基于MODFLOW的河套灌區井渠結合開采模式研究

楊威，毛威，楊洋，朱焱，楊金忠

?水土資源與環境?

基于MODFLOW的河套灌區井渠結合開采模式研究

楊威，毛威，楊洋，朱焱*，楊金忠

（武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

【】探究河套灌區不同水文地質條件下適宜的井渠結合開采模式。利用實測地下水位等資料，基于MODFLOW建立了灌區三維地下水動態模型并率定、驗證，在灌區4個典型灌域分別選取典型井渠結合區，設置了4種井灌區面積和11種渠井結合比，共44種井渠結合開采模式，預測了各模式下地下水埋深變化，以井灌區地下水平均埋深不超過3 m為標準，優選了各灌域適宜的井渠結合開采模式。①建立的河套灌區三維地下水數值模型充分反映了灌區內實際水位變化特征，可用于井渠結合后地下水埋深預測。②相同井灌區面積和渠井結合比條件下，解放閘、烏蘭布和灌域井渠結合井灌區地下水平均埋深最小，永濟灌域次之，義長灌域最大，烏蘭布和灌域典型井渠結合區的地下水等埋深線最密集，義長灌域次之，永濟和解放閘灌域最稀疏。③井灌區面積一定時，井灌區地下水平均埋深隨渠井結合比的增大而減小，但減幅隨渠井結合比增大有變緩趨勢。由于水文地質條件差異，各灌域適宜井灌區面積和渠井結合比均有所不同，烏蘭布和、解放閘、永濟、義長灌域井渠結合井灌區面積分別不宜超過12.25、12.25、9、6.25 km2，渠井結合比分別不宜小于2.5、2.5、3.0、3.3。

河套灌區；井渠結合；渠井結合比；MODFLOW

0 引言

【研究意義】河套灌區氣候干燥，區內農業用水主要依靠黃河引水，2015—2018年均引黃水量約為44.5億m3[1]。根據《內蒙古黃河水權轉換總體規劃報告》的要求，灌區引水量需要減少至40億m3[2-3]，未來進行水權轉換后灌區引黃水量將進一步減少至38.8億m3，灌區用水將面臨更大挑戰，水資源供需矛盾或將成為制約灌區發展的主要因素[4-5]。井渠結合是一種聯合運用地表水與地下水的水資源配置模式，可提高水資源利用率和利用效率，同時抑制土壤返鹽[6-8]。然而，不合理開采模式也會帶來新的問題和挑戰，如井渠結合地區地下水超采將導致地下水位大幅下降并引發生態環境問題。因此，實施井渠結合必須保證地下水資源的采補平衡，最重要的是確定合理的井灌面積及其周圍渠灌面積比例，即渠井結合比[9]。

【研究進展】前人主要從井渠結合的實施條件[10]、井渠結合區分布[11]、井渠結合灌區渠井用水比例[12-13]等方面進行了大量研究，為灌區井渠結合奠定了基礎，而實際大規模開展井渠結合時，需要針對不同的水文地質條件，選擇適宜的井灌區面積及渠井結合比。目前已有一些學者采用水均衡法和數值模擬法在河套灌區進行了相關研究。如王璐瑤等[14]依據地下水補給量與開采量之間的均衡關系，在河套灌區建立了井渠結合區地下水均衡模型，提出渠井結合比以2.3～3.4為宜；李郝等[15]通過建立地下水平衡概化模型，得出河套灌區合理渠井結合比在2.5～3.5之間；余樂時等[16]在永濟、烏拉特灌域設置了典型井渠結合區并采用Visual MODFLOW模型對井渠結合后地下水動態進行了模擬預測。【切入點】水均衡法基于水均衡原理進行計算，對現有資料要求相對較低，具有簡單易行、適用性廣泛的優點，但無法計算地下水位隨時空的變化；數值模擬法具有靈活性、經濟性且計算結果更為準確，然而，目前的研究沒有考慮不同的水文地質條件，且存在灌溉入滲及潛水蒸發參數不好確定的問題。【擬解決的關鍵問題】因此，本文針對以上問題進行了相應的研究，基于12 a長序列地下水位觀測數據與MODFLOW，模擬預測4種井灌區面積、11種渠井結合比，共44種情境下的地下水動態變化，分析河套灌區不同灌域適宜的井灌區面積及渠井結合比。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與基礎數據

