論“五水”齊抓，綜合解決干旱問題的途徑

我國干旱地區(qū)面積約占國土面積的4成左右，干旱的核心問題是缺水，但地形、地質(zhì)、氣候等的影響，各種水的賦存形式、富集水平都有很大的差異，解決我們西北及北方的干旱缺水問題，根本出路在于充分利用各種水資源，包括天上水（雨水）、地表水、地下水、土壤水以及空氣水，因地制宜“五水”齊抓，開源節(jié)流，保護生態(tài)。

在有一定河川徑流（水資源）的地區(qū)，首先應推行水資源的集約利用，優(yōu)化灌溉技術，提高利用率。在缺乏地表水或地下水的地區(qū)，發(fā)展雨水利用和薄膜技術。降水量相對較多的黃土高原則應充分利用土壤水庫的作用，特別是建設人工控制的“不透水土壤水庫”（雙平雙膜梯田），以緩解干旱的威脅。

對于更干旱的地區(qū)，可以推行空氣灌溉技術，主要是鋪砂田和利用沙漠凝結水，促進沙漠的治理及保護生態(tài)環(huán)境。

一、概論

1.我國干旱氣候帶大體以年降水量200～400mm來劃分。對于黃土高原地區(qū)按照實際情況，上述指標適宜改為250～500mm。年降水量小于200mm地區(qū)為十分干旱氣候帶。

干旱氣候帶和十分干旱氣候帶，在我國所占面積約為4成，分布于北方和西北及藏北等地。其中小于200mm的地區(qū)約占上述面積的7成。

干旱的核心問題是缺水，表現(xiàn)為五水奇缺：降水量少，河川徑流量少，相應的地下水也少，土壤干燥，大氣中的含水量（濕度）也低。但是，上述各種水的存在形式由于受地區(qū)特點、地形、地貌、土壤植被、氣候等諸多因素的影響，其賦存形式，富集的水平都有很大的差異。

2.我國干旱地區(qū)根據(jù)大地形單元，氣候帶的分布以及地質(zhì)條件可分為三大類型區(qū)：西北內(nèi)陸區(qū)、內(nèi)蒙古高原區(qū)、黃土高原區(qū)。

西北內(nèi)陸區(qū)包括新疆大部，甘肅河西走廊,青海柴達木盆地。它的特點是在極干旱的大背景下，分布有許多高大山體，孕育著豐富的水資源。水資源總量高達1000×10⁸m³，是發(fā)展以綠洲經(jīng)濟為主體的資源基礎。

內(nèi)蒙古高原區(qū)包括大興安嶺以西至阿拉善高原的廣大地區(qū)；主要特點是地勢平坦、沙漠廣布、荒漠化嚴重、降水量偏少，為100～400mm，地表徑流極少。黃土高原區(qū)主要特點為黃土丘陵山地,黃土層深厚，降水量300～500mm，水土流失嚴重，河川徑流量少，地下水也少，土壤干燥，植被差，干旱災害嚴重。

3.解決我國西部及北方的干旱問題，具體出路在于充分利用各種水資源，包括天上水（雨水），地表水，地下水，土壤水以及空氣水。因地制宜，廣開水源，節(jié)約利用，保護環(huán)境。

二、“五水”及其相互關系

1.降水與地表水

地表水即河川徑流量，由降水轉(zhuǎn)化而來，從宏觀分析，在一定的年降水量條件下，不同地形地貌類型，不同下墊面巖性及植被狀況的流域，其產(chǎn)流的差異性極大。從下表1可知：

黃土丘陵溝壑區(qū)年徑流深只有石山林區(qū)的1/2～1/4，在干旱半干旱地區(qū)，尤其黃土丘陵溝壑區(qū)水資源十分貧乏，在靠近石山區(qū)的地方，可以仰賴從山區(qū)引水滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市供水的需求。

2.降水與地下水

在山丘區(qū)降水量除直接產(chǎn)生地表徑流外，大部分滲入地下（土壤），其中一部分補給地下水，并以地下徑流（泉）方式進入河流，成為河川徑流的基流量。因此山丘區(qū)地下水資源量的計算是以切割河川流量過程的基流量來推求的。它的數(shù)量完全是河川徑流量的一部分。

黃土高原丘陵區(qū)的地下水補給量也非常少，約占河川徑流量的1/3，大部地區(qū)只有10mm左右。因此黃土高原既缺地表水又缺地下水。在年降水量450mm以下的地區(qū)，河水礦化度很高，不能飲用。

