第四节　塑料大棚雨水高效利用技术及其理论

随着农业生产领域应用技术的不断发展，农业产业化和集约化发展迅速，日益短缺的水资源形势对农业领域水资源的高效利用提出了新的要求。雨水高效利用技术已经成为目前旱作农业地区发展农业生产，特别是进行设施农业生产和实现农业产业化、集约化经营的主要途径。在半干旱地区，以塑料大棚棚面集雨、棚内高效灌溉利用的水量自给模式，已经被证明是一种新型实用和安全经济的雨水集蓄利用方式。

一、种植模式

塑料大棚设施农业包括蔬菜种植、菌类及珍稀物种养殖和高附加值农产品深加工等，但现状主要以蔬菜种植为主。从近几年塑料大棚蔬菜种植结构及全生长过程来看，比较适宜并被普遍采用的种植季节为当年2月中旬至次年1月中下旬。目前已经形成并被广泛应用的塑料大棚蔬菜种植模式主要为辣椒+秋冬茬黄（番）瓜、早春西红柿+秋冬茬黄（番）瓜和早春黄（番）瓜+秋冬茬番（黄）瓜以及单茬黄瓜、辣椒等。本节仅对目前应用最为普遍且经济效益较好的六种组合模式进行分析论述。

二、种植面积与需水量

（一）塑料大棚结构及面积

目前推广应用的塑料大棚结构种类繁多，大小、规格各不相同。本项技术应用中，实际采用的塑料大棚为钢拱架支撑，塑料薄膜保温自动升降结构。大棚占地长60m，宽8m，作物种植带长57m，宽7m，面积399m2（折合0.6亩）。

（二）灌溉需水量

为了确保蔬菜种植取得良好的经济效益，塑料大棚蔬菜种植主要以反季节蔬菜为主，灌溉用水量根据蔬菜灌溉试验资料，结合拟定的种植模式组合和塑料大棚蔬菜种植特点计算确定。在拟定的蔬菜种植结构模式下，单座塑料大棚蔬菜生长期年灌溉需水量Wx在126.0～153.6m3之间，详见表2-4。

三、集水面积与集水量

（一）降水量等别及年内分布

半干旱地区降水量及分布规律研究表明，这些地区降水量的年内分布大多集中在6—9月，约占全年降水量的70%左右。以甘肃省中东部地区降水量分布为例，汛期6—9月占71.5%～73.1%，枯水期当年10月至次年5月占26.9%～28.5%。同时，越是干旱少雨的地区，降水量的年内分布具有越不均匀的特点，尤其在4—5月作物生育关键期旱象尤为突出。典型代表区降水量及年内分布见表2-5。

（二）不同材料集流效率

随着降水量的不同，各种材料的集流效率也有所不同。塑料薄膜集流面年平均集流效率可达75%～80%甚至更高，单次降水量较大时，集流效率可达95%以上。混凝土集流面集流效率大小与混凝土标号、施工质量、管理水平等因素有关，正常情况下，年平均集流效率在70%～75%之间。依据有关试验资料，不同降水量地区不同防渗材料集流效率见表2-6。

（三）可集水量计算

塑料大棚薄膜棚面以其良好的集流效果在雨水集蓄利用中发挥了重要作用。塑料大棚集水量包括两部分：①棚面本身的集水量；②保温墙顶部混凝土衬砌部分的集水量。其中，保温墙厚度2.0m，有效集雨宽度按1.5m计算。总集水量可按式（2-45）进行计算：

式中　Ws——塑料大棚可集水量，m3；

P50%——代表区50%频率年降水量，mm；

Ss、Sh——塑料大棚棚面、保温墙混凝土衬砌部分的有效集水面积，m2；

Es、Eh——塑料薄膜、混凝土集流面集流效率，%。

不同降水量地区塑料大棚集水量计算结果见表2-7。由表2-4可见，拟定模式塑料大棚最大灌溉需水量为153.6m3。所以说，在降水量400mm及其以上地区，依靠棚面集雨就可确保棚内灌溉用水，而在降水量不足400mm的地区则需要采取其他的补充措施。

（四）补充集流面面积确定

在塑料大棚集雨利用技术中，常常遇到的一个问题是，受降水量大小、年内分布和蔬菜种植结构等多方面因素的制约，在降水量较小地区，单纯依靠大棚薄膜棚面集雨往往难以满足棚内灌溉需水要求。因此，工程实践中不得不依靠其他集流面作为补充，以保证蔬菜全生长期对水量的需求。实际应用中，主要采用混凝土硬化棚间空闲地和交通道路解决。部分有条件的，也可采用沥青公路作为补充集流面来增加集水。这种薄膜棚面与空地硬化相结合的集流模式已成为半干旱山区成功解决大棚种植灌溉用水的新途径。当需要补充集流面时，按50%供水保证率设计，大棚集雨系统可供水量可按式（2-46）计算。