河套灌區位于中國內蒙古自治區西部，地處黃河上中游內蒙古段北岸的沖積平原，地理坐標為東經106°21′—109°29′、北緯40°14′—41°18′，灌區自西向東依次為烏蘭布和、解放閘、永濟、義長、烏拉特5個灌域，灌區總控制面積1.073×104km2，土地利用系數約0.535，是全國3個特大型灌區之一。灌區地處干旱半干旱大陸性季風氣候區，干旱少雨，蒸發強烈，多年平均蒸發量2 100～2 300 mm，年均降水量130～210 mm，灌溉主要引過境的黃河水，近10年年均引黃水量約為4.5×109m3。

灌區多年平均地下水埋深約為2.0 m，灌區土層主要由粉砂、細砂、亞砂土及部分亞黏土組成。根據河套灌區地質勘探資料，本研究主要針對第一含水層組開展。第一含水層組垂向上分為3層，第1層以全新世粘性土為主，夾薄層粉細砂，含水層薄，水量少，厚度一般不超過20 m，底板埋深約20～30 m；第2層以上更新世沖積湖積半承壓水為主，含水層顆粒粗，砂層厚度大，厚度20～30 m；第3層主要為上更新統下組湖相承壓水，含水層顆粒細小，厚度40～100 m，底板埋深約100～250 m。

采用2006—2017年河套灌區內223口地下水位5 d觀測井的觀測數據對模型進行率定和驗證；利用1998—2017年10口地下水位逐日觀測井資料計算潛水蒸發系數，觀測井編號為1～10（圖1）。

圖1 河套灌區地下水礦化度分區及典型井渠結合區位置

依據區內雨量站分布情況，烏蘭布和、解放閘、永濟、義長及烏拉特灌域分別采用磴口、杭后、臨河、五原、烏前旗站的降雨數據；共收集了研究區附近6個蒸發站的數據，蒸發采用泰森多邊形法確定的分區進行輸入；灌區內渠道分布密集且布置較為均勻，劃分為19個灌溉控制分區。本研究以地下水礦化度小于3.0 g/L區域為可開采區域[17]，在各灌域可開采區內選取典型井渠結合區，采用率定的模型預測不同井灌區面積和渠井結合比下地下水埋深變化，由此確定在各灌域開展井渠結合的適宜井灌區面積及渠井結合比。各灌溉控制分區、地下水礦化度分區以及各站點、典型井渠結合區、地下水觀測井位置如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 地下水流數學模型

據實際水文地質條件，將研究區概化為非均質各向異性三維非穩定地下水流系統，數學模型為：

1.2.2 灌溉、降雨入滲補給

灌溉入滲補給量為灌溉量與綜合灌溉入滲系數之積，綜合灌溉入滲系數為渠系入滲補給系數和田間入滲補給系數合并得到的參數，具體數值由率定得到；降雨入滲量等于降雨量乘以降雨入滲系數。計算式為：

1.2.3 凍融期水量變化

凍融期地下水補排采用伍靖偉等[19]提出的凍融期地下水補排模型進行計算，具體計算式為：

1.2.4 潛水蒸發計算

研究區屬于灌溉、降雨入滲-蒸發排泄型[20]，因此在模型率定過程中容易出現綜合灌溉入滲系數與潛水蒸發系數同增同減的異參同效現象，即地下水補給量與潛水蒸發量均較大時計算得到的地下水位變化與二者均較小時的結果基本一致。因此，本文通過典型蒸發情況下地下水位觀測井的水位變化情況計算確定潛水蒸發系數。潛水蒸發系數表示同時段內潛水蒸發量與水面蒸發量的比值，可利用灌區10口地下水位日觀測井1998—2017年資料，選取蒸發強烈、地下水埋深長時間增加并且一般不進行灌溉的時段進行計算，以2014年4號觀測井5—12月地下水埋深變化為例進行說明，選擇地下水埋深持續增大且無灌溉降雨的9月初—9月底（圖2中標紅段）為計算時段，潛水蒸發系數計算式為：

