淮河平原區(qū)淺層地下水高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究探討

摘 要：闡述了淮河平原區(qū)淺層地下水高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究的項(xiàng)目背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了研究目標(biāo)與任務(wù)、各專題的研究?jī)?nèi)容以及預(yù)期取得的成果。

關(guān)鍵詞：淮河平原區(qū)；淺層地下水；高效利用；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）15-140-03

Research on the Key Technology of Efficient Utilization of Shallow Underground Water in the Huaihe Plain Area

Wang Bing

（Anhui Huai River Water Resources Research Institute，Anhui Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources，Bengbu 233000，China）

Abstact：The key technologies on efficient use of under ground water in plain of Huaihe river were studied in this paper. And then research target，contents and the expected results were defined，and these could provide the direction for the project.

Key words：Huaihe plain area；Shallow underground water；Efficient utilization；Key technology

1 項(xiàng)目背景

1.1 目的意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，淮河流域非農(nóng)業(yè)用水量急劇增加，水資源日趨緊缺。針對(duì)淮河流域平原區(qū)地勢(shì)平坦，排水緩慢，易成澇漬、降水時(shí)空分布不均、旱災(zāi)多發(fā)等特點(diǎn)，如何提高地下水利用量，減少地下水的不當(dāng)排泄量，減少農(nóng)業(yè)灌溉頻次與用水量，節(jié)約水資源，顯得越來越重要。系統(tǒng)研究農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中適宜地下水埋深，研究地下水埋深分布及其對(duì)灌溉的影響，科學(xué)調(diào)控地下水埋深，提高淺層地下水利用率，促進(jìn)地下水高效利用，確保流域糧食安全有著的重要意義。

1.2 流域概況 淮河流域面積27萬km2，該區(qū)域氣候溫和，降雨量適中，土層深厚，光照充足，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，是我國(guó)重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地和商品糧基地?；春右员睂倥瘻貛^(qū)，以南屬北亞熱帶區(qū)，全區(qū)年平均氣溫11～16℃，無霜期200～240d；多年平均降水量883mm，降水量年際變化大、年內(nèi)分布不均，最大年雨量為最小年雨量的3～4倍，汛期（6～9月）降雨量占全年降水量的50%～80%；多年平均水面蒸發(fā)量900～1 500mm?；春恿饔蚰昃Y源量為835億m3，人均水資源占有量500m3/人，僅為全國(guó)人均水資源量的20%左右，平均667m2水資源量不足400m3，屬水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)。水資源與土地資源、人口數(shù)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不協(xié)調(diào)，已成為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的制約性因素之一。

水作為基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義和作用，水安全問題是淮河流域必須優(yōu)先解決的問題。區(qū)域淺層地下水高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究就是其中的重要課題之一。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 隨著水資源的日益短缺，世界各國(guó)均對(duì)水文學(xué)基本理論、水資源開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)等一系列問題進(jìn)行了廣泛深入的研究，如“四水轉(zhuǎn)化”水文模型，水資源高效利用一系列理論，節(jié)水灌溉理論與技術(shù)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)適宜地下水埋深、地下水埋深對(duì)作物生長(zhǎng)的影響、地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度、水文地質(zhì)參數(shù)的研究與確定、地下水資源評(píng)價(jià)方法與理論等也都進(jìn)行了廣泛深入的研究，國(guó)外更加注重對(duì)地下水資源保護(hù)與水質(zhì)管理。19世紀(jì)主要是基本理論與實(shí)驗(yàn)，20世紀(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，更側(cè)重對(duì)各種水文過程的數(shù)字模擬與精確分析計(jì)算。在研究手段方面，則采用不同口徑不同埋深的地中蒸滲儀、土壤水份探測(cè)儀、地下水位自記儀、遠(yuǎn)傳水位計(jì)等先進(jìn)設(shè)備，進(jìn)行高精度模擬試驗(yàn)研究。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工作基礎(chǔ) 目前，我國(guó)對(duì)地下水埋深及其與農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)系做過相關(guān)研究，取得了一些研究成果。揚(yáng)州大學(xué)、安徽省水利科學(xué)研究院、淮委水文局等單位在淮河流域可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)及診斷預(yù)警、淮河流域水資源可持續(xù)利用、淮河流域淺層地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、淮河流域能量與水分循環(huán)和氣象水文預(yù)報(bào)、平原區(qū)四水轉(zhuǎn)化數(shù)值計(jì)算模型研究、淺層地下水利用保護(hù)等方面開展過一些研究，并取得了一些階段性成果，但不夠系統(tǒng)。本次從地下水埋深方面，大尺度、全流域地研究地下水利用與節(jié)水灌溉問題，在國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)有類似的研究。

