干旱—半干旱地区水资源及其管理

干旱—半干旱地区水资源及其管理

K.D·巴克^[1]，朱琰

（德国图宾根大学地球科学学院）

【摘　要】水资源是干旱—半干旱地区发展的关键制约因素。本文对干旱—半干旱地区水资源的存在形式及管理现状进行了综述。着重分析了不同地貌条件下集雨设施的布置和管理，为干旱—半干旱地区扩大水资源供给和水资源的可持续利用提供了技术指导。

【关键词】干旱—半干旱地区，水资源，管理，集雨

Water Resources and Management in Semi－arid and Arid Regions

Klaus－Dieter Balke，Zhu Yan

（Institute for Geosciences University of Tübingen Germany）

【Abstract】Water resources is the key restraining factor for development in arid and semiarid areas.The water resources existence and management situation in arid and semiarid areas were introduced in this paper.Moreover，the layout and manage of rain－harvesting constructions in distinct geomorphology condition were illustrated.These methods provided the technical guidance for enlarging water supply and water resources sustainable utilization in arid and semiarid areas.

【Key words】arid and semiarid areas，water resources，management，rain－harvesting

1.研究背景

在干旱—半干旱地区，在可利用的前提下，有三种水资源可供开发:地表水、地下水和雨水。为了避免水资源开发利用中的破坏和矛盾冲突，必须有一个强有力的管理机构设计与水相关的基础设施；进行水资源勘测；对水资源开发和配置以及用水进行管理等。

水资源的可持续管理，是指水资源的供给与水需求之间的平衡管理，包括从水质、水量、生态、技术、经济和政治等多方面的考虑，以确保在不破坏自然资源和环境的前提下，长期保证所有用户的合理的水资源供应。水资源的综合管理也要求水文地质学家、农学家、技术人员、经济学家、规划师、政治家和当地居民或社会团体等的通力合作。

水管理的水文单元是指相关的流域地区，在该流域地区需要搜集和评估的必要数据包括:地区面积、地形、岩石类型、土壤类型、植被；降雨量、日照、温度、湿度、蒸发量；渗流、地表水资源和地下水资源及其可利用量；人口、居民点、工业和农业活动；总需水量及地区需水量以及基础设施等。

2.地表水

2.1　河流

地表水一般存在于河流、小溪和盐水湖中。

常年流过半干旱地区的河流接受周边山脉的降雨和冰川融水的补给。

必须对河流径流的波动进行测量并绘制出其径流水文曲线，通过这一信息就可对河流的可利用水资源量进行计算和预算。处于河道中的湖泊和水库是储水区域，通过调控河流的流入量与流出量可对其进行管理，当然这些干预会改变水流状态的自然特性。

图1　流域的上下游地区

Fig.1　River catchment with upstream and downstream areas

河流水质主要受流域岩石、土壤和气候条件的影响。河水也会受到污水、肥料、植物保护剂、油以及其他污染物的水文化学污染，因此，水处理厂的修建非常必要。如果水质和水温发生变化，在外来植物、动物和微生物的入侵下，也将导致河流产生生态污染。

此外，在一个流域的上游地区开采水源，也将会减少下游地区的水量，改变当地的水平衡，见图1。

在世界范围内，有几个河流管理薄弱的典型实例，如美国的科罗拉多河和中国的黄河等。为了避免此类情况，河流管理决策必须依据水平衡理论，即根据用水量、用水时间、用水目的进行合理安排，同时，这些决策也要与水资源用户协调决定。水资源管理部门有义务设置一些必要的设施，例如:河流改造、洪水保护、配水和储水的设施，水处理厂、能源供给和其他与水相关的基础设施。

如果水资源供给不能满足所有的用户，政府就必须提出一些法律限制条款和禁令对其进行严格控制，但是由于人们的私心常使不同利益群不能很好的合作。

如果两个或多个国家位于一条跨国界流域内，形势将更为严峻，甚而在这些国家间会爆发夺水之战。

图2　Guir－Saoura－Messaoud溪谷系统（Vanney，1960）

Fig.2　The wadi system Guir－Saoura Messaoud（Vanney，1960）

2.2　溪谷

溪谷径流具有季节性和不规则性。图2所示Guir－Saoura－Messaoud溪谷系统，位于阿尔及利亚西北部，是半干旱地区径流形式的一个典型例子。

泉水地区位于亚特拉斯山，年平均降水量为150mm。溪谷的特点是小溪多流至沙漠地区，随着距离泉水区距离的加大，泉水及其径流量都呈递减趋势。在Abadla地区，通常河流每年有四个半月的时间有水；在Beni Abbès地区每年仅有两个半月有水；到了Kerzaz地区，每年短暂出现一次。在特殊情况下，河流将会流至更远的地区。