圖2 潛水蒸發計算時段選擇

1.2.5 典型井渠結合區單位面積補給量

井渠結合區單位面積地下水補給量計算式為：

1.2.6 模型驗證指標

引入平均絕對誤差（）及相對均方根誤差（）作為模型誤差評判的標準，計算式為：

式中：為平均絕對誤差（m），反映預測值誤差的實際情況；為相對均方根誤差，用于衡量模擬值與實測值的相對偏差，無量綱；s為模擬值；o為觀測值；為樣本數。

1.3 基于MODFLOW的河套灌區地下水數值模型

1.3.1 模型的建立

根據灌區水文地質條件，模型基于地質資料沿垂向分為3層，每層在水平向剖分為300行×280列個單元，每個單元長1 000 m，寬500 m。根據河套灌區范圍，可得每層具有22 655個活動單元。模型東邊界為烏梁素海，交換水量由湖面水位控制，設為水位邊界；西邊界為烏蘭布和沙漠，邊界側向流動較弱，設為不透水邊界；灌區北部受色爾騰山、狼山和烏拉山山脈影響，有小部分側滲補給，但該區抽取地下水進行灌溉，認為山前補給與抽水量相等，設為不透水邊界；南邊界為黃河，設為河流邊界；垂向上部為大氣邊界，底部為不透水邊界。源匯項分為灌溉、降雨入滲補給、潛水蒸發以及凍融期水量變化，各項均采用前文研究方法以及基礎數據輸入模型。模型率定期為2006—2013年，驗證期為2014—2017年，以月為應力期，率定期共96個應力期，驗證期共48個應力期。

1.3.2 潛水蒸發系數計算結果

選擇140組計算時段計算潛水蒸發系數，所得結果應代表全灌區平均水平，因此，對所有計算散點按每30 cm地下水埋深分段求平均，分段平均的地下水埋深與潛水蒸發系數之間的關系（圖3），采用指數函數進行擬合，擬合2為0.9，擬合效果較好。模型采用MODFLOW中ETS包處理潛水蒸發項，該程序包對潛水蒸發的處理方法是將潛水蒸發系數與地下水埋深的關系概化為可變區間內的分段線，基于擬合曲線可以得到不同地下水埋深下潛水蒸發系數，極限蒸發埋深取4 m，模型所用潛水蒸發系數見表1。

圖3 觀測井平均潛水蒸發系數擬合曲線

表1 不同地下水埋深下潛水蒸發系數

1.3.3 模型率定及驗證

1）地下水埋深對比

圖4為率定、驗證期灌區所有觀測井地下水埋深模擬值與實測值對比。散點均勻分布在45°相關線附近，說明模型沒有系統誤差。率定期和驗證期各灌域、全灌區地下水埋深模擬值與實測值對比及統計分析結果如圖5所示。率定期全灌區地下水埋深的為0.164 m，為10.85%，各灌域地下水埋深的為0.175～0.294 m，為10.72%～22.58%；驗證期全灌區地下水埋深的為0.168 m，為12.15%，各灌域地下水埋深的為0.197～0.282 m，為11.39%～23.06%。總體而言，率定驗證結果較好，模擬結果與實際情況相符，模型較準確地反映了灌區內地下水位動態變化過程。

圖4 率定、驗證期地下水埋深模擬值與實測值對比

圖5 率定、驗證期地下水埋深模擬值與實測值對比

2）模型參數率定結果

率定的參數主要有含水層滲透系數、給水度、貯水系數以及綜合灌溉入滲系數。根據灌區內地質勘探資料及鉆孔抽水試驗資料，對存在資料的點進行插值得到河套灌區全域的滲透系數、給水度及貯水系數，經率定后結果見表2，烏蘭布和、解放閘灌域給水度和貯水系數較高，各灌域滲透系數均值差別不大。綜合灌溉入滲系數由率定得到（表3）。全區綜合灌溉入滲系數生育期平均為0.242，秋澆期平均為0.320，全年平均為0.264。

表2 含水層水文地質參數

3）水均衡分析

率定、驗證期水均衡分析結果如表4所示。潛水蒸發是灌區內主要的地下水排泄途徑，平均每年消耗水量約11.92億m3；灌溉、降雨入滲補給是最大的地下水補給來源，平均每年補給地下水約12.73億m3；黃河側滲平均每年補給地下水0.76億m3左右；烏梁素海與灌區的水量交換較小，可忽略不計；平均每年排水溝排水1.70億m3，與實際數值接近。率定期模擬誤差為0.48%，驗證期模擬誤差為-1.30%，較率定期大，模型整體水量平衡。

表3 各灌溉控制分區綜合灌溉入滲系數

表4 率定、驗證期水均衡分析

1.4 井渠結合開采模式情景設置

為研究各灌域適宜井灌區面積及渠井結合比，分別在烏蘭布和、解放閘、永濟、義長灌域可開采區域內選取典型井渠結合區進行地下水動態計算，各典型井渠結合區位置見圖1。由于烏拉特灌域滿足地下水開采水質要求的區域地下水埋深較大，因此本研究不在烏拉特灌域選取典型井渠結合區。

