節水灌溉襯砌渠道工程對區域地下水位的影響研究

張洪燕,劉軍剛

(1.平原縣水務局馬堿豎河管理所，山東 平原 253100；2.平原縣水利勘察設計研究院，山東 平原 253100)

我國是一個農業大國，同時也是水資源最匱乏的國家之一，農業用水占總用水量比重高達70%左右[1]。近年來，隨著社會經濟的發展，對水資源的需求進一步擴增，因此，研究如何解決有限的農業水資源的合理利用以滿足農業生產需要的問題，從而提高水資源的利用率，是解決當前水資源供需矛盾的重要途徑。

自20世紀90年代以來，我國加大了對農業節水技術的投入，我國在農業灌溉節水方法技術主要包括自流灌區渠道、長畦改短畦、寬畦改窄畦、長溝改短溝、溝灌改為膜上灌等[2- 5]。各類灌溉節水措施有效的緩解了農業用水損耗過大的問題，極大促進我國農業經濟的健康可持續發展。但是，節水灌溉對區域地下水的負面影響也在逐漸暴露。在灌溉節水過程實際上是對農田系統水循環進行了一次再改造，由于渠道的襯砌，減少了或者削弱了地表水對地下水的補給作用，降低了地表徑流向地下徑流的轉化量，從而可能進一步產生一系列的生態問題[8- 9]。

山東省平原縣地處暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，四季分明，春季干旱多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽，冬季干冷少雨雪。據氣象資料，多年平均降雨量561mm，多年平均蒸發量1277.5mm，多年平均氣溫12.7℃，平均風速3.7m/s，日照時數年均2554h，無霜期平均217d。2016年全縣總灌溉面積89.15萬畝，耕地有效灌溉面積78.1萬畝，林地灌溉面積4.46萬畝，園林灌溉面積4.64萬畝，其他灌溉面積1.95萬畝。近年來通過一系列節水項目的實施，全縣農田灌溉水有效利用系數達到0.6298。

本文在前人研究理論和經驗的基礎上，針對不同襯砌材料渠道的防滲性能進行了試驗分析，并基于Hydrus- 2D模型，對平原地區常用的幾種襯砌材料渠道在不同時間段內區域地下水位的變化情況進行了模擬分析，以期對節水灌溉工程的進一步發展提供借鑒。

1 研究區域地下水位現狀

隨著經濟社會的快速發展和城市化進程的不斷加快，水資源需求快速增長，供需矛盾更加突出。平原縣工業用水傳統，基本開采地下水，部分工業用水為深層地下水，而深層地下水屬于儲備資源，回補緩慢，不允許開采。根據省政府批復的《山東省地下水限采區和禁采區劃定方案》，平原縣深層承壓水超采區涉及全縣所有鄉(鎮、開發區)，總面積1047km2，深層承壓水井共111眼，年均實際開采量1080.60萬m3。

由于近年來的過度開采和使用，同時農業渠道防滲效果的增加，地下水補給得不到有效保障，使得平原縣的地下水位埋深從2001年的16.75m上升至2015年的27.05m，15年間，地下水位下降了約10.3m。其中，自2001—2005年間，地下水埋深增長幅度最為明顯，達到6.43m。按照國家要求與部署，將對該地區開展地下水超采綜合治理工作，其中一項便是對農業灌溉渠道進行清理和襯砌改造，本文基于“平原縣地下水超采區綜合治理國家試點方案”這一課題進行研究和分析(如圖1所示)。

圖1 2001—2015年間地下水埋深變化曲線

2 不同襯砌材料渠道滲漏試驗結果分析

本文選取常用的渠道襯砌材料：土渠、混凝土加膜復合材料、混凝土全斷面襯砌等3種，試驗段長均為100m，試驗斷面為U型(頂寬5.2m，高2.3m)，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同襯砌材料渠道滲漏強度

從圖中可以看出，隨著時間的增長，渠道的滲漏強度均呈冪函數形式減小，并在一定時間后達到相對穩定值；在土渠情況下，其初始滲漏強度較大，達到60L/(m2·h)，穩定滲漏強度為30LL/(m2·h)上下，而混凝土加膜復合材料、混凝土全斷面襯砌的渠道的初始滲漏強度較低，僅為0.35LL/(m2·h)，同時穩定滲漏強度為0.1～0.11LL/(m2·h)，防滲效果達到99.5%，遠遠大于土渠防滲效果。

