基于水平井技術(shù)的農(nóng)田排水?dāng)?shù)值模擬研究

何 錦，王曉燕，劉元晴，劉振英

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130026；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊 050031)

農(nóng)業(yè)工程排水是改造鹽堿地的有效措施之一，常見的工程排水方式主要有明渠、豎井、暗管等。其原理均是將地下水位控制在極限蒸發(fā)深度以下，防止地下水中的鹽分受地表蒸發(fā)的影響而上升至地表，導(dǎo)致表土積鹽。近些年，暗管排水技術(shù)因其施工簡(jiǎn)便、占地少、便于后期維護(hù)，使用較為廣泛[1,2]，但其屬于被動(dòng)排水技術(shù)，存在著排水量較小、排水效率不高、控制面積有限等缺點(diǎn)。隨著非定向開挖技術(shù)的逐步成熟，水平井技術(shù)逐漸受到關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域由原來的石油領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到地下水資源開發(fā)、地下水污染防治等方面[3-5]。

水平井是指井的濾水管呈水平放置的集水建筑物。由于它大大提高了濾水管與含水層的接觸面積，其采排效率要比普通豎井高得多[6]。目前，國(guó)內(nèi)利用水平井建立農(nóng)田排水工程尚不多見，對(duì)于其排水效率和工程參數(shù)也鮮有研究。本文選擇華北濱海滄州典型試驗(yàn)地塊，利用水平井野外試驗(yàn)基地觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用Hydrus與Modflow耦合模擬技術(shù)，對(duì)水平井的控制范圍及在典型排灌方案下的排水效果進(jìn)行模擬分析，以定量評(píng)估利用水平井的排水效率，為今后采用水平井排水改良土壤提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

水平井排水試驗(yàn)區(qū)位于河北省滄州市北部滄縣境內(nèi)，地貌特征以濱海平原為主。海拔高程5～7 m，自然坡降0.008%。當(dāng)?shù)貙儆谂瘻卮箨懶约撅L(fēng)型氣候，多年平均降雨量為540 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 371 mm (標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器E601)。該區(qū)表層土壤以粉沙質(zhì)黏土、黏土為主；鹽漬化程度為輕度，2015年地下水位埋深1.0～1.5 m；水質(zhì)類型為Cl-Na型，TDS為3～5 g/L；試驗(yàn)區(qū)種植結(jié)構(gòu)為夏玉米單作，基本上無灌溉。

1.2 水平井排水系統(tǒng)及抽水試驗(yàn)觀測(cè)

試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地寬280 m，長(zhǎng)200 m，面積約為5.33 hm2。對(duì)試驗(yàn)區(qū)水平井附近JC-01鉆孔巖性適當(dāng)歸并概化為5層，即0～0.3 cm為壤土，0.3～1.9 m為黏性粉土，1.9～5.0 m以粉土為主，夾有薄層粉砂，5～8 m主要為黏土，8～30 m主要為較厚層粉沙，夾有少量粉土。各層顆粒分析數(shù)據(jù)見表1。場(chǎng)地施工水平井3眼，水平間距110 m，施工深度為9 m，水平跨距200 m，濾水管內(nèi)徑為210 mm，長(zhǎng)度100 m(見圖1)，同時(shí)施工深度15 m的觀測(cè)井3眼，其中濾水管為9～15 m，主要用于監(jiān)測(cè)不同距離地下水位變化。

場(chǎng)地內(nèi)架設(shè)小型氣象觀測(cè)站(Watchdog 2900 ET，USA)，獲得降雨量、氣溫、風(fēng)速等氣象資料。土壤水分監(jiān)測(cè)采用TDR技術(shù)(WinTrase，USA)，并用烘干稱量法進(jìn)行標(biāo)定，監(jiān)測(cè)深度從地表向下為20、40、60、80、100和120 cm，監(jiān)測(cè)頻率為每4 h一次。地下水水位采用荷蘭Eijkelkamp公司的Mini-Diver監(jiān)測(cè)，采樣頻率為4 h一次，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。水平井抽水采用虹吸法[7]，排水量采用超聲波流量計(jì)(FLEXIM F601)自動(dòng)記錄。