將井灌區設置在模擬區域正中間，可通過改變井渠結合井灌區周圍的井渠結合渠灌區的面積設置不同的渠井結合比。本研究共考慮了1.8、2.0、2.2、2.5、2.7、3.0、3.3、3.5、3.8、4.0、4.2總計11種渠井結合比；井灌區面積設置了4 km2（2 000×2 000 m）、6.25 km2（2 500×2 500 m）、9 km2（3 000×3 000 m）、12.25 km2（3 500×3 500 m）共4種情景。模擬時以單個典型結合區為模擬范圍，以2013年1月1日為初始時刻，模擬期為10 a；2013年降雨蒸發接近多年平均水平，模擬期內降雨、蒸發均采用2013年數據；考慮河套灌區未來引黃水量減少政策及水權轉換規劃，全灌區引黃灌溉水量按比例減小至38.8億m3；井灌區僅生育期抽水，凈灌溉定額根據灌溉資料推求，取2 940 m3/hm2。

地下水開采后地下水位將不可避免地下降，并影響灌區生態環境，因此對井渠結合后地下水位的控制是重要的決策標準。在河套灌區曙光實驗站觀測結果表明，若地下水埋深低于3 m，部分植物或植被生長受限[22]；研究表明，河套灌區地下水埋深不宜超過3 m[23-26]。綜上，選定井渠結合井灌區地下水平均埋深不超過3 m作為確定適宜井灌區面積和渠井結合比的標準。

2 結果與分析

2.1 各井渠結合模式下井灌區地下水平均埋深分析

不同井灌區面積下渠井結合比與井灌區地下水平均埋深之間的關系如圖6所示。由圖6（a）、圖6（b）可知，在烏蘭布和、解放閘灌域典型井渠結合區，渠井結合比不小于2.5時，4種井灌區面積下井灌區地下水平均埋深均在3 m內；渠井結合比小于2.5，井灌區面積為12.25 km2時，井灌區地下水平均埋深超過3 m。由圖6（c）可知，在永濟灌域典型井渠結合區，井灌區面積為12.25 km2時，不同渠井結合比下井灌區地下水平均埋深均超過3 m；井灌區面積為9 km2，渠井結合比不小于3.0時，井灌區地下水平均埋深不超過3 m；井灌區面積為6.25 km2，渠井結合比不小于2.7時，井灌區地下水平均埋深小于3 m；井灌區面積為4 km2時，11種渠井結合比下井灌區地下水平均埋深均在3 m內。由圖6（d）可知，在義長灌域典型井渠結合區，井灌區面積為12.25 km2和9 km2時，不同渠井結合比下井灌區地下水平均埋深均大于3 m；井灌區面積為6.25 km2，渠井結合比不小于3.3時，井灌區地下水平均埋深在3 m內；井灌區面積為4 km2，渠井結合比不小于2.7時，井灌區地下水平均埋深小于3 m。對比圖6可知，相同井灌區面積和渠井結合比條件下，解放閘、烏蘭布和灌域井渠結合井灌區平均地下水埋深最淺，永濟灌域次之，義長灌域最大。其原因是烏蘭布和、解放閘灌域含水層給水度最大，永濟灌域次之，義長灌域最小，同等條件下含水層給水度越大，則開采后水位降深越小，地下水埋深也就越小。

從圖6還可看出，當井灌區面積一定時，井灌區地下水平均埋深隨渠井結合比的增大而減小，但減幅隨渠井結合比增大有變緩趨勢。這是因為井灌區開采的影響范圍有限，距離越遠則影響越小，所以當渠井結合比較小時，隨渠井結合比增大，地下水埋深顯著減小，而當增大到某一值后，井灌區能夠接受來自周圍渠灌區足夠的地下水補給，繼續增加渠灌區面積時，由于距離井灌區較遠，渠灌區對其補給能力有限，最終當渠井結合比足夠大時，井灌區地下水平均埋深將不再減小。

綜上，基于井灌區地下水平均埋深不超過3 m的標準，可確定各灌域適宜井渠結合模式：烏蘭布和、解放閘灌域以井渠結合井灌區面積不超過12.25 km2，渠井結合比不小于2.5為宜；永濟灌區以井渠結合井灌區面積不超過9 km2，渠井結合比不小于3.0為宜；義長灌域以井渠結合井灌區面積不超過6.25 km2，渠井結合比不小于3.3為宜。

