干旱區(qū)內(nèi)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(qū)寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心(院士專(zhuān)家工作站)，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前言

與大河流相比較，干旱區(qū)中小河流具有明顯的差別?？v坡陡、徑流小、泥沙多、洪水峰高量小、蒸發(fā)強(qiáng)烈、河流出山后大量地表水迅速入滲轉(zhuǎn)化為地下水，是干旱區(qū)中小河流的普遍特點(diǎn)，然而它的灌溉與排水工程卻一直延用大河灌區(qū)的常規(guī)技術(shù)方案。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：現(xiàn)有的灌溉與排水工程難以克服灌區(qū)普遍存在許多問(wèn)題，極大地限制了干旱區(qū)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(qū)內(nèi)陸河流灌區(qū)特點(diǎn)的灌溉與排水工程技術(shù)方案。

1 干旱區(qū)中小河流的特點(diǎn)

1.1 地形地貌、水文及耗水特點(diǎn)

干旱區(qū)內(nèi)陸中小河流域在地貌上沿河流縱軸向，由山區(qū)、山前沖洪積扇、細(xì)土平原、綠洲與沙漠過(guò)渡帶和沙漠組成[1-2]。山區(qū)是河流的產(chǎn)流區(qū)或徑流補(bǔ)給區(qū)，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(qū)地形峻陡，河道縱坡大，河床窄深，水流相對(duì)集中，流速湍急。出山口后，縱坡變緩，流速降低，水流分叉。進(jìn)入細(xì)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(duì)穩(wěn)定，年內(nèi)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(fā)強(qiáng)烈，洪水大部分入滲于山前沖洪積扇，轉(zhuǎn)化為地下水外，另一部分多以水面蒸發(fā)的形式散發(fā)于大氣。細(xì)土平原是現(xiàn)代灌區(qū)，所形成的人工綠洲是人類(lèi)生產(chǎn)和生活的主要場(chǎng)所，人工綠洲和天然綠洲是水資源的兩大競(jìng)爭(zhēng)性消耗區(qū)，人工綠洲對(duì)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(duì)水的礦化度基本沒(méi)要求，一般為大于3g/L的淡咸水或咸水，天然綠洲區(qū)是阻擋風(fēng)沙侵蝕人工綠洲的屏障，是干旱區(qū)不可或缺的組成部分。

1.2 主要水文地質(zhì)特點(diǎn)

1.2.1山前沖洪積扇

受構(gòu)造擠壓運(yùn)動(dòng)的影響，隨著山區(qū)地形的抬升形成山前沖洪積扇凹陷區(qū)，凹陷內(nèi)沉積了巨厚的砂礫石層，是地下水賦存的良好空間。該區(qū)域內(nèi)含水層顆粒粗，河道滲漏是地下水的主要補(bǔ)給源，水循環(huán)條件好，導(dǎo)水性強(qiáng)。含水層一般為單級(jí)地層，滲透系數(shù)30～100m/d，水質(zhì)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(xì)，同時(shí)地下潛水流量逐步增多，其下游的地下水位便逐步升高，進(jìn)入細(xì)土平原地層的透水性進(jìn)一步變差，地下水便在山前沖洪積扇緣處溢出地面。儲(chǔ)水構(gòu)造外部輪廓隨河流的大小而異，沿河流方向一般長(zhǎng)度為10～30km，寬度約8～25km，其總儲(chǔ)水量十分巨大，往往數(shù)十倍于河流的年徑流量，水的更新周期20～100年[3-4]，是區(qū)域內(nèi)地下水流系統(tǒng)中最主要的水源[5-6]，也是儲(chǔ)存地表余水的理想場(chǎng)所。

