保持水土发挥了重要的作用。近20年来我国在集雨灌溉工程的规模上、雨水利用的深度开发、集雨节灌的技术和方法都有很大发展。如：21世纪初，吴明舒[9]针对山涧溪流提出将塑料软管作为导流输水并配套使用水窖储水，可以调节降水资源时空分布不均与工农业用水不匹配的矛盾；高宏洲[10]利用太阳能供电装置和沼液反应装置研发的太阳能集雨灌溉系统，实现了植物水能一体化连续灌溉。打破了传统的集雨灌溉系统模式的局限；李晔、马啸[11]等人研发的“三峡库区山坡地沟壑农业面污染生态谷坊阻抗系统”对流域坡地沟壑的农业面源污染进行有效拦截和控制，减少水土流失。这些集雨灌溉利用工程不仅在很大程度上解决了我国资源性缺水这一难题，而且已慢慢从单一的集雨灌溉农业延伸到水土流失控制、生态效益改善等方面。 和国外一样，在推进集雨灌溉工程的过程中，我国也取得了不少的技术经验和科研成果。主要有：（1）注重雨水集蓄工程系统化建设，系统一般由包括集水、蓄水、输配水组成，比较典型的就是由集水面、沉砂池、水窖组成的系统；（2）加强对集流面和蓄水工程的防渗处理，一般采用水泥材料；（3）开发、改进新型集雨灌溉设备，如开发提高性能和研制新型喷头，异形喷嘴、特殊材质喷嘴、多孔管、大孔口滴头等，提高喷灌均匀度和克服滴灌系统易堵塞的缺点；（4）应用新材料，采用耐磨、防渗性能好、施工方便、造价低的柔性橡塑材料作为蓄水设施。总体来说，我国集雨灌溉工程技术处于世界先进行列，对国外有不少影响[12-14]。
2集雨灌溉工程的主要研究内容
内容主要包括集水工程集雨面防渗材料的研究、蓄水工程中蓄水设施的防渗和水分蒸发处理、输配水工程和节水灌溉技术。
2.1集雨面防渗材料的研究
集雨面是通过自然或人工使降雨径流能够承接、汇集，引流到蓄水工程的地表面积。为提高集流效率，减少渗漏损失，对集雨面进行防渗处理。目前应用较多的是混凝土、塑料薄膜集雨面，相对传统的道路和硬地面集雨，混凝土集雨面成本较高且还需日常养护，塑料薄膜使用耐久性差，风化后易对环境造成污染。再者基于不同地区的环境条件和经济状况以及不同目的选择集雨面也不尽相同。随着近年来我国经济的发展和生态建设的需要，研发适合干旱半干旱地区应用的新型低成本、施工方便、效率高的经济环保防渗材料，因此学者将研究关注在以下3个方向：①土壤固化剂；②高分子有机硅材料；③新型生物集雨材料。
2.1.1
土壤固化剂。用以固结土壤的新型节能环保材料，具有就地取材、成本低、性能稳定等优点，在集雨面的应用上有广阔前景。通过将土壤固化剂以工业废渣为主要原料加入土壤中可以自身水化，并发生一系列物理化学反应，改变土壤的工程结构，使土颗粒表面紧密接触，激发土体中铝硅酸盐矿物潜在活性，使表面形成牢固的多晶粘粒聚集体。经过固化剂处理后的土壤抗渗能力、强度等性能得到了提高。吴普特[15]等人根据不同地区不同土质，在土壤固化剂HEC（一种以工业废渣为主要原料的无机类水硬性胶凝材料）的基础上研发出了一种新型的固化剂MBER（由水泥材料、矿渣、石膏和核心原料等混合磨细而成的一种粉末状环保型无机胶凝材料），集流效率高达60%～90%。而且利用MBER固化剂发明了一种坡地集流方法并得到广泛应用。高建恩[16]等人利用固化剂提出集流面减糙增流技术。在固化剂施工工艺技术上，樊恒辉、高建恩[17]等人通过试验对干硬性—整体式施工—固化剂浆液收光、干硬性—整体施工—自然收光、干硬性—砌块施工、塑性—整体式施工—自然收光4种不同施工工艺比较得出砌块施工造价低，施工方便，性能稳定，集流效率高达90%。
2.1.2
高分子有机硅。具有成本低、施工简单、生态环保的特点，是近年来集流材料研究的重点对象。北京林业大学王斌瑞[18]等人利用有机硅的憎水性，在拍光坡面喷涂5%～10%高分子有机硅溶液，喷施后可在很短的时间内形成一层致密坚硬的不透水膜，减少土壤入渗量，增加集流；有机硅所形成的不透水膜还能能有效防止土壤蒸發，减少土壤水分的损失。李巧珍、吴普特等[19]人研究表明，硅水的最优配比在1∶5～1∶7，适宜用量为150 ml/m。当雨强在1.2～1.5 mm/min，土壤前期含水率17%左右、干容重为1.3 g/cm3左右，其集流效率可以达到70%以上，是夯实坡面集流效率的2～3倍，而侵蚀量只是对照坡面侵蚀量的1/5。
2.1.3