圖6 不同渠井結合比下井灌區地下水平均埋深變化

不同渠井結合比下井灌區面積與井灌區地下水平均埋深的關系如圖7所示。從圖7（d）可發現，同一渠井結合比下，井灌區地下水平均埋深隨井灌區面積增大而增大，且增幅隨井灌區面積的增大而減小。其原因是：渠井結合比一定時，井灌區面積越大，接受周邊渠灌區側向補給越困難，因此井灌區地下水埋深越大，即井灌區面積對井灌區地下水埋深的影響是由井灌區接受渠灌區側滲補給難易程度不同造成的，但這種影響會隨井灌區面積的持續增大而逐漸減小，因此井灌區地下水平均埋深隨井灌區面積變化的斜率變小。從圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）可發現，總體上井灌區面積與井灌區平均地下水埋深近似為線性正相關關系，未有明顯斜率減小的現象，分析其原因認為是井灌區面積增大到某一值后，井灌區地下水平均埋深增幅才會減小，而該值受水文地質條件、降雨、蒸發等多種因素影響，所以應是模擬設置的井灌區面積還未達到該值所致。

2.2 井渠結合區地下水埋深空間分布

圖8為各灌域典型井渠結合區的井灌區面積為9 km2，渠井結合比為3時的地下水埋深空間分布圖。在烏蘭布和灌域典型井渠結合區，最大地下水埋深約為2.82 m，最小地下水埋深約為2.02 m；在解放閘灌域典型井渠結合區，最大地下水埋深約為2.80 m，最小地下水埋深約為2.24 m；在永濟灌域典型井渠結合區，最大地下水埋深約為3.04 m，最小地下水埋深約為2.48 m；在義長灌域典型井渠結合區，最大地下水埋深約為3.24 m，最小地下水埋深約為2.52 m。由圖8可知，烏蘭布和灌域典型井渠結合區的地下水等埋深線最密集，義長灌域次之，永濟和解放閘灌域最稀疏，等埋深線越密集，說明井灌區與渠灌區的地下水埋深差值越大。分析其原因認為是：井灌區接受渠灌區側滲補給的難易程度受含水層滲透系數的直接影響，滲透系數越大，側滲補給能力越強，則地下水等埋深線越稀疏，反之則側滲補給能力越弱，地下水等埋深線越密集；而在可開采區內，永濟灌域含水層滲透系數最大，烏蘭布和灌域最小，所以，永濟灌域典型井渠結合區地下水等埋深線最稀疏，烏蘭布和灌域最為密集。另外，可看出各灌域典型井渠結合區地下水平均埋深大小關系為：烏蘭布和<解放閘<永濟<義長，與2.1節中同一渠井結合比和井灌區面積下各灌域典型井渠結合區的井灌區地下水平均埋深大小關系一致，也是受各灌域含水層給水度大小關系影響的結果。

圖7 不同井灌區面積下井灌區地下水平均埋深變化

Fig.7 Variation of average groundwater depth in well irrigation area under different well irrigation areas

圖8 典型井渠結合區地下水埋深空間分布

3 討論

本文采用MODFLOW地下水流數值模型對井渠結合后地下水埋深進行模擬預測，對河套灌區不同灌域適宜的井渠結合開采模式進行了研究與分析，也有大量研究證明了該方法的合理性[27-29]。模擬結果表明，各灌域適宜的渠井結合比大約在3.0左右，與王璐瑤等[14]、李郝等[15]采用水均衡法計算所得河套灌區適宜渠井結合比接近，說明了結果的合理性，也進一步驗證了河套灌區適宜的渠井結合比范圍在3.0左右。但將不同灌域典型井渠結合區的模擬結果對比可發現，同一井渠結合開采模式下，不同灌域井灌區地下水平均埋深及井渠結合區地下水埋深空間分布均有差異，這主要是因為各灌域含水層水文地質條件有所不同。給水度越大，含水層給水能力越強，則開采后井渠結合區地下水埋深也就越小；滲透系數越大，含水層側向補徑排能力越強，則開采后井渠結合區地下水等埋深線越稀疏，即井灌區與渠灌區地下水埋深差值越小。因此，為控制地下水埋深在適宜范圍，各灌域適宜的渠井結合比和井灌區面積有所不同。

研究表明，河套灌區地下水埋深不宜超過3 m[22-26]，因此，本研究以井灌區地下水平均埋深不超過3 m為標準，對適宜井渠結合開采模式進行了優選，結果表明，烏蘭布和、解放閘灌域水文地質條件相對較好，適宜的井灌區面積較大，渠井結合比較小；義長灌域水文地質條件較差，適宜的井灌區面積較小，渠井結合比較大；永濟灌域適宜的井灌區面積和渠井結合比介于二者之間。本研究將為引黃灌區地表水、地下水聯合利用模式提供理論與技術支撐。

4 結論

1）利用地下水位逐日觀測井資料及各灌域月引水灌溉量等數據計算了潛水蒸發系數，建立了河套灌區三維地下水數值模型，經率定和驗證表明，模型構建較為準確，能充分反映灌區內實際的地下水變化特征；

