某灌区潜水拦蓄试验及调控效果分析

王亚辉

(北票市龙潭水库管理处，辽宁 北票 122124)

自古以来，农业作为我国的支柱型产业对国民经济发展一直有着重要的影响。农业是国家的根本，而水是农业的根本，据统计，我国每年农业用水量高达4500亿m3，占我国总用水量的65%。目前，我国仍属于缺水国家，水资源集中分布在长江流域及长江流域以南，西北、华北、东北等地区水资源较为短缺，这种不利因素阻碍了农业的发展[1- 5]。农业用水主要用于浇灌农田，维持农作物生长，在干旱少雨地区，仅通过降水不足以满足农作物生长要求，这就需要人工对农田进行浇灌，浇灌的方法经过几千年来的演变逐渐由传统浇灌方法到喷灌技术再到微灌、滴灌技术等，灌溉方法逐渐朝着节约水资源方向上发展[6- 8]。

节水灌溉是一项既可以保证农作物的生长要求，又可以减少水资源浪费的新型技术，这一技术的核心是利用各类农作物主要依靠根部吸水这一特点，将水资源尽可能直接作用到农作物根部，由此逐渐衍生出了雾滴喷灌、地下滴灌、管道输水灌等方法。在现有技术的基础上，本文提出一种利用地下水闸控制、拦截地下潜水的方法，将地下潜水引入农作物灌溉中，降低农业灌溉用水量。通过试验地块内的地下水槽控制、拦截地下潜水，观测分析潜水拦蓄试验达到的实际灌溉调控效果。

1 灌区概况

1.1 试验区概况

本次试验区域位于某省西部某灌区，灌溉面积达3.74hm2，但灌区内各设施建设时间较久，多处设施存在漏水问题，区内设施损坏率接近20%，灌溉水利用效率低，仅为40%。近几年来，针对灌区的各处损坏设施以及低利用率方面问题，政府相继采用新型设备、新工艺、新材料对灌区进行了改扩建和维修。

1.2 水文地质概况

灌区处于温带，干旱季风气候，区内年最大温差可达72℃，年平均降水量为450mm，年平均蒸发量为870mm，且降水集中出现在夏季，属季节性严重缺水地区。灌区属冲积平原地貌，区内地势较为平坦，地表最大高程差约为6m，现场岩土工程勘察报告表明：灌区覆盖面积内地下岩土主要分为粉质黏土、粉细砂和中砂夹砾石，各层分布范围见表1。

表1 灌区内地质分布

灌区内农业土壤类别主要包括黑钙土、盐碱土、沼泽土、泥炭土、水稻土、草甸土、冲积土和风沙土等土质，各类土质在灌区内的分布面积统计见表2。

图1 地下水闸设计

表2 灌区内农业土壤类别及面积统计单位：hm2

1.3 灌溉系统概况

灌区内耕地面积约4万hm2，每年粮食产量可达30万t，主要包括3座水站，各类沟渠累计长度超过300km。通过近些年的改扩建工程，区内灌溉站及附属设施总计超过1000座，并配备测量水中心站自动化设施，提高灌区节水灌溉与用水调控能力。灌区内灌溉用水量为4亿t/a，灌溉水来源主要包括河流水以及地下水。

2 潜水拦蓄试验设计

2.1 试验场地选择及设施布置

本次潜水拦蓄试验场地选择在灌区排水干渠前，紧靠水田，试验场地北侧为灌区重点试验室，试验场地内东侧为水生态实验室。

试验场地范围内原有结构物包括2处试验室和3座监测井点，为了满足本次试验的要求，在场地内新建了2座地下水闸、1座地下水槽及9处监测井点。

2.2 试验场地新建工程设计

2座地下水闸位置分别位于试验场地内东西两侧，相隔距离为700m，地下水闸结构主要分为上下2部分，上部结构高为1.75m，宽1.43m，主要用于水闸的安放。下部结构埋入土体内部，埋深为3m，结构侧壁采用300mm厚C25钢筋混凝土，底部采用400mm厚C25钢筋混凝土，结构下部为100mm厚C10素混凝土垫层。下部结构为地下水闸的主体结构，主要用于PVC管材和浮球布置，同时具备检查井的功能。地下水闸设计图如图1所示。