3 研究目標(biāo)與任務(wù)

3.1 研究目標(biāo) 通過研究，形成較為完善的區(qū)域淺層地下水高效利用關(guān)鍵技術(shù)，減少地下水的不當(dāng)排泄量與農(nóng)業(yè)灌溉用水量，推進(jìn)區(qū)域地下水的高效、可持續(xù)利用。具體目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：（1）探明流域主要農(nóng)作物生長(zhǎng)和旱澇均衡治理適宜的地下水埋深，提高灌溉效率，促進(jìn)地下水高效利用；（2）針對(duì)該區(qū)現(xiàn)狀地下水埋深分布特點(diǎn)，明確地下水埋深調(diào)整思路；（3）研究地下水埋深調(diào)控技術(shù)，為河溝攔蓄工程調(diào)控的科學(xué)運(yùn)用提供技術(shù)支撐。

3.2 研究任務(wù) （1）主要農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜的地下水埋深研究：收集已有的實(shí)驗(yàn)資料及相關(guān)研究成果，并通過專項(xiàng)試驗(yàn)研究，探討淮河流域平原區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)的適宜地下水埋深。專項(xiàng)試驗(yàn)擬采用砂姜黑土和黃潮土兩種土壤，種植大豆、玉米、小麥等主要旱作物，通過對(duì)地下水埋深的控制進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出大豆、玉米、小麥等主要農(nóng)作物在砂姜黑土和黃潮土地區(qū)的適宜地下水埋深。（2）旱澇均衡治理適宜的地下水埋深研究：將淮河流域平原區(qū)劃分為若干典型片區(qū)，分區(qū)計(jì)算不同頻率暴雨產(chǎn)水量，并根據(jù)農(nóng)作物總體種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物耐淹指標(biāo)，推定合適的農(nóng)田除澇工程標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)區(qū)域水系排水出路，在綜合考慮上下游、左右岸排水工程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整不合適的區(qū)域農(nóng)田排水標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)排水工程水文效應(yīng)，計(jì)算田塊平均地下水埋深；根據(jù)區(qū)域氣象干旱規(guī)律，確定分區(qū)旱澇均衡治理適宜的地下水埋深。（3）地下水埋深對(duì)灌溉的影響研究：收集歷史相關(guān)干旱年份灌溉資料和相應(yīng)的地下水埋深資料，結(jié)合“主要農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜的地下水埋深研究”成果，分析不同地下水埋深對(duì)灌溉用水量的影響，并進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)研究，探明砂姜黑土區(qū)和黃潮土區(qū)主要農(nóng)作物不同地下水埋深對(duì)灌溉用水量的影響。（4）淮河流域平原區(qū)地下水埋深調(diào)控技術(shù)研究：根據(jù)淮河流域平原區(qū)地下水補(bǔ)排特點(diǎn)及流域各省淺層地下水埋深現(xiàn)狀觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GIS數(shù)字成圖技術(shù)，分季節(jié)繪制現(xiàn)狀地下水埋深分布圖，在“旱澇均衡治理適宜的地下水埋深研究”的基礎(chǔ)上，確定地下水埋深分區(qū)調(diào)整方案，研究地下水埋深調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)新型攔蓄調(diào)控裝置和設(shè)施。（5）河溝蓄水工程對(duì)地下水調(diào)控作用研究：研究河道地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系，根據(jù)地下水埋深調(diào)整分布圖，制定河溝調(diào)蓄工程調(diào)控管理方案。