2）在各灌域分別選取典型井渠結合區，對不同井灌區面積和渠井結合比下地下水埋深進行了模擬預測，以井灌區地下水平均埋深不超過3 m為標準，最終確定烏蘭布和、解放閘、永濟、義長灌域井渠結合井灌區面積分別不宜超過12.25、12.25、9、6.25 km2，渠井結合比分別不宜小于2.5、2.5、3.0、3.3。

[1] 張文鴿, 侯勝玲, 殷會娟. 內蒙古河套灌區地下水埋深時空變化及其驅動因素[J]. 節水灌溉, 2020(7): 36-40, 45.

ZHANG Wen’ge, HOU Shengling, YIN Huijuan. Spatial and temporal variation of groundwater depth and its driving factors in Hetao irrigation district of Inner Mongolia[J]. Water Saving Irrigation, 2020(7): 36-40, 45.

[2] 王蘭明, 李彥. 內蒙古黃河水權轉換總體規劃淺議[J]. 內蒙古水利, 2006(1): 55-56.

WANG Lanming, LI Yan. Discussion on the general plan of water right conversion of the Yellow River in Inner Mongolia[J]. Inner Mongolia Water Resources, 2006(1): 55-56.

[3] 王鵬, 王瑞萍. 內蒙古河套灌區水權轉換的研究與實踐[J]. 海河水利, 2016(5): 8-9, 13.

WANG Peng, WANG Ruiping. Research and practice of water right conversion in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia[J]. Haihe Water Resources, 2016(5): 8-9, 13.

[4] 王學全, 盧琦, 高前兆. 內蒙古河套灌區引用黃河水量分析[J]. 干旱區研究, 2005, 22(2): 146-151.

WANG Xuequan, LU Qi, GAO Qianzhao. Study on the volumes of water diverted from the Yellow River to the irrigated area in the great bend of the Yellow River[J]. Arid Zone Research, 2005, 22(2): 146-151.

[5] 葉志勇, 郭克貞, 趙淑銀, 等. 河套灌區節水農業發展現狀及其近期重點[J]. 中國農村水利水電, 2010(6): 81-84.

YE Zhiyong, GUO Kezhen, ZHAO Shuyin, et al. The current development and focal points in short-term water-saving agriculture in Hetao irrigation district[J]. China Rural Water and Hydropower, 2010(6): 81-84.

[6] ZHANG X D. Conjunctive surface water and groundwater management under climate change[J]. Frontiers in Environmental Science, 2015, 3: 59.

[7] CHANG L C, HO C C, YEH M S, et al. An integrating approach for conjunctive-use planning of surface and subsurface water system[J]. Water Resources Management, 2011, 25(1): 59-78.

[8] 毛威, 楊金忠, 朱焱, 等. 河套灌區井渠結合膜下滴灌土壤鹽分演化規律[J]. 農業工程學報, 2018, 34(1): 93-101.

MAO Wei, YANG Jinzhong, ZHU Yan, et al. Soil salinity process of Hetao Irrigation District after application of well-canal conjunctive irrigation and mulched drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(1): 93-101.

[9] 王璐瑤. 河套灌區地下水開發利用的渠井結合比研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2018.

WANG Luyao. Area ratio of canal to well irrigation areas for combined use of groundwater and surface water in Hetao irrigation district[D]. Wuhan: Wuhan University, 2018.

[10] 沈榮開, 張瑜芳, 楊金忠. 內蒙河套引黃灌區節水改造中推行井渠結合的幾個問題[J]. 中國農村水利水電, 2001(2): 16-19.

SHEN Rongkai, ZHANG Yufang, YANG Jinzhong. Several problems in the implementation of the combination of wells and canals in the Water Saving Reform of the Yellow River diversion irrigation area in Inner Mongolia[J]. China Rural Water and Hydropower, 2001(2): 16-19.

[11] 彭培藝, 王璐瑤, 何彬, 等. 河套灌區井渠結合區域分布的確定方法的改進[J]. 中國農村水利水電, 2016(9): 153-158.

PENG Peiyi, WANG Luyao, HE Bin, et al. Improvement of the method for determining the regional distribution of the combination of wells and canals in Hetao Irrigation District[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(9): 153-158.

[12] 李平, MAGZUM Nurolla, 梁志杰, 等. 渠井用水比例對土壤脫鹽與地下水化學特征的影響[J]. 中國農業科學, 2017, 50(3): 526-536.

