某灌區(qū)潛水?dāng)r蓄試驗及調(diào)控效果分析

王亞輝

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自古以來，農(nóng)業(yè)作為我國的支柱型產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟發(fā)展一直有著重要的影響。農(nóng)業(yè)是國家的根本，而水是農(nóng)業(yè)的根本，據(jù)統(tǒng)計，我國每年農(nóng)業(yè)用水量高達(dá)4500億m3，占我國總用水量的65%。目前，我國仍屬于缺水國家，水資源集中分布在長江流域及長江流域以南，西北、華北、東北等地區(qū)水資源較為短缺，這種不利因素阻礙了農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1- 5]。農(nóng)業(yè)用水主要用于澆灌農(nóng)田，維持農(nóng)作物生長，在干旱少雨地區(qū)，僅通過降水不足以滿足農(nóng)作物生長要求，這就需要人工對農(nóng)田進行澆灌，澆灌的方法經(jīng)過幾千年來的演變逐漸由傳統(tǒng)澆灌方法到噴灌技術(shù)再到微灌、滴灌技術(shù)等，灌溉方法逐漸朝著節(jié)約水資源方向上發(fā)展[6- 8]。

節(jié)水灌溉是一項既可以保證農(nóng)作物的生長要求，又可以減少水資源浪費的新型技術(shù)，這一技術(shù)的核心是利用各類農(nóng)作物主要依靠根部吸水這一特點，將水資源盡可能直接作用到農(nóng)作物根部，由此逐漸衍生出了霧滴噴灌、地下滴灌、管道輸水灌等方法。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出一種利用地下水閘控制、攔截地下潛水的方法，將地下潛水引入農(nóng)作物灌溉中，降低農(nóng)業(yè)灌溉用水量。通過試驗地塊內(nèi)的地下水槽控制、攔截地下潛水，觀測分析潛水?dāng)r蓄試驗達(dá)到的實際灌溉調(diào)控效果。

1 灌區(qū)概況

1.1 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)域位于某省西部某灌區(qū)，灌溉面積達(dá)3.74hm2，但灌區(qū)內(nèi)各設(shè)施建設(shè)時間較久，多處設(shè)施存在漏水問題，區(qū)內(nèi)設(shè)施損壞率接近20%，灌溉水利用效率低，僅為40%。近幾年來，針對灌區(qū)的各處損壞設(shè)施以及低利用率方面問題，政府相繼采用新型設(shè)備、新工藝、新材料對灌區(qū)進行了改擴建和維修。

1.2 水文地質(zhì)概況

灌區(qū)處于溫帶，干旱季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)年最大溫差可達(dá)72℃，年平均降水量為450mm，年平均蒸發(fā)量為870mm，且降水集中出現(xiàn)在夏季，屬季節(jié)性嚴(yán)重缺水地區(qū)。灌區(qū)屬沖積平原地貌，區(qū)內(nèi)地勢較為平坦，地表最大高程差約為6m，現(xiàn)場巖土工程勘察報告表明：灌區(qū)覆蓋面積內(nèi)地下巖土主要分為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和中砂夾礫石，各層分布范圍見表1。

表1 灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)分布

灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤類別主要包括黑鈣土、鹽堿土、沼澤土、泥炭土、水稻土、草甸土、沖積土和風(fēng)沙土等土質(zhì)，各類土質(zhì)在灌區(qū)內(nèi)的分布面積統(tǒng)計見表2。

圖1 地下水閘設(shè)計

表2 灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤類別及面積統(tǒng)計單位：hm2

1.3 灌溉系統(tǒng)概況

灌區(qū)內(nèi)耕地面積約4萬hm2，每年糧食產(chǎn)量可達(dá)30萬t，主要包括3座水站，各類溝渠累計長度超過300km。通過近些年的改擴建工程，區(qū)內(nèi)灌溉站及附屬設(shè)施總計超過1000座，并配備測量水中心站自動化設(shè)施，提高灌區(qū)節(jié)水灌溉與用水調(diào)控能力。灌區(qū)內(nèi)灌溉用水量為4億t/a，灌溉水來源主要包括河流水以及地下水。

2 潛水?dāng)r蓄試驗設(shè)計

2.1 試驗場地選擇及設(shè)施布置

本次潛水?dāng)r蓄試驗場地選擇在灌區(qū)排水干渠前，緊靠水田，試驗場地北側(cè)為灌區(qū)重點試驗室，試驗場地內(nèi)東側(cè)為水生態(tài)實驗室。

試驗場地范圍內(nèi)原有結(jié)構(gòu)物包括2處試驗室和3座監(jiān)測井點，為了滿足本次試驗的要求，在場地內(nèi)新建了2座地下水閘、1座地下水槽及9處監(jiān)測井點。

2.2 試驗場地新建工程設(shè)計

2座地下水閘位置分別位于試驗場地內(nèi)東西兩側(cè)，相隔距離為700m，地下水閘結(jié)構(gòu)主要分為上下2部分，上部結(jié)構(gòu)高為1.75m，寬1.43m，主要用于水閘的安放。下部結(jié)構(gòu)埋入土體內(nèi)部，埋深為3m，結(jié)構(gòu)側(cè)壁采用300mm厚C25鋼筋混凝土，底部采用400mm厚C25鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)下部為100mm厚C10素混凝土墊層。下部結(jié)構(gòu)為地下水閘的主體結(jié)構(gòu)，主要用于PVC管材和浮球布置，同時具備檢查井的功能。地下水閘設(shè)計圖如圖1所示。

