肯尼亚雨水集流利用现状及思考*

曹建生董文旭李晓欣陈素英胡春胜

(1. 中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄 050022; 2. 中国科学院中-非联合研究中心 内罗毕 00200 肯尼亚)

肯尼亚雨水集流利用现状及思考*

曹建生1,2董文旭1,2李晓欣1,2陈素英1,2胡春胜1,2

(1. 中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄 050022; 2. 中国科学院中-非联合研究中心 内罗毕 00200 肯尼亚)

雨水集流作为一项古老技术, 已有上千年的历史。由于干旱缺水和缺乏天然的储水介质, 雨水集流在肯尼亚具有非常重要的特殊意义。本文从庭院集雨、农田集雨、流域集雨及集雨的区域差异等方面, 对肯尼亚的雨水集流现状进行了分析; 并从区域水循环与水量平衡的角度, 探讨了降雨、入渗、径流及蒸发的关系。最后指出, 通过不同形式的雨水集流, 减少无效蒸发, 特别是无效的水面蒸发, 是增加水资源总量的关键; 而科学利用天然的储水介质与合理开发人工的储水介质, 是提高水资源可利用量的关键。雨水集流利用在肯尼亚生活用水方面已相当普遍, 技术也相对较为成熟, 但是在年降雨量不足500 mm的旱区农业生产方面, 还有很大的发展空间, 目前面临的主要问题是, 如何解决旱区降雨集流效率偏低, 以及有限降雨资源的合理储蓄与高效利用。鉴于农田土壤对降雨再分配调蓄能力较低的缘故, 通过在农田内开挖沟槽, 进行降雨资源的短期储蓄与调控, 将生育期前段多余的降雨资源留到无降雨的后段使用, 是实现作物生育期内水分供需平衡的关键。本研究为充分发挥雨水集流在肯尼亚旱区农业生产中的积极作用提供了参考。

肯尼亚 季节性干旱 雨水资源化 储水介质 雨水集流

雨水是可更新水资源的总来源, 所有形式的水资源(包括河川径流、地下水等), 从根本上来说都来自雨水[1-2]。在无法从区域外引水或短时期内不能实现区域外引水的情况下, 有效利用本地水资源是保障生活、生产的必然方略, 而雨水是一个区域水资源最根本的来源[3]。

雨水集流(蓄)利用是水资源开发利用最早的方式, 早在4 000 a前的中东、南阿拉伯以及北非等地区就出现了将收集的雨水用于生活、生产等的雨水集流系统[4]。在 20世纪上半叶, 由于江河开发和地下水供水技术的飞速发展, 雨水集流技术除在少数缺水地区利用外已被人们所忽视。20世纪 80年代以来, 随着全世界水资源日益紧缺, 同时低成本的水源工程也几乎都已开发, 以供水为目的的雨水集流系统得到了迅速发展, 雨水利用范围也从生活用水向城市用水和农业用水方面扩展。1982年6月在美国夏威夷召开的第 1届雨水集流利用国际会议和1980年11月联合国在第35届大会上提出的“联合国1981—1990年国际饮水供应和环境卫生十年”, 共同推动了雨水利用技术的研究和发展[5]。东南亚的尼泊尔、印度、泰国, 非洲的肯尼亚、坦桑尼亚, 以及日本、澳大利亚、美国、德国等发达国家, 都采用了多种技术开发和利用雨水[6]。我国自20世纪80年代末, 开始开发利用雨水资源, 如甘肃省实施的“121雨水集流工程”、内蒙古实施的“112集雨节水灌溉工程”、宁夏实施的“窖水工程”、陕西实施的“甘露工程”等都促进了我国雨水集蓄措施的研究和应用, 产生了明显的经济效益、社会效益和生态效益[3]。1995年 6月在北京召开了“第七届国际雨水集流系统大会”, 1998年9月在徐州召开了“国际雨水利用学术会议暨中国第二届雨水大会”, 这两次会议进一步推动了我国的雨水利用研究和示范工作。