1.2.2細(xì)土平原區(qū)及過(guò)渡帶

細(xì)土平原區(qū)是山前沖洪積扇的延續(xù)。隨著河水的流量變小，速度降低，挾砂能力隨之變?nèi)?。從上游至中游，含水層顆粒相對(duì)較粗，區(qū)域地下水流系統(tǒng)的水循環(huán)條件較好，與沖洪積扇凹陷區(qū)的區(qū)域地下水的流的交換強(qiáng)烈。沿河道地表水與地下水有局域的交換。但含水層變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)，層間夾雜厚度較薄且不連續(xù)的細(xì)顆粒的不透層，滲透系數(shù)5.0～50m/d，水力坡度0.3～1.5%，地下水位1.0～8.0m。水質(zhì)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(fā)育有縱向泉水溢出帶。地下水的補(bǔ)給源主要有兩部分；其一為側(cè)向水平流入的區(qū)域地下水流，其二為渠系及田間的垂直入滲。區(qū)域內(nèi)的地下水主要由泉水、機(jī)井、植物的蒸騰和裸地的蒸發(fā)向外排泄。

細(xì)土平原區(qū)下游至過(guò)渡帶，僅洪水期地表水可到達(dá)本區(qū)域，含水層顆粒相對(duì)較細(xì)。區(qū)域地下水流系統(tǒng)的水循環(huán)條件較弱，含水層變薄并為多層結(jié)構(gòu)，層間多為較為連續(xù)分布的細(xì)顆粒的不透水層，富含承壓含水層。地下水補(bǔ)給條件差，更新周期十分緩慢，一般為1000～10000年以上，滲透系數(shù)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(fā)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(gè)別流域可高達(dá)8.0g/l以上，只有部分深層滯流區(qū)地下水礦化度小于1.0g/l。地下水位較高的區(qū)域，由于強(qiáng)烈的裸地蒸發(fā)，水去鹽留，鹽堿地發(fā)育。地下水主要由裸地蒸發(fā)和植物蒸騰向外排泄。

2 灌溉與排水工程現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題

2.1 灌溉與排水工程現(xiàn)狀

干旱區(qū)中小灌區(qū)雖然具有自身的特點(diǎn)，但一直延用常規(guī)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(shè)之。灌溉工程主要含有水庫(kù)、機(jī)井、引水工程、引水干渠和相應(yīng)的輸水渠系，水庫(kù)和機(jī)井是水源工程，水庫(kù)的主要作用是在時(shí)空上調(diào)蓄灌區(qū)內(nèi)的地表水資源，機(jī)井用來(lái)開(kāi)發(fā)利用灌區(qū)的地下水資源，主要作用有兩點(diǎn)：其一是與地表水聯(lián)合調(diào)度來(lái)滿(mǎn)足灌區(qū)的需水要求，從而形成所謂的混灌區(qū)；其二是獨(dú)立形成以地下水為水源的純井灌區(qū)。干旱區(qū)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(xì)土平原區(qū)中、下游區(qū)，工程由干、支、斗、農(nóng)排水渠組成。農(nóng)排的作用有兩點(diǎn)：其一是控制田間的地下水位，為田間垂直排水創(chuàng)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(chuàng)造了條件。干排是總匯水排渠，它匯集上級(jí)排渠的水體，并將其排入河道尾閭或灌區(qū)低洼的容泄區(qū)，從而形成了“干排鹽”的排水體系?，F(xiàn)有的排水系統(tǒng)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(jié)變幅較大，其水量一般被視為灌區(qū)中的污廢水，多數(shù)以裸地蒸發(fā)或水面蒸發(fā)的方式消耗。

