淺析涇惠渠灌區(qū)地下水涵養(yǎng)可行性

張盼盼，高 舒

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司，陜西西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省延安水文水資源勘測局，陜西 延安 716000）

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，是從陜西省涇陽縣涇河仲山口引水的自流灌溉工程。農(nóng)作物以高耗水型作物小麥、玉米、棉花、蔬菜為主[1]。近些年，隨著區(qū)內(nèi)降水、徑流的減少，大規(guī)模采用地下水灌溉，加之節(jié)水措施的施行，補給地下水條件變差，逐步加劇了區(qū)域地下水位下降，進而引發(fā)了一系列水文地質(zhì)災(zāi)害。

本文通過分析灌區(qū)地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀、調(diào)蓄水源、儲水空間、涵養(yǎng)模式及調(diào)蓄預(yù)測，對灌區(qū)地下水涵養(yǎng)可行性進行分析和論證[2]。

1 灌區(qū)地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

灌區(qū)工農(nóng)業(yè)活動加劇，用水需求不斷增長。灌區(qū)從上世紀30、40 年代開始大力發(fā)展灌溉事業(yè)，20 世紀60～80 年代機井規(guī)模不斷擴張，目前機井數(shù)量已超過20000 眼[3]。受人為和自然因素的雙重影響，灌區(qū)井渠灌溉比由上世紀80 年代的0.4 增加到本世紀初的1.37，近些年穩(wěn)定在0.9 左右，地下水開采量穩(wěn)定在2 億m3左右，埋深由1977 年的3.6 m 下降至2014 年的18.07 m，累計下降14.47 m[4]。

2 調(diào)蓄水源分析

渠灌作為本區(qū)地下水補充的一大因素，對水資源可利用量及渠道工程可引水量進行分析是確定調(diào)蓄水源、并進行合理配置的基礎(chǔ)[5]。

2.1 河道水資源可利用量

本文利用河道水資源量扣除非汛期河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境最小需水量和汛期棄水量對河道水資源可利用量進行計算[6]。取涇河多年平均非汛期天然徑流量15%（1.059 億m3）為多年平均非汛期河道最小生態(tài)需水量[7]。渠道引水受含沙量的限制，經(jīng)向涇惠渠管理局咨詢，在不影響渠道灌溉，造成淤積擁堵的前提下，一般沙限控制在13%（142.00/kg/m3）以內(nèi)[8]。計算可得，灌區(qū)汛期多年平均棄水量為6.8 億m3，河道水資源可利用量為8.05 億m3。

2.2 渠首工程可引水量

本區(qū)渠首設(shè)計引水能力為50 m3/s，計算可得多年平均水資源可利用量、渠首工程可引水量、可引水潛力見表1。

表1 水資源可利用量、渠首工程可引水量、可引水潛力對比

利用P-Ⅲ型曲線對灌區(qū)1990 年～2013 年渠首工程可引水量進行擬合，可得出不同頻率年渠首工程可引水量，見圖1，各特征值見表2。

圖1 渠首工程可引水量P-Ⅲ型曲線

表2 各特征值統(tǒng)計表

3 儲水空間分析

地下水存儲需要足夠大的地下空間[9]。灌區(qū)地下水長期超采，大容量儲水空間被騰出，為本區(qū)地下水調(diào)蓄提供了足夠的空間。

3.1 調(diào)蓄層巖性特征

涇惠渠灌區(qū)含水層由第四系沖洪積層構(gòu)成，主要以砂礫石、亞砂土、亞黏土為主，厚度10 m～80 m，黃土層空隙及其滲透性具垂直方向變化大、水平方向均一的特點，具良好透水性[10]。隨著潛水位不斷上升，黃土層易于形成“新含水層”[11]，目前新含水層被破壞，若重新形成，也可為灌區(qū)提供大量地下水。

3.2 調(diào)蓄庫容計算

調(diào)蓄庫容與給水度、調(diào)蓄厚度、調(diào)蓄區(qū)面積有關(guān)，利用體積疏干法和三角剖分法[12]對灌區(qū)1978 年～2012 年、2012 年～2014 年的疏干地下水資源量進行估算。步驟如下：

（1）繪制1978 年、2012 年、2014 年地下水位等值線圖；

（2）將相近兩年地下水位等值線圖疊加后進行三角剖分，見圖2、圖3，利用監(jiān)測點地下水位，對每個三角剖分單元內(nèi)插得到中心點水位值；

圖2 涇惠渠灌區(qū)1978 年～2012 年地下水疏干水量計算時剖分三角網(wǎng)格圖

圖3 涇惠渠灌區(qū)2012 年～2014 年地下水疏干水量計算時剖分三角網(wǎng)格圖

（3）對比不同時期水位，得到三角剖分單元的水位差值；

（4）利用下列公式求得剖分單元疏干水量：

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式中：Qi為第i 分區(qū)疏干水量，m3；Si為第i 分區(qū)調(diào)蓄厚度，m；Fi為第i 分區(qū)面積，m2；μ 為給水度，這里統(tǒng)一取0.1；Q總為灌區(qū)總的疏干水量，m3。

