干旱區內陸河流坎兒井式灌溉與排水工程研究

裴建生，徐 燕

(1.新疆維吾爾自治區寒旱區水資源與生態水利工程研究中心(院士專家工作站)，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前言

與大河流相比較，干旱區中小河流具有明顯的差別。縱坡陡、徑流小、泥沙多、洪水峰高量小、蒸發強烈、河流出山后大量地表水迅速入滲轉化為地下水，是干旱區中小河流的普遍特點，然而它的灌溉與排水工程卻一直延用大河灌區的常規技術方案。多年的運行經驗表明：現有的灌溉與排水工程難以克服灌區普遍存在許多問題，極大地限制了干旱區水資源的高效利用，本文提出了一種新的工程型式，以期尋找到一種適合干旱區內陸河流灌區特點的灌溉與排水工程技術方案。

1 干旱區中小河流的特點

1.1 地形地貌、水文及耗水特點

干旱區內陸中小河流域在地貌上沿河流縱軸向，由山區、山前沖洪積扇、細土平原、綠洲與沙漠過渡帶和沙漠組成[1-2]。山區是河流的產流區或徑流補給區，徑流由冰川、融雪水和雨水組成，水流相匯成為流域的干流，山區地形峻陡，河道縱坡大，河床窄深，水流相對集中，流速湍急。出山口后，縱坡變緩，流速降低，水流分叉。進入細土平原中下游，河道游蕩，水流淺而寬，并逐步湮滅于沙漠前緣。河流的徑流特征是年季相對穩定，年內變化較大，迅期多集中于6—8月，水量占全年的70%左右，洪水雖峰高量小，但在汛期徑流中仍占有較大比重。由于中下游河道平坦，地下水位較高，地層垂直入滲較弱，加之蒸發強烈，洪水大部分入滲于山前沖洪積扇，轉化為地下水外，另一部分多以水面蒸發的形式散發于大氣。細土平原是現代灌區，所形成的人工綠洲是人類生產和生活的主要場所，人工綠洲和天然綠洲是水資源的兩大競爭性消耗區，人工綠洲對水的礦化度有要求，灌溉水源一般為小于1g/L的淡水；天然綠洲以野生的紅柳和胡楊以主，以地下水為主要水源，它對水的礦化度基本沒要求，一般為大于3g/L的淡咸水或咸水，天然綠洲區是阻擋風沙侵蝕人工綠洲的屏障，是干旱區不可或缺的組成部分。

1.2 主要水文地質特點

1.2.1山前沖洪積扇

受構造擠壓運動的影響，隨著山區地形的抬升形成山前沖洪積扇凹陷區，凹陷內沉積了巨厚的砂礫石層，是地下水賦存的良好空間。該區域內含水層顆粒粗，河道滲漏是地下水的主要補給源，水循環條件好，導水性強。含水層一般為單級地層，滲透系數30～100m/d，水質良好，與地表水基本一致，礦化度一般小于0.5g/l。上游地下水埋深大，由于沿河道縱向含水層顆粒由粗變細，同時地下潛水流量逐步增多，其下游的地下水位便逐步升高，進入細土平原地層的透水性進一步變差，地下水便在山前沖洪積扇緣處溢出地面。儲水構造外部輪廓隨河流的大小而異，沿河流方向一般長度為10～30km，寬度約8～25km，其總儲水量十分巨大，往往數十倍于河流的年徑流量，水的更新周期20～100年[3-4]，是區域內地下水流系統中最主要的水源[5-6]，也是儲存地表余水的理想場所。

1.2.2細土平原區及過渡帶

細土平原區是山前沖洪積扇的延續。隨著河水的流量變小，速度降低，挾砂能力隨之變弱。從上游至中游，含水層顆粒相對較粗，區域地下水流系統的水循環條件較好，與沖洪積扇凹陷區的區域地下水的流的交換強烈。沿河道地表水與地下水有局域的交換。但含水層變為多層結構，層間夾雜厚度較薄且不連續的細顆粒的不透層，滲透系數5.0～50m/d，水力坡度0.3～1.5%，地下水位1.0～8.0m。水質依然良好，礦化度一般小于0.3～1.0g/l。主河道或山洪溝等地形低洼處發育有縱向泉水溢出帶。地下水的補給源主要有兩部分；其一為側向水平流入的區域地下水流，其二為渠系及田間的垂直入滲。區域內的地下水主要由泉水、機井、植物的蒸騰和裸地的蒸發向外排泄。