3 基于Hydrus- 2D模型的區域滲漏深度預測

Hydrus- 2D是一種用于模擬水流運動的有限軟件，在假定土壤均質、各向同性、試驗區域無腐殖質影響的基本條件下，同時排除空氣成分、溫度以及土壤滯后效應的影響，基于三維空間下土壤水分運動的Richards方程，構建不同條件下水流動模型。基本模型公式Richards方程如下[10]：

(1)

式中，Ψm—基質勢，cm；K(θ)—非飽和土壤導水率，cm/min；θ—土壤單位體積含水率；t—時間，min。

土壤水力學函數采用VG模型[11]描述，其表達式為：

(2)

(3)

其中，m、n、k均為擬合參數。

不同材料襯砌下，基于Hydrus- 2D模型擬合預測分析了不同時間段內襯砌渠道區域地下水分的滲漏范圍，模擬結果如圖3—5所示。

圖3 土渠節水襯砌渠道滲漏圖(30d)

圖4 混凝土節水襯砌渠道滲漏圖

圖5 混凝土加膜復合節水襯砌渠道滲漏圖

由圖3可以看出，當達到30d時，土渠的滲漏深度及寬度分布較廣，相對于30d下的混凝土渠道，其滲漏深度尤其表現地最為明顯(最大滲漏深度已經達到了32m)；由圖4看到：對于混凝土襯砌節水渠道，在滲漏過程進行到第30d時，最大滲漏深度達到2.6m；在滲漏過程進行到第60d時，最大滲漏深度達到3.50m；在滲漏過程進行到第90d時，最大滲漏深度達到5.10m；在滲漏過程進行到第120d時，最大滲漏深度達到6.70m；對于混凝土加膜復合材料渠道，滲漏30、60、90、120d的最大滲漏深度分別為2.57、3.3、4.8、6.07m(如圖5所示)；混凝土加膜復合材料與混凝土全斷面渠道的滲漏分布規律大體一致。

以上分析可總結得到：相同襯砌材料下，滲漏范圍隨時間的分布差異較為明顯，不同襯砌材料的滲漏分布差異也較大；渠道水滲漏是一個由中心向四周發散滲透的過程，且在滲透過程中，受重力影響，水分的豎向運動活性距離遠大于其受分子引力牽引導致的橫向位移。

表1為計算得到的不同材料襯砌節水渠道內水滲漏速率對比值。從模擬結果來講，與試驗結果的變化規律表現一致，隨著時間增長，滲漏速率有呈逐漸降低和趨于穩定的趨勢，故模擬結果還是有一定科學性、可靠性的。

表1 不同材料襯砌節水渠道內水滲漏速率對比

4 模擬預測結果與地下水位對比分析

由上述基于Hydrus- 2D模型的滲漏深度與地下水位預測結果對比可以發現：對于土渠，在第30天，滲漏深度便已經達到32m左右，而目前當地的地下水位深度為27.05m(對比圖1)，可見，在土渠情況下，地下水能夠及時得到地表水的補給；而相對于土渠，混凝土襯砌節水渠道在第30天時滲漏深度僅達到2.60m，僅為土渠的8.1%(復合材料僅為8%)。當測試時間到達第120d時，混凝土襯砌節水渠道的最大滲漏深度為6.7m，仍然僅達到土渠第30d滲漏深度的20.9%(復合材料僅為19%)。由此可見，混凝土(復合)襯砌節水渠道的防滲漏效果十分明顯。但是，由于渠道防滲材料的升級，渠道防滲效果越好，相應的渠道滲漏深度越淺，滲漏量就越少，最終導致地下水補給逐漸減少，地下水埋深不斷增長且增長速率較之前有所提升，這將對區域節水灌溉工程建設影響范圍內生態環境和經濟的發展帶來一定的負面影響，故而在大力修建節水灌溉渠道工程時，需要適當考慮對地下水的補償措施，否則節水灌溉工程只能起到臨時的社會經濟效益，最終會對將來的生產生活帶來重要影響。

5 結語

本文基于Hydrus- 2D地下水位預測模型，研究不同材料襯砌節水渠道對區域地下水位的影響，研究發現：滲漏時間、渠道襯砌材料種類的滲漏分布具有較大差異，從而影響地下水的補償問題，土渠能夠對區域地下水起到較快較好地補給，而另外兩種渠道則很難起到補給作用。在建設節水灌溉渠道工程時，要綜合考慮水資源利用率和地下水補給兩個因素，否則會對社會生產和生態環境起到一定負面作用。