新型生物集雨材料。主要通过地表附着植物（苔藓、地衣、蓝藻等）为基础与土壤中其他生物体通过菌丝体、假根和分泌物等与土壤表层颗粒胶结形成的复合土壤层，是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料，具有植物根系固土、憎水性、提高土壤抗蚀性，兼顾生态护坡、防止水土流失的功能。周贵连、张万军等[20]人通过研究生物土壤结皮与自然土壤的入渗速率和集雨效率进行对比试验，研究结果表明生物土壤结皮降低土壤入渗率的作用和集雨效果明显优于自然土面，并具有明显的减少地表径流沉积物含量，提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出，人工土壤生物结皮是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料。
2.2蓄水工程
蓄水工程是集雨灌溉的主要工程，主要是将集雨面汇集的雨水储存起来。常用的蓄水设施有水窖、蓄水池、塘坝等，由于蒸发渗漏等原因，导致蓄水效率不高，水分流失。蓄水设施的蓄水有效性与侧壁和设施底部的渗漏损失有关。传统的防渗漏方法是用粘土、柔性薄膜、沥青、土壤分散剂和土壤水泥混合物进行表面处理。但相对较高的处理和维持费用在很多情况下不太实用。近年来对于蓄水设施的防渗有在工程施工时采用复合土工布等措施进行处理以及外添加新材料提高增密防水性能。如修建混凝土水窖，可在混凝土加入粉煤灰及适量的具有膨胀增密性能的外加剂。如聚丙烯纤维、防水剂、膨胀剂等，一般加入防水剂HE（4%～10%），膨胀剂EUA（8%～12%）以及缓凝剂（0.5%～3%）[21-22]。王志钊[23]通过在混凝土掺入聚丙烯纤维能提高混凝土强度、抗渗和抗裂等性能。但是对于蓄水工程无论采用哪种蓄水设施，防渗处理都是必不可少的。
目前在干旱半干旱区，对于开敞式的蓄水设施，水面蒸发十分剧烈。抑制水面蒸发可分为化学、物理、生物3类方法。
2.2.1
化学方法。常用的化学试剂有单分子膜、各种脂肪酸、非离子型表面活性剂、“含脂酒精”的有机分子等物质。吴邦信、陈天祥等人[25] 以乌柏脂为原料制取棕榈酸、油酸的聚氧乙烯酰胺和氨基醇酰胺，用所得的非离子型表面活性剂抑制水面蒸发。加拿大用一种“含脂酒精”的有机分子物质抑制水面蒸发，通过试验表明，该技术可以使蒸发率平均降低30%。用化学试剂抑制水面蒸发的主要优点是：投资少，使用方便；吸附水中杂质，净化水。但是，随之而来的一系列问题，如在外界强力的干扰下，膜能否自动修复以及膜在化学、生物环境下的稳定性、可降解性和寿命是否会对水质产生污染[26]。尽管对采用化学试剂的方法抑制水面蒸发进行了大量的研究，但由于存在上述问题还难以推广应用。 2.2.2
物理方法。物理方法主要利用漂浮物覆盖。新疆农业大学的严新军[27] 提出将苯板漂浮在水面上来抑制水面蒸发。武金慧[28]曾通过试验得出聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯板和石蜡平均抑制水面蒸发效率分别为51.97%、44.15%、20.83%。石蜡抑制效果欠佳，其他两种方法效果较好。但也只限于对水面的完全覆盖进行研究，而对其非完全覆盖以及两种材料在室外的物理化学性能的变化没有进行进一步的深入探讨。付克山、严新军[29]等人选用具有密度轻、强度高、吸水率极小、耐酸碱、不被生物分解的塑料空心板作为水面覆盖材料进行试验，结果表明塑料空心板的防蒸发率达87.88%，防蒸发效果非常明显。杨浦[30] 利用轻质混凝土板、聚苯乙烯泡沫塑料板、竹片、遮阳网以及竹片与遮阳网组合材料进行试验研究。研究表明，与聚苯乙烯泡沫塑料板相比，轻质混凝土抑制效果显著且稳定，局限性小，能保证抑制率，特别適用于干旱地区。但目前对轻质混凝土板的研究不多，需要考虑对水质是否有影响以及材料的廉价性等，并通过广泛的野外试验来验证。
2.2.3
生物方法。主要是利用水生植物的蒸腾规律来控制水面蒸发，调节水面温度。丁成[31]曾对水花生和浮萍进行水面蒸发的试验研究，研究表明在生长旺季水花生将增大水面蒸发20%左右，而浮萍可减少蒸发10%左右。就目前生物方法抑制水面蒸发的研究而言，抑制效果不太理想，而且的缺点在于不同水生植物对水面蒸发的影响及抑制效果也不同。
2.3输、配水工程与节水灌溉技术
输、配水是雨水储存与利用的重要环节，通过输水设施将雨水输送到农业灌溉区，根据作物的生长需要、工程条件等，在时间和空间上将集蓄的雨水通过输水设施进行合理分配。灌溉工程输、配水研究的目的，不仅仅是减少输配水过程中跑漏损失，还要减少灌溉过程的深层渗漏损失，提高灌溉效率，即用最少的雨水以保证农业生产达到节水的目的。集雨灌溉工程常用的工程性节水技术主要有以下几种。