平原地區(qū)，降水補給地下水的部分相對較多，而其轉(zhuǎn)化為地下徑流（匯入河流）的部分相對較少。因此，平原地區(qū)雖然自產(chǎn)河川徑流量偏少，但自產(chǎn)地下水資源量卻相對較多。在沙漠區(qū)，年降水量300mm，以上地區(qū)降水補給地下水的數(shù)量比較大，如鄂爾多斯東南部及西遼河上游一些沙區(qū)，地下水均比較豐富。

降水對地下水的補給量與地下埋深及土壤巖性有密切關系。通常地下水埋深成為主要影響因素，降水補給系數(shù)與埋深成反比例關系。黃土高原地下水少的原因，正是由于其埋深較大之故。地下水超采，埋深加大，勢必也減少了降水補給地下水的數(shù)量。往往有這種情況，天越旱，地下水越采越多，埋深越降越大；同樣的降水量補給的地下水越來越少，造成惡性循環(huán)。

3.降水與土壤水

土壤水指土壤包氣帶所含之水量。土壤是降水、地表水、地下水的中轉(zhuǎn)站，土壤層中某一時期的總含水量近于常量，而其年月變化與降水量的變化有密切關系。加之在熱力因素的作用下，土壤含水量往往與作物需水量不相吻合。在降水量較少地區(qū)土壤水多數(shù)不足。但夏秋多雨季節(jié)，土壤層中就會多蓄一些雨水。采取一定的保墑措施，可以作到秋雨春用。

土壤包氣帶是一個天然的“土壤水庫”，它為作物的需水起著重要的調(diào)節(jié)作用。在正常情況下，可以移豐補欠，向作物均化供水。

地下水埋深較淺，土壤包氣帶經(jīng)?？梢缘玫浇?jīng)毛細管補充的地下水。但當?shù)叵滤裆詈艽髸r（如黃土高原），雖然“土壤水庫”容量很大，但卻經(jīng)常“吃不飽”，整個土層的土壤含水量很低。在干旱半干旱地區(qū)這種情況更為突出。降雨過后，土壤上層濕潤，但下層卻很干，因此濕潤層的水分，既要供給表層蒸發(fā)，又要供給下層浸潤（水勢的作用）。最終使得整層土柱含水量處于低水平，甚至往往低于植物正常生長的所需土壤含水率水平。這就是黃土高原呈現(xiàn)出光山禿嶺特別干旱的原因所在。

表1　降水徑流關系表

4.空氣水

空氣中的水汽含量隨氣溫變化而變化，也隨季節(jié)及天氣過程而變化。水氣的來源有外源與內(nèi)源之分，外源即在各種天氣過程下由外地氣團攜帶而來，內(nèi)源則產(chǎn)生于本地區(qū)的陸面蒸散發(fā)量。在干旱地區(qū)，大氣中依然保存著一定數(shù)量的水汽含量，通常用絕對濕度或相對濕度來表征。如河西走廊中部即使在最干旱的春夏之交，相對濕度一般可達15%～30%，在氣溫為20℃時，水汽壓可達4.7mb；在年降水量300mm的黃土高原干旱區(qū)水汽壓約可達7mb，折合空氣中單元水柱約有70mm的水量。

三、綜合解決干旱問題的途徑

1.水資源的集約利用和優(yōu)化灌溉新技術

（1）農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水新技術的發(fā)展。當今世界農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的新技術不斷發(fā)展，除了常規(guī)灌溉所推行的節(jié)水技術外，主要以微灌、滲灌、滴灌、噴灌為主，畝用水量可以降到200m³左右。對于果園可以采用單棵滴注的灌溉方式，畝用水量可降至40～60m³。

（2）兩類灌區(qū)的優(yōu)化問題。在西部農(nóng)業(yè)灌溉方式絕大部分仍以地面灌溉為主，有的仍沿用大水漫灌，用水較多。但是在有些閉合型灌區(qū)，或能多次重復利用的灌區(qū)，水的利用率也可達到很節(jié)約的水平。所謂閉合型灌區(qū)是由特定的地形、地質(zhì)條件所決定，并在灌區(qū)下游有一收縮閉合峽口，灌區(qū)的地下回歸水全部能匯于此峽口，并能為下游灌區(qū)提供再利用的水源。在閉合灌區(qū)內(nèi)部，亦即綠洲內(nèi)部采用密集型的結構，使農(nóng)田面積占到綠洲總面積的80%以上，（一般不少于70%），進而庭院經(jīng)濟的發(fā)展，則可占到90%。在這樣的綠洲內(nèi)，灌溉凈耗水量則可降到較低的水平。目前，武威、張掖灌區(qū)已經(jīng)達以350立方米/畝～400立方米/畝的水平。如果繼續(xù)進行改進，則可達到以色列的水平。（畝凈耗水300立方米）。

