柬埔寨得朗縣農田地表水庫與地下含水空間人工聯通設計技術

賈茜淳，叢沛桐

(華南農業大學 水利與土木工程學院，廣州 510642)

0 引 言

隨著經濟與社會的迅速發展，出現水資源短缺和時空分布不均，供需矛盾日益突出，進行地表水地下水統一規劃與設計越來越受到重視[1-3]。開展有效的地表水地下水聯合調度研究對合理評價區域水資源、支撐社會經濟發展、改善生態環境具有重要的理論意義和應用前景[4]。

目前許多學者開展了地下水與地表水聯合調度的研究工作。孫忠武等(2010年)將概念性水文模型與地下水動力學模型有機地結合起來，建立了引黃灌區地表水與地下水統一評價的聯合調度優化分析，為解決大埋深條件下水資源精準評價提出一種新的方法[5]；姚斌等(2012年)通過分析新疆農八師瑪納斯河灌區水資源供需狀況，結合灌區的灌溉系統、農作物種類及灌溉制度，建立了地表水與地下水聯合調度模型[6]；王喜華(2015年)針對三江平原超采地下水大力發展灌溉農業，地表水利用率不高，地下水位持續下降以及濕地退化等資源與生態環境問題，建立了地下水—地表水聯合模擬模型[7]；劉軍(2015年)針對阿克蘇河灌區地下水過度開發現狀，進行了灌區地下水數值模擬和均衡計算，提出了一種地下水與地表水聯合調控模型[8]；張勝華等(2016年)論述了地表水—地下水聯合利用的必要性，探討了雷州半島地表水、地下水資源聯合利用的潛力及措施[9]。

在眾多已有的地表水—地下水轉化與聯合調度研究成果中，理論分析多，工程實踐少。地表水—地下水自然聯通的形式多，但以人工方式聯通的非常少，尚未見有實際工程運用案例。已有的聯合調度研究工作通常將地表水和地下水視為相對獨立的兩個系統，或者是自然條件下二者的水量轉換計算，缺乏人為設計溝通地表水與地下水之間的水力聯系并進行時空分布均衡計算方面的應用性研究。

本工程結合柬埔寨茶膠省得朗縣某地塊的農田水利工程設計，提出了地表水—地下水人工聯通的設計理念與方法。

柬埔寨農業資源豐富，但由于社會經濟基礎薄弱，農業生產力水平低下，抵御旱澇等自然災害的能力弱[10]。研究區雨季降水在地勢低洼地漫溢出河床形成沼澤或湖泊，地勢低平導致排水緩慢，易澇成災；旱季降雨量極少，蒸發量大，河水干涸斷流，土壤干旱。其稻谷主產區地勢平坦，河流缺乏堤防，田間缺少灌排設施，可灌溉面積不到15% ，常常發生旱澇災害，稻谷產量受氣候影響較大。

水稻是柬埔寨的第一大作物，稻谷產量占農產品總產量90%以上，其中雨季稻占90%以上[11,12]。柬埔寨的氣候條件十分適合水稻生產，每年可在雨季、旱季和前雨季種植三季，試驗產量可達12.0 t/hm2，但由于受灌溉條件的限制，大多數田塊只種一季雨季稻[13]。研究區農田水利工程方案設計在雨季和旱季均種植水稻，改變“靠天吃飯”的種植模式，并解決雨季泄洪排澇、旱季干旱缺水的問題。根據研究區地形地勢和水文地質條件，本著充分利用地表水、合理開發地下水的原則，運用地表水—地下水人工聯合調度的方法，實現雨季排洪入庫入地下含水層、旱季反向取水的目標，保證水資源的合理開發與時空均衡利用。

柬埔寨茶膠省南鄰越南，屬于濱海平原區，得朗縣位于茶膠省中南部。為熱帶季風氣候，年平均氣溫29～30 ℃。受地形和季風影響，一般5-10月為雨季，11月-次年4月為旱季[14]。該區域總體地勢低平，由西北向東南傾，地下水資源豐富，地表水系不發育[15]。適合開展地表水—地下水人工聯通試驗設計與研究。

1 材料與方法

茶膠省得朗縣試驗區占地面積1 667 hm2，規劃種植面積1 532.7 hm2，種植作物主要為水稻。區內水利設施極度缺乏，只在局部地段開挖有排洪渠，人工水利灌溉設施很少，該區域雖然地下水資源豐富，但由于經濟和電力條件等因素的制約，地下水資源利用率低，主要是在雨季種植一季水稻，旱季荒田。

經實地調查及區域內前期簡易水文地質勘查，研究區地下5～30 m分布有細砂層，個別勘探孔中有中砂和粗砂，砂層水平分布且沉積厚度相對穩定,30m以下未進行地質勘查，總體地下含水層為濱海沉積相互層，富水性良好。根據工作經驗，區內地下水在靠近山前地區為潛水，由山前向下游試驗區漸變為承壓水，研究區內承壓水頭地表埋深5m左右。