4 專項(xiàng)課題研究

4.1 主要農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜的地下水埋深研究

4.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 擬在安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在充分利用已有的各種設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過本項(xiàng)目的實(shí)施，補(bǔ)充、添置部分必需的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)，并結(jié)合流域內(nèi)4省已有的相關(guān)試驗(yàn)資料，利用砂姜黑土和黃潮土兩種土壤，分別種植大豆、玉米、小麥等淮河流域平原區(qū)主要旱作物，通過對(duì)地下水埋深的控制進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4.1.2 研究?jī)?nèi)容 根據(jù)專項(xiàng)試驗(yàn)資料，分析淮河平原區(qū)大豆、玉米、小麥等主要農(nóng)作物在砂姜黑土和黃潮土地區(qū)的適宜地下水埋深。

4.2 代表性典型區(qū)旱澇均衡治理適宜地下水埋深研究

4.2.1 典型區(qū)劃分原則 降雨徑流與農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害的分布特點(diǎn)受氣候、地形、水資源條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況等多種因素影響，降雨徑流大小及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的評(píng)估需分區(qū)進(jìn)行。分析計(jì)算的分區(qū)依據(jù)以下基本原則：①考慮氣候和水資源特點(diǎn)，使分區(qū)基本能夠體現(xiàn)干旱分布規(guī)律；②考慮農(nóng)業(yè)類型，使旱情評(píng)估能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)；③考慮行政分區(qū)，使旱情和旱災(zāi)的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估具有可操作性。

4.2.2 研究?jī)?nèi)容 在合理劃分的基礎(chǔ)上，選擇代表性典型區(qū)，分區(qū)計(jì)算不同頻率暴雨產(chǎn)水量，并根據(jù)區(qū)域農(nóng)作物總體種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物耐淹指標(biāo)，推定合適的農(nóng)田除澇工程標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)代表性典型區(qū)區(qū)域水系排水出路，在綜合考慮上下游、左右岸排水工程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整不合適的區(qū)域農(nóng)田排水標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)排水工程的水文效應(yīng)，計(jì)算代表性典型區(qū)分區(qū)平均地下水埋深；根據(jù)區(qū)域氣象干旱規(guī)律，確定代表性典型區(qū)分區(qū)旱澇均衡治理適宜地下水埋深。

4.3 地下水埋深對(duì)灌溉的影響研究

4.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在充分利用已有的各種設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充、添置部分必需的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)，并結(jié)合流域內(nèi)4省已有的相關(guān)試驗(yàn)資料，利用砂姜黑土和黃潮土兩種土壤，分別種植大豆、玉米、小麥等淮河流域平原區(qū)主要旱作物，通過對(duì)地下水埋深的控制進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)定不同旱作物與不同地下水埋深的灌溉用水量。

4.3.2 研究?jī)?nèi)容 根據(jù)區(qū)域相關(guān)調(diào)查資料與專項(xiàng)試驗(yàn)資料，結(jié)合“主要農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜地下水埋深研究”成果，分析不同地下水埋深對(duì)灌溉用水量的影響，建立地下水埋深對(duì)灌溉用水量影響的關(guān)系模型，探明砂姜黑土區(qū)和黃潮土區(qū)主要農(nóng)作物種植不同地下水埋深對(duì)灌溉用水量的影響。

4.4 地下水埋深調(diào)控技術(shù)研究 收集地下水補(bǔ)排特點(diǎn)及流域各省淺層地下水埋深現(xiàn)狀觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GIS數(shù)字成圖技術(shù)，分區(qū)繪制雨季和旱季現(xiàn)狀地下水埋深分布圖，在“旱澇均衡治理適宜地下水埋深研究”的基礎(chǔ)上，確定地下水埋深分區(qū)調(diào)整方案，研究地下水埋深調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)新型攔蓄調(diào)控裝置和設(shè)施。

