友谊农场发展井灌稻潜力分析

2010-07-06仲崇合郭凤廷牟丽丽邱铭芳姚章村

黑龙江大学工程学报 2010年2期

仲崇合,郭凤廷,牟丽丽,邱铭芳,姚章村

(1.黑龙江省红兴隆农垦分局水务局,友谊 155811;2.黑龙江省友谊农场水务局,友谊 155810;3.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080;4.中国农业工程规划设计研究院,北京 100036;5.黑龙江农垦勘测设计研究院,哈尔滨 150090)

1 水资源概况及开发利用现状

友谊农场位于三江平原腹地,总面积 1888 km2,耕地91910 hm2,号称世界第一大农场。多年平均降水 504.7 mm,当地径流资源 1.071×108m3,地下水资源1.823×108m3,过境水资源1.076×108m3(按50%计)。水资源总量为3.477×108m3,扣去其他用水0.45×108m3(其中双鸭山发电厂年用量0.11×108m3)尚有3.027×108m3可用于发展农业灌溉,主要发展水稻生产。

从1997～2008年统计,主要是开发利用地下水资源,配套机电井近3000眼,发展水旱田灌溉,主要是发展井灌稻。从1997年1.47×104hm2发展至2008年达2.8×104hm2。地下水年开采量达1.3×108m3以上,而地表水资源通过提引蓄发展渠灌稻约(0.2～0.25)×104hm2。从历年地下水动态变化(表1)分析,地下水开采量是从1997～2000年平均0.696×108m3至2005～2008年平均0.925×108m3,最大达 1.487×108m3。年年补大于采。1997～2000年补采比2.08,2005～2008年补采比1.25,随着灌溉发展,地下水位下降,可逐步增加地下水资源量[降低地下水,增加纳蓄水资源(降水,地表当地径流,坡岗径流,过境水资源对地下水补给);减少地下水的无效蒸发和对外排泄,增加地下水资源有效利用率];即使发展水田,也是建设地表调节水库,而提高降水资源和其他地表水资源(即雨洪资源化)为更多可利用资源量,而达到新的补采平衡(表2)。经初步分析推估,从灌溉现状分析,1997～2000年耗用地下水量为 4462 m3/hm2,介于弱承压区4755 m3/hm2(创业)与潜水区4175 m3/hm2(850)、3750 m3/hm2(宝山)之间[1],符合本区处于潜水—弱承压区过渡的混合区规律。但通过节水灌溉(间控与控灌节水),减少水稻棵间与叶面蒸腾,可减少年耗水量,近年有减少趋势(2005～2008年平均4150 m3/hm2)。地下水平均水位 2008年比1997年降低1.17 m,平均年降率0.10 m(表3)。年恢复水位2008年比1997年仅降低0.05 m(2007年恰与1997年持平);地下水位徘徊于5 m上下(表4),稳定于理想埋深之内,有利于防洪除涝治渍,有利水资源调节与利用,有利生态环境改善。可见,友谊农场水资源开发利用以开发利用地下水资源为主,是兴利除害结合之举,开发有序合理,尚有开发利用潜力,值得总结提高。

表1 友谊农场历年地下水埋深动态表Table1 Dynamic curve of groundwater on Youyi Farm duringdifferent years /m

表2 友谊农场年地下水资源开采水平衡计算表(μ=0.08平原区面面积1549 km2)Table2 Calculate table of the equilibrium of exploitation and using groundwater on Youyi Farm

表3 友谊农场地下水开采初期1997～2008年平均地下水位变化表Table3 Average groundwater level during the early years from 1997 to 2008 /m

表4 友谊农场地下水年恢复水位变化表Table4 Comparison of the resuming groundwater level between different years /m

2 地下水资源开发利用特点

友谊农场地下水是潜水区—弱承压区过渡的混合区,第四纪孔隙水含水层厚度80～200 m,受历史形成原因,岩性、沙、沙砾、颗粒较细,给水度偏小(0.07～0.10),表层黏性土覆盖0～6 m。垂直补给为主,激发补给条件较差,与三江平原几个地下水开发典型比(潜水区,850农场;弱承压区,创业农场;混合区,291农场)具明显特点(表5)[2]。

1)平原区井灌水稻面积比(水田面积/平原区面积)仅0.18。而比850农场0.55,创业农场0.48,291农场0.33,明显低,说明地下水开采强度低,仅分别是各典型区的32%,37.5%,54.5%。

