節(jié)水灌溉襯砌渠道工程對(duì)區(qū)域地下水位的影響研究

張洪燕,劉軍剛

(1.平原縣水務(wù)局馬堿豎河管理所，山東 平原 253100；2.平原縣水利勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 平原 253100)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)也是水資源最匱乏的國(guó)家之一，農(nóng)業(yè)用水占總用水量比重高達(dá)70%左右[1]。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求進(jìn)一步擴(kuò)增，因此，研究如何解決有限的農(nóng)業(yè)水資源的合理利用以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的問(wèn)題，從而提高水資源的利用率，是解決當(dāng)前水資源供需矛盾的重要途徑。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)加大了對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的投入，我國(guó)在農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水方法技術(shù)主要包括自流灌區(qū)渠道、長(zhǎng)畦改短畦、寬畦改窄畦、長(zhǎng)溝改短溝、溝灌改為膜上灌等[2- 5]。各類灌溉節(jié)水措施有效的緩解了農(nóng)業(yè)用水損耗過(guò)大的問(wèn)題，極大促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展。但是，節(jié)水灌溉對(duì)區(qū)域地下水的負(fù)面影響也在逐漸暴露。在灌溉節(jié)水過(guò)程實(shí)際上是對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)水循環(huán)進(jìn)行了一次再改造，由于渠道的襯砌，減少了或者削弱了地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給作用，降低了地表徑流向地下徑流的轉(zhuǎn)化量，從而可能進(jìn)一步產(chǎn)生一系列的生態(tài)問(wèn)題[8- 9]。

山東省平原縣地處暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季涼爽，冬季干冷少雨雪。據(jù)氣象資料，多年平均降雨量561mm，多年平均蒸發(fā)量1277.5mm，多年平均氣溫12.7℃，平均風(fēng)速3.7m/s，日照時(shí)數(shù)年均2554h，無(wú)霜期平均217d。2016年全縣總灌溉面積89.15萬(wàn)畝，耕地有效灌溉面積78.1萬(wàn)畝，林地灌溉面積4.46萬(wàn)畝，園林灌溉面積4.64萬(wàn)畝，其他灌溉面積1.95萬(wàn)畝。近年來(lái)通過(guò)一系列節(jié)水項(xiàng)目的實(shí)施，全縣農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.6298。

本文在前人研究理論和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同襯砌材料渠道的防滲性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并基于Hydrus- 2D模型，對(duì)平原地區(qū)常用的幾種襯砌材料渠道在不同時(shí)間段內(nèi)區(qū)域地下水位的變化情況進(jìn)行了模擬分析，以期對(duì)節(jié)水灌溉工程的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)域地下水位現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，水資源需求快速增長(zhǎng)，供需矛盾更加突出。平原縣工業(yè)用水傳統(tǒng)，基本開(kāi)采地下水，部分工業(yè)用水為深層地下水，而深層地下水屬于儲(chǔ)備資源，回補(bǔ)緩慢，不允許開(kāi)采。根據(jù)省政府批復(fù)的《山東省地下水限采區(qū)和禁采區(qū)劃定方案》，平原縣深層承壓水超采區(qū)涉及全縣所有鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、開(kāi)發(fā)區(qū))，總面積1047km2，深層承壓水井共111眼，年均實(shí)際開(kāi)采量1080.60萬(wàn)m3。

由于近年來(lái)的過(guò)度開(kāi)采和使用，同時(shí)農(nóng)業(yè)渠道防滲效果的增加，地下水補(bǔ)給得不到有效保障，使得平原縣的地下水位埋深從2001年的16.75m上升至2015年的27.05m，15年間，地下水位下降了約10.3m。其中，自2001—2005年間，地下水埋深增長(zhǎng)幅度最為明顯，達(dá)到6.43m。按照國(guó)家要求與部署，將對(duì)該地區(qū)開(kāi)展地下水超采綜合治理工作，其中一項(xiàng)便是對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉渠道進(jìn)行清理和襯砌改造，本文基于“平原縣地下水超采區(qū)綜合治理國(guó)家試點(diǎn)方案”這一課題進(jìn)行研究和分析(如圖1所示)。

圖1 2001—2015年間地下水埋深變化曲線

2 不同襯砌材料渠道滲漏試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取常用的渠道襯砌材料：土渠、混凝土加膜復(fù)合材料、混凝土全斷面襯砌等3種，試驗(yàn)段長(zhǎng)均為100m，試驗(yàn)斷面為U型(頂寬5.2m，高2.3m)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同襯砌材料渠道滲漏強(qiáng)度

從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，渠道的滲漏強(qiáng)度均呈冪函數(shù)形式減小，并在一定時(shí)間后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值；在土渠情況下，其初始滲漏強(qiáng)度較大，達(dá)到60L/(m2·h)，穩(wěn)定滲漏強(qiáng)度為30LL/(m2·h)上下，而混凝土加膜復(fù)合材料、混凝土全斷面襯砌的渠道的初始滲漏強(qiáng)度較低，僅為0.35LL/(m2·h)，同時(shí)穩(wěn)定滲漏強(qiáng)度為0.1～0.11LL/(m2·h)，防滲效果達(dá)到99.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土渠防滲效果。

3 基于Hydrus- 2D模型的區(qū)域滲漏深度預(yù)測(cè)