細土平原區下游至過渡帶，僅洪水期地表水可到達本區域，含水層顆粒相對較細。區域地下水流系統的水循環條件較弱，含水層變薄并為多層結構，層間多為較為連續分布的細顆粒的不透水層，富含承壓含水層。地下水補給條件差，更新周期十分緩慢，一般為1000～10000年以上，滲透系數2.0～10m/d，水力坡度0.03～0.5%，地下水位1.0～10.0m。部分流域仍發育有縱向泉水溢出帶，但水量變少并不斷消耗，表層地下水礦化度一般大于3.0g/l，個別流域可高達8.0g/l以上，只有部分深層滯流區地下水礦化度小于1.0g/l。地下水位較高的區域，由于強烈的裸地蒸發，水去鹽留，鹽堿地發育。地下水主要由裸地蒸發和植物蒸騰向外排泄。

2 灌溉與排水工程現狀及存在的主要問題

2.1 灌溉與排水工程現狀

干旱區中小灌區雖然具有自身的特點，但一直延用常規的灌溉和排水工程體系，其主要特征是將灌溉與排水工程分而設之。灌溉工程主要含有水庫、機井、引水工程、引水干渠和相應的輸水渠系，水庫和機井是水源工程，水庫的主要作用是在時空上調蓄灌區內的地表水資源，機井用來開發利用灌區的地下水資源，主要作用有兩點：其一是與地表水聯合調度來滿足灌區的需水要求，從而形成所謂的混灌區；其二是獨立形成以地下水為水源的純井灌區。干旱區的排水工程一般布置在地下水位較高、地下水滲透性較差的細土平原區中、下游區，工程由干、支、斗、農排水渠組成。農排的作用有兩點：其一是控制田間的地下水位，為田間垂直排水創造了條件；其二是直接承接田間的洗鹽水，為田間水平排水創造了條件。干排是總匯水排渠，它匯集上級排渠的水體，并將其排入河道尾閭或灌區低洼的容泄區，從而形成了“干排鹽”的排水體系。現有的排水系統一般僅能將田間的地下水位控制在1～2m左右，干排中水體的礦化度一般為3～10g/l。隨季節變幅較大，其水量一般被視為灌區中的污廢水，多數以裸地蒸發或水面蒸發的方式消耗。

2.2 灌溉與排水工程存在的主要問題

2.2.1調蓄工程能力相對不足，損耗大效率不高

山區水庫是干旱區河流目前共認的理想的調蓄工程，然而由于大水大沙的徑流特點，大多數山區水庫只能采用“蓄清排洪”的運行方式，汛期死水位運行，以防大量泥沙淤積庫中影響水庫壽命。山區水庫的這種運行方式，限制了灌區“洪水資源化”能力。一些缺乏建設山區水庫的河流，普遍采用平原水庫對地表水進行調蓄，然而強烈的水面蒸發和滲漏，使干旱區的平原水庫庫損率高達35～70%[7]。不僅如此，無效的滲漏還造成水庫周邊灌區的地下水位上升，為其帶來了次生鹽堿化問題。由于調蓄不足，“澆白地”現象普遍。播前灌改為冬季“澆白地”，灌溉定額需由70m3/畝增加到120m3/畝以上，浪費嚴重。

2.2.2地下水開采量的量化困難，能耗高

上、中游灌區地層的導水性強，富水條件好，單井出水量大，是灌區最適宜開采地下水的區域。地下水的適度開采，有利于將當地的地下位調控到合理區間，從而減少無效或低效的蒸發、蒸騰，提高水資源的利用效率。難以準確量化地下水開采量始終是困惑人們的問題，雖然水均衡法告訴我們區間地下水的可開采量的計算方法，但相應的側向流入、流出量、渠系利用系數等均難以準確測量，并隨外部條件的變化而變動，因此，地下水開采量的準確量化十分困難。這些因素致使一些灌區的機電井或者超采地下水，使區間地下水位持續下降，或者本身可開采量富足，但因缺少外區域輸水工程，加之高昂的運行費用，不能將機電井群的水量向外調配，最終使地下水不能完全高效利用。