地下水槽深度為4m，主要材料為防滲膜，PVC管上側(cè)管壁預(yù)留滲水孔，周圍用砂礫配合土工布包裹，防止泥沙堵塞滲透孔。其原理為利用防滲膜阻斷地下水的水平滲流，并將滲流到達(dá)防滲膜處的地下潛水引入PVC管中，通過連接的管道匯入地下水閘處，從而達(dá)到攔截、匯集、儲蓄地下潛水的目的。地下水槽設(shè)計如圖2所示。

圖2 地下水槽設(shè)計斷面

場地內(nèi)新建監(jiān)測井點主要位于地下水槽北側(cè)區(qū)域內(nèi)，井深5m，內(nèi)徑0.4m。新建監(jiān)測井點與原有井點共同對本次攔蓄試驗中地下水位高度變化進行監(jiān)測。

圖3 攔蓄效果對比

3 調(diào)控效果分析

試驗結(jié)果的分析主要包括試驗場地內(nèi)各監(jiān)測井點水位變化對比分析以及對地下攔蓄的潛水水質(zhì)指標(biāo)的分析。

3.1 攔蓄調(diào)控效果分析

首先對現(xiàn)場井點區(qū)域進行分組，位于地下水閘以及地下水槽處的新建5號、6號、7號井點為第1組，原有的7號監(jiān)測井點作為第1組的對照組；位于地下水閘及地下水槽北側(cè)約1km處的新建8號、9號井點為第2組，原有的6號監(jiān)測井點作為第2組的對照組；位于地下水閘及地下水槽北側(cè)約2km處的新建1號、3號、4號井點為第3組，原有的5號監(jiān)測井點作為第3組的對照組。監(jiān)測的各組數(shù)據(jù)均取組內(nèi)平均值。

試驗選擇時間為灌溉期(5—9月)，將地下水閘關(guān)閉進行攔蓄地下潛水。在試驗期間分別記錄各組監(jiān)測井點水位數(shù)據(jù)，對比各組監(jiān)測井點與對照組監(jiān)測井點中水位高程。各組水位高程數(shù)據(jù)分別繪制時間-水位高程曲線，如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，經(jīng)地下水槽攔蓄后的地下水位高程明顯降低，在攔蓄的初期，地下水槽攔蓄處的地下水位下降趨勢陡然增加，說明初期攔蓄效果顯著，在地下水槽攔蓄深度范圍內(nèi)的地下潛水基本上進入滲水管道。經(jīng)過3個月的攔蓄后發(fā)現(xiàn)周圍地下水位高程開始下降，攔蓄處水位升高，說明經(jīng)過長期的攔蓄，周圍地下水開始向攔蓄區(qū)域匯集，而后地下水槽攔蓄處兩側(cè)的區(qū)域地下水位也開始逐漸下降，下降速率隨時間的增長呈上升趨勢。

由圖3(b)可以看出，距地下攔蓄區(qū)1km的第2組監(jiān)測井點中地下水位高程在初期因地下攔蓄潛水的原因有較為明顯的下降，后期隨著第1組處攔蓄水量的增加第2組區(qū)域地下水位也有所上升，但在整個過程中原有6號監(jiān)測井的地下水位較穩(wěn)定且有較小的整體下降趨勢，說明地下攔蓄潛水對這一區(qū)域的影響較攔蓄區(qū)域弱。

由圖3(c)可以看出，距地下攔蓄區(qū)2km的第3組監(jiān)測井點中地下水位高程在試驗初期下降不明顯，說明試驗初期試驗區(qū)攔蓄潛水還未影響到此區(qū)域，經(jīng)過2個月的時間，攔蓄潛水的效果開始影響第3組監(jiān)測區(qū)域，地下水位開始明顯下降，說明攔蓄區(qū)域?qū)Φ?組區(qū)域產(chǎn)生的效果具有時間效應(yīng)。

3.2 攔蓄試驗影響范圍分析

從整體上看，經(jīng)過潛水?dāng)r蓄試驗后，試驗區(qū)一定范圍內(nèi)地下水位有所上升，達(dá)到了預(yù)期的效果，節(jié)約了試驗區(qū)內(nèi)的灌溉用水量，為了進一步探究地下水槽與地下水閘作用的影響范圍，對上述各監(jiān)測井點結(jié)果進行計算分析，得出地下水槽攔蓄試驗后地下水位變化值與距地下水槽長度關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 攔蓄試驗后場地內(nèi)地下水位高度隨距離增加變化關(guān)系曲線

從圖4可以看出，隨著距離的增加，地下水位變化值呈逐漸減小趨勢，當(dāng)距離接近2500m時，地下水位與原水位變化值基本為0，說明本次攔蓄的縱向影響范圍約為2500m。

4 結(jié)論

通過在某灌區(qū)內(nèi)進行了潛水?dāng)r蓄試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對地下水位的調(diào)控，試驗開始約3個月后試驗區(qū)地下水位逐漸上升，達(dá)到地下灌溉農(nóng)作物的要求，攔蓄試驗的縱向影響范圍約為攔蓄系統(tǒng)后側(cè)2500m。這為該灌區(qū)的地下水合理調(diào)控和利用奠定了一定的基礎(chǔ)，也為類似灌區(qū)提供了借鑒。