为了度过旱季，应当在溪流产出期，利用水池、人工含水层和地下水坝尽可能地收集和储存溪谷径流。

3.地下水

3.1　地下水赋存条件

降雨及河流的渗流是浅层地下水的主要补给源（图3）。

图3　河流补给地下水

Fig.3 Simple subsurface cistern（Hofkes，1983）

在地下水补给条件已知的情况下，方能实现持续的地下水开采。地下水的补给量可通过测渗计测量或计算得知。

同时也应考虑将来在某些地区会因气候变化而减少对地下水的补给。

在一些沙漠地区中，古河床上大多覆盖着沙层，通常这些河谷中的粗砂和砂砾堆积层，蕴含浅层地下水，即现在的含水层。属于这类蕴藏的水资源，是能够被地质雷达探测到的。

地下水的含盐量一般随着深度的增加而增加，但是在半干旱地区，浅层地下水由于接近地表蒸发量高，因而通常很咸。在表层与底层含盐层区域之间，通常能够找到含盐量较低的地下水。

3.2　地下水的开采

半干旱地区的地下水开采必须非常谨慎，并应遵循水平衡规律以避免超采。

开采化石地下水就像开采矿藏一样，必须有严格的管理制度控制抽水率，以保证在预定的时间内地下水的消耗率。否则，化石地下水资源将被完全耗尽。

为此，在管理制度中应规定:必须建立地下水位计算监测的控制系统，用以调查地下水位的变化。并应遵照本地的水平衡法则控制或限制水井的泵送率。否则，浅井变干，深井水位下降，自流含水层会变为承压含水层。

有时，由于一些农民不重视按可持续发展的原则取水，结果使危害升级。在非洲国家的半干旱地区，就有一些实例。例如在巴基斯坦等国，当水井打好以后，农民增加了牲畜的数目，随后任其将周边草地消耗殆尽，如此过度放牧，就降低了表层土壤的储水量，使植物生长受到阻滞，以致在很短的时间里，牲畜也难以存活。为此，必须提供可靠的信息，实施培训以及建立预警机制，避免此类后果。

在干旱地区的输水是一个特殊问题。在一些国家（例如埃及、利比亚和中国），干旱地区输水是在明渠中流动，这样在输水过程中，由于蒸发和渗漏会导致输水大量损失。采用管道输水能够显著减少此类损失。

4.农业管理

4.1　可持续农业

可持续农业是一种“在满足人类不断变化需要的同时，保持或提高环境质量，并进行自然资源保护的成功的农业资源管理（Walsh，1991）”。

在干旱—半干旱地区，集雨是一种收集水资源的可持续方法，因为降雨不可能被过度使用，而集雨技术可根据前辈人的经验因地制宜地加以选择。

集雨，就是收集、过滤和储存当地雨水和地表径流，并用于人畜用水和进行灌溉。其过程具体为:雨水降至集水区（径流汇集区），然后引流至滞留区（耕作区或相关区域），引水直接湿润了土壤或被储存至水池和水库中以备后续使用。采用集雨措施相对于雨养农业能使作物的产量提高2～3倍。

集雨区和耕作区还可覆盖原本没有其他用途的休耕地，由于增加了额外的作物种植将会固定多余的二氧化碳。

集雨量依赖于当地的降雨量、密度和频率、蒸发量、地形、出露岩石、土壤覆盖和集雨区范围的大小等。如果降雨量小且不规律，集水区范围就比较大，蒸发量和需水量也较高。在农村地区，此类集水可作为单独的小农户和小的农业团体的生活、农牧业用水。

4.2　集雨设施的建设

一个新的集雨工程建设之初，首先需要明确土地的权限和确立水法。用水户可以成立水资源协会，同时，一些家庭、家族、自助团体和宗教团体也可实施联营。

团队的任务是介绍和改善集雨设施。如果国外专家参与其中，他们将会提供不同的集雨技术经验；国内专家将提供受时间考验的可靠的集雨技术。当地农民熟悉实际情况，也可以参与集雨工程的设计和实践。集雨工程的结构、采用的技术措施以及农业决策也必须通过他们的协作来进行设计和实施。