2.2.3中下游灌區的地下水位高

合理科學的地下水位是減少灌區內潛水的無效或低效蒸發量的根本保障。地下水位過高所造成的大量潛水的裸地蒸發既是土壤鹽堿化和次生鹽堿化的根源，又是灌區表層地下水礦化度增高的主要原因[8]。干旱區土壤的潛水蒸發十分強烈，如圖1所示是新疆葉爾羌河流域均衡試驗站多年潛水蒸發試驗資料。現有的排水工程只能將中、下游灌區的地下水位控制在1.5～2.5m，所產生的無效裸地蒸發和低效的植物蒸騰量十分驚人。而淺層地下水又往往由于礦化度高，無法加以利用。使該區域的灌區水資源利用既不合理，灌溉條件又差。

圖1 干旱區典型河流土壤潛水蒸發試驗資料

2.2.4天然綠洲與河道地表水聯系薄弱

人工綠洲和天然綠洲是干旱區的兩大競爭性受水區，天然綠洲主要依靠汲取地下水而繁衍，人工綠洲大量引水灌溉或多或少影響了天然綠洲的地下水量。多年來，即使人們發現灌區排水渠中水源的礦化度低于天然綠洲地下水的礦化度，也沒人工回補綠洲地下水的工程措施，而是認為只要下泄相應的生態基流，天然綠洲的植被便可“自然”生長。然而由于河道出山口距離天然綠洲遙遠，所下泄的生態基流往往僅在洪水期才能到達天然綠洲區，加之中下游河道寬平，有的河流甚至沒有明顯的河床，所下泄的水體多以水面蒸發的方式消耗于寬平河床中，輸水效率十分低下，產生的綜合生態效果也十分有限。

3 一種干旱區內陸河流坎兒井式灌溉與排水工程

3.1 工程的設計思路及技術方案

以流域為單元，將流域內的人工綠洲和天然綠洲看作地位平等的兩大受水灌區，把地表水和地下水作為一個水資源總體，視全灌區的地層為一個統一的巨大儲水構造。利用灌區內的水文、地形和水文地質條件條件，采用現代水利工程構筑方法，使全灌區的地表水和地下水連為一體，并將全灌區的地下水位控制在合理的范圍。通過地表水和地下水的聯合調度，高效率低能耗地利用水資源，來滿足兩大綠洲的需水要求，是本灌溉與排水工程的總體設計思路。

“藏水于地下”、“取水于自流”、“輸水于管道”、“上排下灌”是本灌溉與排水工程的設計思路。“藏水于地下”是指將富余的地表水通過回補工程引滲入地下含水層；“取水于自流”是指在灌區需水之時，如同坎兒井一般，利用灌區的地形的自然坡度將地下水自流引出地面；“輸水于管道”是指在輸送地下水時最好采用管道輸水，以提高輸水效率并盡可能滿足高效節水灌溉的壓力要求；“上排下灌”是指通過上、下游兩道地下集水廊道的上、下攔截，一方面將區間的地下水位控制在合理的范圍，另一方面可利用上游集水廊道中的地下水作為灌區的灌溉水源。

3.2 工程的總體布局及主要結構

本灌溉與排水工程含有：地面引水工程、引滲回補工程、地下集水廊道、引水干管、自流輸水干管等水工構筑物，本灌溉與排水工程平面布置示意圖如圖2所示，工程剖面示意圖如圖3所示。工程布局特點在于灌區內至少布置兩道地下集水廊道，灌區地形較為平坦時，廊道可沿灌區等高線線布置橫向布置，廊道中的設計水位低于地下水位8～20m，井與井的間距60～200m，兩排廊道的間距一般5～10km，沿廊道軸線布置有輻射井群，它作用是均勻地攔截控制該斷面的地下水和地下水位。考慮到灌區內地層為多元結構，為了增加灌溉水量輻射井內還布置有管井，井和井之間的設有連通管，通過將引水干管與廊道相連，將灌區內地表水和地下水連成一體，形成了縱橫交錯的水網。末排廊道設有通往天然綠洲的輸水引滲暗渠，它的功能是將灌區余水或將礦化度較高的水體輸至天然綠洲區，并滲入地下的地下水系統之中，以增加天然綠洲的受水面積，保證天然植被的耗水量。

