井渠結合灌區地下水開采方案設計研究
——以涇慧渠灌區試驗區為例

董起廣，韓霽昌，張衛華，李 娜，李 娟，雷 娜

(陜西省土地工程建設集團陜西地建土地工程技術研究院/國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075)

陜西省涇惠渠灌區位于關中平原中部，屬于典型的渠井雙灌灌區。多年來，由于灌區水資源管理制度和灌溉措施的不完善，以及水資源調配和渠井用水比例不合理等，導致該地區地下水開采量偏大，造成灌區大面積地下水位持續下降，由此引發了一系列的環境地質問題[1,2]。因此，提出一個合理的開采方案顯得尤為重要。本文首先利用CROPWAT模型計算各種作物在各生育期的需水量，結合渠井適宜用水比的概念提出3種開采方案，在合理埋深的基礎上采用Modflow對方案進行評估和驗證，并比選出最優方案。

1 研究區水文地質背景

涇惠渠試驗區位于陜西省關中平原中北部涇陽縣的東南角，主要位于涇河的二級階地上，占地面積483.58 hm2；研究區范圍及井點分布情況采用Mapgis軟件繪制而成。受地貌和第四紀沉積環境的控制，研究區內第四系地層巖性發育，沉積厚度及巖相變化是自西向東、由北向南，厚度遞增，顆粒由粗變細。根據孔隙水的特征與隔水層的分布和層序,將研究區含水層歸納概化為潛水、淺層承壓水、深層承壓水三層[3]。模擬計算的目的層為潛水含水層，潛水含水層主要以砂和砂礫為主，厚度一般為5～20 m, 地下水埋深在25 m左右。

2 灌溉需水量計算

2.1 CROPWAT模型

I=ETc-Pe

(1)

式中：I為灌溉需水量，mm；Pe為作物生育期有效降水量，mm；ETc為作物生育期內需水量。

2.2 計算結果

根據涇惠渠試驗站提供的氣象數據和空間數據，以及陜西省關中地區的作物參數，利用CROPWAT軟件建立模型，通過模擬驗證，最終得出灌區玉米、冬小麥以及棉花各生育期的灌溉需水量，見表1。

表1 涇惠渠灌區試驗區各作物各生育階段灌溉需水量 mm

3 開采方案的設計

涇慧渠灌區是井渠結合灌區，在滿足灌區需水的基礎上，設計3種不同的地下水開采方案，并選擇出對地下水可持續利用最為有利的方案。

(1)以需定供。以涇惠渠灌區不同水文年灌溉需水量為基礎，綜合運用水量均衡原理及”三水轉換“的思想，就研究區范圍內不同水文年地表水用水量和地下水用水量進行計算，得出相應的地下水開采量。

(2)渠井適宜比。周維博等認為井渠結合在地下水調控技術措施上可以實現灌區不產生漬澇和不會形成采補失調，并滿足耕地的水資源供需平衡，其根本原因在于確定一個適宜的渠井用水比例[6]；渠灌用水量與井灌用水量在適宜比值情況下，灌溉后地下水位基本接近多年平均水位，或稍有回升。在降水平水年(P=50%)的最佳渠井灌溉用水比值在1.35左右，在偏枯水年(P=75%)渠井灌溉用水最佳比是1.45左右，兩者最佳比值存在差異[7]。

(3)現存的開采制度。根據灌區已有地下水開采資料進行方案設計。

通過計算，得出3種開采方案見表2。

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表2 涇惠渠灌區試驗區開采方案 萬m3

分別選取2004年枯水年和2013年平水年2個典型年份作為基準年，采用Visual Modflow軟件建立地下水流數值模型進行開采方案的評估和驗證。下面以2013年平水年為例，說明模型的建立步驟。

4 地下水模擬及開采方案評估

為檢驗對比以上3種方案的效果，并選擇最優方案，采用Visual MODFLOW對各方案進行模擬。該軟件采用有限差分法對地下水流進行數值模擬，可通過空間和時間的離散進行各個時段地下水頭的模擬[8,9]。

4.1 地下水流模型的建立

4.1.1水文地質概念模型

試驗區受周邊3支渠和南干渠及12、15和16斗渠水量的影響，其地下水位有一定的變化，水流呈非穩定狀態，因此將模型概化為非均質各向同性三維非穩定流。

(1)邊界條件概化。研究區北部邊界是3支渠,南部邊界是南干渠。試驗區作物地表灌溉水量基本來自于這2個方向的灌溉補給，為地下水與地表水的主要交換區，因此，可將其設定為河流邊界。

(2)源匯項概化。將降雨入滲、灌溉入滲、渠道滲漏以及開采回歸等補給量以面狀補給強度的形式加入到模型，開采強度按設計的開采方案依次添加進模型。各項補給強度部分數據見表3。

表3 涇惠渠灌區試驗區補給強度 mm/a

根據上述水文地質概念模型，建立非均質各相同性三維非穩定潛水流數學模型來模擬水源地地下水系統的滲流場，其數學表達式為：

(2)

式中：Kxx、Kyy、Kzz為滲透系數在x、y、z方向上的分量；h為含水層水頭；W為單位體積流量；Ss為空隙介質的貯水率；t為時間。

4.1.2模型的離散與資料的處理

(1)研究區的劃分。根據區內流場特征、系統的結構特征、水力特征和邊界條件,采用等間距有限差分的離散方法，進行自動剖分，除去無效單元格，共計3 400個有效單元格。