总之, 雨水集流利用已经遍及世界多个国家,包括干旱缺水的发展中国家和供水比较充足的发达国家, 但目前还基本处于以民间方式利用的阶段,主要集中用于解决农村与小城镇的人畜饮用水问题,如何更好地发挥雨水集流在农业生产与城市发展过程中的积极作用, 是目前及今后一个时期世界各国水资源可持续开发利用亟待解决的问题。

为了充分发挥雨水集流在农业生产中的积极作用, 本文通过对肯尼亚雨水集流利用现状的实地考察, 同时结合国内不同地区雨水集流利用发展情况,分析了雨水集流的必要性与可行性, 揭示了雨水集流利用其根本就是人工储水介质的合理开发, 其前提是缺乏天然的储水介质。这一点从我国华北平原地下水资源开发利用情况也可以得到印证, 华北平原拥有得天独厚的天然地下储水空间, 但是近些年来, 地下水位持续下降已经成为不争的事实, 即使水资源如此短缺, 雨水集流利用在华北平原并不多见, 也就是说, 水资源短缺并不是雨水集流的主要原因。另外, 华北平原天然地下储水空间的萎缩与污染更应引起人们的注意。

1 雨水集流利用的有关概念

雨水利用: 广义的雨水利用是指雨水集流的家庭利用、雨养农业利用、人工增雨、水土保持、水源涵养、雨洪利用和生态环境改善等水资源利用的各个方面; 狭义的则是指对原始状态下的雨水进行利用, 或对雨水在最初转化为地表径流、土壤水及地下水阶段时的利用。

雨水集流(蓄)利用: 广义的雨水集流(蓄)利用是指经过一定的人为措施, 对自然界中的雨水径流过程进行干预, 使其就地入渗或汇集蓄存并加以利用;狭义的则指将集流面上的雨水径流汇集到蓄水设施中再进行利用。

储水介质: 简单地讲就是储存水的各种介质。按照是否有人为干预, 可以分为天然的储水介质与人工的储水介质, 两者的相同之处是都能存储水,而两者的不同之处是前者与外界存在自由的水交换过程(补给、排泄), 后者需要在人为干预下才能与外界发生水交换过程; 按照空间位置, 可以分为地上储水介质与地下储水介质。其中, 天然的储水介质,一是江河、湖泊、洼地等; 二是“蓄水构造”, 即由含水层和隔水层相互结合而形成的能够积蓄地下水的地质构造[7-9]; 三是“空隙介质”, 即指孔隙、裂隙和岩溶3种类型介质及其组合[10]。人工的储水介质, 大致可以分为2类: 一是与流域有关的, 比如水库、塘坝等; 二是与流域无关的, 比如集雨池、集水池、集水桶、集水沟、集水窖和旱井等。

2 肯尼亚雨水集流利用现状

2.1 肯尼亚概述

肯尼亚位于非洲的东部, 赤道横贯中部, 东非大裂谷纵观南北。东与索马里为邻, 北与埃塞俄比亚、苏丹接壤, 西与乌干达交界, 南与坦桑尼亚相连。东南濒印度洋, 海岸线长 536 km, 沿海为平原地带, 其余大部分为平均海拔1 500 m的高原。全境位于热带季风区, 但受其地势较高的影响, 为热带稀树草原气候, 沿海地区湿热, 高原气候温和, 全年最高气温为摄氏22～26 ℃, 最低为10～14 ℃。降水的空间变化、年际变化、季节变化差异大。年降雨量自西南向东北由1 500 mm左右递减到200 mm左右。3—6月、10—12月为雨季, 其余为旱季。首都内罗毕气候温和, 年平均气温17.7 ℃, 年降雨量1 049.0 mm。

肯尼亚是一个旱涝灾害多发的国家, 特别是近年来全球气候变暖导致肯尼亚干旱灾害频现, 农业和粮食生产都频繁遭遇与气候变化有关的不稳定危机, 城市和农村地区均面临严重的供水短缺问题,牧民面临放弃千年不变的放牧生活, 而另谋生路。同时, 在持续干旱之后, 由于暴雨和晒得过于干旱的土地无法吸收突然降临的雨水而引发的洪涝灾害,在肯尼亚的一些地区也时常发生。导致肯尼亚旱涝灾害多发的原因, 除了地形、地貌等地理环境与气候特征外, 主要是国家的防灾减灾能力不足, 表现在天气预报与灾害预警系统不完善, 水资源调控水平与供水保障能力不够, 采取应急措施的反应迟钝与行动迟缓等方面。