2.3.1
喷灌。喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统，形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成水滴状态，洒落在土壤表面，为作物生长提供必要的水分的工程技术。喷灌与地面灌水相比，具有节水、省工、省地，适用范围广等优点。其缺点是受风的影响大、蒸发损失大、能耗大、一次性投资高、可能出现土壤底层湿润不足。
2.3.2
滴灌。滴灌是按照作物需水要求，通过一套设备将水加压、过滤、再通过低压管道系统和滴头，以较小的流量均匀而确地直接输送到作物根部附近的土壤或土层中的一种灌水方法。与喷灌相比，滴灌只是湿润作物根区附近的部分土壤，滴灌主要的优点是省水、省工、节能，灌水质量高，对土壤和地形适应性强。我国在引进外国技术的基础上，研究了膜下滴灌技术。现该技术已用于多种农作物的灌溉[34]。但是滴头的堵塞问题一直是滴灌研究的重点也是难点，滴头的堵塞关系到滴灌技术的推广，Rowan等[35]针对滴头堵塞问题提出了一些相应的措施，如先冲洗过滤器后过滤水源，对水源进行氯化处理。
2.3.3
渗灌。渗灌是利用修筑在地下的专门设施（管道或鼠洞等）或专用灌水器将灌溉水引入田间耕作层，借毛细管作用湿润灌水器周围土壤灌溉作物的灌水方法。随着渗灌研究的渗入，地下滴渗灌技术也有了长足的进步，从1913年美国E B House首先进行了地下滴灌的研究，到现在地下渗灌土壤水分运动数值模拟的研究[36]，地下滴渗灌的堵塞问题及抗堵塞灌水设备[37]等方面进行了广泛的研究。节点式渗灌是一种新型的地下微灌形式，具有节约水资源，对温室内空气温度和湿度影响小的优点，已在国内开始推广[38-39]。
3集雨灌溉工程研究存在的问题
集雨灌溉工程作为微型水利工程，经过多年的研究有了一定的发展，也取得了一些效果，技术上已基本趋于成熟，但仍存在以下几个方面的问题：
（1） 集雨灌溉综合性系统研究不够。集雨灌溉利用技术包括集雨、蓄水、输水和高效利用等多个技术，尽管这各项技术已相对成熟，但没有使之形成一个技术体系，许多地方出现收集与蓄存、收集与利用、蓄存与输送、蓄存与利用等脱节。
（2）雨水利用效率不高。主要有两方面原因：第1，集水效率低。集流效率的高低主要取决于集水区的处理及集流材料。目前所使用的各种集流材料及处理方式均不尽人意，或者造价太高，如混凝土集雨面造价高，而原土夯实的集雨面则集雨效率低。而且应用在集雨面上的大部分防渗材料耐久性都差，在使用一段时间之后防渗效果越来越差，影响集水效果；第2，节水灌溉设施匹配不够，雨水利用效率低。尽管节水灌溉措施很多，但由于劳动强度、资金、规模等限制，灌溉设施匹配不够，使先进的雨水利用技术难以大范围推广应用。
（3）缺乏统一的技术指导和工程规划。工程规划布局不合理，蓄积雨水量不足；施工过程中出现一些工程质量问题，窖体轻则漏水，重则坍塌。
（4）有的地区田间节水综合措施不完善。有的地区田间节水设施没有充分引导，将集雨与节水灌溉、节水增产农艺措施及种植业的发展结合起来；有的重建设，轻管理，不利于充分发挥有限水资源的利用效率；有的注重蓄水工程建设，忽略了雨水汇集措施和沉沙过滤设施的配套建设。
（5）缺乏环境影响评价制度，生态效应不明显。目前，大多集雨利以工程措施为主，且强调尽可能多地截留、蓄集雨水资源，而相关的生态措施并未受到重视，且没有对通过单一的工程措施过分截留雨水，是否会对生态造成影响进行研究。
43卷16期
李亚伟等集雨灌溉工程研究综述
4 结论与前景
集雨灌溉工程是干旱半干旱地区解决农业需水的重要途径之一。集雨灌溉工程已从单一的集蓄雨水解决农业生产缺水转向兼顾农、林业等多元生态性发展。从现阶段集雨灌溉工程的研究来看，未来集雨溉工程研究的重点应包括以下几点。 （1）对雨水的汇集、存储、输送、利用等技术进行综合研究，成为一套完整的体系。
（2）对雨水资源进行优化配置理、方法及其相应集雨利用模式的研究，高效利用雨水。
（3）向新型环保材料研发、生态节水技术以及生态环境建设靠近。
（4）加大资金投入和强化管理规范，引入高效节灌技术和设备。
同时在集雨灌溉工程的基础下，要根据当地农业生产、水土资源条件等实际情况，兼顾集雨灌溉的社会效益、经济效益和生态效益，因地制宜开创出不同的新型集雨灌溉组合模式。
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