4.5 河溝蓄水工程對(duì)地下水調(diào)控作用研究

4.5.1 水土資源調(diào)查 調(diào)查內(nèi)容包括淮河流域主要農(nóng)作物種植情況，地下水埋深的變化規(guī)律等水文資料，砂姜黑土和黃潮土等土壤類型和土壤物理化學(xué)性質(zhì)，降雨、蒸發(fā)、蒸騰等氣象資料。

4.5.2 建立河溝水位與農(nóng)田地下水位關(guān)系數(shù)學(xué)模型 利用土壤、水分、大氣和植物整合模型，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際資料進(jìn)行模型參數(shù)擬定和驗(yàn)證，反映河溝蓄水工程對(duì)控制區(qū)域地下水補(bǔ)給和排除的動(dòng)態(tài)過程。

4.5.3 河溝蓄水工程控制裝置和控制設(shè)施研究 在通過控制排水溝中水位進(jìn)行田間水位管理時(shí)，需要在控制區(qū)域農(nóng)田排水溝出口建立控制排水設(shè)施，對(duì)控制設(shè)施進(jìn)行適時(shí)管理和控制。農(nóng)田土壤中水分與排水溝中水分在不同時(shí)間和空間的相互流動(dòng)，都是由于排水溝中的水位與農(nóng)田地下水位之間存在落差引起的，因此通過控制排水溝水位實(shí)現(xiàn)調(diào)整農(nóng)田地下水位是可行的。控制堰高度的原則，一方面應(yīng)有利于作物的生長(zhǎng)，對(duì)不同作物以及作物不同的生長(zhǎng)階段，應(yīng)控制地下水位以保持作物根系層土壤有良好的通氣性；另一方面應(yīng)盡可能減少排水量，充分利用雨水資源。

使用可調(diào)式排水溝出口控制堰排水，比非控制排水更能維持農(nóng)田較高的地下水位，土壤嫌氣環(huán)境能夠降低地下水和土壤水中硝態(tài)氮的濃度，在降低排水中可溶性氮、磷濃度的同時(shí)減少了排水量，從而有效地減少農(nóng)田氮、磷的流失。

4.5.4 河溝蓄水工程控制技術(shù)研究 河溝蓄水工程對(duì)地下水的調(diào)控技術(shù)和調(diào)控裝置作用原理：由于排水溝中的水位升降，直接影響到排水溝之間農(nóng)田的淺層地下水位的升降，因而，通過河溝蓄水工程調(diào)控排水溝中的水位，從而實(shí)施對(duì)地下水位的控制。由于在排水溝出口處建控制閘門或控制堰，排水溝上游的排水溝系是連通的，升高出口控制水位，整個(gè)控制區(qū)域的排水溝系水位上升，則引起整個(gè)控制區(qū)域的農(nóng)田淺層地下水位上升；相反，降低出口處控制水位，則整個(gè)控制區(qū)域的排水溝系水位下降，整個(gè)控制區(qū)域的農(nóng)田淺層地下水位相應(yīng)下降。也就是說農(nóng)田淺層地下水位的深度由排水溝中水位控制，農(nóng)田地下水位即地下水埋深調(diào)控，可以通過升降排水溝出口處水位高度來實(shí)現(xiàn)。因此，排水溝出口處水位高度的確定，受地下水埋深、土壤類型、降雨和蒸發(fā)、排水溝的尺寸大小、作物生長(zhǎng)階段等諸多因素的影響，應(yīng)綜合考慮。

5 預(yù)期成果

通過本項(xiàng)目研究，力爭(zhēng)取得淮河平原區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)及旱澇均衡治理適宜的地下水埋深、地下水埋深對(duì)灌溉用水量的影響、地下水埋深調(diào)控技術(shù)以及河溝蓄水工程調(diào)控管理方案等系列成果，形成較為系統(tǒng)、具有地區(qū)特色的淮河平原區(qū)淺層地下水高效利用的關(guān)鍵技術(shù)體系。

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