在開敞形灌區(qū)，地下回歸水不能集中于一處，所以難予實現(xiàn)多次重復利用。在這種情況，最好的措施就是推行以色列模式，灌區(qū)輸水管道化，灌溉方式滴噴灌化，水可以做到全盤自控化。但是大部分地區(qū)難以做到。所以建議采用所謂“金塔模式”。此種模式的基本做法就是將灌區(qū)分為上、中、下三段：（或四段）上段以渠灌為主，利用余水、冬水回灌，提高地下水位；第二段井、渠結合，以井灌為主，充分利用地下水；第三段，井渠混合灌（一部分井水礦化度較高）使大部分地下水達到二次、三次利用，盡量減少淡咸早混。尾段地下水礦化度已高，可以群井排鹽，并灌溉外圍荒漠沙區(qū)，以維護外圍自然生態(tài)環(huán)境的改善，起到保護綠洲總體生態(tài)環(huán)境的作用。這樣在開敞形灌區(qū)仍可實現(xiàn)多次重復利用，提高有限水資源的利用率。

（3）塑料大棚及膜上灌技術

塑料大棚主要解決保溫、增溫問題進行反季節(jié)種植。但也是一種節(jié)水措施，大棚內(nèi)保持高濕度，水分較少外逸，大大降低蒸發(fā)損失，因而有大的節(jié)水效果。

膜上灌水，既節(jié)水又保墑，而且有增加地溫的作用，所以有較高的增產(chǎn)效果。

2.雨水利用

（1）聚流農(nóng)業(yè)在無灌溉條件的旱作農(nóng)業(yè)，靠天雨吃飯，農(nóng)業(yè)的發(fā)展受雨量、雨期、雨強以及土壤、地下水位等諸多因素的制約，其中最主要的是降雨量和降雨時期。此二者不適量不合時，往往是形成干旱的主要原因。為解決農(nóng)業(yè)干旱，近年聚流農(nóng)業(yè)發(fā)展很快，主要內(nèi)容有：溝壟耕作，覆膜技術，覆蓋技術，點穴技術等。

溝壟耕作：壟上覆膜，溝床種植，可以起到三份土地上的雨水滿足一份或二份土地上作物的需要。覆膜技術，即普通的地膜覆蓋，有增加地溫保墑集雨等作用，增產(chǎn)效果顯著，被譽為“白色革命”。覆蓋技術主要有秸桿覆蓋等，可以起到增加雨水入滲，減少土壤蒸發(fā)的作用。點穴技術的作用與溝壟耕作有類似聚集雨水的作用。此外一些水保措施如水平溝、魚鱗坑等也都屬于聚流農(nóng)業(yè)的范疇。

（2）集雨工程甘肅省推行的“1.2.1“集雨工程，是一項通過現(xiàn)代科技改變傳統(tǒng)的水窖集雨方法，即將集雨場地由原土質(zhì)改為防滲材料，如薄膜、瀝青、混凝土等，屋頂則改為機瓦。這樣就可大大提高集流效率，（提高降雨徑流系數(shù)）。如混凝土與水泥機瓦的集流效率較高，在較小的雨量和雨強下也能產(chǎn)流。其效率一般可達70%，最高可達80%。而一般夯實土面只有10%～20%。

干旱半干旱流域，年徑流系數(shù)一般均很小，黃土高原溝壑區(qū)多年平均僅0.04～0.06。次洪水的徑流系數(shù)一般可達0.1～0.2，特大暴雨區(qū)洪水徑流系數(shù)最大可達0.4～0.5，但是大暴雨出現(xiàn)的機會很少，且往往又是災害性的。據(jù)降水資料分析年降水量300mm左右的地區(qū)，小于10mm的次雨量，不會在一般土地或夯實土面上產(chǎn)流。因此一般年份水窖蓄不上水，群眾吃水困難。

“1.2.1”工程就是將農(nóng)家場院鋪成混凝土面，屋頂改裝機瓦，則一般年份每平方米可集流約0.2立方米，每戶約需集流面積100平方米。此項工程的推廣，基本解決了多年存在的群眾吃水的老大難問題。