2.2 灌溉與排水工程存在的主要問(wèn)題

2.2.1調(diào)蓄工程能力相對(duì)不足，損耗大效率不高

山區(qū)水庫(kù)是干旱區(qū)河流目前共認(rèn)的理想的調(diào)蓄工程，然而由于大水大沙的徑流特點(diǎn)，大多數(shù)山區(qū)水庫(kù)只能采用“蓄清排洪”的運(yùn)行方式，汛期死水位運(yùn)行，以防大量泥沙淤積庫(kù)中影響水庫(kù)壽命。山區(qū)水庫(kù)的這種運(yùn)行方式，限制了灌區(qū)“洪水資源化”能力。一些缺乏建設(shè)山區(qū)水庫(kù)的河流，普遍采用平原水庫(kù)對(duì)地表水進(jìn)行調(diào)蓄，然而強(qiáng)烈的水面蒸發(fā)和滲漏，使干旱區(qū)的平原水庫(kù)庫(kù)損率高達(dá)35～70%[7]。不僅如此，無(wú)效的滲漏還造成水庫(kù)周邊灌區(qū)的地下水位上升，為其帶來(lái)了次生鹽堿化問(wèn)題。由于調(diào)蓄不足，“澆白地”現(xiàn)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(fèi)嚴(yán)重。

2.2.2地下水開(kāi)采量的量化困難，能耗高

上、中游灌區(qū)地層的導(dǎo)水性強(qiáng)，富水條件好，單井出水量大，是灌區(qū)最適宜開(kāi)采地下水的區(qū)域。地下水的適度開(kāi)采，有利于將當(dāng)?shù)氐牡叵挛徽{(diào)控到合理區(qū)間，從而減少無(wú)效或低效的蒸發(fā)、蒸騰，提高水資源的利用效率。難以準(zhǔn)確量化地下水開(kāi)采量始終是困惑人們的問(wèn)題，雖然水均衡法告訴我們區(qū)間地下水的可開(kāi)采量的計(jì)算方法，但相應(yīng)的側(cè)向流入、流出量、渠系利用系數(shù)等均難以準(zhǔn)確測(cè)量，并隨外部條件的變化而變動(dòng)，因此，地下水開(kāi)采量的準(zhǔn)確量化十分困難。這些因素致使一些灌區(qū)的機(jī)電井或者超采地下水，使區(qū)間地下水位持續(xù)下降，或者本身可開(kāi)采量富足，但因缺少外區(qū)域輸水工程，加之高昂的運(yùn)行費(fèi)用，不能將機(jī)電井群的水量向外調(diào)配，最終使地下水不能完全高效利用。

2.2.3中下游灌區(qū)的地下水位高

合理科學(xué)的地下水位是減少灌區(qū)內(nèi)潛水的無(wú)效或低效蒸發(fā)量的根本保障。地下水位過(guò)高所造成的大量潛水的裸地蒸發(fā)既是土壤鹽堿化和次生鹽堿化的根源，又是灌區(qū)表層地下水礦化度增高的主要原因[8]。干旱區(qū)土壤的潛水蒸發(fā)十分強(qiáng)烈，如圖1所示是新疆葉爾羌河流域均衡試驗(yàn)站多年潛水蒸發(fā)試驗(yàn)資料?，F(xiàn)有的排水工程只能將中、下游灌區(qū)的地下水位控制在1.5～2.5m，所產(chǎn)生的無(wú)效裸地蒸發(fā)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(wú)法加以利用。使該區(qū)域的灌區(qū)水資源利用既不合理，灌溉條件又差。

圖1 干旱區(qū)典型河流土壤潛水蒸發(fā)試驗(yàn)資料

2.2.4天然綠洲與河道地表水聯(lián)系薄弱

人工綠洲和天然綠洲是干旱區(qū)的兩大競(jìng)爭(zhēng)性受水區(qū)，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(lái)，即使人們發(fā)現(xiàn)灌區(qū)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(méi)人工回補(bǔ)綠洲地下水的工程措施，而是認(rèn)為只要下泄相應(yīng)的生態(tài)基流，天然綠洲的植被便可“自然”生長(zhǎng)。然而由于河道出山口距離天然綠洲遙遠(yuǎn)，所下泄的生態(tài)基流往往僅在洪水期才能到達(dá)天然綠洲區(qū)，加之中下游河道寬平，有的河流甚至沒(méi)有明顯的河床，所下泄的水體多以水面蒸發(fā)的方式消耗于寬平河床中，輸水效率十分低下，產(chǎn)生的綜合生態(tài)效果也十分有限。

