節(jié)水灌溉襯砌渠道工程對區(qū)域地下水位的影響研究

張洪燕,劉軍剛

(1.平原縣水務局馬堿豎河管理所，山東 平原 253100；2.平原縣水利勘察設計研究院，山東 平原 253100)

我國是一個農業(yè)大國，同時也是水資源最匱乏的國家之一，農業(yè)用水占總用水量比重高達70%左右[1]。近年來，隨著社會經濟的發(fā)展，對水資源的需求進一步擴增，因此，研究如何解決有限的農業(yè)水資源的合理利用以滿足農業(yè)生產需要的問題，從而提高水資源的利用率，是解決當前水資源供需矛盾的重要途徑。

自20世紀90年代以來，我國加大了對農業(yè)節(jié)水技術的投入，我國在農業(yè)灌溉節(jié)水方法技術主要包括自流灌區(qū)渠道、長畦改短畦、寬畦改窄畦、長溝改短溝、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業(yè)用水損耗過大的問題，極大促進我國農業(yè)經濟的健康可持續(xù)發(fā)展。但是，節(jié)水灌溉對區(qū)域地下水的負面影響也在逐漸暴露。在灌溉節(jié)水過程實際上是對農田系統(tǒng)水循環(huán)進行了一次再改造，由于渠道的襯砌，減少了或者削弱了地表水對地下水的補給作用，降低了地表徑流向地下徑流的轉化量，從而可能進一步產生一系列的生態(tài)問題[8- 9]。

山東省平原縣地處暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，春季干旱多風，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℃，平均風速3.7m/s，日照時數(shù)年均2554h，無霜期平均217d。2016年全縣總灌溉面積89.15萬畝，耕地有效灌溉面積78.1萬畝，林地灌溉面積4.46萬畝，園林灌溉面積4.64萬畝，其他灌溉面積1.95萬畝。近年來通過一系列節(jié)水項目的實施，全縣農田灌溉水有效利用系數(shù)達到0.6298。

本文在前人研究理論和經驗的基礎上，針對不同襯砌材料渠道的防滲性能進行了試驗分析，并基于Hydrus- 2D模型，對平原地區(qū)常用的幾種襯砌材料渠道在不同時間段內區(qū)域地下水位的變化情況進行了模擬分析，以期對節(jié)水灌溉工程的進一步發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)域地下水位現(xiàn)狀

隨著經濟社會的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，水資源需求快速增長，供需矛盾更加突出。平原縣工業(yè)用水傳統(tǒng)，基本開采地下水，部分工業(yè)用水為深層地下水，而深層地下水屬于儲備資源，回補緩慢，不允許開采。根據(jù)省政府批復的《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)、開發(fā)區(qū))，總面積1047km2，深層承壓水井共111眼，年均實際開采量1080.60萬m3。

由于近年來的過度開采和使用，同時農業(yè)渠道防滲效果的增加，地下水補給得不到有效保障，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，地下水埋深增長幅度最為明顯，達到6.43m。按照國家要求與部署，將對該地區(qū)開展地下水超采綜合治理工作，其中一項便是對農業(yè)灌溉渠道進行清理和襯砌改造，本文基于“平原縣地下水超采區(qū)綜合治理國家試點方案”這一課題進行研究和分析(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結果分析

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

圖2 不同襯砌材料渠道滲漏強度

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

3 基于Hydrus- 2D模型的區(qū)域滲漏深度預測

Hydrus- 2D是一種用于模擬水流運動的有限軟件，在假定土壤均質、各向同性、試驗區(qū)域無腐殖質影響的基本條件下，同時排除空氣成分、溫度以及土壤滯后效應的影響，基于三維空間下土壤水分運動的Richards方程，構建不同條件下水流動模型?；灸Ｐ凸絉ichards方程如下[10]：

(1)

式中，Ψm—基質勢，cm；K(θ)—非飽和土壤導水率，cm/min；θ—土壤單位體積含水率；t—時間，min。

土壤水力學函數(shù)采用VG模型[11]描述，其表達式為：

(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模型擬合預測分析了不同時間段內襯砌渠道區(qū)域地下水分的滲漏范圍，模擬結果如圖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 混凝土加膜復合節(jié)水襯砌渠道滲漏圖

由圖3可以看出，當達到30d時，土渠的滲漏深度及寬度分布較廣，相對于30d下的混凝土渠道，其滲漏深度尤其表現(xiàn)地最為明顯(最大滲漏深度已經達到了32m)；由圖4看到：對于混凝土襯砌節(jié)水渠道，在滲漏過程進行到第30d時，最大滲漏深度達到2.6m；在滲漏過程進行到第60d時，最大滲漏深度達到3.50m；在滲漏過程進行到第90d時，最大滲漏深度達到5.10m；在滲漏過程進行到第120d時，最大滲漏深度達到6.70m；對于混凝土加膜復合材料渠道，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。

以上分析可總結得到：相同襯砌材料下，滲漏范圍隨時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；渠道水滲漏是一個由中心向四周發(fā)散滲透的過程，且在滲透過程中，受重力影響，水分的豎向運動活性距離遠大于其受分子引力牽引導致的橫向位移。

表1為計算得到的不同材料襯砌節(jié)水渠道內水滲漏速率對比值。從模擬結果來講，與試驗結果的變化規(guī)律表現(xiàn)一致，隨著時間增長，滲漏速率有呈逐漸降低和趨于穩(wěn)定的趨勢，故模擬結果還是有一定科學性、可靠性的。

表1 不同材料襯砌節(jié)水渠道內水滲漏速率對比

4 模擬預測結果與地下水位對比分析

由上述基于Hydrus- 2D模型的滲漏深度與地下水位預測結果對比可以發(fā)現(xiàn)：對于土渠，在第30天，滲漏深度便已經達到32m左右，而目前當?shù)氐牡叵滤簧疃葹?7.05m(對比圖1)，可見，在土渠情況下，地下水能夠及時得到地表水的補給；而相對于土渠，混凝土襯砌節(jié)水渠道在第30天時滲漏深度僅達到2.60m，僅為土渠的8.1%(復合材料僅為8%)。當測試時間到達第120d時，混凝土襯砌節(jié)水渠道的最大滲漏深度為6.7m，仍然僅達到土渠第30d滲漏深度的20.9%(復合材料僅為19%)。由此可見，混凝土(復合)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，渠道防滲效果越好，相應的渠道滲漏深度越淺，滲漏量就越少，最終導致地下水補給逐漸減少，地下水埋深不斷增長且增長速率較之前有所提升，這將對區(qū)域節(jié)水灌溉工程建設影響范圍內生態(tài)環(huán)境和經濟的發(fā)展帶來一定的負面影響，故而在大力修建節(jié)水灌溉渠道工程時，需要適當考慮對地下水的補償措施，否則節(jié)水灌溉工程只能起到臨時的社會經濟效益，最終會對將來的生產生活帶來重要影響。

5 結語

本文基于Hydrus- 2D地下水位預測模型，研究不同材料襯砌節(jié)水渠道對區(qū)域地下水位的影響，研究發(fā)現(xiàn)：滲漏時間、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償問題，土渠能夠對區(qū)域地下水起到較快較好地補給，而另外兩種渠道則很難起到補給作用。在建設節(jié)水灌溉渠道工程時，要綜合考慮水資源利用率和地下水補給兩個因素，否則會對社會生產和生態(tài)環(huán)境起到一定負面作用。