計算可得1978 年～2012 年疏干水量為7.17 億m3，2012 年～2014 年為0.51 億m3，灌區(qū)地下水疏干嚴重。

3.3 調(diào)蓄潛力評價

地下水調(diào)蓄的潛力影響因素有砂層分布狀況、調(diào)蓄庫容、蓄水能力[13]等。灌區(qū)調(diào)蓄區(qū)為良級可利用性，可直接進行地表水回灌[14]。

4 調(diào)蓄涵養(yǎng)模式

利用區(qū)內(nèi)降水、徑流灌溉等入滲補給、減少開采地下水等方式，構(gòu)成了間接調(diào)蓄和直接調(diào)蓄的地下水涵養(yǎng)模式[15]。

4.1 直接調(diào)蓄

涇惠渠灌區(qū)歷來采用井渠結(jié)合灌溉模式，利用現(xiàn)有的渠系系統(tǒng)引涇河水源灌溉，可在很大程度上對本區(qū)地下水進行有效補給，此法易于控制、經(jīng)濟合理。

雨洪資源對地下水的補給是不可忽視的。近些年，降雨量雖有所減少，但夏季暴雨頻現(xiàn)，易形成地表匯水，可集中入滲補給地下水，可采取工程措施攔蓄、滯留雨洪資源進行地下水補給。

灌區(qū)年引水量遠遠低于可引水量，一方面受泥沙的影響，可以在春夏季增加引水量對地下水進行回灌；另一方面，當來水量較大時，適當調(diào)整沙限，增大引水。

4.2 間接調(diào)蓄

涵養(yǎng)地下水的主要形式是直接減少灌區(qū)地下水開采量，涇惠渠灌區(qū)可通過引水、儲水，從而減少地下水的開采量，將其控制在可開采范圍內(nèi)，達到涵養(yǎng)地下水的目的，此種方法簡單易行，經(jīng)濟實用。

5 涵養(yǎng)效果預(yù)測

灌區(qū)視為一均衡區(qū)，面積1180 km2，近幾年灌溉面積保持在310 萬畝左右，設(shè)定沙限13%，分別選取25%、50%、75%、90%水平年進行涵養(yǎng)效果預(yù)測。

參考《陜西省渭河干流可調(diào)水量分析與調(diào)度機制研究報告》，得到灌區(qū)不同水文頻率下農(nóng)業(yè)適宜灌溉需水量分別為2.76 億m3，4.21 億m3，6.15 億m3，7.12 億m3；利用均衡法預(yù)測，計算公式如下：

式中：Q補為地下水補給量，m3/a；Q排為地下水排泄量，m3/a；μ 為給水度，這里統(tǒng)一取0.1；F 為均衡區(qū)面積，m2；ΔH 為均衡期水位變幅，m；Δt 為均衡期時間長度，a。

具體計算見表3。

表3 不同水平年不同井渠灌溉比對應(yīng)水均衡及水位變幅計算

由上表可知，在25%、50%水平年，保證井渠灌溉比分別在0.77、0.64 以下，適當增加渠灌量，即可達到涵養(yǎng)地下水目的；在75%、90%水平年，將渠首可引水量全部利用，灌區(qū)地下水位仍會下降，根據(jù)實際情況適當減少灌溉量，盡可能少開采地下水，從而減緩地下水的虧空。

6 結(jié)論

（1）涇惠渠灌區(qū)地下水資源有限，在氣候旱化和長期超采地下水的影響下，打破了地下水環(huán)境平衡狀態(tài)，導(dǎo)致本區(qū)地下水環(huán)境越來越脆弱。因此，認識區(qū)域地下水形成、演變等過程十分必要。

（2）在灌區(qū)地下水動態(tài)變化中，人類因素占主導(dǎo)地位，地下水的開采、地表徑流的攔截、農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴大、節(jié)水措施的不斷改進，進一步加劇了地下水位的不斷下降，同時也降低了地下水的補給能力。

（3）在25%、50%水平年主要采用渠灌，增加補給，實現(xiàn)地下水涵養(yǎng)；在75%、90%水平年，適當調(diào)整灌溉水量、減少地下水開采，盡可能減少地下水虧空。

（4）灌區(qū)要涵養(yǎng)和修復(fù)地下水,應(yīng)實行以豐補歉，以渠養(yǎng)井，以井補渠，豐儲枯用，采補平衡的方針，這對于提高本區(qū)地下水可持續(xù)利用具有重大意義。