3 一種干旱區(qū)內(nèi)陸河流坎兒井式灌溉與排水工程

3.1 工程的設(shè)計(jì)思路及技術(shù)方案

以流域?yàn)閱卧?，將流域?nèi)的人工綠洲和天然綠洲看作地位平等的兩大受水灌區(qū)，把地表水和地下水作為一個(gè)水資源總體，視全灌區(qū)的地層為一個(gè)統(tǒng)一的巨大儲(chǔ)水構(gòu)造。利用灌區(qū)內(nèi)的水文、地形和水文地質(zhì)條件條件，采用現(xiàn)代水利工程構(gòu)筑方法，使全灌區(qū)的地表水和地下水連為一體，并將全灌區(qū)的地下水位控制在合理的范圍。通過(guò)地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度，高效率低能耗地利用水資源，來(lái)滿(mǎn)足兩大綠洲的需水要求，是本灌溉與排水工程的總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路?！安厮诘叵隆笔侵笇⒏挥嗟牡乇硭ㄟ^(guò)回補(bǔ)工程引滲入地下含水層；“取水于自流”是指在灌區(qū)需水之時(shí)，如同坎兒井一般，利用灌區(qū)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(shí)最好采用管道輸水，以提高輸水效率并盡可能滿(mǎn)足高效節(jié)水灌溉的壓力要求；“上排下灌”是指通過(guò)上、下游兩道地下集水廊道的上、下攔截，一方面將區(qū)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(qū)的灌溉水源。

3.2 工程的總體布局及主要結(jié)構(gòu)

本灌溉與排水工程含有：地面引水工程、引滲回補(bǔ)工程、地下集水廊道、引水干管、自流輸水干管等水工構(gòu)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(diǎn)在于灌區(qū)內(nèi)至少布置兩道地下集水廊道，灌區(qū)地形較為平坦時(shí)，廊道可沿灌區(qū)等高線(xiàn)線(xiàn)布置橫向布置，廊道中的設(shè)計(jì)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(xiàn)布置有輻射井群，它作用是均勻地?cái)r截控制該斷面的地下水和地下水位?？紤]到灌區(qū)內(nèi)地層為多元結(jié)構(gòu)，為了增加灌溉水量輻射井內(nèi)還布置有管井，井和井之間的設(shè)有連通管，通過(guò)將引水干管與廊道相連，將灌區(qū)內(nèi)地表水和地下水連成一體，形成了縱橫交錯(cuò)的水網(wǎng)。末排廊道設(shè)有通往天然綠洲的輸水引滲暗渠，它的功能是將灌區(qū)余水或?qū)⒌V化度較高的水體輸至天然綠洲區(qū)，并滲入地下的地下水系統(tǒng)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(jié)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(dòng)減少。因此，工程是一種取之有度的水源工程，它不會(huì)也沒(méi)有能力超采地下水。而機(jī)井抽水是定流量取水，當(dāng)水量不足掉泵時(shí)，則可以增加井深，降低水泵的安裝高程，保證水量，極易發(fā)生井越打越深，地下水位越來(lái)越低的超采地下水現(xiàn)象。

當(dāng)灌區(qū)內(nèi)縱向山洪溝較為發(fā)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(dāng)灌區(qū)較寬時(shí)，也可以采用分段的技術(shù)方案，將廊道分成段，形成若干相對(duì)獨(dú)立的條塊狀布置方案，以有利于工程的建設(shè)。當(dāng)?shù)匦纹露冗^(guò)緩時(shí)，還可以在廊道合適處設(shè)定水位泵站，以代替自流輸水干管的作用。在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)灌區(qū)的現(xiàn)狀、地形、水文地質(zhì)、施工技術(shù)等條件，通過(guò)具體的分析計(jì)算和方案比選擇優(yōu)而定。

