柬埔寨得朗縣農(nóng)田地表水庫與地下含水空間人工聯(lián)通設(shè)計(jì)技術(shù)

賈茜淳，叢沛桐

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)水資源短缺和時(shí)空分布不均，供需矛盾日益突出，進(jìn)行地表水地下水統(tǒng)一規(guī)劃與設(shè)計(jì)越來越受到重視[1-3]。開展有效的地表水地下水聯(lián)合調(diào)度研究對(duì)合理評(píng)價(jià)區(qū)域水資源、支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境具有重要的理論意義和應(yīng)用前景[4]。

目前許多學(xué)者開展了地下水與地表水聯(lián)合調(diào)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(dòng)力學(xué)模型有機(jī)地結(jié)合起來，建立了引黃灌區(qū)地表水與地下水統(tǒng)一評(píng)價(jià)的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化分析，為解決大埋深條件下水資源精準(zhǔn)評(píng)價(jià)提出一種新的方法[5]；姚斌等(2012年)通過分析新疆農(nóng)八師瑪納斯河灌區(qū)水資源供需狀況，結(jié)合灌區(qū)的灌溉系統(tǒng)、農(nóng)作物種類及灌溉制度，建立了地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度模型[6]；王喜華(2015年)針對(duì)三江平原超采地下水大力發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，地表水利用率不高，地下水位持續(xù)下降以及濕地退化等資源與生態(tài)環(huán)境問題，建立了地下水—地表水聯(lián)合模擬模型[7]；劉軍(2015年)針對(duì)阿克蘇河灌區(qū)地下水過度開發(fā)現(xiàn)狀，進(jìn)行了灌區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬和均衡計(jì)算，提出了一種地下水與地表水聯(lián)合調(diào)控模型[8]；張勝華等(2016年)論述了地表水—地下水聯(lián)合利用的必要性，探討了雷州半島地表水、地下水資源聯(lián)合利用的潛力及措施[9]。

在眾多已有的地表水—地下水轉(zhuǎn)化與聯(lián)合調(diào)度研究成果中，理論分析多，工程實(shí)踐少。地表水—地下水自然聯(lián)通的形式多，但以人工方式聯(lián)通的非常少，尚未見有實(shí)際工程運(yùn)用案例。已有的聯(lián)合調(diào)度研究工作通常將地表水和地下水視為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，或者是自然條件下二者的水量轉(zhuǎn)換計(jì)算，缺乏人為設(shè)計(jì)溝通地表水與地下水之間的水力聯(lián)系并進(jìn)行時(shí)空分布均衡計(jì)算方面的應(yīng)用性研究。

本工程結(jié)合柬埔寨茶膠省得朗縣某地塊的農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)，提出了地表水—地下水人工聯(lián)通的設(shè)計(jì)理念與方法。

柬埔寨農(nóng)業(yè)資源豐富，但由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平低下，抵御旱澇等自然災(zāi)害的能力弱[10]。研究區(qū)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(dǎo)致排水緩慢，易澇成災(zāi)；旱季降雨量極少，蒸發(fā)量大，河水干涸斷流，土壤干旱。其稻谷主產(chǎn)區(qū)地勢平坦，河流缺乏堤防，田間缺少灌排設(shè)施，可灌溉面積不到15% ，常常發(fā)生旱澇災(zāi)害，稻谷產(chǎn)量受氣候影響較大。

水稻是柬埔寨的第一大作物，稻谷產(chǎn)量占農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)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(chǎn)，每年可在雨季、旱季和前雨季種植三季，試驗(yàn)產(chǎn)量可達(dá)12.0 t/hm2，但由于受灌溉條件的限制，大多數(shù)田塊只種一季雨季稻[13]。研究區(qū)農(nóng)田水利工程方案設(shè)計(jì)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(jù)研究區(qū)地形地勢和水文地質(zhì)條件，本著充分利用地表水、合理開發(fā)地下水的原則，運(yùn)用地表水—地下水人工聯(lián)合調(diào)度的方法，實(shí)現(xiàn)雨季排洪入庫入地下含水層、旱季反向取水的目標(biāo)，保證水資源的合理開發(fā)與時(shí)空均衡利用。

柬埔寨茶膠省南鄰越南，屬于濱海平原區(qū)，得朗縣位于茶膠省中南部。為熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫29～30 ℃。受地形和季風(fēng)影響，一般5-10月為雨季，11月-次年4月為旱季[14]。該區(qū)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(fā)育[15]。適合開展地表水—地下水人工聯(lián)通試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究。

