第六节　设施农业雨水集蓄长系列计算经济利用模式及其理论

依托雨水集蓄利用技术发展设施农业，可有效提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率，提高农产品质量、农业综合效益和市场竞争力，既是当前农村经济发展的客观要求，也是克服资源和市场制约、应对国际竞争的现实选择，对于保障农产品有效供给，促进农业增产、农民增收、农村发展，增强农业综合生产能力具有十分重要的意义。在甘肃中部地区，以设施弱透水面、适当辅以补充集流面集水，配套水量调蓄设施，继而实现设施农业灌溉用水的自给，是一种费省效宏的现代农业发展模式。

一、设施农业种植模式及灌溉制度

（一）种植模式

设施农业是具有一定工程设施，能在局部范围改善或创造环境气象因素，为植物生长提供良好环境条件而进行有效生产的农业，是一种高新技术产业，是目前最具活力的农业产业之一，它主要包括设施果树、设施蔬菜和设施花卉三大类。从近几年甘肃中部设施农业发展来看，矮化果树、蔬菜、花卉等效益显著，呈现良好发展态势，其中果树以矮化油桃、红提葡萄为主，蔬菜以番茄+黄瓜、番茄+番瓜为主，花卉则以唐菖蒲、香水百合等为主。本节仅以单座设施为例，对适宜范围较广、经济效益较好的矮化油桃、番茄+黄瓜、唐菖蒲种植模式重点进行分析论述，在此基础上提出设施农业雨水集蓄长系列计算经济利用模式。

（二）灌溉制度

设施农业灌水定额依据相关作物灌溉试验资料，结合当地近几年设施农业种植灌溉经验确定。其中，果树类代表作物矮化油桃为稀植作物，不同生育期灌水定额在7～12m3/亩之间变动，全生育期灌水次数27次，灌溉定额255m3/亩；蔬菜类代表作物番茄+黄瓜连茬种植为行播作物，不同生育期灌水定额在8～12m3/亩之间变动，全生育期灌水次数50次，两茬作物累计灌溉定额532m3/亩；花卉类代表作物唐菖蒲为密植作物，不同生育期灌水定额在9～14m3/亩之间变动，全生育期灌水次数20次，灌溉定额250m3/亩。设施作物矮化油桃、早春番茄+秋冬黄瓜、唐菖蒲等灌溉定额见表2-12。

二、设施农业面积及灌溉需水量

（一）设施结构及面积

设施农业温室结构种类繁多，就其现状利用情况来看，大小、规格各不相同。目前，甘肃中部地区普遍采用的温室为钢拱架支撑，塑料薄膜保温，自动开启、升降结构。典型设施占地长120m、宽15m，作物种植带长112m、宽12m，实际灌溉面积1344m2（折合2.01亩）。同时，为满足温室采光需要，温室间预留空地宽度15m。

（二）灌溉需水量

在拟定的设施农业灌溉制度、设施面积等种植模式下，矮化油桃、番茄+黄瓜、唐菖蒲等单座设施作物全生育期灌溉需水量分别为512.6m3、1069.3m3和502.5m3。

三、资料系列及特性分析

选用典型代表站1951—2000年共50年长系列资料，作为设施农业雨水集蓄经济利用模式分析计算的依据。经分析，代表区多年平均年降水量532.0mm，50%频率降水量612.6mm，75%频率降水量456.1mm，90%频率降水量427.7mm。分析代表站多年平均月降水量可知，汛期6—9月占68.3%，枯水期当年10月至次年5月占31.7%。同时，具有越是干旱少雨的年份，降水量的年内分布越不均匀的特点，与作物生长需水时节不相一致。典型代表站多年平均降水量及年内分布见表2-13。

四、设施弱透水面可集水量

（一）设计灌溉保证率

如前所述，雨水高效灌溉设施农业主要为果树、蔬菜、花卉等高产值、高附加值经济作物，依据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99），设计灌溉保证率取90%。

（二）不同材料集流效率

不同降水量地区，塑料薄膜年内平均集流效率可达75%～80%甚至更高，单次降水量较大时，集流效率可达95%以上；混凝土集流面年内平均集流效率可达70%～75%甚至更高，单次降水量较大且前期存在有效降水时，集流效率可达85%以上；沥青混凝土集流效率稍低，黄土夯实集流效率则更低。依据有关试验研究资料，400mm降水量地区不同材料集流效率见表2-14。

