井渠結(jié)合灌區(qū)地下水開采方案設(shè)計研究
——以涇慧渠灌區(qū)試驗區(qū)為例

董起廣，韓霽昌，張衛(wèi)華，李 娜，李 娟，雷 娜

(陜西省土地工程建設(shè)集團陜西地建土地工程技術(shù)研究院/國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075)

陜西省涇惠渠灌區(qū)位于關(guān)中平原中部，屬于典型的渠井雙灌灌區(qū)。多年來，由于灌區(qū)水資源管理制度和灌溉措施的不完善，以及水資源調(diào)配和渠井用水比例不合理等，導(dǎo)致該地區(qū)地下水開采量偏大，造成灌區(qū)大面積地下水位持續(xù)下降，由此引發(fā)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題[1,2]。因此，提出一個合理的開采方案顯得尤為重要。本文首先利用CROPWAT模型計算各種作物在各生育期的需水量，結(jié)合渠井適宜用水比的概念提出3種開采方案，在合理埋深的基礎(chǔ)上采用Modflow對方案進行評估和驗證，并比選出最優(yōu)方案。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)背景

涇惠渠試驗區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中北部涇陽縣的東南角，主要位于涇河的二級階地上，占地面積483.58 hm2；研究區(qū)范圍及井點分布情況采用Mapgis軟件繪制而成。受地貌和第四紀(jì)沉積環(huán)境的控制，研究區(qū)內(nèi)第四系地層巖性發(fā)育，沉積厚度及巖相變化是自西向東、由北向南，厚度遞增，顆粒由粗變細(xì)。根據(jù)孔隙水的特征與隔水層的分布和層序,將研究區(qū)含水層歸納概化為潛水、淺層承壓水、深層承壓水三層[3]。模擬計算的目的層為潛水含水層，潛水含水層主要以砂和砂礫為主，厚度一般為5～20 m, 地下水埋深在25 m左右。

2 灌溉需水量計算

2.1 CROPWAT模型

I=ETc-Pe

(1)

式中：I為灌溉需水量，mm；Pe為作物生育期有效降水量，mm；ETc為作物生育期內(nèi)需水量。

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)涇惠渠試驗站提供的氣象數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，以及陜西省關(guān)中地區(qū)的作物參數(shù)，利用CROPWAT軟件建立模型，通過模擬驗證，最終得出灌區(qū)玉米、冬小麥以及棉花各生育期的灌溉需水量，見表1。

表1 涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)各作物各生育階段灌溉需水量 mm

3 開采方案的設(shè)計

涇慧渠灌區(qū)是井渠結(jié)合灌區(qū)，在滿足灌區(qū)需水的基礎(chǔ)上，設(shè)計3種不同的地下水開采方案，并選擇出對地下水可持續(xù)利用最為有利的方案。

(1)以需定供。以涇惠渠灌區(qū)不同水文年灌溉需水量為基礎(chǔ)，綜合運用水量均衡原理及”三水轉(zhuǎn)換“的思想，就研究區(qū)范圍內(nèi)不同水文年地表水用水量和地下水用水量進行計算，得出相應(yīng)的地下水開采量。

(2)渠井適宜比。周維博等認(rèn)為井渠結(jié)合在地下水調(diào)控技術(shù)措施上可以實現(xiàn)灌區(qū)不產(chǎn)生漬澇和不會形成采補失調(diào)，并滿足耕地的水資源供需平衡，其根本原因在于確定一個適宜的渠井用水比例[6]；渠灌用水量與井灌用水量在適宜比值情況下，灌溉后地下水位基本接近多年平均水位，或稍有回升。在降水平水年(P=50%)的最佳渠井灌溉用水比值在1.35左右，在偏枯水年(P=75%)渠井灌溉用水最佳比是1.45左右，兩者最佳比值存在差異[7]。

(3)現(xiàn)存的開采制度。根據(jù)灌區(qū)已有地下水開采資料進行方案設(shè)計。

通過計算，得出3種開采方案見表2。

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表2 涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)開采方案 萬m3