設計方案中考慮采用水庫庫底局部深入到含水層中的方式，鋪設弱滲透介質，使地下水與地表水建立弱連通，形成地下水庫。雨季時，地表水進入水庫，水庫水位抬升，并通過弱滲透介質進入地下含水層中蓄存，補給地下水，地下水位抬升(圖1)。旱季時，在蒸發作用下，水庫水位下降，經雨季入滲抬升后的地下水在水頭差的作用下反過來補給水庫，抬高水庫水位，保證水庫具有穩定的地下水補給源，水庫水面得以維持在一定的設計水位，以近自然的方式并結合電力抽水灌溉旱季水稻農田(圖2)。至旱季末期，聯合系統完成灌溉任務，地表水和地下水位下降，清庫容后再接收雨季洪水入庫，重復上述水文循環過程，完成下一水文年的雨季水資源補充，通過“以豐補欠”方式實現年際間水資源的動態與均衡。

圖1 雨季時地表水-地下水補排關系Fig.1 Surface - groundwater recharge and discharge in rainy season

圖2 旱季時地表水-地下水補排關系Fig.2 Surface - groundwater recharge and discharge in dry season

2 結果與分析

2.1 水稻需水量計算

研究區年平均降雨量1 198 mm，年平均蒸發量1 271 mm。由于缺乏逐月降雨數據，故選取與茶膠省同類地區多年降雨數據作為基準來模擬研究區的每月降雨量平均值。表1為研究區月平均降雨量及蒸發量計算表。

由降雨分布規律，可估算出早中晚三季稻各階段的蒸發量，如表2所示。

依據《最新農田水利工程規劃設計手冊》，作物需水量的計算采取水面蒸發量法(α值法)，表達式為：

ET=αE0

(1)

式中：ET為某時段的作物需水量，m3/hm2；E0為同時段內的水面蒸發量，m3/hm2；α為各時段的需水系數α=0.9～1.3。稻田

表1 降雨量及蒸發量計算表 mm

表2 階段水面蒸發量計算表Tab.2 Stage water surface evaporation

滲透量取0.8 mm/d，生長周期均為100 d。早晚稻泡田定額均取1 050 m3/hm2，插秧期的田面水深為20 mm，分蘗末期落干烤田3 d。早稻生育期時段內水面蒸發總量E0為4 177 m3/hm2，α取1.15，作物需水總量ET=4 804 m3/hm2。晚稻生育期時段內水面蒸發總量E0為4 046.5 m3/hm2，α取1.1，作物需水總量ET=4 451 m3/hm2。

表3、表4為由各個種植階段總水面蒸發量算得的早晚稻生育期逐日耗水量。

表3 早稻生育期逐日耗水量計算表 mm

表4 晚稻生育期逐日耗水量計算表 mm

在計算水稻的灌溉制度時，水稻生育期中任何一個時段內的稻田計劃水層深度變化的表達式為：

h1+P+m-WC-d=h2

(2)

式中：h1、h2為時段初、末水田水深；P為時段內降雨；d為時段排水量；m為時段灌水量;WC為時段內耗水量(蒸騰+滲漏)；單位都為mm。

表5、表6為由生育期逐日耗水量計算出的早晚稻灌溉制度表。

總灌溉定額為泡田定額與灌水總定額的和，早稻總灌溉定額為4 950 m3/hm2；晚稻總灌溉定額為4 550 m3/hm2；早晚稻總灌溉定額為9 500 m3/hm2。處于雨季的中稻用水量充足，處于旱季的早晚稻總需水量為1 456 萬m3。

2.2 水庫設計與庫容計算

研究區內設計的水庫為河道型平原水庫，旱季時蒸發量大，雨季時地表水資源十分豐富，可充分蓄滿水庫庫容。因此，地表水可利用資源量僅取決于水庫蓄水量(庫容設計)。在研究區中部地勢低洼地開挖水庫(圖3)。

表5 早稻生育期灌溉制度表Tab.5 Irrigation schedule of early rice

表6 晚稻生育期灌溉制度表Tab.6 Irrigation schedule of late rice

圖3 渠系、地塊及地表水庫布置圖Fig.3 Canal and reservoir layout

設計水庫面積約114 萬m2，在原來深1.5 m的低洼地向下開挖，向下開挖深度為H。設計了4種不同的開挖深度：3.5、4.5、5.5、6.5 m。開挖深度的設計依據是旱季充分灌溉用水后，庫水接近庫底為宜，便于疏通地表水與地下水之間的滲透通道。不同開挖深度對應的水庫庫容和土方挖方量見表7。

表7 不同開挖深度對應的庫容與挖方量Tab.7 Storage capacity and the amount of excavation in different excavation depth

圖4 水庫開挖位置示意圖Fig.4 Reservoir excavation position

在水庫庫底繼續下挖平面尺寸50 m×30 m的通道至地下含水層(圖4)，下挖深度為h。h的設計取決于揭露含水層的厚度，其目的是溝通地表水庫與地下含水層之間的水力聯系，形成地表水-地下水聯合水庫。當含水層為多層承壓水時，視供需平衡確定h值。水庫堤壩采用均質碾壓土壩，擬定壩高2.5 m，壩頂寬6 m，壩坡坡率為1∶2.5(圖5)。