表1 試驗(yàn)區(qū)典型土壤剖面顆粒分析Tab.1 Soil particle analysis of the typical profile in the test area

圖1 試驗(yàn)區(qū)水平井布置(單位：m)Fig.1 Sketch map of horizontal wells arrangement in the test area

1.3 研究方法

水平井所排水量不僅包括非飽和帶垂向入滲量，還包括由水平井所在含水層四周徑流而來的水量。因此，這就需要模型具有精細(xì)刻畫飽和帶和非飽和帶水流的功能。本次研究選用美國(guó)國(guó)家鹽改中心開發(fā) 的Hydrus -1D軟件來建立飽和帶-非飽和帶水分運(yùn)移剖面數(shù)值模型，模擬分析典型地層結(jié)構(gòu)下淺部地下水的入滲-蒸發(fā)特征，建立潛水水位埋深與地下水入滲補(bǔ)給量的關(guān)系；其次以潛水面為耦合界面，采用Hydrus -1D軟件計(jì)算的潛水面水分交換量替代Modflow模型的補(bǔ)給源匯項(xiàng)，將非飽和帶剖面模型與地下水流模型耦合，建立試驗(yàn)區(qū)排水效果預(yù)測(cè)模型，對(duì)試驗(yàn)區(qū)不同灌、排組合條件下水平井工程排水效果進(jìn)行模擬分析。

2 數(shù)值方程

2.1 非飽和帶水運(yùn)動(dòng)基本方程

根據(jù)野外試驗(yàn)條件，將水分入滲過程概化采用一維垂向運(yùn)動(dòng)。

(1)水分運(yùn)移方程。即：

(1)

式中：θ是體積含水率，cm3/cm3；t是時(shí)間，d；C為容水度，cm-1；K是導(dǎo)水度，cm/d；h是土壤壓力水頭，cm；z是位置水頭(向上為正)，cm；Sa是作物根系吸水率，cm3/(cm3·d)。

(2)土壤水力特征方程。土壤水力特征方程采用van Genuchten公式來描述:

(2)

K(h)=KsSle[1-(1-S1/me)m]2

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；θr為殘留含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；h為負(fù)壓，cm；α，n，m為控制土壤水分特征曲線形狀的參數(shù)；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為相對(duì)飽和度。

(3)水分運(yùn)移邊界條件和初始條件。初始條件：h(z,t)=h0(t),t=t0,z≥0；上邊界：h(z,0)=h0(t),t≥0，z=0；下邊界：h(z,0)=0，t>0，z=l。

2.2 飽和帶水運(yùn)動(dòng)基本方程

飽和帶水運(yùn)動(dòng)基本方程為：

(4)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；H為地下水位，m；w為源匯項(xiàng)強(qiáng)度，m/d；D為模擬區(qū)；μ為單位重力給水度；t為模擬時(shí)間；H0為初始地下水位，m；n為模擬區(qū)邊界外法線方向；τ為零流量邊界。

3 非飽和帶數(shù)值模擬與參數(shù)識(shí)別

3.1 初始條件及邊界條件

Hydrus模型剖面為地表以下整個(gè)非飽和帶范圍，按照實(shí)際地層劃分土壤剖面。為擬合土壤物理模型參數(shù)，非飽和帶初始含水量根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)賦值，上邊界為大氣邊界，降雨量由氣象站實(shí)測(cè)提供，蒸散量由氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過Penman-Monteith公式計(jì)算[8]，不考慮植物蒸騰作用，下邊界為實(shí)測(cè)地下水位。

擬合數(shù)據(jù)時(shí)段為2015年5月1日-2015年12月31日，共計(jì)285 d。

3.2 模型參數(shù)

采用Hydrus-1D軟件中提供的Rosetta模型給定各層土壤水力參數(shù)初始值，然后通過試驗(yàn)區(qū)不同層位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，利用模擬效率系數(shù)ENS和相對(duì)誤差RE來確定最優(yōu)參數(shù)，最終土壤含水量擬合效果及選定參數(shù)見圖2和表2。

圖2 不同深度土壤實(shí)測(cè)體積含水量與模擬值對(duì)比Fig.2 Comparison chart of measured water and simulated values in soil at different depths