分別選取2004年枯水年和2013年平水年2個典型年份作為基準(zhǔn)年，采用Visual Modflow軟件建立地下水流數(shù)值模型進行開采方案的評估和驗證。下面以2013年平水年為例，說明模型的建立步驟。

4 地下水模擬及開采方案評估

為檢驗對比以上3種方案的效果，并選擇最優(yōu)方案，采用Visual MODFLOW對各方案進行模擬。該軟件采用有限差分法對地下水流進行數(shù)值模擬，可通過空間和時間的離散進行各個時段地下水頭的模擬[8,9]。

4.1 地下水流模型的建立

4.1.1水文地質(zhì)概念模型

試驗區(qū)受周邊3支渠和南干渠及12、15和16斗渠水量的影響，其地下水位有一定的變化，水流呈非穩(wěn)定狀態(tài)，因此將模型概化為非均質(zhì)各向同性三維非穩(wěn)定流。

(1)邊界條件概化。研究區(qū)北部邊界是3支渠,南部邊界是南干渠。試驗區(qū)作物地表灌溉水量基本來自于這2個方向的灌溉補給，為地下水與地表水的主要交換區(qū)，因此，可將其設(shè)定為河流邊界。

(2)源匯項概化。將降雨入滲、灌溉入滲、渠道滲漏以及開采回歸等補給量以面狀補給強度的形式加入到模型，開采強度按設(shè)計的開采方案依次添加進模型。各項補給強度部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3。

表3 涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)補給強度 mm/a

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立非均質(zhì)各相同性三維非穩(wěn)定潛水流數(shù)學(xué)模型來模擬水源地地下水系統(tǒng)的滲流場，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中：Kxx、Kyy、Kzz為滲透系數(shù)在x、y、z方向上的分量；h為含水層水頭；W為單位體積流量；Ss為空隙介質(zhì)的貯水率；t為時間。

4.1.2模型的離散與資料的處理

(1)研究區(qū)的劃分。根據(jù)區(qū)內(nèi)流場特征、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、水力特征和邊界條件,采用等間距有限差分的離散方法，進行自動剖分，除去無效單元格，共計3 400個有效單元格。

(2)時間的離散。根據(jù)試驗區(qū)地下水長期觀測資料，確定模擬起始時間為2013-04-01，終止時間為2014-05-30，共420 d。其中，選取2013-04-01-2013-12-30的資料進行模型識別，選取2014-01-01-2014-05-30的資料用于模型驗證。時間步長設(shè)為10 d，計算過程中所有源匯項的補給與排泄強度保持不變。

(3)水文地質(zhì)參數(shù)的確定。根據(jù)已有資料及涇惠渠灌區(qū)涇河二級階地水文地質(zhì)參數(shù)確定該試驗區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。

4.1.3模型的率定和參數(shù)的識別

以2013-04地下水實測流場為模型識別的初始流場(見圖1)。以2013-04-2013-12逐月地下水位、降雨量、地表水來水量、渠灌引水量以及地下水開采量等資料，作為初步率定含水層參數(shù)、模型和補給量的依據(jù)，對模型和水文地質(zhì)參數(shù)進行識別；再利用2013-09-10的逐月地下水觀測資料校核模型和各項水文地質(zhì)參數(shù)，對模型作進一步校核，對參數(shù)進一步率定。

4.2 水位擬合及方案評估

對涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)的17個井點在2013-04-12的水位擬合結(jié)果進行分析預(yù)測，結(jié)果表明,在不同的開采方案下未來年地下水水位變化不盡相同(見表4)，但是均在合理埋深的范圍內(nèi)(本文將合理埋深上限確定為毛細(xì)上升高度與植被根系層厚度之和，下限定為地下水蒸發(fā)極限深度，經(jīng)過計算，涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)合理埋深的范圍為2.5～28 m，對應(yīng)的地下水水位的范圍為392～418 m)。利用涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)初始流場和不同方案下未來年的水位，繪制未來年不同開采方案的地下水等降深場圖(見圖2～4)。