雨水利用除解決人畜飲水問題外，發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉也是很有前途的。在年降水量400mm地區(qū)，農(nóng)家1畝左右果樹及瓜菜的滴灌，只需2.5分地的集流場即敷應用。

（3）抑制水分蒸發(fā)

如何減少和抑制水分的無效蒸發(fā)，也是實現(xiàn)節(jié)水的一個重要途徑。目前國內(nèi)外發(fā)展的新方法有在水庫或蓄水池水面噴灑單分子膜，如十六烷醇、十八烷醇等化學制劑，可減少水面蒸發(fā)20%～40%。

減少植物蒸騰的方法有：①在葉面噴灑有關化學品，阻塞部分氣孔或刺激氣孔部分關閉，以減少蒸騰量。②噴灑白色反光物質(zhì)，減少吸收太陽輻射，降低葉面溫度。

此外在減少土壤蒸發(fā)方面還有地表噴灑有關石油化學制劑，如瀝青制劑等，可以有效地減少土壤水分蒸發(fā)損失。

3.土壤水的人工控制利用。

（1）雙平雙膜梯田—不透水土壤水庫

如何充分利用土壤水庫的調(diào)蓄作用，也是值得研究的大問題，在黃土高原地區(qū)，土壤墑情受到上下兩方面的消耗，因此所謂“土壤水庫”它實質(zhì)是一個既無底又無蓋的漏水跑水土壤水庫，作者提出雙平雙膜梯田設想，就是解決“水庫”水量的上跑下漏的問題，從而造成“不透水的土壤水庫?！逼浞椒ㄊ窃谝欢ㄉ疃龋?0～100cm）鋪設底膜，截斷有效雨水繼續(xù)下滲的通道，保持作物根系層有足夠的土壤含水量。在地表覆膜，主要是減少土壤蒸發(fā)。這種梯田適應于年降水量300～450mm地區(qū)。雙平梯田最主要的是蓄秋雨，度春旱，解決黃土高原地區(qū)最主要的卡脖子旱—春旱問題。

（2）U形覆膜技術

在較陡的坡地修梯田時，可以應用“雙平”原理，將梯田挖成U形渠，渠底覆膜，再回填修成梯田，也可稱為不漏水平溝或窄幅雙平梯田，這樣肯定有利于植樹造林成活。

（3）化學不透水層。國外在沙漠地區(qū)用一種化學試劑噴灑地面，此種物質(zhì)下滲到一定深度后，可以凝結成一層不透水層（或近似不透水層），以截斷雨水繼續(xù)下滲，用以維持一定深度內(nèi)的適宜土壤含水率，滿足植物生長的需要。

4.空氣水的利用

前述空氣中即使在干旱的地區(qū)也存在一定數(shù)量的水汽，那么這些水汽在不下雨的情況下，能被利用嗎？答案是肯定的。在自然界和長期的抗旱實踐中已經(jīng)得到了應用。沙丘上的沙生植物靠沙漠凝結水生存，利用鋪砂田產(chǎn)生凝結水種植瓜菜。因此我們可將利用空氣產(chǎn)生凝結水來灌溉作物的方法稱作“空氣灌溉”。

（1）凝結水的產(chǎn)生機理。當空氣中的水汽含量達到飽和時，就會產(chǎn)生凝結水。露水是凝結水，這是可以直接看到的。雨水是云中水汽上升迂冷卻飽和后凝結的產(chǎn)物。氣象上測定濕度的方法是通過觀測干球和濕球溫度來計算的。干、濕球溫度相等時，說明空氣濕度已飽和。有了干、濕球溫度，就可從氣象常用表中查出濕度。水汽的凝結溫度要從下表（表2）中查出。表中數(shù)字表明，當氣溫為25℃,相對濕度為20%（比較干燥）時，凝結溫度為14.1℃,這就是說在一個比較小的距離內(nèi)只要有足夠的溫度差存在，就會產(chǎn)生凝結水。