2)地下水年恢复水位,十几年来几乎没有变化,2007年与1997年持平,2008年仅比1997年降低0.05 m,平均降率0.004 m/a,与创业农场十几年共降7.13 m,850农场1.22 m,分别年降率0.59 m/a与0.10 m/a,而具明显特点。

3)地下水埋深变化5.0 m上下,对于混合区而言,尚处偏高,而不利于地下水库的综合功能和效益的发挥。按笔者初定,混合区理想埋深6～10 m,临界埋深10 m,尚有5 m距离。而潜水区理想埋深4～6 m,临界埋深 6 m。850农场已达5.42 m,仅有0.58 m;弱承压区理想埋深 10～15 m,临界埋深15 m,创业农场已达12.8 m,尚有2.2 m,又是一个显著特点。

4)友谊农场由于处三江平原腹地,气候较干旱,多年平均降水仅504.7 mm,比850、创业农场(567.4 mm与559.3 mm)少,与291农场(499.1 mm)相当,可达最大雨养水稻系数,友谊、850、创业、291分别为0.41、0.62、0.59 、0.37,而与至今已达到分别为 0.18 、0.55、0.48、0.33 比,分别达到最大雨养水稻系数的44%、93%、81%、89%。友谊农场也明显偏低,而具潜力。

从以上特点分析,说明友谊农场地下水资源尚有较大开发潜力。

表5 友谊与地下水开采典型850、创业、291农场开采地下水比较表Table5 Comparison of exploitation groundwater between Youyi Farm and 850 Farm,Chuangye Farm,291 Farm in Sanjiang Plain

3 水资源开发潜力初步分析

1)友谊多年平均降水504.7 mm,按水稻年需水E水=640 mm,旱作E水=420 mm,土地利用率η=0.6,耕地与非耕地耗水比k=0.7,若能实现降水资源多年调节,可发展水稻比41%(水田/土地面积)(表6)。从华北及三江平原的实践证明,在平原区以开发地下水库为主,进行降水的多年调节,可能达到这个指标。为此,友谊农场平原区面积1549 km2,仅降水即有发展井灌稻为主的水田6.35×104hm2的潜力[3]。

表6 友谊农场农业需水(EN)与水田比推估表Table6 Needful water quantity(EN)and the estimatement water quantity of paddy field on Yugi Farm

2)友谊原评价地下水资源为1.850×108m3(1997年评价),地下水综合年用量按4500 m3/hm2计,可发展井灌稻0.27×104hm2。

3)丰水年2002年降水达 526 mm,补给量达2.255×108m3,即使扣去全部增雨量 0.33×108m3,年综合地下水用量4500 m3/hm2计,可发展井灌稻4.27×104hm2。

4)按2007年地下水动态平衡分析,补给量可达1.537×108m3,按 4125 m3/hm2耗水计,可井灌3.73×104hm2。而2007年降水仅458.7 mm,比多年平均少46 mm,按补给地下水系数20%计,又可增加0.32×104hm2,二者迭加为4.04×104hm2。

5)用2006年平水年补给1.648×108m3,按用量4125 m3/hm2计,亦均可发展井灌稻4.0×104hm2。

综上所述,友谊农场地下水资源可能发展井灌稻4.0×104hm2以上。

4 水资源开发利用经验

1)修建平原蓄漏水库和提引灌区,提高当地水资源调控和利用率。友谊平原水库漏水严重,但照样运行,尤其引进七星河水入库,蓄贮渗漏,灌溉部分水田,增加地下水补给。如古城水库是垦区建设漏水库的先例[4];建设六分场水稻自流灌区(引七星河水);在西蒿塘建设排灌泵站,涝时排水或提涝水灌溉,平时,又提滞洪区外水灌溉,尽量做到内水内销和外水内销。这些工程不仅保证农场0.267×104hm2渠灌稻区,而且增加大量地下水补给。

