基于數(shù)值分析的廣域節(jié)水灌溉工程對(duì)水土保持的影響研究

吳海燕

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 831100)

0 引 言

解決有限的農(nóng)業(yè)水資源的合理利用以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的問題，從而提高水資源的利用率，是解決中國(guó)區(qū)域用水的重要技術(shù)方向[1]。現(xiàn)有研究表明，通過采用自流灌區(qū)渠道、長(zhǎng)畦改短畦、寬畦改窄畦、長(zhǎng)溝改短溝、溝灌改為膜上灌等農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水方法技術(shù)能夠在我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源節(jié)水工程中獲得較好的收益[2-5]。

另一方面，節(jié)水灌溉對(duì)區(qū)域地下水的負(fù)面影響也逐漸暴露。在灌溉節(jié)水過程中，通過一系列節(jié)水措施、節(jié)水技術(shù)來(lái)減少輸水過程、蒸發(fā)等等的水分損失，其實(shí)質(zhì)是對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)水循環(huán)的改造過程，農(nóng)田系統(tǒng)的水循環(huán)也由于節(jié)水灌溉的發(fā)展而發(fā)生改變[6-7]。從區(qū)域水循環(huán)路徑角度分析，其基本路徑可符合“取水-輸水-用水-排水-回歸”的規(guī)律。然而，由于渠道的襯砌、水利工程的完善以及節(jié)水技術(shù)的推廣，對(duì)于地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給產(chǎn)生了影響,減少了地表徑流向地下徑流的轉(zhuǎn)化量的，導(dǎo)致地下水位埋深逐漸增大，不利于周圍植被生長(zhǎng)[8-9]。因此，研究節(jié)水灌溉工程對(duì)區(qū)域地下水位變化規(guī)律的影響，對(duì)區(qū)域水土保持工作的展開具有重要的影響。

1 區(qū)域現(xiàn)狀

新疆某區(qū)域2001-2018年間地下水位數(shù)據(jù)資料主要來(lái)源網(wǎng)絡(luò)資源以及相關(guān)學(xué)者的研究，在此基礎(chǔ)上，文章對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分類統(tǒng)計(jì)與深入分析。2001-2018年間地下水埋深變化曲線，見圖1。

圖1 2001-2018年間地下水埋深變化曲線

由圖1河南省某區(qū)域2001-2018年間地下水埋深變化曲線及數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域地下水位埋深自2001年埋深為16.75m后不斷上升，到2018年共計(jì)18a間，水位埋深已達(dá)到27.05m。其中，自2001—2005年間，地下水埋深增長(zhǎng)幅度最為明顯，達(dá)到6.43m。結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷程分析，可知在該段時(shí)間為節(jié)水灌溉工程大面積建設(shè)時(shí)間段，節(jié)水灌溉工程影響地表水回灌地下的過程，阻礙了地下水的補(bǔ)給，因此在該段時(shí)間出現(xiàn)地下水位大幅度下降現(xiàn)象。此后自2005—2011年間，地下水埋深增長(zhǎng)幅較為平穩(wěn)，區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。2011—2015年間地下水埋深增長(zhǎng)幅度再次增大，通過實(shí)地考察，分析得出受工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響以及新型灌溉技術(shù)的實(shí)施，該區(qū)域增大對(duì)地下水的開采，導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給與開采失去平衡，地下水位再次快速下降。綜上所述，可見該地區(qū)地下水位埋深增長(zhǎng)趨勢(shì)十分明顯，這對(duì)地表植被的生長(zhǎng)與覆蓋有著極其不利的影響。

2 基于數(shù)值分析模型的區(qū)域地下水位預(yù)測(cè)

根據(jù)多因素下流體運(yùn)動(dòng)基本理論，建立地下水運(yùn)動(dòng)模型。根據(jù)三維空間下土壤水分運(yùn)動(dòng)的Richards方程，構(gòu)建不同條件下水流動(dòng)模型，基本模型公式Richards方程如下[10]：

(1)

式中：Ψm為基質(zhì)勢(shì)，cm；K(θ)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min；θ為土壤單位體積含水率，t為時(shí)間，min。

土壤水力學(xué)函數(shù)采用VG模型[11]描述，其表達(dá)式為：

Kh=KsSek[1-(1-SeIm)m]2

(2)

(3)

式中：m、n、k均為擬合參數(shù)。不同時(shí)期混凝土節(jié)水襯砌渠道滲漏圖，見圖2。

根據(jù)數(shù)值分析模型預(yù)測(cè)結(jié)果，節(jié)水渠滲流具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，隨著滲流過程的不斷進(jìn)行，土壤水分?jǐn)U散影響范圍逐漸增大。由圖2可以看出，對(duì)于混凝土襯砌節(jié)水渠道，在滲漏過程進(jìn)行到第30d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到2.51m；在滲漏過程進(jìn)行到第60d時(shí)，最大滲漏深度相對(duì)30d條件下增大幅度達(dá)到34.29%，可見滲透的時(shí)間效應(yīng)十分明顯；隨著滲透的繼續(xù)進(jìn)行，在滲漏過程進(jìn)行到第90d時(shí)，最大滲漏深度達(dá)到4.66m，而當(dāng)滲漏時(shí)間達(dá)到120d后，最大滲漏深度達(dá)到6.58m，是30d下的2.62倍。