在乔莫肯雅塔农业与科技大学教授Clifford Obiero的陪同下, 对位于肯尼亚干旱半干旱农业区的纳库鲁省(Nakuru)和马查科斯(Machakos)省的雨水集流利用现状进行了实地考察(图1), 并与雨水集流社会组织(Utooni Development Organization)、民间组织及农户分别进行了交流和讨论。在此基础上, 分别从庭院、农田和流域尺度, 对肯尼亚雨水集流利用现状进行了分析, 力求从中发现一些可以借鉴的经验, 同时,指出其中存在的不足, 为下一步发展提供参考。

图1　肯尼亚农业气候分区图Fig. 1 Agro-climatic zones map of Kenya湿润、半湿润区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)占国土面积20％, 严重干旱、干旱、半干旱区(Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)占国土面积为80％。Areas of the humid and semi-humid zones (zone Ⅰ, Ⅱ Ⅲ & Ⅳ in the map) cover less than 20％ of the county area; areas of the semi-arid to arid and hyper-arid zones (zone Ⅴ, Ⅵ & Ⅶ) cover about 80％ of the county area.

2.2 雨水集流的庭院利用技术

利用农户、单位庭院的屋顶、地面等作为集流面, 进行雨水的收集, 然后为人畜用水提供水源。根据供水对象的不同, 肯尼亚的雨水集流庭院利用技术分为饮用水的雨水集流技术与牲畜用水的雨水集流技术两部分。

2.2.1 饮用水的雨水集流利用技术

饮用水的雨水集流系统主要由屋顶面、汇流槽、导水管、集水窖等几部分组成(图2)。其中, 集水窖可以采取半地下式结构, 在满足结构安全与雨水集蓄自流要求的同时, 尽量保持较高水位, 从而解决提水所需动力问题。另外, 为了保证水窖里的水能够在重力作用下自流供水, 通过一段连接管, 将供水阀门外延并降低其高度, 人可以站到取水坑坑底去放水、提水。整套系统结构简单, 管理方便, 充分利用水的流动性, 不需任何动力, 只利用体力即可,这也是与该地区没有电力、水泵等动力提水设施相协调的。

关于雨水的净化装置, 目前没有涉及到。该地区由于发展相对落后, 除了种植业与养殖业, 工业基本没有, 空气质量良好, 因此雨水净化装置不是必须的。为了饮用更卫生的雨水, 可以考虑去掉雨水集流的初始径流, 这在方法上并不复杂, 只需在降雨产流过程初期人为调整一下导水管的出口位置即可。

1: 屋顶产流面; 2: 汇流槽; 3: 导水管; 4: 集水窖; 5: 输水管; 6:用水阀; 7: 地下台阶。1: rainwater collecting roof; 2: converge trough; 3: water conveying pipe; 4: rainwater cellar; 5: water pipe; 6: valve; 7: stairs for getting rainwater.图2　肯尼亚庭院屋顶雨水集流示意图Fig. 2 Roof rainwater harvesting system of courtyard in Kenya

2.2.2 牲畜用水的雨水集流利用技术

牲畜用水的雨水集流系统主要由庭院地面、汇流沟、沉淀池、集水池组成。沉淀池与集水池一般位于庭院的一个角落, 根据产流情况与用水情况确定集水池的大小, 一般情况下, 集水池的长、宽可取4～5 m, 深度可取3～4 m, 储水量在50～100 m3左右,可以供5头牛和15只羊的用水。为了减少水面蒸发损失, 集水池可以建于树林旁边, 也可以采用树枝进行覆盖。