土壤類型θr/(cm3·cm-3)θs/(cm3·cm-3)α/cm-1nKs/(cm·d-1)NESRE/%壤土0.0780.4300.0361.56024.960.826.8粉黏0.0610.3910.0241.36410.000.863.2粉土0.0430.3630.0151.46321.320.724.3黏土0.0680.3800.0081.0902.000.751.4粉沙0.0420.3840.0391.592100.000.892.2

3.3 模擬情景

采用標(biāo)定后的土壤動(dòng)力學(xué)參數(shù)，考慮不同的邊界條件，其中上邊界按照(典型降雨、典型降雨+灌溉)2種情形設(shè)定：

(1)天然氣象條件。按豐水年P(guān)=578.7 mm(2013年日降雨量賦值)計(jì)算。

(2)灌溉條件。除天然降水量外，每年在3、4、5、10月份的最后一天進(jìn)行灌溉，每次灌溉量為50 mm，年總灌溉量為200 mm。

作物種植模式為夏玉米單作，吸水模型采用Feddes模型[9]，參數(shù)采用模型默認(rèn)值，作物潛在蒸散量為文獻(xiàn)[10]所提供公式計(jì)算，其葉面積系數(shù)參考文獻(xiàn)[11]給出，下邊界為人工設(shè)定定水頭邊界，設(shè)定規(guī)則為水位埋深3 m以上間隔為0.5 m，水位埋深3 m以下間隔為1.0 m。設(shè)定目的是用于模擬不同埋深情況下試驗(yàn)區(qū)淺層地下水入滲、蒸發(fā)特征。模擬時(shí)段為360 d(每個(gè)月30 d)，采用變時(shí)間步長(zhǎng)剖分方式。設(shè)定初始步長(zhǎng)為0.001 d，最小步長(zhǎng)為0.000 1 d，最大步長(zhǎng)為0.2 d。

4 Hydrus-1D模擬結(jié)果分析

4.1 天然氣象環(huán)境下地下水入滲-蒸發(fā)特征與地下水位關(guān)系

天然條件下地下水蒸發(fā)、入滲以及綜合入滲補(bǔ)給強(qiáng)度隨埋深的變化關(guān)系曲線見圖3。由圖3可以看出，在地下水埋深較淺時(shí)(h<1.5 m)地下水蒸發(fā)強(qiáng)烈，隨埋深增大地下水蒸發(fā)量急劇減少，埋深達(dá)2.5 m后蒸發(fā)量減為0；淺埋地下水降水入滲隨埋深增大有所減少，埋深達(dá)1 m后趨于穩(wěn)定；綜合補(bǔ)給強(qiáng)度表現(xiàn)為地下水埋深小于1.5 m時(shí)以蒸發(fā)為主，1.5～3.0 m是由蒸發(fā)為主向降水入滲為主過渡，大于3 m時(shí)以降水入滲為主，蒸發(fā)量減小到0。

地下水綜合補(bǔ)給量不僅隨埋深變化且隨時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化(見圖4)。地下水位埋深較淺時(shí)(h<1.5 m)綜合補(bǔ)給強(qiáng)度隨季節(jié)變化強(qiáng)烈，1-5月份和10-12月份主要以蒸發(fā)為主，而6-9月份受到降雨增多的影響，綜合補(bǔ)給強(qiáng)度以入滲為主，且在埋深在1.5 m左右補(bǔ)給量達(dá)到隨著埋深的逐步增大，綜合補(bǔ)給量迅速增加。當(dāng)埋深較大時(shí)(h>6 m)，各季節(jié)段綜合補(bǔ)給強(qiáng)度均趨于穩(wěn)定，綜合補(bǔ)給量大小排序?yàn)镽6-9月>R10-12月>R1-5月。

圖3 天然條件下地下水補(bǔ)給強(qiáng)度～埋深關(guān)系曲線Fig.3 Relation graph of groundwater recharge intensity and depth under natural conditions

圖4 天然條件下不同季節(jié)段綜合補(bǔ)給量～埋深關(guān)系曲線Fig.4 Relation graph of comprehensive recharge and depth in different seasons under natural conditions