2)建设闸站深沟,修建洼地渗坑,形成农田排水系统工程的新功能。农场历来涝渍灾害严重,为提高排水效果,进行深沟、闸站建设,农场建设以农沟深度1.7 m为基准的深沟网,并在容泄区口建闸站排水,使之本农场排水沟不仅可排涝,而且可治渍,控制地下水,消除地表残积水和上层滞水,对于一些典型闭合洼地甚至采取深挖坑,高台田措施,坑的深度以挖至地下沙层(5～6 m深)。利用弃土填高洼地台田,采取垂直排水新法解决涝渍危害(如友谊38队综合治理区),自从大面积打井种稻,大量抽取地下水,普遍降低地下水位。自然而然地形成井灌井排,而代替了以上深沟、闸站、渗坑排水功能,也自然而然形成新的蓄贮降水和当地径流的新功能。深沟、深坑蓄水,闸站拦水,使这些水除可以直接抽水灌稻外,而自然渗漏补给地下水,而使闸站近几年不必开闸开机排水,如东部排水站除2002年开机排水外,近5年来没有向外排过水,降雨水除全部通过抽水灌溉外而补给地下水,提高降水资源利用率和地下水资源量,使原洪涝渍水资源化,这就是农场深沟、闸站、坑塘的新功能。据了解农场回填了部分条田沟,撤了部分泵站。但应进行利弊权衡,不要随意废弃这些工程,破坏新功能。而更应扬长避短,趋利避害,如农场已在内外七星河和兴隆排干上增设12座新闸站和在斗农沟口建大量涵闸,调节控制地表水资源,增加地下水补给,就是值得称道的工程[5]。

3)采取水田激光平地、水稻间歇、间控、控灌节水灌溉及旱田微喷灌等节水新技术,采取激光旱平地,秋平地,节约泡田和整地用水,减少每次灌溉量。推广间歇、间控技术,可节水20%～30%,若采取全程控灌技术,可节水50%以上,用水量达3000～3750 m3/hm2,是4500 m3/hm2地下水耗水量近年降至平均4050 m3/hm2左右的一个原因。还注意旱作与经济作物节水灌溉,建立七分场4队国家节水示范区,发展以花生为主的经济作物灌溉,不仅节水,而且提高水资源生产力和经济效益。发展旱作灌溉可减少地下水资源负担(故旱作比水作省水)。

4)经这次调研,农场还比三江平原垦区其他农场,注意井工程建设和管理,主要采取井工程统一规划设计施工。尤其统一标准打井,采取大开孔(Φ 800 mm)统一选购井材和滤料,采取多填料,每井回填十几m3砂砾石,井深40 m以下,且采取少包网、不缠丝成井新工艺,使井1 m降深出水量达80 m3/h以上,井效率90%以上。尤其值得发扬光大的是农场至今仍保存14眼长观井,加上县的3个长观井,达17个,观测资料较全且连续,这将为今后更加合理与有序开发利用地下水及时提供科学依据。

5 水资源开发利用研究方向和奋斗目标

友谊农场水资源总量约3.5×108m3。而仅平原区的降水就具有发展6.0×104hm2水稻生产潜力。但由于存在水资源和降水的年际年内时空的变化,尤其地表水资源,由于缺少水资源的调节能力,所以很难实现这些指标,而产生严重工程缺水或用水保证率低的现状。但国内外与省内外生产实践证明,对于平原区发展水田和由于井灌开发利用地下水后,可以降低地下水位,建设地下水库,通过水田和地下水库可多年调节降水而实现发展灌溉目标,实现雨养农业。但有的地下水位降得太少(如上世纪90年代前及目前大庆地区仅多发展旱灌),不能形成应有库容。再者有的地区地下水虽已经降低,但地上水资源很难从垂直与水平方向补给地下水,造成有库无水可调,如大庆的深层地下漏斗和三江平原弱承压区(如创业农场等地下水位已降低至10 m以下,且还继续下降,而虽有多年平均降水559.3 m,和周边又有大江、大河大量过境水,但由于地表有约15厚的黏性土覆盖,且离江河较远,而补给有限,还难断定地下水还要再降多少(笔者估计15～20 m埋深)才能实现新的采补平衡,现已形成十几m地下调节库容,似乎无用武之地。

通过以上分析,可见今后关于水资源开发利用研究方向,应主要研究地下水库建设,如大庆地区应研究浅层地下水开发利用,降低地下水位;如建三江应研究地下水补给,充分利用好已形成的地下水库。而对于友谊地区,二者均应加以研究,因为友谊农场平均地下水埋深5.0 m左右,对于混合区而言地下水还偏高。故有的地区弱承压地下水埋深仅3 m左右,这些地区应发展打井种稻,提高开采强度,使地下水降至10 m以下。而对于潜水区埋深已＞6 m和弱承压区已＞15 m,则应研究增加地下水补给,甚至可以研究引雨洪渗蓄与灌溉(秋灌秋贮),使之本地区平均地下水埋深控制在8～10 m上下,进行地下水位红蓝黄区管理(表7)[6]。