2.3 雨水集流的农田利用技术

肯尼亚大部分农田为坡耕地, 或是有一定坡度的梯田, 土层较薄, 土壤结构不良, 透水能力较差,同时经营管理粗放, 没有灌溉措施, 靠天吃饭, 属于雨养农业。夏季种植作物主要为玉米, 生育期内降雨总量虽然不少, 但不一定能够满足玉米的需水要求, 因为降雨只有转化为土壤水之后才能被作物吸收利用。由于降雨时间分布极为不均, 降雨主要分布在生育前期(5—6月), 土壤水基本上处于田持状态, 有时还处于饱和及超饱和状态, 部分降雨将以无效蒸发的形式损失掉; 而生育后期(7—8月)基本上无降雨, 土壤水基本上处于长期亏缺状态, 有时还接近于凋萎。为了提高玉米单产量, 在生育后期必须进行灌溉。根据雨水的产流特征与利用模式,可以将农田的雨水集流利用分为农田外集雨异地利用与农田内集雨就地利用两种。

2.3.1 农田外集雨异地利用技术

对农田以外的自然坡地、撂荒地及道路的集雨产流, 通过汇流沟、挡水墙、集水池(或集水沟)进行收集, 这属于农田外集流(图 3a); 农田外集流的水用于农田内, 属于异地利用, 基本上有两种利用方式, 一是将收集到集水池内的水, 根据实际需要进行人工提水灌溉; 二是将收集到集水沟内的水, 以壤中流、渗流的形式自动侧向补给农田, 同时生育期结束后, 将富集在集水沟内的泥土人工开挖补给农田表层, 以达到改善土壤结构, 提高土壤养分目的(图 3b)。这与张万军等[11]在太行山低山丘陵区干旱阳坡所进行的水土富集工程具有相似之处, 不同之处在于后者是将切割坡面上的水土直接汇集到梯田内, 以改善梯田内的水土条件。

2.3.2 农田内集雨就地利用技术

由于农田土壤有效水含量偏低与参与农田水循环的土层厚度较薄(大部分在30 cm左右), 即农田土壤对降雨的调蓄能力有限, 导致降雨多以农田地表积水与地表径流的形式存在, 最后又以水面蒸发的形式散失掉。因此, 将生育前期集中降雨产生的多余地表水, 通过田间集流暂时储存于水窖、集雨池中(图4), 并在生育后期土壤水亏缺时段分批次回灌于农田土壤, 是减少田间无效水蒸发, 提高农田降雨利用率的关键, 同时也是减少农田水涝灾害的重要手段。鉴于目前肯尼亚农田水利基础设施与配套设施都比较差, 但是人力资源较为丰富, 因此, 可以利用手动压水机, 进行人工提水灌溉。当然, 也可以利用太阳能驱动水泵, 同时, 借助时间控制器或者土壤水分控制器, 实现水泵定时或者适时提水灌溉。

a: 平面图; b: 立面图。A: plan view; b: cross-sectional view.图3　肯尼亚农田外集雨异地利用示意图Fig. 3 Rainwater harvesting outside farmland and its utilization in farmland irrigation in Kenya

图4　农田内集雨就地利用示意图Fig. 4 Rainwater harvesting and its local utilization in farmland irrigation

2.4 雨水集流的流域利用技术

降落到流域坡地与河网上的降雨, 将直接或间接地汇集到流域出口。流域的雨水集流就是在降雨汇集到流域出口之前, 对流域的自然汇流过程进行人为干预与调控。一种措施是在流域的沟道、河道、河槽等低洼河网地带, 通过修建塘坝、开挖大口井等拦截、储存、

和集聚当地附近的雨水地表径流、地下径流等, 用以农田灌溉、人畜用水等。另外一种措施是在流域的坡地上, 通过开挖截流沟、钻井等拦截、开发坡地壤中流、坡地渗流等坡地浅层地下径流。

2.4.1 沟道塘坝集蓄利用技术

主要是通过修建塘坝拦截、储存和积聚当地附近的雨水与地表径流。坝址的选择基本上应满足以下几点: 第一, 沟道基岩裸露, 这样塘坝的修建无需向地下开挖地基, 就可完成沟道地表径流的集蓄;第二, 肚子大、脖子细, 这样可以在工程量较小的情况下, 有相当多的集蓄径流, 提高雨水集流的投入产出比。虽然塘坝所拦截、储存的雨水与地表径流相对较多, 其利用也较为方便, 但是由于地质条件的限制, 并不是所有的沟道都适宜修建塘坝, 还需要对沟道的地形、地貌、地质等环境条件进行调查与可行性分析。