表4 未來年不同開采方案的地下水水位

圖1 涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)初始流場圖

圖2 第1種開采方案降深場圖

圖3 第2種開采方案降深場圖

圖4 第3種開采方案降深場圖

從表4可以看出：3種開采方案預(yù)測出來的水位均成逐漸下降的趨勢，總體分布與初始流場基本相同，但均在合理埋深的范圍之內(nèi)；第2種開采方案也就是按照渠井適宜比進行開采，水位下降的速度較慢，其他2種方案下，水位下降的速率較快。由圖2～4降深場圖可以看出，第2種開采方案下降深較小面積(圖中紅色區(qū)域的面積)的比例較大，小于-4 m的降深面積占整個研究區(qū)面積的一半以上，換而言之，按照渠井適宜比進行地下水開采，水位下降的速率較小，與表4中結(jié)果一致。

同理，采用已建好的模型對涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)枯水年(2004年)的地下水位進行分析評估，結(jié)果與以上分析一致。因此，本文推薦采用第2種開采方案進行涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)地下水的開采。

5 結(jié) 論

(1)通過對陜西省涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)氣象參數(shù)、作物參數(shù)、土壤參數(shù)等數(shù)據(jù)的分析，采用CROPWAT模型對研究區(qū)各作物在不同生育期的需水量進行計算，為以后的開采方案設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

(2)在研究區(qū)需水、供水和用水的基礎(chǔ)上，結(jié)合灌區(qū)適宜渠井比，對陜西省涇惠渠灌區(qū)試驗區(qū)進行開采方案設(shè)計，提出了3種不同的地下水開采方案。

(3)通過對研究區(qū)不同水文地質(zhì)條件的分析，建立地下水?dāng)?shù)值模擬模型對設(shè)計方案進行分析驗證及評估，結(jié)果表明：3種開采方案下，未來年試驗區(qū)地下水水位均呈現(xiàn)逐漸降的趨勢，但均在合理埋深的范圍內(nèi)；按照渠井適宜比進行水量分配，水位下降程度較小。

(4)通過對不同設(shè)計方案下地下水降深場圖進行對比分析發(fā)現(xiàn)：第2種開采方案降深較小的面積所占比例較大，說明按照該開采方案進行地下水的開采，水位基本接近多年平均水位，對于陜西省涇惠渠灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)有重要作用。

[1] Zhou WB，Wang YB. Effect of water resources development and utilization on ecological environment of irrigation districts in arid region of northwest China[M]. Xi'an: Shaanxi Science & Technology Press, 2003.

[2] 周維博，李佩成.我國農(nóng)田灌溉水環(huán)境問題[J].水科學(xué)進展，2001,12(3):413-417.

[3] 陜西省涇惠渠灌區(qū)地下水調(diào)查研究組. 涇惠渠灌區(qū)淺層地下水資源調(diào)查成果報告[R]. 1983-10.

[4] FAO.CROPWAT:a computer program for irrigation planning and management[Z].Rome:FAO,1992.

[5] Dr Derek Clarke.CROPWAT for windows: user guide[M].Southampton: University of Southampton Press, 1998.

[6] 周維博, 李佩成.井渠結(jié)合灌區(qū)節(jié)水灌溉的有效途徑[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,35(5-6):473-475.

[7] 周維博, 曾發(fā)琛.井渠結(jié)合灌區(qū)地下水動態(tài)預(yù)報及適宜渠井用水比分析[J].灌溉排水學(xué)報,2006,(1).

[8] 武 強，朱 斌，徐 華,等. MODFLOW 在淮北地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2005,24(4).

[9] 王 智,高 瑾,董新光.MODFLOW 在三工河流域地下水資源評價中的應(yīng)用[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,25(4):29-34.