灌區(qū)渠道襯砌對地下水位的影響

□張 新 □李 靜(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司)

□沈振鋒 □劉景濤(黃河水利委員會)

□張艷萍(華北水利水電學院水利職業(yè)學院)

目前北方缺水灌區(qū)大量從地下抽水進行灌溉，導致地下水位逐年下降。如何提高地表水的利用系數(shù)、減少地下水的使用量成為了一個亟待解決的問題。渠道襯砌對于提高地表的利用系數(shù)存在有利的影響，可以減少地表引水的下滲，減少灌區(qū)的抽水量；但同時渠道襯砌會減少渠道水對于地下水的補給量，可能使得已下降的地下水位無法得到恢復。本文以石津灌區(qū)為例，就此研究渠道防滲襯砌對于地下水位的影響。

1.灌區(qū)基本情況

石津灌區(qū)地處太行山東麓、河北省中南部平原，位于東經(jīng)114°19′～116°30′，北緯 37°30′～38°18′之間，以崗南、黃碧莊水庫串聯(lián)式的年調(diào)解、聯(lián)合調(diào)度運用為水源。石津灌區(qū)設(shè)計灌溉面積為16.67萬hm2，控制土地面積為4144km2，灌區(qū)工程受益范圍包括石家莊、衡水、邢臺3個地區(qū)的14個縣市，114個鄉(xiāng)，968個自然村。灌區(qū)屬溫暖帶大陸性季風氣候區(qū)，其氣候特征是：春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷干燥。灌區(qū)處于河北省平原少雨區(qū)，多年平均降水量為507.2mm，降水量年內(nèi)分配不均，多集中在6、7、8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出現(xiàn)，春季降水量僅占8%～12%。

石津灌區(qū)境內(nèi)地形可分為山麓平原、傾斜平原和沖積平原3種地貌。石津灌區(qū)灌溉渠系有總干、干渠、分干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠6級固定渠道，灌區(qū)排水系統(tǒng)共有排水干溝、分干溝63條，總長1160km，排水支溝380條，總長1452km，現(xiàn)狀排澇標準多為5年一遇。排水容泄區(qū)為灌區(qū)東南邊界的滏陽河。

2.G M S軟件介紹

本文進行地下水運動模擬的主要工具為GMS7.1。GMS是goundwater modelingsystem的簡稱，它是一個地下水數(shù)值模擬的軟件平臺。可以對地下水進行多種模擬，包括水流模擬和溶質(zhì)運移模擬，同樣可以對地下水進行污染物的風險評價。GMS軟件包括MODFLOW、FEMWATER、MT3D和UCODE等主要計算模塊，還包含MAP、Boreholes、Grid和GIS等輔助模塊。本次主要運用的計算模塊為MODFLOW和PEST。

MODFLOW的計算基于式1：

式中：Kxx、Kyy、Kzz為 x、y、z方向的滲透系數(shù)，LT-1；? 為水頭，L；ω為源匯項，表示單位體積含水層在單位時間流出或者流入地下水的體積，T-1；SS為儲水系數(shù)，其物理意義為含水層地下水水頭降低（或者升高）一個單位時，由于含水層垂向壓縮和地下水的彈性膨脹從單位體積含水層釋放（或者儲存進去）的水的體積。

PEST是用于自動調(diào)節(jié)參數(shù)的計算模塊，它利用一個強有力的數(shù)值反演算法來“控制”運行中的模型，程序在每次模擬之后自動調(diào)整所選擇的模型參數(shù)，直到將校正的目標最小化為止，其靈活性、穩(wěn)定性和可靠性優(yōu)于其它的參數(shù)估計程序。

3.模型的建立及基本條件

模型區(qū)域為石津灌區(qū)控制面積，包含純井灌區(qū)與井渠結(jié)合灌區(qū)，面積為32.16萬hm2。基本模型的建立利用GMS7.1中的MODFLOW模塊。

圖1 石津灌區(qū)井渠灌分布圖

石津灌區(qū)地勢較為平坦，水平向上采用100×100的單元格進行劃分如圖1所示。在垂直向上將模型分為一層，厚度設(shè)為200m，地表高程由海拔-100～100m。該區(qū)主要的地下水補給為渠道入滲、降雨入滲、田間灌溉入滲和地下抽水灌溉入滲。主要的地下水排泄為抽水灌溉。本不考慮地下水補給的延遲效應，僅考慮地下水在春秋灌期間入滲。模型中不考慮地面排水溝排水，將渠道入滲及田間入滲量均攤到平面上。

根據(jù)2004－2008年石津灌區(qū)灌溉用水資料匯編分析報告，將每年時間分為五段：i=1，1月1日～2月28日，春灌前，持續(xù)59d；i=2，3月 1日 ～4月 31 日，春灌期，持續(xù) 61d；i=3，5月 1日～9月30日，秋灌前，持續(xù)153d；i=4，10月1日～10月20日，秋灌期，持續(xù) 20d；i=5，10月 21日 ～12月 31日，秋灌后，持續(xù)72d。除春秋灌時間外，其余時間渠道入滲量均視為0。

春灌引水量為2.685億m3，秋灌引水量為0.619億m3。渠系水利用系數(shù)為0.48，其中由于蒸發(fā)等原因，只有部分水補給地下水，取渠系損失水量補給地下水系數(shù)為0.5。根據(jù)鉆孔資料及不同土層經(jīng)驗取值，滲透系數(shù)的加權(quán)平均值為0.308，儲水系數(shù)取細砂儲水系數(shù)為0.12。