LI Ping, MAGZUM N, LIANG Zhijie, et al. Effects of canal well water ratios on root layer soil desalination and groundwater hydrochemical characteristics[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(3): 526-536.

[13] 李平, 齊學斌, MAGZUM Nurolla, 等. 渠井用水比對灌區降水響應及其環境效應分析[J]. 農業工程學報, 2015, 31(11): 123-128.

LI Ping, QI Xuebin, MAGZUM N, et al. Response of precipitation to ratio of canal to wells and its environmental effects analysis in combined well-canal irrigation area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(11): 123-128.

[14] 王璐瑤, 彭培藝, 郝培靜, 等. 基于采補平衡的河套灌區井渠結合模式及節水潛力[J]. 中國農村水利水電, 2016(8): 18-24.

WANG Luyao, PENG Peiyi, HAO Peijing, et al. Well-canal conjunctive irrigation mode and potential of water-saving amount based on the balance of exploitation and supplement for Hetao irrigation district[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(8): 18-24.

[15] 李郝, 郝培凈, 何彬, 等. 河套灌區合理井渠結合面積比及敏感性分析[J]. 灌溉排水學報, 2015, 34(S1): 229-232.

LI Hao, HAO Peijing, HE Bin, et al. Reasonable ratio of canal and well area in Hetao irrigation district and sensitivity analysis[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(S1): 229-232.

[16] 余樂時, 朱焱, 楊金忠. 河套灌區井渠結合數值模擬及水資源分析預報[J]. 中國農村水利水電, 2017(6): 23-31, 37.

YU Leshi, ZHU Yan, YANG Jinzhong. Numerical simulation of well-canal combination and analysis and forecast of water resources in Hetao Irrigation District[J]. China Rural Water and Hydropower, 2017(6): 23-31, 37.

[17] 何彬, 賴斌, 毛威, 等. 基于GIS的河套灌區井渠結合分布區的確定方法[J]. 灌溉排水學報, 2016, 35(2): 7-12.

HE Bin, LAI Bin, MAO Wei, et al. A distribution-determination method of conjunction use district with groundwater and surface water for Hetao irrigation district based on GIS[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(2): 7-12.

[18] 黃瑩, 胡鐵松, 范筱林. 河套灌區永濟灌域地下水數值模擬[J]. 中國農村水利水電, 2010(2): 79-83.

HUANG Ying, HU Tiesong, FAN Xiaolin. Numerical simulation of groundwater in Yongji irrigation area in Hetao irrigation district[J]. China Rural Water and Hydropower, 2010(2): 79-83.

[19] 伍靖偉, 楊洋, 朱焱, 等. 考慮季節性凍融的井渠結合灌區地下水位動態模擬及預測[J]. 農業工程學報, 2018, 34(18): 168-178.

WU Jingwei, YANG Yang, ZHU Yan, et al. Simulation and prediction of groundwater considering seasonal freezing-thawing in irrigation area with conjunctive use of groundwater and surface water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(18): 168-178.

[20] 李瑞平. 凍融土壤水熱鹽運移規律及其SHAW模型模擬研究[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業大學, 2007.

LI Ruiping. Study on soil water-heat-salt transfer during freezing-thawing and its simulation by SHAW model[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2007.

[21] 巴彥淖爾市水務局. 內蒙古自治區巴彥淖爾市水資源綜合規劃報告[R]. 武漢: 武漢大學水利水電, 2005.

[22] 張義強, 高云, 魏占民. 河套灌區地下水埋深變化對葵花生長影響試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2013, 32(3): 90-92.

ZHANG Yiqiang, GAO Yun, WEI Zhanmin. Effect of different groundwater depths on growth of sunflower at Hetao irrigation district[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(3): 90-92.

[23] 楊路華, 沈榮開, 曹秀玲. 內蒙古河套灌區地下水合理利用的方案分析[J]. 農業工程學報, 2003, 19(5): 56-59.

YANG Luhua, SHEN Rongkai, CAO Xiuling. Scheme of groundwater use in Hetao irrigation district in Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2003, 19(5): 56-59.

[24] 高鴻永, 伍靖偉, 段小亮, 等. 地下水位對河套灌區生態環境的影響[J]. 干旱區資源與環境, 2008, 22(4): 134-138.

GAO Hongyong, WU Jingwei, DUAN Xiaoliang, et al. The impact of water-table on the ecological environment of HeTao irrigation area[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2008, 22(4): 134-138.

[25] XU X, HUANG G H, QU Z Y. Integrating MODFLOW and GIS technologies for assessing impacts of irrigation management and groundwater use in the Hetao Irrigation District, Yellow River Basin[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52(11): 3 257-3 263.

