灌区渠道衬砌对地下水位的影响

□张 新 □李 静(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司)

□沈振锋 □刘景涛(黄河水利委员会)

□张艳萍(华北水利水电学院水利职业学院)

目前北方缺水灌区大量从地下抽水进行灌溉，导致地下水位逐年下降。如何提高地表水的利用系数、减少地下水的使用量成为了一个亟待解决的问题。渠道衬砌对于提高地表的利用系数存在有利的影响，可以减少地表引水的下渗，减少灌区的抽水量；但同时渠道衬砌会减少渠道水对于地下水的补给量，可能使得已下降的地下水位无法得到恢复。本文以石津灌区为例，就此研究渠道防渗衬砌对于地下水位的影响。

1.灌区基本情况

石津灌区地处太行山东麓、河北省中南部平原，位于东经114°19′～116°30′，北纬 37°30′～38°18′之间，以岗南、黄碧庄水库串联式的年调解、联合调度运用为水源。石津灌区设计灌溉面积为16.67万hm2，控制土地面积为4144km2，灌区工程受益范围包括石家庄、衡水、邢台3个地区的14个县市，114个乡，968个自然村。灌区属温暖带大陆性季风气候区，其气候特征是：春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽少雨，冬季寒冷干燥。灌区处于河北省平原少雨区，多年平均降水量为507.2mm，降水量年内分配不均，多集中在6、7、8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出现，春季降水量仅占8%～12%。

石津灌区境内地形可分为山麓平原、倾斜平原和冲积平原3种地貌。石津灌区灌溉渠系有总干、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠6级固定渠道，灌区排水系统共有排水干沟、分干沟63条，总长1160km，排水支沟380条，总长1452km，现状排涝标准多为5年一遇。排水容泄区为灌区东南边界的滏阳河。

2.G M S软件介绍

本文进行地下水运动模拟的主要工具为GMS7.1。GMS是goundwater modelingsystem的简称，它是一个地下水数值模拟的软件平台。可以对地下水进行多种模拟，包括水流模拟和溶质运移模拟，同样可以对地下水进行污染物的风险评价。GMS软件包括MODFLOW、FEMWATER、MT3D和UCODE等主要计算模块，还包含MAP、Boreholes、Grid和GIS等辅助模块。本次主要运用的计算模块为MODFLOW和PEST。

MODFLOW的计算基于式1：

式中：Kxx、Kyy、Kzz为 x、y、z方向的渗透系数，LT-1；∂ 为水头，L；ω为源汇项，表示单位体积含水层在单位时间流出或者流入地下水的体积，T-1；SS为储水系数，其物理意义为含水层地下水水头降低（或者升高）一个单位时，由于含水层垂向压缩和地下水的弹性膨胀从单位体积含水层释放（或者储存进去）的水的体积。

PEST是用于自动调节参数的计算模块，它利用一个强有力的数值反演算法来“控制”运行中的模型，程序在每次模拟之后自动调整所选择的模型参数，直到将校正的目标最小化为止，其灵活性、稳定性和可靠性优于其它的参数估计程序。

3.模型的建立及基本条件

模型区域为石津灌区控制面积，包含纯井灌区与井渠结合灌区，面积为32.16万hm2。基本模型的建立利用GMS7.1中的MODFLOW模块。

图1 石津灌区井渠灌分布图

石津灌区地势较为平坦，水平向上采用100×100的单元格进行划分如图1所示。在垂直向上将模型分为一层，厚度设为200m，地表高程由海拔-100～100m。该区主要的地下水补给为渠道入渗、降雨入渗、田间灌溉入渗和地下抽水灌溉入渗。主要的地下水排泄为抽水灌溉。本不考虑地下水补给的延迟效应，仅考虑地下水在春秋灌期间入渗。模型中不考虑地面排水沟排水，将渠道入渗及田间入渗量均摊到平面上。

根据2004－2008年石津灌区灌溉用水资料汇编分析报告，将每年时间分为五段：i=1，1月1日～2月28日，春灌前，持续59d；i=2，3月 1日 ～4月 31 日，春灌期，持续 61d；i=3，5月 1日～9月30日，秋灌前，持续153d；i=4，10月1日～10月20日，秋灌期，持续 20d；i=5，10月 21日 ～12月 31日，秋灌后，持续72d。除春秋灌时间外，其余时间渠道入渗量均视为0。

春灌引水量为2.685亿m3，秋灌引水量为0.619亿m3。渠系水利用系数为0.48，其中由于蒸发等原因，只有部分水补给地下水，取渠系损失水量补给地下水系数为0.5。根据钻孔资料及不同土层经验取值，渗透系数的加权平均值为0.308，储水系数取细砂储水系数为0.12。