4.2 典型灌溉環(huán)境下地下水入滲、蒸發(fā)特征與地下水埋深的關(guān)系

在典型灌溉環(huán)境下，地下水蒸發(fā)、入滲以及綜合入滲補(bǔ)給量隨埋深的變化關(guān)系見圖5。由圖5可以看出，在地下水位埋深較淺時(shí)(h<1.5 m)，典型灌溉環(huán)境下綜合補(bǔ)給強(qiáng)度隨埋深明顯增大，當(dāng)?shù)叵滤辉龃蟮?.0 m以下時(shí)，年綜合補(bǔ)給強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定，其值由原來天然條件下的100 mm/a增加到180 mm/a。

通過分析典型灌溉條件下不同季節(jié)段補(bǔ)給強(qiáng)度與水位埋深關(guān)系(見圖6)可以看出，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時(shí)(h<1.5 m)，由于在3-5月份和10月份增加了灌溉量，1-5月和10-12月的綜合補(bǔ)給量與天然條件下相比增加了50%左右，6-9月份綜合補(bǔ)給強(qiáng)度與天然條件下相比相差不大。隨著水位埋深的增大，雨季的綜合補(bǔ)給量逐漸減小，而其他季節(jié)補(bǔ)給量增速放緩。當(dāng)埋深較大時(shí)(h>6 m)各季節(jié)段綜合補(bǔ)給強(qiáng)度均趨于穩(wěn)定 ，綜合補(bǔ)給量大小排序?yàn)镽1-5月>R10-12月>R6-9月，各季節(jié)段補(bǔ)給量均較天然條件下補(bǔ)給量有所增大。

圖5 灌溉條件下地下水綜合補(bǔ)給強(qiáng)度～埋深關(guān)系曲線Fig.5 Relation graph of groundwater recharge intensity and depth under irrigation conditions

圖6 灌溉條件不同季節(jié)段綜合補(bǔ)給強(qiáng)度～埋深關(guān)系曲線Fig.6 Relation graph of comprehensive recharge and depth in different seasons under irrigation conditions

5 水平井排水效果模擬

5.1 Modflow-Hydrus耦合模型

Modflow-Hydrus耦合模型的建立是為了更加精細(xì)處理非飽和帶與飽和帶水分交換量的計(jì)算問題。傳統(tǒng)意義上Modflow在計(jì)算潛水補(bǔ)給量時(shí)采用降水入滲系數(shù)法[12]、在計(jì)算潛水蒸發(fā)量時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)公式法[13]，它們只能粗略地刻畫地下水的補(bǔ)給、蒸發(fā)規(guī)律。由前文模擬得知，試驗(yàn)區(qū)地下水綜合補(bǔ)給量與水位埋深呈現(xiàn)非線性規(guī)律，在地下水埋藏較淺時(shí)(h<2.5 m)，隨著埋深的增加蒸發(fā)量迅速下降，超過2.5 m后地下水蒸發(fā)的變化量減小，蒸發(fā)量逐漸變?yōu)?，而補(bǔ)給量在到達(dá)一定深度后為常量。因此與實(shí)際補(bǔ)給、蒸發(fā)情況相比，采用簡(jiǎn)單線性關(guān)系處理非飽和-飽和帶水分交換誤差較大。因此，將不同季節(jié)階段綜合補(bǔ)給強(qiáng)度隨埋深變化規(guī)律擬合成綜合補(bǔ)給強(qiáng)度～埋深分段函數(shù)(見表3)，利用迭代方式生成Modflow的面狀補(bǔ)給源數(shù)據(jù)文件，作為飽和水流模型的上部邊界條件，從而代替原有補(bǔ)給和蒸發(fā)模塊的處理方法，可以更加準(zhǔn)確地模擬淺層地下水流場(chǎng)的變化[14]。