式中　Wg——大棚集雨系统可供水量，m3；

Wb——补充集流面可集水量，m3；

Sb——补充集流面面积，m2；

Eb——补充集流面集流效率，%；

其他符号意义同前。

补充集流面面积可根据供需平衡原理（Wx=Wg）试算求得。不同降水量地区设计种植模式下，补充集流面面积计算结果见表2-8。

从表2-8可以看出，在300mm降水量地区所有模式及350mm地区模式一、模式二、模式六均需要补充集流面，在这种情况下，遵循“以需定供”的原则，即按照水量需求确定集流面大小；在400mm降水量地区所有模式及350mm地区模式三、模式四、模式五，塑料大棚集水量可满足灌溉需水量，不再需要单独建设补充集流面。

四、水量平衡分析

（一）水量平衡分析

为了实现高效用水和减少投资的目的，塑料大棚蔬菜种植在规划阶段必须通过水量供需平衡分析，计算确定补充集流面的大小。当大棚薄膜棚面集水不能满足自给而需要修建补充集流面时，水量平衡分析以蔬菜生长过程水量供需平衡为目标。为此，我们可以得出如下两条结论：

（1）当降水量较小，需要补充集流面时，集流面的大小根据单座大棚的水量需求计算确定，水量平衡以需定供，整个供水系统灌溉需水量等于供水量，即Wx=Wg，此时，供水系统不发生弃水。

（2）当降水量较大，不需要补充集流面时，薄膜棚面集水满足作物生长需水要求，灌溉需水量小于或等于供水量，即Wx≤Wg，此时，可能有弃水发生。

（二）水量调节计算

前已述及，虽然根据水量平衡原理，实现了蔬菜种植全生长期水量供需的平衡，但由于天然降水在季节上的不均匀性，致使用水系统在具体的某一用水时段内的水量供需并不平衡。为此，还需要通过一定的工程措施，对可供水量（有效集水量）进行调控，实现以丰补枯，达到高效利用的目的。

为保证拟定种植模式作物全生长期不缺水，水量调节计算选择某一时段作为水量供需平衡点进行计算。根据水量平衡计算方法，供需平衡点选择在丰水期开始，平衡点的选择应满足作物全生长期整个供水过程不缺水。然后，通过逐时段水量供需平衡（盈亏）计算，确定整个时段（全生长过程）的最大蓄存水量，以此作为确定蓄水设施容积的依据。其中，可供水量根据代表性地区50%频率降水量年内分配计算，需水量根据拟定的种植模式和作物生育阶段需水量分段计算确定。

由水量调节计算结果可以看出，在300mm降水量条件下，由于按照水量供需平衡确定工程措施，为此，塑料大棚蔬菜全生长过程很少甚至没有弃水发生；而在400mm降水量地区，由于供水量全部由塑料大棚棚面集水供给，整个用水过程可能有弃水发生，最大达45.5m3。300mm、400mm降水量地区塑料大棚蔬菜种植模式水量平衡计算结果分别见表2-9和表2-10。

（三）蓄水工程容积确定

与塑料大棚集雨配套的蓄水工程总容积，根据系统年供水量和设计种植模式下作物需水量，通过调节计算确定。蓄水工程的容积应在年调节的过程中，保证设计模式下作物全生长期不缺水。调节过程以年为调节计算单元，其中当年末的蓄水量应能满足来年除天然降水以外的蔬菜生长灌溉水量需求。从水量调节计算过程可以看出，在降水量300mm地区，不同种植模式的蓄水设施调蓄容积分别在53.8～65.6m3之间，而在降水量400mm地区，调蓄容积相对较小，在44.8～62.0m3之间，而且大部分种植模式连续2个月出现弃水，个别模式甚至连续3个月出现弃水。选用的蓄水工程形式以埋藏式水泥砂浆抹面水窖为主，容积一般确定为15～30m3，与之配套的设计配套容积见表2-11。

（四）蓄水工程复蓄指数

复蓄指数是指蓄水工程在年内的重复利用次数。就塑料大棚集雨利用模式来说，蓄水工程复蓄指数即年内总用水量与蓄水设施总容积的比值，具体可按式（2-47）计算确定：

式中　K——复蓄指数；

Wy——总用水量，m3；

Vz——配套蓄水设施总容积，m3。

塑料大棚集雨利用模式蓄水工程复蓄指数见表2-11。

由前述计算结果可以看出，设计的六种塑料大棚蔬菜种植模式中，模式三、模式四所需的调蓄容积较小。尤其是在降水量400mm地区，不仅蓄水设施配套容积较小，而且蓄水设施复蓄指数较大，工程的利用效率较高，是塑料大棚蔬菜种植最为经济的利用模式。

五、结论

随着雨水集蓄利用技术的不断发展和技术体系的进一步完善，在水资源短缺地区，雨水作为潜在资源已经实现了资源化利用、产业化发展、规模化效益，对解决干旱区农村生活用水、发展补充农业灌溉、恢复生态植被发挥了重要作用。塑料大棚棚面集水、棚内利用种植模式的提出，为干旱缺水地区发展设施农业生产提供了强有力技术支持，对推动区域经济社会发展具有十分重要的意义和不可忽视的作用。