圖5 水庫開挖縱剖面示意圖(單位：m)Fig.5 Longitudinal section of reservoir excavation

2.3 地下水靜儲量計算

地下水靜儲量表達式為：

W1=μ×F×M

(3)

式中：W1為地下水的靜儲量，m3；μ為含水層給水度(細砂：μ= 0.15～0.2，中砂μ=0.20～0.25)μ取平均值0.2；M為含水層平均厚度，m；F為含水層的分布面積F=15.3 km2。當M=2 m時，W1=0.2×15.3×2×106m3=6.12×106m3；當M=5 m時，W1=15.3×106m3；當M=10 m時，W1=30.6×106m3；當M=15 m時，W1=45.9×106m3。

2.4 含水層彈性釋水量計算

由于雨季補給作用，雨季末旱季初期承壓含水層水位接近地表，隨著水庫水位的下降，地下水與水庫水頭差增加，含水層中的地下水彈性釋放和地下水側向補給量將持續補給水庫，由于勘探資料不足，為保守計算，側向補給量忽略不計。

承壓水含水層的彈性儲存量表達式為：

W2=μe×F×△h

(4)

式中：W2為地下水的彈性儲存量，m3；μe為承壓水彈性釋水系數，砂土中μe取10-3；F為含水層的面積，m2，研究區中F=15.3 km2；△h為承壓水位降低值，m。

當△h=2時，W2=15.3×10-3×2×106=3.06 萬m3；當△h=5時，W2=7.65 萬m3；當△h=10時，W2=15.3 萬m3；當△h=15時，W2=22.95 萬m3。

2.5 水資源平衡分析

研究區水資源量為地表水庫庫容、地下水靜儲量與含水層彈性釋水量之和，表8為不同含水層厚度和水庫設計水深下的水資源量。

表8 不同含水層厚度和水庫水深下的水資源量Tab.8 Water resources in different aquifer thickness and reservoir depth

由于地表水庫和地下水資源量不能全部被灌溉所用，保守估計地表水利用率取70%，地下水利用率為50%，地表水和地下水按利用率折算。研究區每年早晚稻所需灌溉用水約1 457 萬m3，灌溉保證率為水資源可利用總量與1 457 萬m3的比值。表9為不同含水層厚度和水庫設計水深下的灌溉保證率。

可見，當含水層平均厚度為2 m時，水庫水深取最大值8 m的方案灌溉保證率才達到64.7%。當含水層平均厚度為5 m時，各方案灌溉保證率能達到79.5%～96.2%。當含水層厚度為10 m和15 m時，即使水庫水深取最小值，也能滿足水稻灌溉要求。因此，當含水層厚度10 m以上時，可有多種開挖深度方案供選擇。

灌溉保證率取決于水庫和含水層的組合關系(圖6)，用插值法做出陰影部分為灌溉保證率75%到100%的水庫水深和含水層厚度組合區間，其余部分為低于75%和高于100%的方案組合。

圖6 灌溉保證率與水庫和含水層關系圖Fig.6 Relationship between irrigation guarantee rate and reservoir and aquifer

表9 不同含水層厚度和水庫水深下的灌溉保證率Tab.9 Irrigation guarantee rate in different aquifer thickness and reservoir depth

綜合灌溉保證率、經濟成本和生態環境保護等因素，選取圖中陰影部分為推薦方案模塊。落入該區域內的方案，灌溉保證率介于75%～100%之間，能基本滿足水稻需水，同時需要擾動的含水層厚度在5 m左右，對地質環境保護程度較好。地下水與地表水聯通通道深度適中，施工難度小，經濟成本低于高灌溉保證率(大于100%)方案。因此，陰影區域內的方案為優選方案，具體設計方案根據地質詳勘查明的區域含水層平均厚度選定。

3 結 語

研究以柬埔寨得朗縣水稻種植區為對象，采用地表水庫與地下含水空間人工聯合設計技術，在農田開挖水庫，水庫庫底與地下含水層聯通。實現雨季時洪水入庫，并通過弱滲透介質進入地下含水層中蓄存；旱季時，經雨季降水補給后的地下水水位抬升，反過來補給水庫，解決農田普遍雨季洪澇、旱季嚴重缺水的問題。研究區內大氣降水形成的地表徑流補給量和區域地下水資源儲存量充足。地下水資源量由含水層厚度和水平分布范圍決定，當含水層厚度大于10 m時，地下水和地表水聯合水資源量能滿足兩季水稻灌溉需要；含水層厚度為5m時，旱季灌溉水資源經地下水—地表水聯合調度，地下含水層彈性釋水，各方案灌溉保證率能達到79.5%～96.2%。建議水庫庫容561～909 萬m3，含水層厚度4～8 m為最佳方案，灌溉保證率能達到75%～100%。各方案雖然保證程度不同，但經過多年的雨季儲水，具有了年際間的補充調節能力，在時間和空間上對區域水資源進行了重新調節分配，實現年際間水資源的均衡，達到雨季和旱季都能種植水稻的目的。

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