5.2 初始條件及邊界條件

試驗(yàn)區(qū)地下水流場(chǎng)采用Processing Modflow軟件進(jìn)行模擬，模型有效計(jì)算范圍為東西向2 650 m，南北向2 500 m的矩形區(qū)域，以50 m矩形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)進(jìn)行均勻離散，水平井附近采用10 m格距進(jìn)行加密剖分。經(jīng)試算該范圍四周邊界在3水平井大降深(如5 m)抽水時(shí)平均降深小于1 cm，可視為無窮遠(yuǎn)邊界，四周邊界均定為隔水邊界。上部源匯項(xiàng)(即潛水的綜合補(bǔ)給量)采用前文總結(jié)的不同時(shí)間的分段函數(shù)賦值(見表3)，初始水位條件根據(jù)2015年初地下水位給定，滲透系數(shù)K和重力給水度μd根據(jù)已有的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)賦值。模擬時(shí)間段為1 800 d(每年360 d，每月30 d)。水平井采用drainage模塊，根據(jù)實(shí)際抽水量按照單元格個(gè)數(shù)平均分配排水量。

表3 研究區(qū)天然氣象環(huán)境下地下水位埋深與潛水綜合補(bǔ)給量函數(shù)關(guān)系 mm

5.3 水平井控制范圍模擬分析

利用Modflow-Hydrus耦合模型分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)天然氣象條件與典型灌溉條件進(jìn)行了模擬，每種環(huán)境又分為連續(xù)排水和間歇性排水，以分析不同年排水量和工程管理方式對(duì)單井控制范圍的影響。其中連續(xù)排水為模擬期內(nèi)每天以定流量進(jìn)行排水，間隙排水為每年只有3、5、10月份排水，共計(jì)90 d排水，其他時(shí)間段均不排水。

在天然氣象環(huán)境下，對(duì)單條水平井排水強(qiáng)度為0.39 m3/(d·m)情況下進(jìn)行連續(xù)抽水模擬。模擬結(jié)果顯示(見圖7)，在連續(xù)排水條件下，3～4個(gè)月以后排水井兩側(cè)200 m以內(nèi)范圍，潛水埋深值由現(xiàn)狀平均值1.25 m，增加到2.0m以上，潛水蒸發(fā)量大大減少。由圖8可以看出，排水井兩側(cè)300 m處平均水位較初始平均水位降落達(dá)0.75 m，即平均埋深達(dá)到2.0 m以上，地下水環(huán)境可得到明顯改善，推測(cè)單井控制兩側(cè)范圍不小于300 m；且排水井兩側(cè)400 m處平均水位較初始水位降落亦能達(dá)到0.45 m；若水平井平行排布，根據(jù)疊加原理可知，疊加后的降深不小于0.8 m，單井控制兩側(cè)范圍可達(dá)800 m。

圖7 距水平井不同距離潛水位變化過程曲線Fig.7 Curve of groundwater level change process in different distance from horizontal wells

圖8 模擬穩(wěn)定后距水平井不同距離潛水位動(dòng)態(tài)曲線Fig.8 Dynamic curve of phreatic water level in different distance from horizontal wells when simulation stability

連續(xù)排水條件下，水平井排水效果明顯、控制范圍大，但可操作性差。通過模擬可以看出(見圖9)，若采用間歇性排水方式，單水平井控制兩側(cè)400 m范圍內(nèi)潛水位埋深由初始的1.25 m降落至2.33 m，中心點(diǎn)降落至3.56 m；第2年進(jìn)一步下降至2.44 m和3.71 m，水位降落十分明顯，疏干效果較好。

表4為水平排水井分別以排水強(qiáng)度0.39、0.3 m3/(d·m)連續(xù)排水和0.75 m3/(d·m)間歇排水情況下的單井控制范圍(以水平井兩側(cè)平均水位降至2.0 m為準(zhǔn))數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，天然環(huán)境下年排水量不同，單排水井的控制范圍不同，單井控制范圍與年排水量成正相關(guān)關(guān)系，且與連續(xù)性排水相比，間歇性排水控制范圍明顯減小。

表4 天然環(huán)境下不同年排水量單井控制范圍 m

圖9 試驗(yàn)區(qū)單井間歇排水條件下不同排水期潛水位埋深曲線[排水強(qiáng)度為1.0 m3/(d·m)]Fig.9 Curve of phreatic water level in different drainage period of single well intermittent drainage condition in test area [Drainage strength 1.0 m3/(d·m)]

表5為典型灌溉環(huán)境下，水平排水井分別以排水強(qiáng)度0.54、0.45 m3/(d·m)連續(xù)排水和0.9 m3/(d·m)間歇排水情況下的單井控制范圍數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，由于增加了田間灌溉量，導(dǎo)致潛水補(bǔ)給量增加，單井排水控制范圍減小，而間歇性排水控制范圍減小程度更大。