1 材料與方法

茶膠省得朗縣試驗(yàn)區(qū)占地面積1 667 hm2，規(guī)劃種植面積1 532.7 hm2，種植作物主要為水稻。區(qū)內(nèi)水利設(shè)施極度缺乏，只在局部地段開挖有排洪渠，人工水利灌溉設(shè)施很少，該區(qū)域雖然地下水資源豐富，但由于經(jīng)濟(jì)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(jīng)實(shí)地調(diào)查及區(qū)域內(nèi)前期簡易水文地質(zhì)勘查，研究區(qū)地下5～30 m分布有細(xì)砂層，個(gè)別勘探孔中有中砂和粗砂，砂層水平分布且沉積厚度相對(duì)穩(wěn)定,30m以下未進(jìn)行地質(zhì)勘查，總體地下含水層為濱海沉積相互層，富水性良好。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，區(qū)內(nèi)地下水在靠近山前地區(qū)為潛水，由山前向下游試驗(yàn)區(qū)漸變?yōu)槌袎核芯繀^(qū)內(nèi)承壓水頭地表埋深5m左右。

設(shè)計(jì)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(shè)弱滲透介質(zhì)，使地下水與地表水建立弱連通，形成地下水庫。雨季時(shí)，地表水進(jìn)入水庫，水庫水位抬升，并通過弱滲透介質(zhì)進(jìn)入地下含水層中蓄存，補(bǔ)給地下水，地下水位抬升(圖1)。旱季時(shí)，在蒸發(fā)作用下，水庫水位下降，經(jīng)雨季入滲抬升后的地下水在水頭差的作用下反過來補(bǔ)給水庫，抬高水庫水位，保證水庫具有穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給源，水庫水面得以維持在一定的設(shè)計(jì)水位，以近自然的方式并結(jié)合電力抽水灌溉旱季水稻農(nóng)田(圖2)。至旱季末期，聯(lián)合系統(tǒng)完成灌溉任務(wù)，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(fù)上述水文循環(huán)過程，完成下一水文年的雨季水資源補(bǔ)充，通過“以豐補(bǔ)欠”方式實(shí)現(xiàn)年際間水資源的動(dòng)態(tài)與均衡。

圖1 雨季時(shí)地表水-地下水補(bǔ)排關(guān)系Fig.1 Surface - groundwater recharge and discharge in rainy season

圖2 旱季時(shí)地表水-地下水補(bǔ)排關(guān)系Fig.2 Surface - groundwater recharge and discharge in dry season

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻需水量計(jì)算

研究區(qū)年平均降雨量1 198 mm，年平均蒸發(fā)量1 271 mm。由于缺乏逐月降雨數(shù)據(jù)，故選取與茶膠省同類地區(qū)多年降雨數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)來模擬研究區(qū)的每月降雨量平均值。表1為研究區(qū)月平均降雨量及蒸發(fā)量計(jì)算表。

由降雨分布規(guī)律，可估算出早中晚三季稻各階段的蒸發(fā)量，如表2所示。

依據(jù)《最新農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)》，作物需水量的計(jì)算采取水面蒸發(fā)量法(α值法)，表達(dá)式為：

ET=αE0

(1)

式中：ET為某時(shí)段的作物需水量，m3/hm2；E0為同時(shí)段內(nèi)的水面蒸發(fā)量，m3/hm2；α為各時(shí)段的需水系數(shù)α=0.9～1.3。稻田

表1 降雨量及蒸發(fā)量計(jì)算表 mm

表2 階段水面蒸發(fā)量計(jì)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(shí)段內(nèi)水面蒸發(fā)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(shí)段內(nèi)水面蒸發(fā)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(gè)種植階段總水面蒸發(fā)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(jì)算表 mm

表4 晚稻生育期逐日耗水量計(jì)算表 mm

在計(jì)算水稻的灌溉制度時(shí)，水稻生育期中任何一個(gè)時(shí)段內(nèi)的稻田計(jì)劃水層深度變化的表達(dá)式為：

h1+P+m-WC-d=h2

(2)

式中：h1、h2為時(shí)段初、末水田水深；P為時(shí)段內(nèi)降雨；d為時(shí)段排水量；m為時(shí)段灌水量;WC為時(shí)段內(nèi)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(jì)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(shè)計(jì)與庫容計(jì)算