3.3 工程的基本原理及調(diào)度運(yùn)行

3.3.1基本原理

工程的水力學(xué)原理說(shuō)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(yōu)先配置于上游地表水灌區(qū)，而非灌溉期的地表徑流以及洪水期的地表余水W01，經(jīng)自然入滲和引滲回補(bǔ)工程引入地下，儲(chǔ)存于沖洪積扇凹陷區(qū)，成為灌區(qū)的地下水源。灌區(qū)的這兩大獨(dú)立水源，共同承擔(dān)著灌區(qū)的灌溉任務(wù)。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(xué)原理示意圖

地表水源在輸送的過(guò)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(guò)程中，由于各級(jí)渠系的滲漏轉(zhuǎn)換為地下水，并成為可重復(fù)利用的地下水資源W02。同理，地下水源在輸往田間的過(guò)程中，大部分亦到達(dá)田間地頭，小部分在水的輸送過(guò)程中，亦再次轉(zhuǎn)換為地下水，成為可再次重復(fù)利用的地下水資源W03，W04。

W1quan和W1zhen分別是無(wú)廊道取水時(shí)，1-1斷面和2-2斷面的區(qū)間泉水溢出量和土壤潛水蒸發(fā)蒸騰量。對(duì)應(yīng)于田間的農(nóng)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(wú)效的，其水面所產(chǎn)生的蒸發(fā)也是無(wú)效的，總體而言是低效的。W1zhen中的蒸騰量在作物生長(zhǎng)期是有效的，幼苗期和成熟期是無(wú)效的，裸地和蒸發(fā)量則是無(wú)效的，總體而言是無(wú)效或低效的。當(dāng)區(qū)間無(wú)灌溉及廊道未取水時(shí)，由水均衡原理可得如下方程式：

W1quan+W1zhen+W12=W11或W1quan+W1zhen

=W11-W12

(1)

當(dāng)區(qū)間有灌溉及廊道有取水時(shí)，水均衡方程式變?yōu)椋?/p>

W1quan+W1zhen+W12+W1=W11+W02

(2)

(3)

由上述水力學(xué)分析可得出以下基本結(jié)論：

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

(2)本灌溉與排水工程，引入灌區(qū)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(qū)的總水量為W=W0+W02+W03+W04，式中W02+W03+W04在輸送水量過(guò)程中水量損失，因此，灌區(qū)田間得到的水資源量仍為W0，這說(shuō)明本灌溉與排水工程將引入灌區(qū)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(dòng)區(qū)間的地水位整體下降，泉水隨之再次轉(zhuǎn)化為地下水，區(qū)間土壤潛水蒸發(fā)蒸騰量也隨之減少，并轉(zhuǎn)化為高效的灌溉水源。但廊道的取水量不應(yīng)超過(guò)它的最優(yōu)取水量，以有序開(kāi)發(fā)地下水資源，并防止地下水的超采。

3.3.2工程的調(diào)度運(yùn)行

本灌溉與排水工程由現(xiàn)代水利工程方法構(gòu)筑而成，由于工程將灌區(qū)內(nèi)的地表水和地下水連為了一體，形成了互連互通縱橫交錯(cuò)的水網(wǎng)，因此，可以通過(guò)工程運(yùn)行過(guò)程中的靈活調(diào)度進(jìn)一步達(dá)到水資源高效利用的目的，具體調(diào)度方法如下：

(1)蓄水和供水調(diào)度：當(dāng)河道有余水時(shí)，首先通過(guò)引滲回補(bǔ)工程將余水蓄存于山前的儲(chǔ)水構(gòu)造中。當(dāng)?shù)谝慌爬鹊赖乃惠^高時(shí)，可打開(kāi)相應(yīng)的控制閘、閥，將余水輸至下級(jí)水位較低的廊道之中。灌區(qū)需水時(shí)，優(yōu)先開(kāi)啟相對(duì)應(yīng)的廊道供水。當(dāng)水量或流量不足時(shí)，可打開(kāi)上游廊道的相應(yīng)控制閘、閥，將其水量引入本廊道中的水量，共同滿(mǎn)足灌區(qū)的需水要求。