表5 典型灌溉環(huán)境下不同年排水量單井控制范圍 m

5.4 試驗(yàn)區(qū)排水對(duì)包氣帶水分通量的影響

通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)水平井進(jìn)行間歇性排水后的降雨入滲量和地下水蒸發(fā)量進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)(見圖10)，結(jié)果可以看出：在現(xiàn)狀天然環(huán)境下(h=1.25 m)，試驗(yàn)區(qū)年均降水入滲量和蒸發(fā)量基本保持平衡，在未進(jìn)行排水情況下，包氣帶中水分通量平均是靜止的。當(dāng)排水工程運(yùn)行后，對(duì)降雨入滲量和蒸發(fā)量都有明顯影響。按照地下水年均蒸發(fā)量與入滲量比值大小來劃分其影響范圍。

圖10 天然氣象環(huán)境下間歇性排水時(shí)地下水埋深與蒸發(fā)量和潛水入滲量比值關(guān)系[排水強(qiáng)度1.0 m3/(d·m)]Fig.10 The relation graph of groundwater level and the ratio of evaporation and infiltration in intermittent drainage condition under natural meteorological environment [Drainage strength 1.0 m3/(d·m)]

(1)試驗(yàn)區(qū)。排水工程運(yùn)行后，在區(qū)內(nèi)年均水位埋深在2.5 m以下，地下水蒸發(fā)量?jī)H占入滲量的10%，水份通量以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)向下運(yùn)行，使淺部含水層水質(zhì)有很強(qiáng)的淡化趨勢(shì)。

(2)強(qiáng)烈影響區(qū)。年均水位埋深在1.75～2.5 m，蒸發(fā)量?jī)H占入滲量30%，面積約為試驗(yàn)區(qū)的4倍。該區(qū)地下水鹽環(huán)境明顯改善，水份通量向下運(yùn)行占優(yōu)勢(shì)，使淺部含水層水質(zhì)有明顯淡化趨勢(shì)。

(3)明顯影響區(qū)。年均水位埋深在1.50～1.75 m，蒸發(fā)量約占入滲量50%，面積約為水平井試驗(yàn)區(qū)的3倍。該區(qū)部分非排水季節(jié)以蒸發(fā)地下水為主，雨季和灌溉季以入滲補(bǔ)給地下水為主。以水文年的宏觀時(shí)間尺度看，年均水份通量總體保持向下運(yùn)行，可一定程度上抑制土壤鹽漬化，使淺部含水層水質(zhì)有一定的淡化趨勢(shì)。

按水分通量劃分影響分區(qū)，試驗(yàn)區(qū)已施工的3眼水平井排水工程運(yùn)行后，可使8倍試驗(yàn)區(qū)面積(試驗(yàn)區(qū)1倍、強(qiáng)烈影響區(qū)4倍、明顯影響區(qū)3倍) 地下水鹽運(yùn)移環(huán)境得到改善，在8倍試驗(yàn)區(qū)面積影響區(qū)內(nèi)，水分通量總體向下運(yùn)行，總蒸發(fā)量與入滲量比值不大于50%。

5.5 水平井排水的經(jīng)濟(jì)效益分析

以降低示范區(qū)面積(約6 hm2)內(nèi)農(nóng)田地下水位至地下水臨界深度(地下埋深為2.5 m)所需的工程量為標(biāo)準(zhǔn)，確定不同排水方式所采用的井型數(shù)量以及配套工程的相關(guān)費(fèi)用，并考慮管理成本綜合來計(jì)算2者的經(jīng)濟(jì)成本。其中水平井施工工程參數(shù)依據(jù)前文所定，暗管工程設(shè)計(jì)參數(shù)參考前人研究成果[15]，排水管埋深為2.5 m，材質(zhì)為PVC打孔波紋管，間距為25 m，總鋪管長(zhǎng)度為2 800 m。

經(jīng)對(duì)比分析(見表6)，試驗(yàn)區(qū)水平井排水系統(tǒng)投資預(yù)算為3.54 萬元/hm2，傳統(tǒng)的暗管排水系統(tǒng)投資預(yù)算為1.85 萬元/hm2。