2.4.2 沟道潜流开发利用技术

山间河流在长期的地质年代中, 曾发生多次的改造与变迁, 形成被冲积层覆盖的谷地, 其中常埋藏着较为丰富的地下水资源, 即沟道潜流(图5)。沟道的冲洪积层(基岩埋深), 由于沟道特征、降雨径流特征的不同, 其厚度深浅不一, 虽然在非雨季节沟道内没有地表径流, 但沟道潜流还是存在的。可以通过开挖大口井与安装压水机, 对沟道潜流进行开发利用[12]。沟道潜流可以作为人畜饮用水源, 不仅在水量上能够得到满足并且由于沟道潜流被埋藏在地下的砂石介质之中, 不会受到地表污染, 因此水质也完全能够达到饮用水标准; 但是如果作为工矿企业的集中供水源, 由于地下水流动补给过程较慢,其水量还是不够的。

1: 松散冲洪积层; 2: 基岩层; 3: 透水层; 4: 不透水层; 5:大口井。1: loose alluvial layer; 2: bedrock; 3: aquifer; 4: aquitard; 5: large opening well.图5　山间河谷水文地质剖面Fig. 5 Hydrogeologic profile of mountain valley

2.4.3 坡地渗流的开发利用技术

在肯尼亚的大部分高原地区, 自然坡地的岩土并非单一、均匀介质, 而是由不同质地、不同结构的复杂介质而构成。当降雨发生时, 下渗到坡地表面以下岩土层中的降水, 在满足一定的条件后, 也要通过岩土层中各种孔隙、裂隙汇集至流域出口。也就是说, 当重力水渗透到风化岩石所构成的弱透水层或相对不透水层时, 一部分水量在土壤—风化岩石的交界面处积聚, 并沿相对不透水层侧向流动,形成壤中流(图 6)。可以通过开挖截流沟、钻井等拦截、开发坡地壤中流、坡地渗流等坡地浅层地下径流。为了提高坡地渗流的利用率, 可以先将坡地渗流收集到旱井、集水池, 或者储水桶内, 再进行利用[13]。

1: 降水入渗补给土壤水; 2: 土壤水入渗补给非饱和裂隙水; 3: 非饱和裂隙水补给饱和裂隙水; 4: 土壤水腾发; 5: 非饱和裂隙水补给土壤水; 6: 饱和裂隙水补给非饱和裂隙水; 7: 壤中流; 8: 裂隙流。1: rainwater infiltrating into soil; 2: soil water infiltrating into unsaturated fissure; 3: unsaturated fissure water flowing into saturated fissure; 4: evaporation of soil water; 5: unsaturated fissure water flowing into soil water; 6: saturated fissure water flowing into unsaturated fissure; 7: interflow in soil layer; 8: fissure groundwater.图6　坡地界面水分交换示意图Fig. 6 Flow and transform of rainwater in slope

2.5 降雨分布与集雨的区域差异

肯尼亚降水的空间变化差异较大, 年降雨量自西南向东北由1 500 mm左右递减到200 mm左右。西南部降雨量较多, 虽然降雨的集流效率较高, 但是没有必要进行农田集雨, 因为降雨基本上能够满足农业生产对水分的需求, 雨水集流主要用于人畜饮用水; 而东部旱区降雨量较少, 虽然降雨的集流效率较低, 但是有必要进行农田集雨, 发展节水灌溉,因为降雨无法满足农业生产对水分的需求, 因此,雨水集流既要为人畜提供饮用水源, 也要为农业生产提供灌溉水源。

3 雨水集流利用的新思考

3.1 水循环过程维持水的动态平衡

水循环是多环节的自然过程, 全球性的水循环涉及降雨、入渗、蒸发、大气水分输送、地表水和地下水径流以及多种形式的水量储蓄, 降水、入渗、蒸发和径流是水循环过程的4个最主要环节, 这四者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡, 也决定着一个地区的水资源总量。

