灌區渠道襯砌對地下水位的影響

□張 新 □李 靜(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司)

□沈振鋒 □劉景濤(黃河水利委員會)

□張艷萍(華北水利水電學院水利職業學院)

目前北方缺水灌區大量從地下抽水進行灌溉，導致地下水位逐年下降。如何提高地表水的利用系數、減少地下水的使用量成為了一個亟待解決的問題。渠道襯砌對于提高地表的利用系數存在有利的影響，可以減少地表引水的下滲，減少灌區的抽水量；但同時渠道襯砌會減少渠道水對于地下水的補給量，可能使得已下降的地下水位無法得到恢復。本文以石津灌區為例，就此研究渠道防滲襯砌對于地下水位的影響。

1.灌區基本情況

石津灌區地處太行山東麓、河北省中南部平原，位于東經114°19′～116°30′，北緯 37°30′～38°18′之間，以崗南、黃碧莊水庫串聯式的年調解、聯合調度運用為水源。石津灌區設計灌溉面積為16.67萬hm2，控制土地面積為4144km2，灌區工程受益范圍包括石家莊、衡水、邢臺3個地區的14個縣市，114個鄉，968個自然村。灌區屬溫暖帶大陸性季風氣候區，其氣候特征是：春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷干燥。灌區處于河北省平原少雨區，多年平均降水量為507.2mm，降水量年內分配不均，多集中在6、7、8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出現，春季降水量僅占8%～12%。

石津灌區境內地形可分為山麓平原、傾斜平原和沖積平原3種地貌。石津灌區灌溉渠系有總干、干渠、分干渠、支渠、斗渠、農渠6級固定渠道，灌區排水系統共有排水干溝、分干溝63條，總長1160km，排水支溝380條，總長1452km，現狀排澇標準多為5年一遇。排水容泄區為灌區東南邊界的滏陽河。

2.G M S軟件介紹

本文進行地下水運動模擬的主要工具為GMS7.1。GMS是goundwater modelingsystem的簡稱，它是一個地下水數值模擬的軟件平臺。可以對地下水進行多種模擬，包括水流模擬和溶質運移模擬，同樣可以對地下水進行污染物的風險評價。GMS軟件包括MODFLOW、FEMWATER、MT3D和UCODE等主要計算模塊，還包含MAP、Boreholes、Grid和GIS等輔助模塊。本次主要運用的計算模塊為MODFLOW和PEST。

MODFLOW的計算基于式1：

式中：Kxx、Kyy、Kzz為 x、y、z方向的滲透系數，LT-1；? 為水頭，L；ω為源匯項，表示單位體積含水層在單位時間流出或者流入地下水的體積，T-1；SS為儲水系數，其物理意義為含水層地下水水頭降低（或者升高）一個單位時，由于含水層垂向壓縮和地下水的彈性膨脹從單位體積含水層釋放（或者儲存進去）的水的體積。

PEST是用于自動調節參數的計算模塊，它利用一個強有力的數值反演算法來“控制”運行中的模型，程序在每次模擬之后自動調整所選擇的模型參數，直到將校正的目標最小化為止，其靈活性、穩定性和可靠性優于其它的參數估計程序。

3.模型的建立及基本條件

模型區域為石津灌區控制面積，包含純井灌區與井渠結合灌區，面積為32.16萬hm2。基本模型的建立利用GMS7.1中的MODFLOW模塊。

圖1 石津灌區井渠灌分布圖

石津灌區地勢較為平坦，水平向上采用100×100的單元格進行劃分如圖1所示。在垂直向上將模型分為一層，厚度設為200m，地表高程由海拔-100～100m。該區主要的地下水補給為渠道入滲、降雨入滲、田間灌溉入滲和地下抽水灌溉入滲。主要的地下水排泄為抽水灌溉。本不考慮地下水補給的延遲效應，僅考慮地下水在春秋灌期間入滲。模型中不考慮地面排水溝排水，將渠道入滲及田間入滲量均攤到平面上。

根據2004－2008年石津灌區灌溉用水資料匯編分析報告，將每年時間分為五段：i=1，1月1日～2月28日，春灌前，持續59d；i=2，3月 1日 ～4月 31 日，春灌期，持續 61d；i=3，5月 1日～9月30日，秋灌前，持續153d；i=4，10月1日～10月20日，秋灌期，持續 20d；i=5，10月 21日 ～12月 31日，秋灌后，持續72d。除春秋灌時間外，其余時間渠道入滲量均視為0。