表2　氣溫和凝結溫度關系

（2）沙漠凝結水。高原大氣所在黑河的觀測研究成果表明：在白晝表層水汽通量為負值（即向下），其強度過程與日照強度相對應，說明地表層以上大氣中的水汽向地層輸送。那末輸送到什么部位？作者在民勤及臨澤治沙站看到實測的沙丘內(nèi)垂向含水量變化資料表明：在裸露沙丘（暴露在陽光下）沙中20～60cm處有明顯的濕沙層，含水率最高達3.47%（枯萎點0.8%）表層及下層均較干燥，含水量1%～2%。而蔭蔽處沙中無濕層，含水率均在1.0%左右。同時經(jīng)探挖表明沙生植物的根系全為水平擴展根系，恰好也分布于濕沙層。顯然，可知空氣中負通量的水汽進入沙層后，遇沙中低溫即行凝結，而使該沙層變濕。所以沙漠中的沙生植物主要靠沙漠凝結水而生存。

凝結水的數(shù)量有多少？作者根據(jù)黑河實驗資料及治沙站有關資料計算可達100～200mm，此數(shù)尚欠準確，應需進行實驗測定。

在治沙過程中，應當充分利和沙漠凝結水的作用。那么大的面積的沙漠上為什么沒有或很少有良好的植被呢？有以下原因：①降水特少的地區(qū)，空氣相對濕度很低，所以產(chǎn)生的沙漠凝結水少；②流動性沙丘植株難以存活；③過度放牧和樵采，人為破壞嚴重。一旦植被破壞，沙丘流動，再難以恢復。所以治沙一定要注意以上因素，采用相應的措施。許多治理好的沙漠，沙生植被良好，起到了良好的固沙和防沙效果。同時也說明沙漠是能夠治理的。值得注意的是沙生植物都是單株稀疏分布，一叢與一叢間要有足夠的距離，留出足夠的空曠面積，供日照增溫，才能保證凝結水的產(chǎn)生和供應。

（3）鋪砂田。鋪砂田是典型的利用空氣灌溉的農(nóng)田。鋪沙田是甘肅中部干旱地區(qū)（年降水量200～300mm）農(nóng)民創(chuàng)造的一種既古老又新穎的抗旱增產(chǎn)的創(chuàng)舉。說古老，是因為它有八百年的歷史。說新穎，是對外地人來說的，他們不知底細，說：“這不是人造戈壁嗎?！碑斎徽f新穎也是說它具有新穎的科學道理。

蘭州北部的鋪沙田大部種植瓜類作物，每年進入盛夏，市場上供應的西瓜、甜瓜多產(chǎn)于此地。作者曾向瓜農(nóng)請教：你的瓜田灌水沒有？其曰：沒有，我的瓜是“旱砂瓜?！焙瞪肮咸铮蠖喾植加邳S土丘陵緩坡地上，沒有灌水條件。瓜農(nóng)稱“旱砂瓜”，顯然是宣傳其瓜抗旱長成，品質(zhì)好，香甜，勝過水地瓜。作者又問，如此干旱的天氣，沒下一滴雨，瓜長的這么好（個兒大）地里墑好嗎？答曰：“地里墑很好，一鐵锨挖下去，全是濕塊土?！惫咸餅槭裁从羞@么好的墑？作者在盛夏看到的瓜田，瓜葉在暴曬下仍然不打蔫，不披晌。原來，這是鋪砂田產(chǎn)生的凝結水起的作用。太陽越曬的厲害，凝結水產(chǎn)生得越多。似乎太陽在不停地給瓜苗澆水。

鋪砂田是在土地上鋪一層河卵石砂層，一般厚約10cm。由于砂石比熱小，地面日曬增溫很高，夏季經(jīng)?？蛇_50℃，甚至60℃以上，而土壤層中的地溫僅約20℃～22℃，溫差很大，熱空氣進入（通過卵石層孔隙）土層遇冷，立即產(chǎn)生凝結水。近幾年景泰出產(chǎn)一種“紅砂洋芋”，頗受市場青睞，紅砂洋芋產(chǎn)自用紅色沙石（當?shù)劁伾安牧希╀伋傻纳疤?，也是鋪砂田的一種。在干旱地區(qū)，充分利用鋪砂田產(chǎn)生凝結水的機理，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不失為抗旱的有效措施。

（4）金屬喇叭管。據(jù)文獻報導，國外在干旱地區(qū)用一種金屬喇叭器具插入土壤中，產(chǎn)生凝結水，供給植株生長，這與砂田的作用類似。此金屬喇叭管有一長管通到土壤根系層，喇叭露在外面。由于金屬比熱更小，日曬升溫比砂石更高，產(chǎn)生的凝結水可能比砂田更多。以上這些方法和設想在干旱地區(qū)很值得試驗研究。

2001年6月20日