降雨的广普性, 决定了雨水集流在全球的大部分地区均可以进行, 虽然降雨存在较大的时空差异,但这并不影响雨水的集流利用; 岩土下垫面入渗的选择性, 决定了优先通道、优先路径对降雨入渗补给地下水的贡献; 径流的汇集性, 决定了径流总是从流域高处向低处汇集, 面积不断缩小, 数量不断增多; 蒸发的全程性, 决定了降雨过程中、入渗过程中、径流过程中及结束后均存在, 同时蒸发也是4个环节中最重要、最复杂的一个。

如果降雨只有入渗、没有径流, 结果只能就地利用, 不会产生异地与叠加利用; 如果降雨只有径流、没有入渗, 结果只能异地与叠加利用, 不能就地利用; 现实情况是径流、入渗同在, 并且相互转化、交替进行, 关键是如何根据实际需要进行调控, 减少无效蒸发, 提高雨水资源化率。

在肯尼亚的大部分地区, 土壤入渗能力都较差、持水能力偏低, 虽然蒸发潜力较大, 但土壤实际蒸发量并不太大; 降雨年内分配不均, 多集中在3—6月份, 且以暴雨形式出现, 易造成地面积水与水土流失, 之后, 一部分水通过优先通道、优先路径入渗补给地下径流; 另一部分则以水面蒸发的形式损失掉, 因此, 要向水面蒸发争取水资源。在区域尺度上可以通过开挖排水管网, 并分段修建集水池, 构建“长藤结瓜”的雨水集流模式, 化零为整, 减少积水坑洼数量, 缩小水域面积, 以实现减少水面蒸发的目的, 为农牧业发展提供水资源。在农田尺度上, 可以通过修建田间微型排水沟与集水窖(桶), 将生育前期集中降雨产生的多余地表水, 暂时储存起来,并在生育后期土壤水亏缺时段分批次回灌于农田土壤, 从而减少田间的无效水蒸发, 提高农田降雨的利用效率。

3.2 科学利用与合理开发储水介质

水资源的开发其实就是储水介质的寻找、探索与开发, 不论是传统的水资源的开发利用(江河、地下水), 还是雨水集流利用, 都离不开储水介质, 只是前者利用的主要为天然的储水介质, 并因其巨大而被人们所注意; 而后者利用的主要为人工的储水介质, 却因其微小而被人们所忽视。殊不知, 河川径流与赋存地下的蓄水量都是由雨水转化而来, 如果一个地区缺乏天然的储水介质, 那就只能合理开发人工的储水介质, 否则将面临缺水的困境。

根据储水介质的不同, 水资源的开发利用模式基本可以分为两大类。一类是修建人工的储水介质,包括屋顶面、庭院集雨开发利用, 坡面、路面集雨开发利用, 沟道塘坝集蓄开发利用; 另一类是利用天然的储水介质, 包括坡地渗流(岩土界面流、壤中流)集蓄开发利用, 江河、湖泊等地表水资源的开发利用, 沟道潜流(浅层地下水)开发利用, 深层构造、断层裂隙水开发利用及地下含水层组水资源(浅层、深层)的开发利用。

3.3 水资源开发利用的3个阶段

随着科学技术与人类文明的不断发展, 人们对水资源的认识经历了由“无限”到“有限”的转变。同时, 水资源的开发利用也基本经历了3个不同的发展阶段: 第1阶段为欠开发阶段, 即有水, 没有能力开发利用, 属于水利工程技术落后; 第2阶段为过度开发阶段, 即有水, 有能力开发利用, 超采, 属于水文化意识落后; 第3阶段为可持续开发阶段, 即有水,有能力开发利用, 可持续开发利用, 属于水生态文明。

肯尼亚目前基本上还处于第1个阶段, 主要工作是水资源的开发; 而中国目前基本上处于第2个阶段, 但已经有向第3个阶段发展的迹象, 主要工作是水资源的可持续利用, 当然在一些缺水地区同样面临着水资源的开发问题。