表6 暗管排水及水平井排水投資效益對(duì)比Tab.6 The Investment Benefit between subsurface drain with horizontal well drain

此結(jié)果略高于彭成山[16]等人開展暗管改堿工程投資0.59～1.46 萬元/hm2。通過比較可以看出水平井由于施工及管材費(fèi)用較高，投資比暗管排水高出50%～100%，但是水平井排水具有施工簡(jiǎn)便、水位調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較有推廣前景的新排水技術(shù)。

6 結(jié) 語

(1)Hydrus模型可以較好模擬試驗(yàn)區(qū)土壤水分變化過程。利用率定后的模型研究了地下水位埋深與地下水綜合補(bǔ)給量的關(guān)系，確定了天然條件下試驗(yàn)區(qū)地下水蒸發(fā)深度在2.5 m左右。

(2)以潛水面為耦合界面，建立了Hydrus-Modflow耦合模型，并基于確定的地下水蒸發(fā)深度預(yù)測(cè)了不同排灌模式下試驗(yàn)區(qū)的地下水位變化情況。結(jié)果顯示，在天然氣象環(huán)境連續(xù)排水條件下，單一水平井控制范圍可達(dá)800 m，間歇排水條件下可達(dá)200 m；在典型灌溉環(huán)境下連續(xù)排水條件下可達(dá)500 m，間歇排水條件下可達(dá)100 m。單井控制范圍與年排水量成正相關(guān)關(guān)系。水平井平行排布時(shí)，水平排水井的控制范圍明顯增大。

(3)通過模擬顯示，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3條水平井在間歇抽水情況下，可使相當(dāng)于試驗(yàn)區(qū)8倍的土地面積中包氣帶水分通量具有下移趨勢(shì)，潛水含水層補(bǔ)給量增大，淺部水土環(huán)境逐步得到改善。

□

[1] 遲道才，程世國(guó)，張玉龍，等. 國(guó)內(nèi)外暗管排水的發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34(3):312-316.

[2] 陳 陽，張展羽，馮根祥，等.濱海鹽堿地暗管排水除鹽效果試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2014，33(3)：38-41.

[3] Zhang H. Analytical study of capture time to a horizontal well[J].Journal of hydrology，1999，217(1-2):46-54.

[4] Anggle D G. A horizontal well recovery system to capture LNAPL and affected groundwater[J].Ground Water，1994，32(5):847-848.

[5] Conger R M. A groundwater pumping application for remediation of a chlorinated hydrocarbon plume with horizontal well technology[J].Ground Water Management,1993,15:47-60.

[6] Maurer W C. Recent advances in horizontal drilling [J]. J Canadian Pet Technol，1995，34:25-33.

[7] 付 雷，何 錦，安永會(huì)，等. 滄州地區(qū)虹吸水平井開采弱滲透微咸水技術(shù)研究[J].節(jié)水灌溉，2015，10(1):83-87.

[8] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirement[R]∥ FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome, Italy, 1998.

[9] Feddes R A, Kowalik P J, Zaradny H. Simulation of field water use and crop yield[M]. New York: John Wiley and Sons, 1978.

[10] Prasad R. A linear root water uptake model[J]. Journal of Hydrology, 1988,99(3-4):297-306.

[11] 基于Hydrus-1D 模型的玉米根系吸水影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(sup 2):66-72.

[12] 張蔚榛. 地下水與土壤水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，1997:23-24.

[13] 唐海行，蘇逸深，張和平. 潛水蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究及其經(jīng)驗(yàn)公式的改進(jìn)[J]. 水利學(xué)報(bào)，1989，(10):37-44.

[14] 王曉燕．淺層水平井技術(shù)用于水利土壤改良排水效果數(shù)值模擬研究[D]．石家莊:石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,2013．

[15] 彭成山，楊玉珍，鄭存虎，等. 黃河三角洲暗管改堿工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)與研究[M] 鄭州：黃河水利出版社，2006：9-10.

[16] 張?jiān)抡洌瑥堈褂?，張宙云，? 濱海鹽堿地暗管工程設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30(4)：96-99.