圖2 本灌溉與排水工程平面布置示意圖

圖3 本灌溉與排水工程剖面示意圖

工程由自流輸水干管將地下集水廊道中的地下水自流引出地面，一方面節省了大量的電力消耗，另一方面，自流引水，是定水位取水，其水量受水位的限制，水位降低出水量自動減少。因此，工程是一種取之有度的水源工程，它不會也沒有能力超采地下水。而機井抽水是定流量取水，當水量不足掉泵時，則可以增加井深，降低水泵的安裝高程，保證水量，極易發生井越打越深，地下水位越來越低的超采地下水現象。

當灌區內縱向山洪溝較為發育，為了減少廊道的工程量，廊道還可以采用縱向布置方案。當灌區較寬時，也可以采用分段的技術方案，將廊道分成段，形成若干相對獨立的條塊狀布置方案，以有利于工程的建設。當地形坡度過緩時，還可以在廊道合適處設定水位泵站，以代替自流輸水干管的作用。在實施過程中，應依據灌區的現狀、地形、水文地質、施工技術等條件，通過具體的分析計算和方案比選擇優而定。

3.3 工程的基本原理及調度運行

3.3.1基本原理

工程的水力學原理說明示意圖如圖4所示，W0為河流地表徑流量，灌溉期，河道的徑流由地面引水工程優先配置于上游地表水灌區，而非灌溉期的地表徑流以及洪水期的地表余水W01，經自然入滲和引滲回補工程引入地下，儲存于沖洪積扇凹陷區，成為灌區的地下水源。灌區的這兩大獨立水源，共同承擔著灌區的灌溉任務。顯然，它們的總水量為W0，其中，地表水源的水量為(W0-W01)，地下水源水量為W01。

圖4 本灌溉與排水工程水力學原理示意圖

地表水源在輸送的過程中大部分輸向最終目的地-田間地頭，小部分水量在輸送過程中，由于各級渠系的滲漏轉換為地下水，并成為可重復利用的地下水資源W02。同理，地下水源在輸往田間的過程中，大部分亦到達田間地頭，小部分在水的輸送過程中，亦再次轉換為地下水，成為可再次重復利用的地下水資源W03，W04。

W1quan和W1zhen分別是無廊道取水時，1-1斷面和2-2斷面的區間泉水溢出量和土壤潛水蒸發蒸騰量。對應于田間的農作物的需水而言，泉水資源W1quan僅在灌溉期是有效的，非灌溉期是無效的，其水面所產生的蒸發也是無效的，總體而言是低效的。W1zhen中的蒸騰量在作物生長期是有效的，幼苗期和成熟期是無效的，裸地和蒸發量則是無效的，總體而言是無效或低效的。當區間無灌溉及廊道未取水時，由水均衡原理可得如下方程式：

W1quan+W1zhen+W12=W11或W1quan+W1zhen

=W11-W12

(1)

當區間有灌溉及廊道有取水時，水均衡方程式變為：

W1quan+W1zhen+W12+W1=W11+W02

(2)

(3)

由上述水力學分析可得出以下基本結論：

(1)本灌溉與排水工程所示的地下集水廊道，可以通過控制地下水開采量將區間的地下水位控制合理的范圍之內，將地表水量(W0-W01)轉化為地下水，意味著洪水和閑水得到了高效應用，將Wquan和Wzhen轉化為地下水，意味著泉水和土壤的蒸騰蒸發水量到了資源化高效應用，從而使本灌溉與排水工程的水資源利用達到了最大化。