依靠降雨和集雨区大面积收集的水量，甚至可以够一个小村庄的使用。集雨区的地表面必须是天然岩石或人工压实的土面，或由水泥硬化或塑料薄膜密封。

4.3　储水窖集雨

收集到的雨水也可以储存在储水窖和水库中。储水窖必须接近于黑暗密封的储存条件，以避免藻类的生长和蚊子幼虫的滋生。

简单的储水窖类型实例如图4所示。该储水窖开挖于不易透水的土壤层中，集雨区由岩石或土壤筑成的小围堤将雨水由淤积池引入储水窖中。

图4　简单的地下储水窖（Hofkes，1983）

Fig.4　Simple subsurface cistern（Hofkes，1983）

储集更多的水可以采用带有筒状穹顶的储水窖储存，其常见形式为一个水泥的、微倾的集水圆盘与地下储水空间的结合体。如果加大储水窖的规模，特别是将其底部及四壁进行防渗铺砌时，就能够储积大量的雨水。

此外，还可设计不同类型的大型储水窖，例如图5为填沙的威尼斯储水窖，该类储水窖可以布设在洼地的最低点。

图5　威尼斯储水窖（Hofkes，1983）

Fig.5　Venetian Cistern（Hofkes，1983）

雨水也可以通过建筑物的屋顶平台进行收集（屋顶集雨）。这类屋顶一般都覆盖着草或一些浅根的小型植物。

4.4　山区集雨

山区的雨水可以在山谷和山坡表面进行收集。

4.4.1　集雨水窖（Mejel）

如果储水窖位于斜坡或陡峭的位置，在降雨时，降水沿地表向下流入一片小的蓄水区或沟渠之中，储水窖就能够蓄集大量的雨水。此外，降水通过下渗进入岩层裂隙也可通过引水管流入储水窖中。储水窖可以凿在岩石中或利用石料或砖块砌筑（见图6）。

图6　突尼斯集雨水窖（Mamou，1981）

Fig.6　Mejel，Tunisia（Mamou，1981）

4.4.2　微型坝

在小山谷中可以沿河谷坡面修建一系列高1～5m的微型坝。坝身由土壤夯筑，再以岩石层加固，用以拦蓄雨洪。坝体还配备有溢洪道，坝上可种植树木、玉米、蔬菜和药草等。

4.4.3　渗流沟

在具有土壤覆盖或松散介质的坡面上，可以沿着等高线挖掘渗透性较小的沟渠以截留雨水，用以灌溉树木，灌木或草地，达到提高渗流和保持水土的目的。

4.4.4　山丘集雨

集雨区可以由整个山丘的顶部构成。采用山丘集雨时，应环绕山丘构筑集雨墙，或由岩石加固的土堤坝。其出水口应略微倾斜，以便雨水顺畅流入储水池或储水窖（见图7）。

图7　山丘集雨图（Rocheleau，1988）

Fig.7　Hill catchment（Rocheleau，1988）

4.5　平坦地区集雨

4.5.1　地下集雨

地下围堤包括一个与小水窖相连的圆形或球面形的围堤（见图8）。雨水经下渗进入沙填的过滤区，形成沙或土壤储水层，再通过引水管流入储水窖。

图8　地下围堤集雨图（Power，1985）

Fig.8　Subterranean embankment（Power，1985）

地下集水区的结构如图9所示:沿等高线修建一个不透水的斜坡（B）；由钢片、石块、砖块和混凝土混合加固的沟槽组成的围堤（C）；设置集水管（D），周边填充砂砾。在砾石过滤层之前还有铺设砂层（A），起到过滤和防止砾石层堵塞的作用。

图9　地下集水区断面示意图（Overmann，1971）

Fig.9　Subterranean catchment（Overmann，1971）

4.5.2　土质差异形成的地下集雨区（Tajamares）

在有些情况下，平原地区地下土壤层质地为:黏土、沙土和沙层的顺序。如果局部地区因人为扰动造成沙层覆盖在黏土层之上，雨水和地表径流便会下渗或经由人工过滤至沙质沉积层蓄积起来，在干旱季节时便可抽出淡水使用。

4.5.3　微型集雨区

微型集雨区，图10所示，修筑在小于10%坡度上。微型集雨区是由一些小的半圆形、梯形或四边形的土石坎围成，土石坎是由土壤（10～30cm高）或石块（最高1m左右）堆积而成，以便坡上径流流入，多余的水则通过围堤的两端溢流至下一排的集雨区，如图11。