研究區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)的水庫為河道型平原水庫，旱季時(shí)蒸發(fā)量大，雨季時(shí)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(shè)計(jì))。在研究區(qū)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)依據(jù)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(duì)應(yīng)的水庫庫容和土方挖方量見表7。

表7 不同開挖深度對(duì)應(yīng)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(xù)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(shè)計(jì)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(lián)系，形成地表水-地下水聯(lián)合水庫。當(dāng)含水層為多層承壓水時(shí)，視供需平衡確定h值。水庫堤壩采用均質(zhì)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(chǔ)量計(jì)算

地下水靜儲(chǔ)量表達(dá)式為：

W1=μ×F×M

(3)

式中：W1為地下水的靜儲(chǔ)量，m3；μ為含水層給水度(細(xì)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(dāng)M=2 m時(shí)，W1=0.2×15.3×2×106m3=6.12×106m3；當(dāng)M=5 m時(shí)，W1=15.3×106m3；當(dāng)M=10 m時(shí)，W1=30.6×106m3；當(dāng)M=15 m時(shí)，W1=45.9×106m3。

2.4 含水層彈性釋水量計(jì)算

由于雨季補(bǔ)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(cè)向補(bǔ)給量將持續(xù)補(bǔ)給水庫，由于勘探資料不足，為保守計(jì)算，側(cè)向補(bǔ)給量忽略不計(jì)。

承壓水含水層的彈性儲(chǔ)存量表達(dá)式為：

W2=μe×F×△h

(4)

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

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

2.5 水資源平衡分析

研究區(qū)水資源量為地表水庫庫容、地下水靜儲(chǔ)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(shè)計(jì)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(jì)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(qū)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(shè)計(jì)水深下的灌溉保證率。

可見，當(dāng)含水層平均厚度為2 m時(shí)，水庫水深取最大值8 m的方案灌溉保證率才達(dá)到64.7%。當(dāng)含水層平均厚度為5 m時(shí)，各方案灌溉保證率能達(dá)到79.5%～96.2%。當(dāng)含水層厚度為10 m和15 m時(shí)，即使水庫水深取最小值，也能滿足水稻灌溉要求。因此，當(dāng)含水層厚度10 m以上時(shí)，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(guān)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(qū)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(guān)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(jīng)濟(jì)成本和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等因素，選取圖中陰影部分為推薦方案模塊。落入該區(qū)域內(nèi)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(shí)需要擾動(dòng)的含水層厚度在5 m左右，對(duì)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)程度較好。地下水與地表水聯(lián)通通道深度適中，施工難度小，經(jīng)濟(jì)成本低于高灌溉保證率(大于100%)方案。因此，陰影區(qū)域內(nèi)的方案為優(yōu)選方案，具體設(shè)計(jì)方案根據(jù)地質(zhì)詳勘查明的區(qū)域含水層平均厚度選定。

3 結(jié) 語

研究以柬埔寨得朗縣水稻種植區(qū)為對(duì)象，采用地表水庫與地下含水空間人工聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)，在農(nóng)田開挖水庫，水庫庫底與地下含水層聯(lián)通。實(shí)現(xiàn)雨季時(shí)洪水入庫，并通過弱滲透介質(zhì)進(jìn)入地下含水層中蓄存；旱季時(shí)，經(jīng)雨季降水補(bǔ)給后的地下水水位抬升，反過來補(bǔ)給水庫，解決農(nóng)田普遍雨季洪澇、旱季嚴(yán)重缺水的問題。研究區(qū)內(nèi)大氣降水形成的地表徑流補(bǔ)給量和區(qū)域地下水資源儲(chǔ)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(dāng)含水層厚度大于10 m時(shí)，地下水和地表水聯(lián)合水資源量能滿足兩季水稻灌溉需要；含水層厚度為5m時(shí)，旱季灌溉水資源經(jīng)地下水—地表水聯(lián)合調(diào)度，地下含水層彈性釋水，各方案灌溉保證率能達(dá)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(dá)到75%～100%。各方案雖然保證程度不同，但經(jīng)過多年的雨季儲(chǔ)水，具有了年際間的補(bǔ)充調(diào)節(jié)能力，在時(shí)間和空間上對(duì)區(qū)域水資源進(jìn)行了重新調(diào)節(jié)分配，實(shí)現(xiàn)年際間水資源的均衡，達(dá)到雨季和旱季都能種植水稻的目的。

□

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