(2)本灌溉與排水工程，引入灌區的水資源總量為W0，其中地表灌溉水量為(W0-W01)，地下水灌溉水量為(W1+W2+W3)，并有(W1+W2+W3)≈W11+W02+W03+W04=W01+W02+W03+W04，引入灌區的總水量為W=W0+W02+W03+W04，式中W02+W03+W04在輸送水量過程中水量損失，因此，灌區田間得到的水資源量仍為W0，這說明本灌溉與排水工程將引入灌區的水資源幾乎完全輸送于田間，換言之，其綜合輸水效率幾乎等于1.0。

(3)廊道取水后，隨著水位下降，將帶動區間的地水位整體下降，泉水隨之再次轉化為地下水，區間土壤潛水蒸發蒸騰量也隨之減少，并轉化為高效的灌溉水源。但廊道的取水量不應超過它的最優取水量，以有序開發地下水資源，并防止地下水的超采。

3.3.2工程的調度運行

本灌溉與排水工程由現代水利工程方法構筑而成，由于工程將灌區內的地表水和地下水連為了一體，形成了互連互通縱橫交錯的水網，因此，可以通過工程運行過程中的靈活調度進一步達到水資源高效利用的目的，具體調度方法如下：

(1)蓄水和供水調度：當河道有余水時，首先通過引滲回補工程將余水蓄存于山前的儲水構造中。當第一排廊道的水位較高時，可打開相應的控制閘、閥，將余水輸至下級水位較低的廊道之中。灌區需水時，優先開啟相對應的廊道供水。當水量或流量不足時，可打開上游廊道的相應控制閘、閥，將其水量引入本廊道中的水量，共同滿足灌區的需水要求。

(2)控制地下水位調度：當廊道水位較高時，說明區間灌區的地下水位過高，無效或低效的水資源消耗較大，此時開啟本廊道控制閘，向下游灌區或天然綠洲區供水。各級廊道間也應依據水位優化調度，以使灌區尤其是下游灌區處于較低水位。當單元內的局部區域的地下水位較高時，還可以定向開啟廊道輻射井和管井中出水口的控制閥，以精準控制地下水位。

(3)天然綠洲區的供水調度：工程的末級廊道是天然綠洲區主要供水保障，當廊道中的水位較低時，應依次開啟上游廊道的控制閘，向末級廊道供水。當末級廊道的水體礦化度過高，也應適當開啟上游廊道的控制閘，用于沖淡末級廊道水體的礦化度。

3.3.3小結

從上述理論分析和工程調度方案可知：

(1)干旱區的地表水和地下水是一個水資源整體，在水資源儲存和輸送過程中，只有水面蒸發量和土壤的潛水蒸發蒸騰量是無效和低效，也是不可逆的，而渠系和田間的深層入滲損失是可逆的，只是由地表水轉化為地下水，仍可被有效利用。因此，應首先從減少水資源不可逆方面著手分析研究，并尋找提高灌溉與排水工程的效率技術方案。

(2)干旱區中小河流有其自身地形、水文和水文地質特點，常規的排水工程只能將其區間的地下水位控制在2m左右，大量的地下水由潛水蒸發蒸騰量進行排泄，是一種低效的水利工程。本坎兒井式灌溉與排水工程，既能將兩廊道區間的泉水和渠系田間的有效入滲水轉化為灌溉水源，又可將灌區內無效和低率的蒸發蒸騰量轉化為灌溉水源，是一種科學和高效率的水利工程。

(3)廊道在設計及運行過程中，應通過分析計算制定出其最高設計水位和最低設計水位。廊道的最高設計水位應以區間的地下水位普遍下降到3.5m以下為標準，廊道的最低設計水位應以不影響區間外地下水位為依據，只要廊道處于這兩個水位之間運行，便自動達到了最優也是最大的地下水開采量。

(4)工程的系統性、整體性、精準性和高效性遠比機電井群優越。本工程采取的定水位取水的方案，不僅能整體精準控制灌區的地下水位，還可以使地下水的補給量與開采量高度一致，并且，在利用地下水的過程中，沒有過量開采和未充分利用之憂，地形坡度較大時，也無需消耗動力。

(5)廊道的最高設計水位和最低設計水位區間含水層的儲水量十分可觀，并可以通過兩排廊道的間距對它的儲水庫容進行調整，間距和兩水位差越大，儲水庫容亦越大，這個庫容完全可以滿足流域內水資源的年內和年際調節。