图10　半圆形集雨区平面设计图（Smith，　Critchley，1983）（半圆形集雨区，类似我国鱼鳞坑，但属大型－译者）

Fig.10　Scheme of semi－circular catchments（Smith＆Critchley，1983）

图11　微型集雨区（Rocheleau，1988））

Fig.11　Micro catchment（Rocheleau，1988）

4.5.4　田间灌溉

平原地区最简单的田间灌溉方式，就是将作物种植在10～30cm深的浅坑内，用以保存降雨和地面径流以供植物需求。

平坦地区另一种田间灌溉方法，就是将土壤按线状堆积在种植区之旁形成较高的集雨区，见图12。集雨区通常比种植区面积大。

图12　集雨区种植区交替（Smith，Critchley，1983）

Fig.12　Alternating collector areas and cultivated areas（Smith＆Critchley，1983）

在坡度平缓的地区，可以修建梯田，如图13。但必须认识到坡度越陡峭，侵蚀破坏的风险就越大。

图13　梯田（Smith，Critchley，1983）

Fig.13　Bench terraces（Smith＆Critchley，1983）

田间灌溉还有多种布置方式，例如沿着等高线的矮田埂（围堤）见图14，或方形、菱形或其他方式布置，见图15。

图14　条形种植（Pacey＆Cullis，1996）

Fig.14　Stripe cultivation（Pacey＆Cullis，1996）

图15　方形或菱形灌溉单元布置（Pacey＆Cullis，1996）

Fig.15　Square or rhomboidal arrangement of irrigation sections（Pacey＆Cullis，1996）

4.5.5　大型集雨区

大型集雨区，见图16，通常修建在坡度大于10%的宽广的斜坡上或宽阔的河谷中。在花岗岩、片麻岩或致密的玄武岩、石灰岩或砂岩出露区，特别适宜于修建集雨区，而耕作区可置于富含土壤的洼地或山脚。

图16　包括农田的大型集雨区（Charnock，1985）

Fig.16　Macro catchment with crop fields（Charnock，1985）

4.5.6　分级带状集雨区

雨水也可由特设集雨区和水窖组合进行收集，见图17。

图17　带状集雨区（Hofkes，1983）

Fig.17　Graded strip catchment（Hofkes，1983）

分级带状集雨区的渗透率必须较小，以便径流能够沿着沟渠迅速输送至储水设施。

4.5.7　农民培训与种植作物的选择

培训农民是一项非常重要的任务。通过培训使农民了解修建和维护集雨设施、管理水流、处理土壤保持其肥力以及选择适宜作物的方法；使农民掌握一些适宜的农业技术也非常重要，例如采用特殊的犁和工具。

在种植的作物选择方面，应选择需水量少、生长期短且耐旱涝（例如果树、高梁、小米、小麦、花生、豆类及瓜类等）的作物，也可以选择用于制药或香料的作物，通常种植这些作物的效益更好。

4.6　经济和基础结构方面

集雨设施的实施和改进推广，除了要考虑环境和社会因素外，还要考虑经济因素。必须考虑所有的用户组能够负担得起，如有必要，可积极争取政府或国际方面的经济援助。在一些地区，也有为农民提供小额贷款的经验。

4.7　总结

集雨有助于在干旱—半干旱地区扩大种植面积，提高粮食产量，同时也有利于提高小范围内农民的生活水平。

必须使执政当局认识到集雨不是一种原始的，而是一种与时俱进的方法，从而获得支持。

（英译中:朱琰，中译英:王金凤）

参考文献（Reference）

［1］Hofkes，E.H.（Ed.）（1983）:Small Community Water Supplies－Technology of Small Water Supply Systems in Developing Countries.Chichester

［2］Mamou（1981）:unpublished dissertation，Institut de Géologie，Universitéde Tunis，Tunisia

［3］Overmann，M.（1971）:Wasser.192 S.dva－Verlag，Stuttgart

［4］Pacey，A.＆Cullis，A.（1986）:Rainwater Harvesting—The Collection of Rainfall and Runoff in Rural Areas.UK:Intermediate Technology Publications，London

［5］Rocheleau，D.（1968）in Prinz，D.etal.:Water Harvesting for Crop Production.FAO Training Course，Rome

［6］Vanney，J.－R.（1960）:Pluie et crue dansle Sahara nordoccidental.118 p.，Monographies regionales，Institut de Recherches Sahariennes de l′Universitéd′Alger，Alger

【注释】

[1]作者简介:K.D·巴克，德国图宾根大学地球科学学院地质系教授。长期从事国际科学合作，在阿根廷、巴西、巴拉圭、乌拉圭、埃及、突尼斯、也门、孟加拉国、中国、巴基斯坦、菲律宾和越南等发展中国家进行多项科研和教学活动。任“国际干旱—半干旱地区水资源与环境研究培训中心（中德合作）”主任（由中国国土资源部批准）。