春灌引水量為2.685億m3，秋灌引水量為0.619億m3。渠系水利用系數為0.48，其中由于蒸發等原因，只有部分水補給地下水，取渠系損失水量補給地下水系數為0.5。根據鉆孔資料及不同土層經驗取值，滲透系數的加權平均值為0.308，儲水系數取細砂儲水系數為0.12。

灌區主要農作物為冬小麥、夏玉米與棉花。其中，冬小麥種植面積占80%，棉花種植面積占20%～40%，夏玉米為麥田復種，目前灌區農作物復種指數為1.80～1.85，其它農作物為少量種植。各種作物的生長期根據當地實際情況，同時結合相關參考資料確定。按照水量平衡原理，推求得到冬小麥、夏玉米、棉花在50%設計水平年及75%設計水平年的灌溉制度。

對以廢棄油脂和麻風樹油脂為原料的兩種生物柴油進行GC-MS分析。圖1所示為廢棄油脂生物柴油的譜圖，與圖庫比對，其主要組分列于表 1。以麻風樹油脂為原料的生物柴油的 GC-MS分析結果如圖2所示，主要組分見表2。對比表1和表2，可以看出生物柴油的典型組分是棕櫚酸甲酯（C17H34O2）、硬脂酸甲酯（C19H38O2）、油酸甲酯（C19H36O2）、亞油酸甲酯（C19H34O2）和亞麻酸甲酯（C19H32O2）。不難發現，原材料的差異會影響到組分構成以及組分含量，為進一步說明這一點，結合相關文獻[9-10]，列舉其他原料制備的生物柴油組分，匯總于表3。

4.渠道襯砌對地下水位影響

4.1 方案設置

4.1.1 系數取值范圍

渠道襯砌的好壞直接影響渠系水利用系數，本文采用不同的渠系水利用系數來計算不同的渠道滲漏率。通過改變渠系水利用系數的大小來推求不同渠道滲透率下地下水水位的變化。

從2001年已達到的渠系水利用系數0.48出發，取0.48～0.80每次取值增加0.02，共17種渠系水利用情況下的地下水位的變化情況。

4.1.2 計算時間及對象

本模型采用2004年1月1日的觀測井水位觀測值作為初始水頭，來推求2030年1月1日的地下水水位。本模型共有130個應力期。每年共有5個應力期。非閏年的應力期開始時間、長度、步長如表1。本灌區共44個觀測點，本次選擇純井灌區中的辛集市新城和井渠結合灌區中的辛集市孟莊作為地下水位的模擬分析目標。

表1 模型應力期開始時間、長度及時間步長表

4.2 模擬結果及分析

圖2 2030年孟莊地下水位模擬結果圖

圖3 2030年新城地下水位模擬結果圖

從圖2、圖3看出模擬表明在地下水位高程的變化與渠系水利用系數線性相關，純井灌區渠系水利用系數對地下水位的影響比井渠結合灌區的影響相對較小。具體為以下幾點：

4.2.1 當井渠結合灌區存在抽取地下水進行灌溉時，地下水水位隨渠系水利用系數的提高而提高；故此時提高渠道的襯砌率對井渠結合灌區的地下水水位保持有利。

4.2.2 純井灌區大部分區域地下水水位與渠系水利用系數始終存在負相關關系，提高渠道襯砌率將相對降低該區域內地下水水位。

4.2.3 當渠系水利用系數提高到一定程度時（井渠結合灌區僅發生渠道灌溉），純井灌區與井渠結合灌區的地下水水位的變化均隨渠系水利用系數的提高而下降，對于井渠結合灌區，其物理意義為渠道滲漏補給地下水量隨渠系水利用系數變化的減少量大于田間灌溉滲漏入滲量隨渠系水利用系數變化的增加量。故一味提高渠道的襯砌率不利于地下水的保持。

5.結語

當井渠結合灌區存在抽取地下水進行灌溉時，在優先使用地表水資源的條件下，一般來說，隨著渠系水利用系數的提高，地下水消耗量減少，地下水水位抬高；故此時提高渠道的襯砌率對井渠結合灌區的地下水水位保持有利；但研究同時也表明，過高的渠道襯砌率（石津灌區當該系數大于0.74時）不利于地下水的補給。渠道襯砌率的選擇要對純井灌區地下水水位的下降及井渠結合灌區地下水水位的上升進行綜合考慮。

本模型將土層設為一層，與實際情況有一定的差異，不能夠真實反映地下水的運動情況。應根據鉆孔數據對于各土層厚度進行插值以建立模型。

[1]易立新，徐鶴.地下水數值模擬：G M S應用基礎與實例[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]黃瑩，胡鐵松，范筱林.河套灌區永濟灌域地下水數值模擬[J].中國農村水利水電，2010,02：79-83

[3]郭元裕.農田水利學（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，1997.