3.4 工程實例

3.4.1常規灌溉與排水工程基本布局

為定量說明工程的特點、布局及相應的效果，現以某干旱區某灌區以例，擬通過常規灌溉與排水工程與本灌溉與排水工程相對比，以便于定量說明本工程的優點。

灌區土地現為荒漠鹽堿地，上伏稀疏耐鹽植被，南北長6.1km，東西寬8km，開發為凈灌溉面積5萬畝的灌區，地面高程1140.0～1120.0m之間，北高南低，高差20m，東西地形平坦，土壤為沙壤土，平均地下水位1.6m，對應的潛水蒸發系數0.18。灌溉水源由外部管道輸入灌區，采用節水灌溉方式，灌溉水利用系數為0.8，采用常規灌溉與排水工程時，考慮作物生長期可吸收部分地下水因素，凈灌定額為350m3/畝，灌溉需水2188萬m3，渠系及田間有效入滲地下水量150萬m3。灌區需設支、斗、農排水系統，農排深2.5m，支排投入灌區總干排，干排通入沙漠區。

3.4.2新結構灌溉與排水工程基本布局

采用本灌溉排水工程時，可沿東西向布置兩排長8km的集水廊道，4.3km的自流輸水干管引至灌區地面高程1128.0m處，上游廊道的最高設計水位1135.0m，最低設計水位1133.0m；下游廊道的最高設計水位1115.0m，最低設計水位1109.0m。重力給水度采用0.1時，對應的調節庫容約976萬m3。工程運行后，可將區間的地下水位由現狀的1.6m控制到3.4～5.4m之間，對應的潛水蒸發系數0.02。由于作物生長期基本無地下水可吸收，因此，灌區的凈灌定額取為380m3/畝，總灌溉需水2375萬m3，則上游廊道的年取水量W2=6100×8000×(0.18-0.02)÷10000+150=931萬m3，灌區凈灌溉需水量下降為1444萬m3，下游廊道還可以作為下游灌區的水源。十分明顯，實例中，本工程每年可節水量744萬m3，節水率34%，這些節水量絕大部分源于無效或低率的潛水蒸發蒸騰。

3.4.3效果及推論

由本實例可以得出：本工程雖然僅由兩排長8km集水廊道和4.3km的自流輸水干管組成，工程簡單，調度運行便捷，但功能卻十分完善。首先，它可以精準將灌區的地下水位控制到3.4～5.4m之間，這是一般排水工程不能比擬的。其次，它還可以每年向灌區提供744萬m3灌溉水量，并且不消耗電能，這也是機電井所不具備的。

第三，它還具有976萬m3的地下調節庫容，可承擔灌區水資源的調蓄任務，使用過程還沒有水量損失，這也是地表水庫難以做到的。

由本實例還可以推斷，在一些地下水位較高但水質良好的的鹽堿地，當無法引入外來水源時，也可以實施本工程。這時可以通過以水定地的原則，或每年只灌溉部分農田，采用輪歇制，不施或少施化肥，以生產高質量農作物，或用于人工林及天然植被的人工灌溉，防風固沙，使干旱區的水盡其力，地盡其力，最終使綠洲最大化。

4 結語

本灌溉與排水工程，借助古老坎兒井的技術精髓[9-10]，把流域內的地表水和地下水視為統一的資源整體。通過控制地下水的循環[11]，使地表水和地下水連為有機的一體，使灌區內的洪水、泉水和咸水得到了高效的利用，是一種新工程型式。它的局部工程已在實踐得到了檢驗[12-13]，有理由相信，隨著它的運用，干旱區水資源的利用效率將會顯著提高。

本灌溉與排水工程摒棄了干旱區“干排鹽”的傳統工程措施，而是將灌區末端的咸水[14]輸往天然綠洲消耗、田間采用灌溉水垂直壓鹽和種植吸鹽植物進行抑制，雖然在宏體上看是可行的，但還缺乏進一步的理論研究成果和工程實踐支撐，有待于進一步研究分析和科學試驗。