Hydrus- 2D是一種用于模擬水流運(yùn)動(dòng)的有限軟件，在假定土壤均質(zhì)、各向同性、試驗(yàn)區(qū)域無(wú)腐殖質(zhì)影響的基本條件下，同時(shí)排除空氣成分、溫度以及土壤滯后效應(yīng)的影響，基于三維空間下土壤水分運(yùn)動(dòng)的Richards方程，構(gòu)建不同條件下水流動(dòng)模型。基本模型公式Richards方程如下[10]：

(1)

式中，Ψm—基質(zhì)勢(shì)，cm；K(θ)—非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min；θ—土壤單位體積含水率；t—時(shí)間，min。

土壤水力學(xué)函數(shù)采用VG模型[11]描述，其表達(dá)式為：

(2)

(3)

其中，m、n、k均為擬合參數(shù)。

不同材料襯砌下，基于Hydrus- 2D模型擬合預(yù)測(cè)分析了不同時(shí)間段內(nèi)襯砌渠道區(qū)域地下水分的滲漏范圍，模擬結(jié)果如圖3—5所示。

圖3 土渠節(jié)水襯砌渠道滲漏圖(30d)

圖4 混凝土節(jié)水襯砌渠道滲漏圖

圖5 混凝土加膜復(fù)合節(jié)水襯砌渠道滲漏圖

由圖3可以看出，當(dāng)達(dá)到30d時(shí)，土渠的滲漏深度及寬度分布較廣，相對(duì)于30d下的混凝土渠道，其滲漏深度尤其表現(xiàn)地最為明顯(最大滲漏深度已經(jīng)達(dá)到了32m)；由圖4看到：對(duì)于混凝土襯砌節(jié)水渠道，在滲漏過(guò)程進(jìn)行到第30d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到2.6m；在滲漏過(guò)程進(jìn)行到第60d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到3.50m；在滲漏過(guò)程進(jìn)行到第90d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到5.10m；在滲漏過(guò)程進(jìn)行到第120d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到6.70m；對(duì)于混凝土加膜復(fù)合材料渠道，滲漏30、60、90、120d的最大滲漏深度分別為2.57、3.3、4.8、6.07m(如圖5所示)；混凝土加膜復(fù)合材料與混凝土全斷面渠道的滲漏分布規(guī)律大體一致。

以上分析可總結(jié)得到：相同襯砌材料下，滲漏范圍隨時(shí)間的分布差異較為明顯，不同襯砌材料的滲漏分布差異也較大；渠道水滲漏是一個(gè)由中心向四周發(fā)散滲透的過(guò)程，且在滲透過(guò)程中，受重力影響，水分的豎向運(yùn)動(dòng)活性距離遠(yuǎn)大于其受分子引力牽引導(dǎo)致的橫向位移。

表1為計(jì)算得到的不同材料襯砌節(jié)水渠道內(nèi)水滲漏速率對(duì)比值。從模擬結(jié)果來(lái)講，與試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律表現(xiàn)一致，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，滲漏速率有呈逐漸降低和趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，故模擬結(jié)果還是有一定科學(xué)性、可靠性的。

表1 不同材料襯砌節(jié)水渠道內(nèi)水滲漏速率對(duì)比

4 模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與地下水位對(duì)比分析

由上述基于Hydrus- 2D模型的滲漏深度與地下水位預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于土渠，在第30天，滲漏深度便已經(jīng)達(dá)到32m左右，而目前當(dāng)?shù)氐牡叵滤簧疃葹?7.05m(對(duì)比圖1)，可見(jiàn)，在土渠情況下，地下水能夠及時(shí)得到地表水的補(bǔ)給；而相對(duì)于土渠，混凝土襯砌節(jié)水渠道在第30天時(shí)滲漏深度僅達(dá)到2.60m，僅為土渠的8.1%(復(fù)合材料僅為8%)。當(dāng)測(cè)試時(shí)間到達(dá)第120d時(shí)，混凝土襯砌節(jié)水渠道的最大滲漏深度為6.7m，仍然僅達(dá)到土渠第30d滲漏深度的20.9%(復(fù)合材料僅為19%)。由此可見(jiàn)，混凝土(復(fù)合)襯砌節(jié)水渠道的防滲漏效果十分明顯。但是，由于渠道防滲材料的升級(jí)，渠道防滲效果越好，相應(yīng)的渠道滲漏深度越淺，滲漏量就越少，最終導(dǎo)致地下水補(bǔ)給逐漸減少，地下水埋深不斷增長(zhǎng)且增長(zhǎng)速率較之前有所提升，這將對(duì)區(qū)域節(jié)水灌溉工程建設(shè)影響范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)一定的負(fù)面影響，故而在大力修建節(jié)水灌溉渠道工程時(shí)，需要適當(dāng)考慮對(duì)地下水的補(bǔ)償措施，否則節(jié)水灌溉工程只能起到臨時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，最終會(huì)對(duì)將來(lái)的生產(chǎn)生活帶來(lái)重要影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于Hydrus- 2D地下水位預(yù)測(cè)模型，研究不同材料襯砌節(jié)水渠道對(duì)區(qū)域地下水位的影響，研究發(fā)現(xiàn)：滲漏時(shí)間、渠道襯砌材料種類的滲漏分布具有較大差異，從而影響地下水的補(bǔ)償問(wèn)題，土渠能夠?qū)^(qū)域地下水起到較快較好地補(bǔ)給，而另外兩種渠道則很難起到補(bǔ)給作用。在建設(shè)節(jié)水灌溉渠道工程時(shí)，要綜合考慮水資源利用率和地下水補(bǔ)給兩個(gè)因素，否則會(huì)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境起到一定負(fù)面作用。