(a)第30d (b)第60d (c)第90d (d)第120d

由圖2可明顯看出，隨著時(shí)間的增加(30d、60d、90d、120d)，混凝土襯砌節(jié)水渠道中水不斷下滲，最終在第120d達(dá)到達(dá)到總體滲透深度為6.58m，為更直觀的表現(xiàn)出滲漏深度隨時(shí)間的變化，圖3為混凝土襯砌節(jié)水渠道內(nèi)水滲漏最大深度隨時(shí)間變化曲線。

為進(jìn)一步研究滲透深度的時(shí)間效應(yīng)，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，建立最大深度與滲透時(shí)間關(guān)系，滲漏最大深度隨時(shí)間變化曲線，見圖3。由圖3可知，對(duì)于混凝土襯砌節(jié)水渠道，在第30、60、90、120d時(shí)，滲漏最大深度分別達(dá)到了2.51m、3.37m、4.66m、6.58m，滲漏最大深度隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)。通過數(shù)值分析擬合所得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@示，最大滲透深度隨時(shí)間不斷上升且呈指數(shù)型增長(zhǎng)，模型相關(guān)性系數(shù)R2=0.9991，這表明該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂懈叨鹊目煽啃浴?/p>

圖3 滲漏最大深度隨時(shí)間變化曲線

進(jìn)一步觀察到，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，最大滲漏深度的增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，滲透速率與時(shí)間關(guān)系，見圖4，混凝土水渠地下水滲透速率與時(shí)間關(guān)系在第1階段(第30-60d)滲漏速率為2.87cm/d，第2階段(第60-90d)滲漏速率為4.30cm/d，第3階段(第90-120d)滲漏速率為6.40cm/d，水的滲透速率越來(lái)越大，且隨時(shí)間增長(zhǎng)滲透速率呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，水分不斷向下浸潤(rùn)。

圖4 滲透速率與時(shí)間關(guān)系

3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由上述基于數(shù)值分析模型的地下水位預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)[12]中給出的土渠滲漏試驗(yàn)結(jié)果，研究不同防滲水渠方式的影響。土渠在第30d時(shí)滲漏深度便已經(jīng)突破到約32m，相較之下，混凝土襯砌節(jié)水渠道的方身心跟那個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土渠，其在第30d時(shí)滲漏深度僅達(dá)到2.51m，僅為土渠的7.84%。在時(shí)間效應(yīng)的作用下，當(dāng)滲透測(cè)試進(jìn)行時(shí)間到達(dá)第120d，混凝土襯砌節(jié)水渠道的最大滲漏深度為6.58m，僅達(dá)到土渠第30d滲漏深度的20.56%。由此可見，混凝土襯砌節(jié)水渠道的長(zhǎng)期防滲漏效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于土渠。

因此可見，由于渠道防滲材料的升級(jí)，渠道防滲效果越好，相應(yīng)的渠道滲漏深度越淺，滲漏量越少。同時(shí)，結(jié)合收集到的區(qū)域地下水埋深現(xiàn)狀(如圖1)，不難發(fā)現(xiàn)，在渠道輸水過程中，受到渠道襯砌材料升級(jí)的影響，導(dǎo)致渠道滲漏對(duì)于地下水的補(bǔ)給逐漸減少，地下水埋深不斷增長(zhǎng)且增長(zhǎng)速率較之前有所提升，不利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。

4 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)地調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及前人研究成果，基于數(shù)值分析地下水位預(yù)測(cè)模型，研究混凝土襯砌節(jié)水渠道對(duì)區(qū)域地下水位的影響，研究結(jié)果顯示：

1)相較于土渠，混凝土襯砌節(jié)水渠道能夠有效的防止農(nóng)業(yè)水資源在運(yùn)輸過程中的損耗，從而達(dá)到節(jié)約水資源的效果。

2)受節(jié)水灌溉工程的建設(shè)以及工業(yè)用水開采的影響，河南省某區(qū)域地下水位不斷下降，地下水埋深不斷提升；并且，在2000年以后，由于節(jié)水灌溉工程的升級(jí)改造，土渠或劣質(zhì)渠被置換為混凝土襯砌節(jié)水渠道，導(dǎo)致地下水埋深增長(zhǎng)速率增大。

3)數(shù)值分析預(yù)測(cè)模型應(yīng)用在節(jié)水灌溉工程中具有較為理想的預(yù)測(cè)效果，可以將之推廣到其他節(jié)水灌溉工程影響研究中，為區(qū)域水土保持工作提供指導(dǎo)。