某灌區潛水攔蓄試驗及調控效果分析

王亞輝

(北票市龍潭水庫管理處，遼寧 北票 122124)

自古以來，農業作為我國的支柱型產業對國民經濟發展一直有著重要的影響。農業是國家的根本，而水是農業的根本，據統計，我國每年農業用水量高達4500億m3，占我國總用水量的65%。目前，我國仍屬于缺水國家，水資源集中分布在長江流域及長江流域以南，西北、華北、東北等地區水資源較為短缺，這種不利因素阻礙了農業的發展[1- 5]。農業用水主要用于澆灌農田，維持農作物生長，在干旱少雨地區，僅通過降水不足以滿足農作物生長要求，這就需要人工對農田進行澆灌，澆灌的方法經過幾千年來的演變逐漸由傳統澆灌方法到噴灌技術再到微灌、滴灌技術等，灌溉方法逐漸朝著節約水資源方向上發展[6- 8]。

節水灌溉是一項既可以保證農作物的生長要求，又可以減少水資源浪費的新型技術，這一技術的核心是利用各類農作物主要依靠根部吸水這一特點，將水資源盡可能直接作用到農作物根部，由此逐漸衍生出了霧滴噴灌、地下滴灌、管道輸水灌等方法。在現有技術的基礎上，本文提出一種利用地下水閘控制、攔截地下潛水的方法，將地下潛水引入農作物灌溉中，降低農業灌溉用水量。通過試驗地塊內的地下水槽控制、攔截地下潛水，觀測分析潛水攔蓄試驗達到的實際灌溉調控效果。

1 灌區概況

1.1 試驗區概況

本次試驗區域位于某省西部某灌區，灌溉面積達3.74hm2，但灌區內各設施建設時間較久，多處設施存在漏水問題，區內設施損壞率接近20%，灌溉水利用效率低，僅為40%。近幾年來，針對灌區的各處損壞設施以及低利用率方面問題，政府相繼采用新型設備、新工藝、新材料對灌區進行了改擴建和維修。

1.2 水文地質概況

灌區處于溫帶，干旱季風氣候，區內年最大溫差可達72℃，年平均降水量為450mm，年平均蒸發量為870mm，且降水集中出現在夏季，屬季節性嚴重缺水地區。灌區屬沖積平原地貌，區內地勢較為平坦，地表最大高程差約為6m，現場巖土工程勘察報告表明：灌區覆蓋面積內地下巖土主要分為粉質黏土、粉細砂和中砂夾礫石，各層分布范圍見表1。

表1 灌區內地質分布

灌區內農業土壤類別主要包括黑鈣土、鹽堿土、沼澤土、泥炭土、水稻土、草甸土、沖積土和風沙土等土質，各類土質在灌區內的分布面積統計見表2。

圖1 地下水閘設計

表2 灌區內農業土壤類別及面積統計單位：hm2

1.3 灌溉系統概況

灌區內耕地面積約4萬hm2，每年糧食產量可達30萬t，主要包括3座水站，各類溝渠累計長度超過300km。通過近些年的改擴建工程，區內灌溉站及附屬設施總計超過1000座，并配備測量水中心站自動化設施，提高灌區節水灌溉與用水調控能力。灌區內灌溉用水量為4億t/a，灌溉水來源主要包括河流水以及地下水。

2 潛水攔蓄試驗設計

2.1 試驗場地選擇及設施布置

本次潛水攔蓄試驗場地選擇在灌區排水干渠前，緊靠水田，試驗場地北側為灌區重點試驗室，試驗場地內東側為水生態實驗室。

試驗場地范圍內原有結構物包括2處試驗室和3座監測井點，為了滿足本次試驗的要求，在場地內新建了2座地下水閘、1座地下水槽及9處監測井點。

2.2 試驗場地新建工程設計

2座地下水閘位置分別位于試驗場地內東西兩側，相隔距離為700m，地下水閘結構主要分為上下2部分，上部結構高為1.75m，寬1.43m，主要用于水閘的安放。下部結構埋入土體內部，埋深為3m，結構側壁采用300mm厚C25鋼筋混凝土，底部采用400mm厚C25鋼筋混凝土，結構下部為100mm厚C10素混凝土墊層。下部結構為地下水閘的主體結構，主要用于PVC管材和浮球布置，同時具備檢查井的功能。地下水閘設計圖如圖1所示。