地下水槽深度为4m，主要材料为防渗膜，PVC管上侧管壁预留渗水孔，周围用砂砾配合土工布包裹，防止泥沙堵塞渗透孔。其原理为利用防渗膜阻断地下水的水平渗流，并将渗流到达防渗膜处的地下潜水引入PVC管中，通过连接的管道汇入地下水闸处，从而达到拦截、汇集、储蓄地下潜水的目的。地下水槽设计如图2所示。

图2 地下水槽设计断面

场地内新建监测井点主要位于地下水槽北侧区域内，井深5m，内径0.4m。新建监测井点与原有井点共同对本次拦蓄试验中地下水位高度变化进行监测。

图3 拦蓄效果对比

3 调控效果分析

试验结果的分析主要包括试验场地内各监测井点水位变化对比分析以及对地下拦蓄的潜水水质指标的分析。

3.1 拦蓄调控效果分析

首先对现场井点区域进行分组，位于地下水闸以及地下水槽处的新建5号、6号、7号井点为第1组，原有的7号监测井点作为第1组的对照组；位于地下水闸及地下水槽北侧约1km处的新建8号、9号井点为第2组，原有的6号监测井点作为第2组的对照组；位于地下水闸及地下水槽北侧约2km处的新建1号、3号、4号井点为第3组，原有的5号监测井点作为第3组的对照组。监测的各组数据均取组内平均值。

试验选择时间为灌溉期(5—9月)，将地下水闸关闭进行拦蓄地下潜水。在试验期间分别记录各组监测井点水位数据，对比各组监测井点与对照组监测井点中水位高程。各组水位高程数据分别绘制时间-水位高程曲线，如图3所示。

由图3(a)可以看出，经地下水槽拦蓄后的地下水位高程明显降低，在拦蓄的初期，地下水槽拦蓄处的地下水位下降趋势陡然增加，说明初期拦蓄效果显著，在地下水槽拦蓄深度范围内的地下潜水基本上进入渗水管道。经过3个月的拦蓄后发现周围地下水位高程开始下降，拦蓄处水位升高，说明经过长期的拦蓄，周围地下水开始向拦蓄区域汇集，而后地下水槽拦蓄处两侧的区域地下水位也开始逐渐下降，下降速率随时间的增长呈上升趋势。

由图3(b)可以看出，距地下拦蓄区1km的第2组监测井点中地下水位高程在初期因地下拦蓄潜水的原因有较为明显的下降，后期随着第1组处拦蓄水量的增加第2组区域地下水位也有所上升，但在整个过程中原有6号监测井的地下水位较稳定且有较小的整体下降趋势，说明地下拦蓄潜水对这一区域的影响较拦蓄区域弱。

由图3(c)可以看出，距地下拦蓄区2km的第3组监测井点中地下水位高程在试验初期下降不明显，说明试验初期试验区拦蓄潜水还未影响到此区域，经过2个月的时间，拦蓄潜水的效果开始影响第3组监测区域，地下水位开始明显下降，说明拦蓄区域对第3组区域产生的效果具有时间效应。

3.2 拦蓄试验影响范围分析

从整体上看，经过潜水拦蓄试验后，试验区一定范围内地下水位有所上升，达到了预期的效果，节约了试验区内的灌溉用水量，为了进一步探究地下水槽与地下水闸作用的影响范围，对上述各监测井点结果进行计算分析，得出地下水槽拦蓄试验后地下水位变化值与距地下水槽长度关系曲线，如图4所示。

图4 拦蓄试验后场地内地下水位高度随距离增加变化关系曲线

从图4可以看出，随着距离的增加，地下水位变化值呈逐渐减小趋势，当距离接近2500m时，地下水位与原水位变化值基本为0，说明本次拦蓄的纵向影响范围约为2500m。

4 结论

通过在某灌区内进行了潜水拦蓄试验，试验结果发现，经过该系统可以实现对地下水位的调控，试验开始约3个月后试验区地下水位逐渐上升，达到地下灌溉农作物的要求，拦蓄试验的纵向影响范围约为拦蓄系统后侧2500m。这为该灌区的地下水合理调控和利用奠定了一定的基础，也为类似灌区提供了借鉴。