[26] 張義強, 白巧燕, 王會永. 河套灌區地下水適宜埋深、節水閾值、水鹽平衡探討[J]. 灌溉排水學報, 2019, 38(S2): 83-86.

ZHANG Yiqiang, BAI Qiaoyan, WANG Huiyong. Discussion on suitable depth of groundwater level, water-saving threshold and water-salt balance in Hetao irrigation district[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(S2): 83-86.

[27] 吳紅燕, 王云智, 董新光, 等. 新疆平原區井渠結合地下水數值模擬與分析[J]. 地下水, 2007, 29(2): 23-26, 124.

WU Hongyan, WANG Yunzhi, DONG Xinguang, et al. Numerical simulation and analysis of groundwater in the combination of well and trench of the plain area of Xinjiang[J]. Ground Water, 2007, 29(2): 23-26, 124.

[28] 馬文超, 楊路華, 張生泉, 等. 河北省石津灌區水資源聯合利用數值模擬與方案分析[J]. 河北農業大學學報, 2015, 38(3): 102-107.

MA Wenchao, YANG Luhua, ZHANG Shengquan, et al. The numeric simulation and the per-protocol analysis of the combined use of surface and ground water in Shijin district of Hebei Province[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2015, 38(3): 102-107.

[29] 杜偉. 基于高效安全用水的灌區井渠結合調控模式研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2014.

DU Wei. Study on adjusting and controling patterns of wells connecting with canals based on the high-efficienty and safety of water-using in irrigation area[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2014.

Optimizing Conjunctive Use of Groundwater and Cannel Water in Hetao Irrigation District Aided by MODFLOW

YANG Wei, MAO Wei, YANG Yang, ZHU Yan*, YANG Jinzhong

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China)

【】Hetao Irrigation District relies on Yellow River water for irrigation, but excessive use of the river water had resulted in soil salinity. Jointly using groundwater and river water has been postulated as a feasible mitigation technology, and the purpose of this paper is to present the results of a study on how to achieve optimal use of groundwater and surface water.【】A three-dimensional groundwater model for the region was calibrated and verified using MODFLOW based on measured groundwater depths and other datasets. We then applied the model to four typical well-canal combination areas in four sub-districts: Wulanbuhe, Jiefangzha, Yongji and Yichang. 44 scenarios with four different well-irrigation areas and 11 kinds of canal-well combination ratios were considered. For each scenario, we predicted how the groundwater depth changed with the well-canal combination ratio and well-irrigation area.【】①The three-dimensional groundwater model correctly captured physical properties of the aquifers and soils and reproduced the observed change in groundwater depth at different scenarios. ②When the ratio of well-irrigated to canal- irrigated areas was the same, the average groundwater depth in Jiefangzha and Wulanbuhe was the shallowest followed by Yongji, with that in Yichang the deepest. Isograms of groundwater depth in areas with well-canal irrigation in Wulanbuhe was the densest, followed by Yichang, with Yongji and Jiefangzha the sparsest. ③When the well-irrigated area was constant, the average groundwater depth decreased asymptotically as the canal-well combination ratio increased. 【】The suitable canal-well combination ratio and well-irrigation area for controlling groundwater depth not exceeding 3 m varied with the sub-districts due to their difference in hydrogeological conditions. The well-irrigation areas in Wulanbuhe, Jiefangzha, Yongji and Yichang should not exceed 12.25 km2, 12.25 km2, 9 km2and 6.25 km2respectively, with their associated ratio of canal-irrigated area to well- irrigation area not exceeding 2.5, 2.5, 3.0 and 3.3 respectively.

Hetao Irrigation District; well-canal combined irrigation; canal-well combination ratio; MODFLOW

楊威, 毛威, 楊洋, 等. 基于MODFLOW的河套灌區井渠結合開采模式研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(12): 93-101.

YANG Wei, MAO Wei, YANG Yang, et al. Optimizing Conjunctive Use of Groundwater and Cannel Water in Hetao Irrigation District Aided by MODFLOW[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 93-101.

S273.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021180

1672 - 3317（2021）12 - 0093 - 09

2021-05-03

國家重點研發計劃課題（2016YFC0501304）；國家自然科學基金項目（51779178）

楊威，男。碩士，主要從事土壤水地下水資源與環境方面的研究。E-mail: 860401769@qq.com

朱焱，女，安徽望江人。博士，主要從事飽和-非飽和水流運動與溶質運移方面的研究。E-mail: zyan0701@163.com

責任編輯：白芳芳