地下水槽深度為4m，主要材料為防滲膜，PVC管上側管壁預留滲水孔，周圍用砂礫配合土工布包裹，防止泥沙堵塞滲透孔。其原理為利用防滲膜阻斷地下水的水平滲流，并將滲流到達防滲膜處的地下潛水引入PVC管中，通過連接的管道匯入地下水閘處，從而達到攔截、匯集、儲蓄地下潛水的目的。地下水槽設計如圖2所示。

圖2 地下水槽設計斷面

場地內新建監測井點主要位于地下水槽北側區域內，井深5m，內徑0.4m。新建監測井點與原有井點共同對本次攔蓄試驗中地下水位高度變化進行監測。

圖3 攔蓄效果對比

3 調控效果分析

試驗結果的分析主要包括試驗場地內各監測井點水位變化對比分析以及對地下攔蓄的潛水水質指標的分析。

3.1 攔蓄調控效果分析

首先對現場井點區域進行分組，位于地下水閘以及地下水槽處的新建5號、6號、7號井點為第1組，原有的7號監測井點作為第1組的對照組；位于地下水閘及地下水槽北側約1km處的新建8號、9號井點為第2組，原有的6號監測井點作為第2組的對照組；位于地下水閘及地下水槽北側約2km處的新建1號、3號、4號井點為第3組，原有的5號監測井點作為第3組的對照組。監測的各組數據均取組內平均值。

試驗選擇時間為灌溉期(5—9月)，將地下水閘關閉進行攔蓄地下潛水。在試驗期間分別記錄各組監測井點水位數據，對比各組監測井點與對照組監測井點中水位高程。各組水位高程數據分別繪制時間-水位高程曲線，如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，經地下水槽攔蓄后的地下水位高程明顯降低，在攔蓄的初期，地下水槽攔蓄處的地下水位下降趨勢陡然增加，說明初期攔蓄效果顯著，在地下水槽攔蓄深度范圍內的地下潛水基本上進入滲水管道。經過3個月的攔蓄后發現周圍地下水位高程開始下降，攔蓄處水位升高，說明經過長期的攔蓄，周圍地下水開始向攔蓄區域匯集，而后地下水槽攔蓄處兩側的區域地下水位也開始逐漸下降，下降速率隨時間的增長呈上升趨勢。

由圖3(b)可以看出，距地下攔蓄區1km的第2組監測井點中地下水位高程在初期因地下攔蓄潛水的原因有較為明顯的下降，后期隨著第1組處攔蓄水量的增加第2組區域地下水位也有所上升，但在整個過程中原有6號監測井的地下水位較穩定且有較小的整體下降趨勢，說明地下攔蓄潛水對這一區域的影響較攔蓄區域弱。

由圖3(c)可以看出，距地下攔蓄區2km的第3組監測井點中地下水位高程在試驗初期下降不明顯，說明試驗初期試驗區攔蓄潛水還未影響到此區域，經過2個月的時間，攔蓄潛水的效果開始影響第3組監測區域，地下水位開始明顯下降，說明攔蓄區域對第3組區域產生的效果具有時間效應。

3.2 攔蓄試驗影響范圍分析

從整體上看，經過潛水攔蓄試驗后，試驗區一定范圍內地下水位有所上升，達到了預期的效果，節約了試驗區內的灌溉用水量，為了進一步探究地下水槽與地下水閘作用的影響范圍，對上述各監測井點結果進行計算分析，得出地下水槽攔蓄試驗后地下水位變化值與距地下水槽長度關系曲線，如圖4所示。

圖4 攔蓄試驗后場地內地下水位高度隨距離增加變化關系曲線

從圖4可以看出，隨著距離的增加，地下水位變化值呈逐漸減小趨勢，當距離接近2500m時，地下水位與原水位變化值基本為0，說明本次攔蓄的縱向影響范圍約為2500m。

4 結論

通過在某灌區內進行了潛水攔蓄試驗，試驗結果發現，經過該系統可以實現對地下水位的調控，試驗開始約3個月后試驗區地下水位逐漸上升，達到地下灌溉農作物的要求，攔蓄試驗的縱向影響范圍約為攔蓄系統后側2500m。這為該灌區的地下水合理調控和利用奠定了一定的基礎，也為類似灌區提供了借鑒。