柬埔寨得朗县农田地表水库与地下含水空间人工联通设计技术

2017-03-22贾茜淳丛沛桐

中国农村水利水电 2017年10期

贾茜淳，丛沛桐

(华南农业大学水利与土木工程学院，广州 510642)

0 引言

随着经济与社会的迅速发展，出现水资源短缺和时空分布不均，供需矛盾日益突出，进行地表水地下水统一规划与设计越来越受到重视[1-3]。开展有效的地表水地下水联合调度研究对合理评价区域水资源、支撑社会经济发展、改善生态环境具有重要的理论意义和应用前景[4]。

目前许多学者开展了地下水与地表水联合调度的研究工作。孙忠武等(2010年)将概念性水文模型与地下水动力学模型有机地结合起来，建立了引黄灌区地表水与地下水统一评价的联合调度优化分析，为解决大埋深条件下水资源精准评价提出一种新的方法[5]；姚斌等(2012年)通过分析新疆农八师玛纳斯河灌区水资源供需状况，结合灌区的灌溉系统、农作物种类及灌溉制度，建立了地表水与地下水联合调度模型[6]；王喜华(2015年)针对三江平原超采地下水大力发展灌溉农业，地表水利用率不高，地下水位持续下降以及湿地退化等资源与生态环境问题，建立了地下水—地表水联合模拟模型[7]；刘军(2015年)针对阿克苏河灌区地下水过度开发现状，进行了灌区地下水数值模拟和均衡计算，提出了一种地下水与地表水联合调控模型[8]；张胜华等(2016年)论述了地表水—地下水联合利用的必要性，探讨了雷州半岛地表水、地下水资源联合利用的潜力及措施[9]。

在众多已有的地表水—地下水转化与联合调度研究成果中，理论分析多，工程实践少。地表水—地下水自然联通的形式多，但以人工方式联通的非常少，尚未见有实际工程运用案例。已有的联合调度研究工作通常将地表水和地下水视为相对独立的两个系统，或者是自然条件下二者的水量转换计算，缺乏人为设计沟通地表水与地下水之间的水力联系并进行时空分布均衡计算方面的应用性研究。

本工程结合柬埔寨茶胶省得朗县某地块的农田水利工程设计，提出了地表水—地下水人工联通的设计理念与方法。

柬埔寨农业资源丰富，但由于社会经济基础薄弱，农业生产力水平低下，抵御旱涝等自然灾害的能力弱[10]。研究区雨季降水在地势低洼地漫溢出河床形成沼泽或湖泊，地势低平导致排水缓慢，易涝成灾；旱季降雨量极少，蒸发量大，河水干涸断流，土壤干旱。其稻谷主产区地势平坦，河流缺乏堤防，田间缺少灌排设施，可灌溉面积不到15% ，常常发生旱涝灾害，稻谷产量受气候影响较大。

水稻是柬埔寨的第一大作物，稻谷产量占农产品总产量90%以上，其中雨季稻占90%以上[11,12]。柬埔寨的气候条件十分适合水稻生产，每年可在雨季、旱季和前雨季种植三季，试验产量可达12.0 t/hm2，但由于受灌溉条件的限制，大多数田块只种一季雨季稻[13]。研究区农田水利工程方案设计在雨季和旱季均种植水稻，改变“靠天吃饭”的种植模式，并解决雨季泄洪排涝、旱季干旱缺水的问题。根据研究区地形地势和水文地质条件，本着充分利用地表水、合理开发地下水的原则，运用地表水—地下水人工联合调度的方法，实现雨季排洪入库入地下含水层、旱季反向取水的目标，保证水资源的合理开发与时空均衡利用。

柬埔寨茶胶省南邻越南，属于滨海平原区，得朗县位于茶胶省中南部。为热带季风气候，年平均气温29～30 ℃。受地形和季风影响，一般5-10月为雨季，11月-次年4月为旱季[14]。该区域总体地势低平，由西北向东南倾，地下水资源丰富，地表水系不发育[15]。适合开展地表水—地下水人工联通试验设计与研究。

1 材料与方法

茶胶省得朗县试验区占地面积1 667 hm2，规划种植面积1 532.7 hm2，种植作物主要为水稻。区内水利设施极度缺乏，只在局部地段开挖有排洪渠，人工水利灌溉设施很少，该区域虽然地下水资源丰富，但由于经济和电力条件等因素的制约，地下水资源利用率低，主要是在雨季种植一季水稻，旱季荒田。

经实地调查及区域内前期简易水文地质勘查，研究区地下5～30 m分布有细砂层，个别勘探孔中有中砂和粗砂，砂层水平分布且沉积厚度相对稳定,30m以下未进行地质勘查，总体地下含水层为滨海沉积相互层，富水性良好。根据工作经验，区内地下水在靠近山前地区为潜水，由山前向下游试验区渐变为承压水，研究区内承压水头地表埋深5m左右。