灌区主要农作物为冬小麦、夏玉米与棉花。其中，冬小麦种植面积占80%，棉花种植面积占20%～40%，夏玉米为麦田复种，目前灌区农作物复种指数为1.80～1.85，其它农作物为少量种植。各种作物的生长期根据当地实际情况，同时结合相关参考资料确定。按照水量平衡原理，推求得到冬小麦、夏玉米、棉花在50%设计水平年及75%设计水平年的灌溉制度。

对以废弃油脂和麻风树油脂为原料的两种生物柴油进行GC-MS分析。图1所示为废弃油脂生物柴油的谱图，与图库比对，其主要组分列于表 1。以麻风树油脂为原料的生物柴油的 GC-MS分析结果如图2所示，主要组分见表2。对比表1和表2，可以看出生物柴油的典型组分是棕榈酸甲酯（C17H34O2）、硬脂酸甲酯（C19H38O2）、油酸甲酯（C19H36O2）、亚油酸甲酯（C19H34O2）和亚麻酸甲酯（C19H32O2）。不难发现，原材料的差异会影响到组分构成以及组分含量，为进一步说明这一点，结合相关文献[9-10]，列举其他原料制备的生物柴油组分，汇总于表3。

4.渠道衬砌对地下水位影响

4.1 方案设置

4.1.1 系数取值范围

渠道衬砌的好坏直接影响渠系水利用系数，本文采用不同的渠系水利用系数来计算不同的渠道渗漏率。通过改变渠系水利用系数的大小来推求不同渠道渗透率下地下水水位的变化。

从2001年已达到的渠系水利用系数0.48出发，取0.48～0.80每次取值增加0.02，共17种渠系水利用情况下的地下水位的变化情况。

4.1.2 计算时间及对象

本模型采用2004年1月1日的观测井水位观测值作为初始水头，来推求2030年1月1日的地下水水位。本模型共有130个应力期。每年共有5个应力期。非闰年的应力期开始时间、长度、步长如表1。本灌区共44个观测点，本次选择纯井灌区中的辛集市新城和井渠结合灌区中的辛集市孟庄作为地下水位的模拟分析目标。

表1 模型应力期开始时间、长度及时间步长表

4.2 模拟结果及分析

图2 2030年孟庄地下水位模拟结果图

图3 2030年新城地下水位模拟结果图

从图2、图3看出模拟表明在地下水位高程的变化与渠系水利用系数线性相关，纯井灌区渠系水利用系数对地下水位的影响比井渠结合灌区的影响相对较小。具体为以下几点：

4.2.1 当井渠结合灌区存在抽取地下水进行灌溉时，地下水水位随渠系水利用系数的提高而提高；故此时提高渠道的衬砌率对井渠结合灌区的地下水水位保持有利。

4.2.2 纯井灌区大部分区域地下水水位与渠系水利用系数始终存在负相关关系，提高渠道衬砌率将相对降低该区域内地下水水位。

4.2.3 当渠系水利用系数提高到一定程度时（井渠结合灌区仅发生渠道灌溉），纯井灌区与井渠结合灌区的地下水水位的变化均随渠系水利用系数的提高而下降，对于井渠结合灌区，其物理意义为渠道渗漏补给地下水量随渠系水利用系数变化的减少量大于田间灌溉渗漏入渗量随渠系水利用系数变化的增加量。故一味提高渠道的衬砌率不利于地下水的保持。

5.结语

当井渠结合灌区存在抽取地下水进行灌溉时，在优先使用地表水资源的条件下，一般来说，随着渠系水利用系数的提高，地下水消耗量减少，地下水水位抬高；故此时提高渠道的衬砌率对井渠结合灌区的地下水水位保持有利；但研究同时也表明，过高的渠道衬砌率（石津灌区当该系数大于0.74时）不利于地下水的补给。渠道衬砌率的选择要对纯井灌区地下水水位的下降及井渠结合灌区地下水水位的上升进行综合考虑。

本模型将土层设为一层，与实际情况有一定的差异，不能够真实反映地下水的运动情况。应根据钻孔数据对于各土层厚度进行插值以建立模型。

[1]易立新，徐鹤.地下水数值模拟：G M S应用基础与实例[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]黄莹，胡铁松，范筱林.河套灌区永济灌域地下水数值模拟[J].中国农村水利水电，2010,02：79-83

[3]郭元裕.农田水利学（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，1997.