基于数值分析的广域节水灌溉工程对水土保持的影响研究

吴海燕

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 831100)

0 引 言

解决有限的农业水资源的合理利用以满足农业生产需要的问题，从而提高水资源的利用率，是解决中国区域用水的重要技术方向[1]。现有研究表明，通过采用自流灌区渠道、长畦改短畦、宽畦改窄畦、长沟改短沟、沟灌改为膜上灌等农业灌溉节水方法技术能够在我国农业水资源节水工程中获得较好的收益[2-5]。

另一方面，节水灌溉对区域地下水的负面影响也逐渐暴露。在灌溉节水过程中，通过一系列节水措施、节水技术来减少输水过程、蒸发等等的水分损失，其实质是对农田系统水循环的改造过程，农田系统的水循环也由于节水灌溉的发展而发生改变[6-7]。从区域水循环路径角度分析，其基本路径可符合“取水-输水-用水-排水-回归”的规律。然而，由于渠道的衬砌、水利工程的完善以及节水技术的推广，对于地表水对地下水的补给产生了影响,减少了地表径流向地下径流的转化量的，导致地下水位埋深逐渐增大，不利于周围植被生长[8-9]。因此，研究节水灌溉工程对区域地下水位变化规律的影响，对区域水土保持工作的展开具有重要的影响。

1 区域现状

新疆某区域2001-2018年间地下水位数据资料主要来源网络资源以及相关学者的研究，在此基础上，文章对数据进行进一步的分类统计与深入分析。2001-2018年间地下水埋深变化曲线，见图1。

图1 2001-2018年间地下水埋深变化曲线

由图1河南省某区域2001-2018年间地下水埋深变化曲线及数据可知，该区域地下水位埋深自2001年埋深为16.75m后不断上升，到2018年共计18a间，水位埋深已达到27.05m。其中，自2001—2005年间，地下水埋深增长幅度最为明显，达到6.43m。结合区域农业经济发展历程分析，可知在该段时间为节水灌溉工程大面积建设时间段，节水灌溉工程影响地表水回灌地下的过程，阻碍了地下水的补给，因此在该段时间出现地下水位大幅度下降现象。此后自2005—2011年间，地下水埋深增长幅较为平稳，区域农业经济稳定发展。2011—2015年间地下水埋深增长幅度再次增大，通过实地考察，分析得出受工业经济发展影响以及新型灌溉技术的实施，该区域增大对地下水的开采，导致地下水的补给与开采失去平衡，地下水位再次快速下降。综上所述，可见该地区地下水位埋深增长趋势十分明显，这对地表植被的生长与覆盖有着极其不利的影响。

2 基于数值分析模型的区域地下水位预测

根据多因素下流体运动基本理论，建立地下水运动模型。根据三维空间下土壤水分运动的Richards方程，构建不同条件下水流动模型，基本模型公式Richards方程如下[10]：

(1)

式中：Ψm为基质势，cm；K(θ)为非饱和土壤导水率，cm/min；θ为土壤单位体积含水率，t为时间，min。

土壤水力学函数采用VG模型[11]描述，其表达式为：

Kh=KsSek[1-(1-SeIm)m]2

(2)

(3)

式中：m、n、k均为拟合参数。不同时期混凝土节水衬砌渠道渗漏图，见图2。

根据数值分析模型预测结果，节水渠渗流具有明显的时间效应，随着渗流过程的不断进行，土壤水分扩散影响范围逐渐增大。由图2可以看出，对于混凝土衬砌节水渠道，在渗漏过程进行到第30d时，最大渗漏深度达到2.51m；在渗漏过程进行到第60d时，最大渗漏深度相对30d条件下增大幅度达到34.29%，可见渗透的时间效应十分明显；随着渗透的继续进行，在渗漏过程进行到第90d时，最大渗漏深度达到4.66m，而当渗漏时间达到120d后，最大渗漏深度达到6.58m，是30d下的2.62倍。

(a)第30d (b)第60d (c)第90d (d)第120d

由图2可明显看出，随着时间的增加(30d、60d、90d、120d)，混凝土衬砌节水渠道中水不断下渗，最终在第120d达到达到总体渗透深度为6.58m，为更直观的表现出渗漏深度随时间的变化，图3为混凝土衬砌节水渠道内水渗漏最大深度随时间变化曲线。

为进一步研究渗透深度的时间效应，根据上述试验结果，建立最大深度与渗透时间关系，渗漏最大深度随时间变化曲线，见图3。由图3可知，对于混凝土衬砌节水渠道，在第30、60、90、120d时，渗漏最大深度分别达到了2.51m、3.37m、4.66m、6.58m，渗漏最大深度随着时间不断增长。通过数值分析拟合所得经验模型显示，最大渗透深度随时间不断上升且呈指数型增长，模型相关性系数R2=0.9991，这表明该经验模型具有高度的可靠性。

图3 渗漏最大深度随时间变化曲线

进一步观察到，随着时间增长，最大渗漏深度的增长速率越来越大，渗透速率与时间关系，见图4，混凝土水渠地下水渗透速率与时间关系在第1阶段(第30-60d)渗漏速率为2.87cm/d，第2阶段(第60-90d)渗漏速率为4.30cm/d，第3阶段(第90-120d)渗漏速率为6.40cm/d，水的渗透速率越来越大，且随时间增长渗透速率呈现指数型增长，水分不断向下浸润。

图4 渗透速率与时间关系

3 预测结果分析

由上述基于数值分析模型的地下水位预测结果，结合文献[12]中给出的土渠渗漏试验结果，研究不同防渗水渠方式的影响。土渠在第30d时渗漏深度便已经突破到约32m，相较之下，混凝土衬砌节水渠道的方身心跟那个远远高于土渠，其在第30d时渗漏深度仅达到2.51m，仅为土渠的7.84%。在时间效应的作用下，当渗透测试进行时间到达第120d，混凝土衬砌节水渠道的最大渗漏深度为6.58m，仅达到土渠第30d渗漏深度的20.56%。由此可见，混凝土衬砌节水渠道的长期防渗漏效果远远优于土渠。

因此可见，由于渠道防渗材料的升级，渠道防渗效果越好，相应的渠道渗漏深度越浅，渗漏量越少。同时，结合收集到的区域地下水埋深现状(如图1)，不难发现，在渠道输水过程中，受到渠道衬砌材料升级的影响，导致渠道渗漏对于地下水的补给逐渐减少，地下水埋深不断增长且增长速率较之前有所提升，不利于区域生态环境的发展。

4 结 论

根据实地调查、网络数据以及前人研究成果，基于数值分析地下水位预测模型，研究混凝土衬砌节水渠道对区域地下水位的影响，研究结果显示：

1)相较于土渠，混凝土衬砌节水渠道能够有效的防止农业水资源在运输过程中的损耗，从而达到节约水资源的效果。

2)受节水灌溉工程的建设以及工业用水开采的影响，河南省某区域地下水位不断下降，地下水埋深不断提升；并且，在2000年以后，由于节水灌溉工程的升级改造，土渠或劣质渠被置换为混凝土衬砌节水渠道，导致地下水埋深增长速率增大。

3)数值分析预测模型应用在节水灌溉工程中具有较为理想的预测效果，可以将之推广到其他节水灌溉工程影响研究中，为区域水土保持工作提供指导。