设计方案中考虑采用水库库底局部深入到含水层中的方式，铺设弱渗透介质，使地下水与地表水建立弱连通，形成地下水库。雨季时，地表水进入水库，水库水位抬升，并通过弱渗透介质进入地下含水层中蓄存，补给地下水，地下水位抬升(图1)。旱季时，在蒸发作用下，水库水位下降，经雨季入渗抬升后的地下水在水头差的作用下反过来补给水库，抬高水库水位，保证水库具有稳定的地下水补给源，水库水面得以维持在一定的设计水位，以近自然的方式并结合电力抽水灌溉旱季水稻农田(图2)。至旱季末期，联合系统完成灌溉任务，地表水和地下水位下降，清库容后再接收雨季洪水入库，重复上述水文循环过程，完成下一水文年的雨季水资源补充，通过“以丰补欠”方式实现年际间水资源的动态与均衡。

图1 雨季时地表水-地下水补排关系Fig.1 Surface - groundwater recharge and discharge in rainy season

图2 旱季时地表水-地下水补排关系Fig.2 Surface - groundwater recharge and discharge in dry season

2 结果与分析

2.1 水稻需水量计算

研究区年平均降雨量1 198 mm，年平均蒸发量1 271 mm。由于缺乏逐月降雨数据，故选取与茶胶省同类地区多年降雨数据作为基准来模拟研究区的每月降雨量平均值。表1为研究区月平均降雨量及蒸发量计算表。

由降雨分布规律，可估算出早中晚三季稻各阶段的蒸发量，如表2所示。

依据《最新农田水利工程规划设计手册》，作物需水量的计算采取水面蒸发量法(α值法)，表达式为：

ET=αE0

(1)

式中：ET为某时段的作物需水量，m3/hm2；E0为同时段内的水面蒸发量，m3/hm2；α为各时段的需水系数α=0.9～1.3。稻田

表1 降雨量及蒸发量计算表 mm

表2 阶段水面蒸发量计算表Tab.2 Stage water surface evaporation

渗透量取0.8 mm/d，生长周期均为100 d。早晚稻泡田定额均取1 050 m3/hm2，插秧期的田面水深为20 mm，分蘖末期落干烤田3 d。早稻生育期时段内水面蒸发总量E0为4 177 m3/hm2，α取1.15，作物需水总量ET=4 804 m3/hm2。晚稻生育期时段内水面蒸发总量E0为4 046.5 m3/hm2，α取1.1，作物需水总量ET=4 451 m3/hm2。

表3、表4为由各个种植阶段总水面蒸发量算得的早晚稻生育期逐日耗水量。

表3 早稻生育期逐日耗水量计算表 mm

表4 晚稻生育期逐日耗水量计算表 mm

在计算水稻的灌溉制度时，水稻生育期中任何一个时段内的稻田计划水层深度变化的表达式为：

h1+P+m-WC-d=h2

(2)

式中：h1、h2为时段初、末水田水深；P为时段内降雨；d为时段排水量；m为时段灌水量;WC为时段内耗水量(蒸腾+渗漏)；单位都为mm。

表5、表6为由生育期逐日耗水量计算出的早晚稻灌溉制度表。

总灌溉定额为泡田定额与灌水总定额的和，早稻总灌溉定额为4 950 m3/hm2；晚稻总灌溉定额为4 550 m3/hm2；早晚稻总灌溉定额为9 500 m3/hm2。处于雨季的中稻用水量充足，处于旱季的早晚稻总需水量为1 456 万m3。

2.2 水库设计与库容计算

研究区内设计的水库为河道型平原水库，旱季时蒸发量大，雨季时地表水资源十分丰富，可充分蓄满水库库容。因此，地表水可利用资源量仅取决于水库蓄水量(库容设计)。在研究区中部地势低洼地开挖水库(图3)。

表5 早稻生育期灌溉制度表Tab.5 Irrigation schedule of early rice

表6 晚稻生育期灌溉制度表Tab.6 Irrigation schedule of late rice

图3 渠系、地块及地表水库布置图Fig.3 Canal and reservoir layout

设计水库面积约114 万m2，在原来深1.5 m的低洼地向下开挖，向下开挖深度为H。设计了4种不同的开挖深度：3.5、4.5、5.5、6.5 m。开挖深度的设计依据是旱季充分灌溉用水后，库水接近库底为宜，便于疏通地表水与地下水之间的渗透通道。不同开挖深度对应的水库库容和土方挖方量见表7。

表7 不同开挖深度对应的库容与挖方量Tab.7 Storage capacity and the amount of excavation in different excavation depth

图4 水库开挖位置示意图Fig.4 Reservoir excavation position

在水库库底继续下挖平面尺寸50 m×30 m的通道至地下含水层(图4)，下挖深度为h。h的设计取决于揭露含水层的厚度，其目的是沟通地表水库与地下含水层之间的水力联系，形成地表水-地下水联合水库。当含水层为多层承压水时，视供需平衡确定h值。水库堤坝采用均质碾压土坝，拟定坝高2.5 m，坝顶宽6 m，坝坡坡率为1∶2.5(图5)。