（三）可集水量计算

设施弱透水面包括塑料大棚棚面与保温墙顶部混凝土面，两者均具有良好的集流效果，在设施农业雨水高效利用中发挥着十分重要的集水作用。设施弱透水面总集水量可按公式（2-72）进行计算：

式中　Ws——设计灌溉保证率下的设施弱透水面可集水量，m3；

Pp——典型代表区设计灌溉保证率下的降水量，mm；

Ss、Sh——塑料大棚薄膜棚面、混凝土衬砌部分的有效集水面积，m2；

Es、Eh——塑料薄膜、混凝土的集流效率，%。

设施弱透水面可集水量计算结果见表2-15。

由计算结果可知，在设计灌溉保证率情况下，单座设施弱透水面可集水量546.2m3。由于拟定单座设施农业矮化油桃、番茄+黄瓜、唐菖蒲种植模式下灌溉需水量分别为512.6m3、1069.3m3和502.5m3。由此可见，在设计灌溉保证率下，对矮化油桃、唐菖蒲而言，典型代表区设施弱透水面总集水量完全能够满足作物灌溉需求，但由于降水季节与作物生长需水时节的不相一致，需要配套蓄水设施进行水量调节；但对番茄+黄瓜而言，设施弱透水面总集水量不能满足拟定作物灌溉需水要求，需要采取其他集流面进行补充集水，同时需要建设蓄水设施进行多年水量调节。

五、配套设施规模分析确定

在设施农业雨水高效利用工程系统中，当采用长系列法计算方法确定补充集流面面积、蓄水设施容积等工程规模时，需要同时假定多组不同规模的集流面面积、蓄水设施容积，通过比选不同设施组合的工程投资确定经济利用模式。

（一）满足设计灌溉保证率时的配套设施组合

依据雨水集蓄利用工程长系列计算方法，给定集流面面积，假设蓄水设施容积，计算各计算时段的来水量和拟定种植模式下的用水量，实施长系列操作，以蓄水设施初始水量为0进行各计算时段的水量调节计算，确定各计算时段内的水量余缺值，累加计算各月（旬）末的累加储存水量，当累加储存水量出现负值时即认为该时段缺水，并依据缺水时段统计供水保证率。经计算，在设计灌溉保证率情况下，拟定作物雨水集蓄利用工程系统补充集流面与蓄水设施组合及投资情况见表2-16。

（二）配套设施经济利用模式组合

在通过长系列分析计算确定设施组合的基础上，按照砂浆抹面水窖单方容积造价75元、混凝土集流面单位面积造价25元/m2计算，不同配套设施组合工程造价见表2-16。由此可见，由于灌溉需水量相对较少，果蔬类作物矮化油桃、花卉类作物唐菖蒲经济利用模式均为方案一，其集流面、蓄水设施组合分别为{0，405}、{0，180}，也就是说这两种作物不需要补充集流面，仅需通过蓄水设施对非旱年份或与作物生长时节不相一致的水量进行调节即可满足灌溉用水要求；而由于灌溉需水量较大，蔬菜类作物番茄+黄瓜仅仅依靠设施弱透水面集水不能满足灌溉需求，需要建设补充集流面补充集水，经济利用模式为方案二，其补充集流面、蓄水设施组合为{902，800}，所需补充集流面可利用温室间预留空地进行建设。

（三）经济利用模式蓄水设施复蓄指数

复蓄指数是指蓄水设施在年内的重复利用次数。就设施农业雨水集蓄长系列计算经济利用模式而言，蓄水设施复蓄指数即为长系列计算期内，蓄水设施总调蓄水量与蓄水设施设计总容积的比值，具体可按式（2-73）计算确定：

式中　K——蓄水设施复蓄指数；

Wy——长系列计算期内蓄水设施总调蓄水量，m3；

Vz——长系列计算期内配套蓄水设施总容积，m3。

设施农业雨水集蓄长系列计算经济利用模式蓄水设施复蓄指数计算结果见表2-17。

由前述计算结果可以看出，设施农业经济利用模式组合显著提高了工程设施利用率，蓄水设施复蓄指数均在1.2以上，符合相关规范要求，可在生产实践中大力推广应用。

六、结论

雨水集蓄利用技术的发展为半干旱区设施农业生产提供了重要水源。利用设施弱透水面集水，适当辅以补充集流面、配套蓄水设施灌溉设施农业经济利用模式的提出，为干旱缺水地区摆脱传统农业束缚，发展设施农业生产，实现农产品反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求提供了强有力技术支持。