4 结语

在肯尼亚, 除了首都内罗毕与极少数大城市,其他地方的大部分人、大部分时间都在为找水、运水而忙碌, 给人的第一感觉很缺水, 但不要被这种表面缺水假象而迷惑。与其说肯尼亚的水资源短缺是资源型缺水, 更不如说是工程型缺水。集中供水的社会公共服务系统匮乏, 水资源调控水平与供水保障能力明显不足是造成肯尼亚大部分地区缺水的主观原因, 而降雨的时空分布不均与蒸发潜力大,以及天然的储水介质明显不足是造成肯尼亚大部分地区缺水的客观原因。减少无效蒸发与合理开发人工储水介质是解决目前肯尼亚水资源相对短缺的两大主要途径。雨水集流利用在肯尼亚的大部分地区,特别是年降雨量不足 500 mm的旱区, 还有很大的发展空间, 尤其是在农业发展方面, 还需要投入大量的科研力量, 重点解决旱区降雨集流效率较低的问题。

致谢 感谢乔莫肯雅塔农业与科技大学(JKTUAT) David M. Mburu 教授和Clifford Obiero教授在野外调查中给予的帮助。

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Utilization state and thought on rainwater harvesting in Kenya*

CAO Jiansheng1,2, DONG Wenxu1,2, LI Xiaoxin1,2, CHEN Suying1,2, HU Chunsheng1,2
(1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Agricultural Water-saving / Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. Sino-African Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Nairobi 00200, Kenya)

Kenya is in East Africa and has a tropical monsoon climate. Prolonged droughts and unexpected shifts in normal weather patterns are the main hurdles preventing Kenya from realizing poverty eradication, food security, and environmental sustainability. Rainwater harvesting, as a highly efficient old economic technique of saving additional water, has a history spanning over thousands of years. Due to lack efficient medium for natural rainwater storage in Kenya, rainwater harvesting has become a critical mode of fighting off drought in the country. A systemic analysis of the state of rainwater harvesting was conducted along with the local climatic, hydrological and geographic conditions for realistically determining highly efficient storage and use of rainwater. In this study, based on virtual field trips and discussions with local farmers and researchers in educational institutions, the state of utilization of various rainwater harvesting systems in Kenya was evaluated. The study analyzed the differences in space and time in rainwater collection methods at courtyard, farmland and basin levels. The study also determined rainfall, infiltration, runoff and evaporation in relation to regional water cycle and water balance. The analysis showed that it was critical to increase the total volume of water resources by using various rainwater harvesting techniques, and to reduce invalid evaporation, especially unproductive water evaporation. The main way of increasing the volume of available water resources was by scientifically using natural and artificial water storage media. Even though rainwater har-vesting systems that had relatively mature technologies were very common in daily domestic life, there was still big development space for improvement in less than 500 mm annual rainfall in agricultural production area. The prevailing problems faced in the region were how to improve the low efficiency of rainwater harvesting, and to reasonably store and efficiently use collected rainwater in the arid region. Given the weak regulation and storage capacity of the local soil to redistribute rainwater, it was necessary to balance water supply and demand during crop growth period. One way of doing this was by regulating short-term storage and rainwater by excavating trenches in farmlands. This implies the early harvest of extra rainwater in raining season and then irrigated crops at the later stages of growth when there was no rainfall. The suggestions and recommendations in this research will lay the reference needed to increase the role of rainwater harvesting in agricultural production in Kenya and in other arid and semi-arid regions around the globe.

Kenya; Seasonal drought; Rainfall recycling; Water storage medium; Rainwater harvesting

TV213; S342.1; P349; TU991.11+4

A

1671-3990(2016)07-0987-08

10.13930/j.cnki.cjea.151282

* 中国科学院中-非联合研究中心项目(SAJC201603)资助

曹建生, 主要研究方向为山区水循环和水资源利用。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

2015-12-20 接受日期: 2016-03-09

* This study was funded by the Project of Sino-Africa Joint Research Center of Chinese Academy of Sciences. Corresponding author, CAO Jiansheng, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn Received Dec. 20, 2015; accepted Mar. 9, 2016