(2)時間的離散。根據試驗區地下水長期觀測資料，確定模擬起始時間為2013-04-01，終止時間為2014-05-30，共420 d。其中，選取2013-04-01-2013-12-30的資料進行模型識別，選取2014-01-01-2014-05-30的資料用于模型驗證。時間步長設為10 d，計算過程中所有源匯項的補給與排泄強度保持不變。

(3)水文地質參數的確定。根據已有資料及涇惠渠灌區涇河二級階地水文地質參數確定該試驗區的水文地質參數。

4.1.3模型的率定和參數的識別

以2013-04地下水實測流場為模型識別的初始流場(見圖1)。以2013-04-2013-12逐月地下水位、降雨量、地表水來水量、渠灌引水量以及地下水開采量等資料，作為初步率定含水層參數、模型和補給量的依據，對模型和水文地質參數進行識別；再利用2013-09-10的逐月地下水觀測資料校核模型和各項水文地質參數，對模型作進一步校核，對參數進一步率定。

4.2 水位擬合及方案評估

對涇惠渠灌區試驗區的17個井點在2013-04-12的水位擬合結果進行分析預測，結果表明,在不同的開采方案下未來年地下水水位變化不盡相同(見表4)，但是均在合理埋深的范圍內(本文將合理埋深上限確定為毛細上升高度與植被根系層厚度之和，下限定為地下水蒸發極限深度，經過計算，涇惠渠灌區試驗區合理埋深的范圍為2.5～28 m，對應的地下水水位的范圍為392～418 m)。利用涇惠渠灌區試驗區初始流場和不同方案下未來年的水位，繪制未來年不同開采方案的地下水等降深場圖(見圖2～4)。

表4 未來年不同開采方案的地下水水位

圖1 涇惠渠灌區試驗區初始流場圖

圖2 第1種開采方案降深場圖

圖3 第2種開采方案降深場圖

圖4 第3種開采方案降深場圖

從表4可以看出：3種開采方案預測出來的水位均成逐漸下降的趨勢，總體分布與初始流場基本相同，但均在合理埋深的范圍之內；第2種開采方案也就是按照渠井適宜比進行開采，水位下降的速度較慢，其他2種方案下，水位下降的速率較快。由圖2～4降深場圖可以看出，第2種開采方案下降深較小面積(圖中紅色區域的面積)的比例較大，小于-4 m的降深面積占整個研究區面積的一半以上，換而言之，按照渠井適宜比進行地下水開采，水位下降的速率較小，與表4中結果一致。

同理，采用已建好的模型對涇惠渠灌區試驗區枯水年(2004年)的地下水位進行分析評估，結果與以上分析一致。因此，本文推薦采用第2種開采方案進行涇惠渠灌區試驗區地下水的開采。

5 結 論

(1)通過對陜西省涇惠渠灌區試驗區氣象參數、作物參數、土壤參數等數據的分析，采用CROPWAT模型對研究區各作物在不同生育期的需水量進行計算，為以后的開采方案設計提供了可靠的依據。

(2)在研究區需水、供水和用水的基礎上，結合灌區適宜渠井比，對陜西省涇惠渠灌區試驗區進行開采方案設計，提出了3種不同的地下水開采方案。

(3)通過對研究區不同水文地質條件的分析，建立地下水數值模擬模型對設計方案進行分析驗證及評估，結果表明：3種開采方案下，未來年試驗區地下水水位均呈現逐漸降的趨勢，但均在合理埋深的范圍內；按照渠井適宜比進行水量分配，水位下降程度較小。

(4)通過對不同設計方案下地下水降深場圖進行對比分析發現：第2種開采方案降深較小的面積所占比例較大，說明按照該開采方案進行地下水的開采，水位基本接近多年平均水位，對于陜西省涇惠渠灌區水資源的可持續利用和生態環境的良性循環有重要作用。

[1] Zhou WB，Wang YB. Effect of water resources development and utilization on ecological environment of irrigation districts in arid region of northwest China[M]. Xi'an: Shaanxi Science & Technology Press, 2003.

[2] 周維博，李佩成.我國農田灌溉水環境問題[J].水科學進展，2001,12(3):413-417.

[3] 陜西省涇惠渠灌區地下水調查研究組. 涇惠渠灌區淺層地下水資源調查成果報告[R]. 1983-10.

[4] FAO.CROPWAT:a computer program for irrigation planning and management[Z].Rome:FAO,1992.

[5] Dr Derek Clarke.CROPWAT for windows: user guide[M].Southampton: University of Southampton Press, 1998.

[6] 周維博, 李佩成.井渠結合灌區節水灌溉的有效途徑[J].沈陽農業大學學報,2004,35(5-6):473-475.

[7] 周維博, 曾發琛.井渠結合灌區地下水動態預報及適宜渠井用水比分析[J].灌溉排水學報,2006,(1).

[8] 武 強，朱 斌，徐 華,等. MODFLOW 在淮北地下水數值模擬中的應用[J]. 遼寧工程技術大學學報,2005,24(4).

[9] 王 智,高 瑾,董新光.MODFLOW 在三工河流域地下水資源評價中的應用[J].新疆農業大學學報,2002,25(4):29-34.