灌區(qū)主要農(nóng)作物為冬小麥、夏玉米與棉花。其中，冬小麥種植面積占80%，棉花種植面積占20%～40%，夏玉米為麥田復種，目前灌區(qū)農(nóng)作物復種指數(shù)為1.80～1.85，其它農(nóng)作物為少量種植。各種作物的生長期根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，同時結(jié)合相關(guān)參考資料確定。按照水量平衡原理，推求得到冬小麥、夏玉米、棉花在50%設(shè)計水平年及75%設(shè)計水平年的灌溉制度。

對以廢棄油脂和麻風樹油脂為原料的兩種生物柴油進行GC-MS分析。圖1所示為廢棄油脂生物柴油的譜圖，與圖庫比對，其主要組分列于表 1。以麻風樹油脂為原料的生物柴油的 GC-MS分析結(jié)果如圖2所示，主要組分見表2。對比表1和表2，可以看出生物柴油的典型組分是棕櫚酸甲酯（C17H34O2）、硬脂酸甲酯（C19H38O2）、油酸甲酯（C19H36O2）、亞油酸甲酯（C19H34O2）和亞麻酸甲酯（C19H32O2）。不難發(fā)現(xiàn)，原材料的差異會影響到組分構(gòu)成以及組分含量，為進一步說明這一點，結(jié)合相關(guān)文獻[9-10]，列舉其他原料制備的生物柴油組分，匯總于表3。

4.渠道襯砌對地下水位影響

4.1 方案設(shè)置

4.1.1 系數(shù)取值范圍

渠道襯砌的好壞直接影響渠系水利用系數(shù)，本文采用不同的渠系水利用系數(shù)來計算不同的渠道滲漏率。通過改變渠系水利用系數(shù)的大小來推求不同渠道滲透率下地下水水位的變化。

從2001年已達到的渠系水利用系數(shù)0.48出發(fā)，取0.48～0.80每次取值增加0.02，共17種渠系水利用情況下的地下水位的變化情況。

4.1.2 計算時間及對象

本模型采用2004年1月1日的觀測井水位觀測值作為初始水頭，來推求2030年1月1日的地下水水位。本模型共有130個應力期。每年共有5個應力期。非閏年的應力期開始時間、長度、步長如表1。本灌區(qū)共44個觀測點，本次選擇純井灌區(qū)中的辛集市新城和井渠結(jié)合灌區(qū)中的辛集市孟莊作為地下水位的模擬分析目標。

表1 模型應力期開始時間、長度及時間步長表

4.2 模擬結(jié)果及分析

圖2 2030年孟莊地下水位模擬結(jié)果圖

圖3 2030年新城地下水位模擬結(jié)果圖

從圖2、圖3看出模擬表明在地下水位高程的變化與渠系水利用系數(shù)線性相關(guān)，純井灌區(qū)渠系水利用系數(shù)對地下水位的影響比井渠結(jié)合灌區(qū)的影響相對較小。具體為以下幾點：

4.2.1 當井渠結(jié)合灌區(qū)存在抽取地下水進行灌溉時，地下水水位隨渠系水利用系數(shù)的提高而提高；故此時提高渠道的襯砌率對井渠結(jié)合灌區(qū)的地下水水位保持有利。

4.2.2 純井灌區(qū)大部分區(qū)域地下水水位與渠系水利用系數(shù)始終存在負相關(guān)關(guān)系，提高渠道襯砌率將相對降低該區(qū)域內(nèi)地下水水位。

4.2.3 當渠系水利用系數(shù)提高到一定程度時（井渠結(jié)合灌區(qū)僅發(fā)生渠道灌溉），純井灌區(qū)與井渠結(jié)合灌區(qū)的地下水水位的變化均隨渠系水利用系數(shù)的提高而下降，對于井渠結(jié)合灌區(qū)，其物理意義為渠道滲漏補給地下水量隨渠系水利用系數(shù)變化的減少量大于田間灌溉滲漏入滲量隨渠系水利用系數(shù)變化的增加量。故一味提高渠道的襯砌率不利于地下水的保持。

5.結(jié)語

當井渠結(jié)合灌區(qū)存在抽取地下水進行灌溉時，在優(yōu)先使用地表水資源的條件下，一般來說，隨著渠系水利用系數(shù)的提高，地下水消耗量減少，地下水水位抬高；故此時提高渠道的襯砌率對井渠結(jié)合灌區(qū)的地下水水位保持有利；但研究同時也表明，過高的渠道襯砌率（石津灌區(qū)當該系數(shù)大于0.74時）不利于地下水的補給。渠道襯砌率的選擇要對純井灌區(qū)地下水水位的下降及井渠結(jié)合灌區(qū)地下水水位的上升進行綜合考慮。

本模型將土層設(shè)為一層，與實際情況有一定的差異，不能夠真實反映地下水的運動情況。應根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)對于各土層厚度進行插值以建立模型。

[1]易立新，徐鶴.地下水數(shù)值模擬：G M S應用基礎(chǔ)與實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2]黃瑩，胡鐵松，范筱林.河套灌區(qū)永濟灌域地下水數(shù)值模擬[J].中國農(nóng)村水利水電，2010,02：79-83

[3]郭元裕.農(nóng)田水利學（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，1997.