(2)控制地下水位調(diào)度：當(dāng)廊道水位較高時(shí)，說(shuō)明區(qū)間灌區(qū)的地下水位過(guò)高，無(wú)效或低效的水資源消耗較大，此時(shí)開(kāi)啟本廊道控制閘，向下游灌區(qū)或天然綠洲區(qū)供水。各級(jí)廊道間也應(yīng)依據(jù)水位優(yōu)化調(diào)度，以使灌區(qū)尤其是下游灌區(qū)處于較低水位。當(dāng)單元內(nèi)的局部區(qū)域的地下水位較高時(shí)，還可以定向開(kāi)啟廊道輻射井和管井中出水口的控制閥，以精準(zhǔn)控制地下水位。

(3)天然綠洲區(qū)的供水調(diào)度：工程的末級(jí)廊道是天然綠洲區(qū)主要供水保障，當(dāng)廊道中的水位較低時(shí)，應(yīng)依次開(kāi)啟上游廊道的控制閘，向末級(jí)廊道供水。當(dāng)末級(jí)廊道的水體礦化度過(guò)高，也應(yīng)適當(dāng)開(kāi)啟上游廊道的控制閘，用于沖淡末級(jí)廊道水體的礦化度。

3.3.3小結(jié)

從上述理論分析和工程調(diào)度方案可知：

(1)干旱區(qū)的地表水和地下水是一個(gè)水資源整體，在水資源儲(chǔ)存和輸送過(guò)程中，只有水面蒸發(fā)量和土壤的潛水蒸發(fā)蒸騰量是無(wú)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(zhuǎn)化為地下水，仍可被有效利用。因此，應(yīng)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(shù)方案。

(2)干旱區(qū)中小河流有其自身地形、水文和水文地質(zhì)特點(diǎn)，常規(guī)的排水工程只能將其區(qū)間的地下水位控制在2m左右，大量的地下水由潛水蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)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(qū)間的泉水和渠系田間的有效入滲水轉(zhuǎn)化為灌溉水源，又可將灌區(qū)內(nèi)無(wú)效和低率的蒸發(fā)蒸騰量轉(zhuǎn)化為灌溉水源，是一種科學(xué)和高效率的水利工程。

(3)廊道在設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)分析計(jì)算制定出其最高設(shè)計(jì)水位和最低設(shè)計(jì)水位。廊道的最高設(shè)計(jì)水位應(yīng)以區(qū)間的地下水位普遍下降到3.5m以下為標(biāo)準(zhǔn)，廊道的最低設(shè)計(jì)水位應(yīng)以不影響區(qū)間外地下水位為依據(jù)，只要廊道處于這兩個(gè)水位之間運(yùn)行，便自動(dòng)達(dá)到了最優(yōu)也是最大的地下水開(kāi)采量。

(4)工程的系統(tǒng)性、整體性、精準(zhǔn)性和高效性遠(yuǎn)比機(jī)電井群優(yōu)越。本工程采取的定水位取水的方案，不僅能整體精準(zhǔn)控制灌區(qū)的地下水位，還可以使地下水的補(bǔ)給量與開(kāi)采量高度一致，并且，在利用地下水的過(guò)程中，沒(méi)有過(guò)量開(kāi)采和未充分利用之憂(yōu)，地形坡度較大時(shí)，也無(wú)需消耗動(dòng)力。

(5)廊道的最高設(shè)計(jì)水位和最低設(shè)計(jì)水位區(qū)間含水層的儲(chǔ)水量十分可觀(guān)，并可以通過(guò)兩排廊道的間距對(duì)它的儲(chǔ)水庫(kù)容進(jìn)行調(diào)整，間距和兩水位差越大，儲(chǔ)水庫(kù)容亦越大，這個(gè)庫(kù)容完全可以滿(mǎn)足流域內(nèi)水資源的年內(nèi)和年際調(diào)節(jié)。