图5 水库开挖纵剖面示意图(单位：m)Fig.5 Longitudinal section of reservoir excavation

2.3 地下水静储量计算

地下水静储量表达式为：

W1=μ×F×M

(3)

式中：W1为地下水的静储量，m3；μ为含水层给水度(细砂：μ= 0.15～0.2，中砂μ=0.20～0.25)μ取平均值0.2；M为含水层平均厚度，m；F为含水层的分布面积F=15.3 km2。当M=2 m时，W1=0.2×15.3×2×106m3=6.12×106m3；当M=5 m时，W1=15.3×106m3；当M=10 m时，W1=30.6×106m3；当M=15 m时，W1=45.9×106m3。

2.4 含水层弹性释水量计算

由于雨季补给作用，雨季末旱季初期承压含水层水位接近地表，随着水库水位的下降，地下水与水库水头差增加，含水层中的地下水弹性释放和地下水侧向补给量将持续补给水库，由于勘探资料不足，为保守计算，侧向补给量忽略不计。

承压水含水层的弹性储存量表达式为：

W2=μe×F×△h

(4)

式中：W2为地下水的弹性储存量，m3；μe为承压水弹性释水系数，砂土中μe取10-3；F为含水层的面积，m2，研究区中F=15.3 km2；△h为承压水位降低值，m。

当△h=2时，W2=15.3×10-3×2×106=3.06 万m3；当△h=5时，W2=7.65 万m3；当△h=10时，W2=15.3 万m3；当△h=15时，W2=22.95 万m3。

2.5 水资源平衡分析

研究区水资源量为地表水库库容、地下水静储量与含水层弹性释水量之和，表8为不同含水层厚度和水库设计水深下的水资源量。

表8 不同含水层厚度和水库水深下的水资源量Tab.8 Water resources in different aquifer thickness and reservoir depth

由于地表水库和地下水资源量不能全部被灌溉所用，保守估计地表水利用率取70%，地下水利用率为50%，地表水和地下水按利用率折算。研究区每年早晚稻所需灌溉用水约1 457 万m3，灌溉保证率为水资源可利用总量与1 457 万m3的比值。表9为不同含水层厚度和水库设计水深下的灌溉保证率。

可见，当含水层平均厚度为2 m时，水库水深取最大值8 m的方案灌溉保证率才达到64.7%。当含水层平均厚度为5 m时，各方案灌溉保证率能达到79.5%～96.2%。当含水层厚度为10 m和15 m时，即使水库水深取最小值，也能满足水稻灌溉要求。因此，当含水层厚度10 m以上时，可有多种开挖深度方案供选择。

灌溉保证率取决于水库和含水层的组合关系(图6)，用插值法做出阴影部分为灌溉保证率75%到100%的水库水深和含水层厚度组合区间，其余部分为低于75%和高于100%的方案组合。

图6 灌溉保证率与水库和含水层关系图Fig.6 Relationship between irrigation guarantee rate and reservoir and aquifer

表9 不同含水层厚度和水库水深下的灌溉保证率Tab.9 Irrigation guarantee rate in different aquifer thickness and reservoir depth

综合灌溉保证率、经济成本和生态环境保护等因素，选取图中阴影部分为推荐方案模块。落入该区域内的方案，灌溉保证率介于75%～100%之间，能基本满足水稻需水，同时需要扰动的含水层厚度在5 m左右，对地质环境保护程度较好。地下水与地表水联通通道深度适中，施工难度小，经济成本低于高灌溉保证率(大于100%)方案。因此，阴影区域内的方案为优选方案，具体设计方案根据地质详勘查明的区域含水层平均厚度选定。

3 结语

研究以柬埔寨得朗县水稻种植区为对象，采用地表水库与地下含水空间人工联合设计技术，在农田开挖水库，水库库底与地下含水层联通。实现雨季时洪水入库，并通过弱渗透介质进入地下含水层中蓄存；旱季时，经雨季降水补给后的地下水水位抬升，反过来补给水库，解决农田普遍雨季洪涝、旱季严重缺水的问题。研究区内大气降水形成的地表径流补给量和区域地下水资源储存量充足。地下水资源量由含水层厚度和水平分布范围决定，当含水层厚度大于10 m时，地下水和地表水联合水资源量能满足两季水稻灌溉需要；含水层厚度为5m时，旱季灌溉水资源经地下水—地表水联合调度，地下含水层弹性释水，各方案灌溉保证率能达到79.5%～96.2%。建议水库库容561～909 万m3，含水层厚度4～8 m为最佳方案，灌溉保证率能达到75%～100%。各方案虽然保证程度不同，但经过多年的雨季储水，具有了年际间的补充调节能力，在时间和空间上对区域水资源进行了重新调节分配，实现年际间水资源的均衡，达到雨季和旱季都能种植水稻的目的。

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