咸淡水混澆在節水型社會建設中的實踐探索

柳金杰,李曉亮,劉慶華

(河北省邢臺水文水資源勘測局,河北邢臺 054000)

在缺水的咸水地區,由于長期干旱,地表無徑流產生,過境河流無客水流入,地表水資源實際利用量為零。地下水長期超采,開采量大于補給量,淺層淡水資源日趨枯竭,隨著工農業生產的發展和居民生活水平的提高,用水量迅猛增加,全部依靠開采深層承壓淡水資源,勢必會使深層淡水水位急劇下降,造成地面下沉,咸淡水分界面下移,地下水環境遭到不可恢復的破壞。若充分開發利用淺層微咸水與淡水混合用于農業灌溉必然可以緩解淡水資源供需矛盾,因此,建設咸淡水混合灌溉是非常必要的。

1 示范點基本概況

示范點位于北方干旱缺水的咸水地區,控制面積約 2.2萬畝,現有深層井 50眼,以農業生產為主。多年平均降水量530mm,降水年際變化大,年內分配不均的特點。旱災是當地農業生產的主要災害。農業灌溉主要依靠開采深層地下淡水,水資源十分緊缺。人均水資源量 160 m3,畝均水資源量 90m3。地下水長期超采,開采量大于補給量,淺層淡水資源日趨枯竭,深層水水位急劇下降,由原來的 30～40 m已經降到 60～75 m,年平均下降速度 2～3 m,形勢非常嚴峻,勢必會造成深層地下水水位下降,地面沉陷,咸淡水分界面下移,地下水環境將遭到嚴重破壞。面對嚴峻的現實,只有堅持開源節流,保護并重,充分利用上層微咸水能有效緩解水資源短缺的供需矛盾。

2 咸淡水混澆的條件

在干旱缺水的咸水地區,利用 2～5 g/L的咸水與淡水混合灌溉能夠取得不錯的效果,土壤次生鹽漬化可避免。五年實驗表明,土壤的含鹽量平水年基本實現周年平衡,雨量偏少年份稍有積鹽,如遇豐水年或次雨量較大的平水年,土壤的積鹽可以淋脫,達到多年平衡。

3 工程規劃設計

示范區總面積 2.2萬畝,共計 50個系統單位,全部為大田灌溉。每個灌水單元利用現有一眼淡水深井,在附近 20 m以內新打一眼微咸水淺井聯合運行,連接現有管道進入配水池混合后,達到符合農田灌溉標準要求的農田灌溉用水,實現節水目的。

3.1 灌溉制度

示范區內以種植棉花為主,75%的年份降雨量為385mm,70%降雨(270mm)集中在棉花生育期,因此按種植棉花進行典型設計。有效降雨量按發育期總降水量的 80%計算為 216mm,根據當地種植棉花多年的經驗,實際缺水量為197mm。

1)設計灌水定額

以滿足棉花生長期需求為依據,用公式 M=667rH(θ上-θ下)/η田計算為 65.3mm。

式中：r為土壤容重,砂壤土取值為 1.45,g/cm3;H為計劃濕潤層深度,取值為 0.6,m;θ上-θ下為土壤適宜含水率上限 θ上取值為 0.9θ田持,下限 θ下取值為 0.65θ田持,θ田持為田間持水率,取值為 24%;η田為灌溉水利用系數,管灌取值為 0.8。

2)灌水周期

根據示范區實際資料,取 Ep=6 m3/畝,T=m/Ep=43.5/6=7.25 d,取值為 8天。

3)管道總設計流量

示范區內機井原配有流量為 50 m3/h的水泵,配合出水量 15m3/h淺層咸水井灌溉,故管道總設計流量為 65m3/h。

4)管徑校核

式中：D為干管的經濟管徑(mm);V為經濟流速,取1.5m/s;Q為干管的設計流量(m3/h)。

3.2 水頭損失計算

沿程水頭損失按公式 hw L=fLQm/Db計算。其中：m取1.77;b取 4.77;f取 94 800。局部水頭損失按沿程水頭損失的 10%計算,沿程水頭損失計算結果見下表：

表1 沿程水頭損失計算成果表

3.3 管網運行時水泵最大揚程計算

其中 Hp─灌溉系統設計揚程,m;Hmax為管道系統最大工作水頭,m;Z0為管道系統進口揚程 m;Zd為機井動水位m

∑hf0,∑hj0為分別為水泵吸水管進口至管道進口間的管道沿程水頭損失及局部水頭損失,m。一般取值為水泵管長的5%。

以管道進口高程為 0計算,即 Z0為 0,則深井 Zd為110m,淺井為 35m。計算成果見表2 ：

表2 管道系統水力計算成果表

3.4 管理措施及水權機制

(1)提取工程運行管理費,項目建成后,為保證工程的正常運行,按農民增加的效益提取 3%～5%用于工程維修和管理及設備更新。

(2)按定額收取水費,項目區內按用水定額收取水費,超定額用水成倍加收補償費,促進節水不灌溉的發展,增強農民的節水意識。

(3)水權時水事活動中有關各方權利關系的總和,是水資源所有權、水資源使用權,水產品與服務經營權和轉讓權等與水資源有關的一組權利的總稱。協會把水權按照耕地面積、灌溉定額、灌水次數確定其年用水量,明確各農戶的水資源配置。水權可以轉讓、買賣。用水戶節約用水,少用部分協會進行購買,達到激勵節約用水的目的。

4 效益分析及環境影響

4.1 經濟效益

經計算,示范區的 1 500畝耕地,年灌水定額按 160m3/畝計算,年灌水量 240萬 m3,其中利用深井水 184.6萬 m3,利用淺層微咸水 55.4萬 m3。淺井比深井每方水可節電0.35 KW,共節電 19.39萬 KW,電價按 1.0元 /KW,可節省電費 19.39萬元,經濟效益明顯。

4.2 節水效益

項目實施后,示范區內合理利用微咸水,每年減少 55.4萬 m3深層承壓淡水的開采量。對緩解淡水資源供需矛盾,降低深層地下水位的下降速度和地面下沉,保持淡水資源的課持續利用。對于保持農業和國民經濟高效持續發展將起到很大促進作用。

4.3 社會效益

示范區內項目實施后,極大的調動了農民的積極性,推動了種植業的發展。同時,提高作物抗旱能力,保證農民增產增收,減輕農民的負擔,在一定程度上,維護了農村社會的穩定。

為當地的農田灌溉走上可持續發展的道路,為緩解水資源缺乏和地下淡水資源超采起到巨大作用。

5 結語

(1)保護地下水資源

實施咸淡混合水灌溉,能有效減少開采地下淡水,能有效的保護項目建設區內的地下水資源。根據項目示范區的經驗證明,對環境沒有不利影響。

(2)達到耕地增產不壞地目的

利用咸淡水混合灌溉嚴格掌握咸水灌溉的條件和技術要點,必須具備較好的排水出路。渠排井排相結合,利用深渠在雨后及時將表層鹽分淋出,利用淺井將地下水控制在3m以下,限制潛水鹽分表聚,同時有為鹽分鋒面下移提供了一定厚度的土層。

[1]馮智學,檀領革等.河北省威縣節水型社會建設試點方案[J].2008,10.

[2]張登杰,馮智學等.威縣水資源評價(1956-2005)[J].2009,5.