3.4 工程實(shí)例

3.4.1常規(guī)灌溉與排水工程基本布局

為定量說(shuō)明工程的特點(diǎn)、布局及相應(yīng)的效果，現(xiàn)以某干旱區(qū)某灌區(qū)以例，擬通過(guò)常規(guī)灌溉與排水工程與本灌溉與排水工程相對(duì)比，以便于定量說(shuō)明本工程的優(yōu)點(diǎn)。

灌區(qū)土地現(xiàn)為荒漠鹽堿地，上伏稀疏耐鹽植被，南北長(zhǎng)6.1km，東西寬8km，開(kāi)發(fā)為凈灌溉面積5萬(wàn)畝的灌區(qū)，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(duì)應(yīng)的潛水蒸發(fā)系數(shù)0.18。灌溉水源由外部管道輸入灌區(qū)，采用節(jié)水灌溉方式，灌溉水利用系數(shù)為0.8，采用常規(guī)灌溉與排水工程時(shí)，考慮作物生長(zhǎng)期可吸收部分地下水因素，凈灌定額為350m3/畝，灌溉需水2188萬(wàn)m3，渠系及田間有效入滲地下水量150萬(wàn)m3。灌區(qū)需設(shè)支、斗、農(nóng)排水系統(tǒng)，農(nóng)排深2.5m，支排投入灌區(qū)總干排，干排通入沙漠區(qū)。

3.4.2新結(jié)構(gòu)灌溉與排水工程基本布局

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

3.4.3效果及推論

由本實(shí)例可以得出：本工程雖然僅由兩排長(zhǎng)8km集水廊道和4.3km的自流輸水干管組成，工程簡(jiǎn)單，調(diào)度運(yùn)行便捷，但功能卻十分完善。首先，它可以精準(zhǔn)將灌區(qū)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(qū)提供744萬(wàn)m3灌溉水量，并且不消耗電能，這也是機(jī)電井所不具備的。

第三，它還具有976萬(wàn)m3的地下調(diào)節(jié)庫(kù)容，可承擔(dān)灌區(qū)水資源的調(diào)蓄任務(wù)，使用過(guò)程還沒(méi)有水量損失，這也是地表水庫(kù)難以做到的。

由本實(shí)例還可以推斷，在一些地下水位較高但水質(zhì)良好的的鹽堿地，當(dāng)無(wú)法引入外來(lái)水源時(shí)，也可以實(shí)施本工程。這時(shí)可以通過(guò)以水定地的原則，或每年只灌溉部分農(nóng)田，采用輪歇制，不施或少施化肥，以生產(chǎn)高質(zhì)量農(nóng)作物，或用于人工林及天然植被的人工灌溉，防風(fēng)固沙，使干旱區(qū)的水盡其力，地盡其力，最終使綠洲最大化。

4 結(jié)語(yǔ)

本灌溉與排水工程，借助古老坎兒井的技術(shù)精髓[9-10]，把流域內(nèi)的地表水和地下水視為統(tǒng)一的資源整體。通過(guò)控制地下水的循環(huán)[11]，使地表水和地下水連為有機(jī)的一體，使灌區(qū)內(nèi)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(shí)踐得到了檢驗(yàn)[12-13]，有理由相信，隨著它的運(yùn)用，干旱區(qū)水資源的利用效率將會(huì)顯著提高。

本灌溉與排水工程摒棄了干旱區(qū)“干排鹽”的傳統(tǒng)工程措施，而是將灌區(qū)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(jìn)行抑制，雖然在宏體上看是可行的，但還缺乏進(jìn)一步的理論研究成果和工程實(shí)踐支撐，有待于進(jìn)一步研究分析和科學(xué)試驗(yàn)。