干旱区内陆河流坎儿井式灌溉与排水工程研究

裴建生，徐 燕

(1.新疆维吾尔自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心(院士专家工作站)，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 前言

与大河流相比较，干旱区中小河流具有明显的差别。纵坡陡、径流小、泥沙多、洪水峰高量小、蒸发强烈、河流出山后大量地表水迅速入渗转化为地下水，是干旱区中小河流的普遍特点，然而它的灌溉与排水工程却一直延用大河灌区的常规技术方案。多年的运行经验表明：现有的灌溉与排水工程难以克服灌区普遍存在许多问题，极大地限制了干旱区水资源的高效利用，本文提出了一种新的工程型式，以期寻找到一种适合干旱区内陆河流灌区特点的灌溉与排水工程技术方案。

1 干旱区中小河流的特点

1.1 地形地貌、水文及耗水特点

干旱区内陆中小河流域在地貌上沿河流纵轴向，由山区、山前冲洪积扇、细土平原、绿洲与沙漠过渡带和沙漠组成[1-2]。山区是河流的产流区或径流补给区，径流由冰川、融雪水和雨水组成，水流相汇成为流域的干流，山区地形峻陡，河道纵坡大，河床窄深，水流相对集中，流速湍急。出山口后，纵坡变缓，流速降低，水流分叉。进入细土平原中下游，河道游荡，水流浅而宽，并逐步湮灭于沙漠前缘。河流的径流特征是年季相对稳定，年内变化较大，迅期多集中于6—8月，水量占全年的70%左右，洪水虽峰高量小，但在汛期径流中仍占有较大比重。由于中下游河道平坦，地下水位较高，地层垂直入渗较弱，加之蒸发强烈，洪水大部分入渗于山前冲洪积扇，转化为地下水外，另一部分多以水面蒸发的形式散发于大气。细土平原是现代灌区，所形成的人工绿洲是人类生产和生活的主要场所，人工绿洲和天然绿洲是水资源的两大竞争性消耗区，人工绿洲对水的矿化度有要求，灌溉水源一般为小于1g/L的淡水；天然绿洲以野生的红柳和胡杨以主，以地下水为主要水源，它对水的矿化度基本没要求，一般为大于3g/L的淡咸水或咸水，天然绿洲区是阻挡风沙侵蚀人工绿洲的屏障，是干旱区不可或缺的组成部分。

1.2 主要水文地质特点

1.2.1山前冲洪积扇

受构造挤压运动的影响，随着山区地形的抬升形成山前冲洪积扇凹陷区，凹陷内沉积了巨厚的砂砾石层，是地下水赋存的良好空间。该区域内含水层颗粒粗，河道渗漏是地下水的主要补给源，水循环条件好，导水性强。含水层一般为单级地层，渗透系数30～100m/d，水质良好，与地表水基本一致，矿化度一般小于0.5g/l。上游地下水埋深大，由于沿河道纵向含水层颗粒由粗变细，同时地下潜水流量逐步增多，其下游的地下水位便逐步升高，进入细土平原地层的透水性进一步变差，地下水便在山前冲洪积扇缘处溢出地面。储水构造外部轮廓随河流的大小而异，沿河流方向一般长度为10～30km，宽度约8～25km，其总储水量十分巨大，往往数十倍于河流的年径流量，水的更新周期20～100年[3-4]，是区域内地下水流系统中最主要的水源[5-6]，也是储存地表余水的理想场所。

1.2.2细土平原区及过渡带

细土平原区是山前冲洪积扇的延续。随着河水的流量变小，速度降低，挟砂能力随之变弱。从上游至中游，含水层颗粒相对较粗，区域地下水流系统的水循环条件较好，与冲洪积扇凹陷区的区域地下水的流的交换强烈。沿河道地表水与地下水有局域的交换。但含水层变为多层结构，层间夹杂厚度较薄且不连续的细颗粒的不透层，渗透系数5.0～50m/d，水力坡度0.3～1.5%，地下水位1.0～8.0m。水质依然良好，矿化度一般小于0.3～1.0g/l。主河道或山洪沟等地形低洼处发育有纵向泉水溢出带。地下水的补给源主要有两部分；其一为侧向水平流入的区域地下水流，其二为渠系及田间的垂直入渗。区域内的地下水主要由泉水、机井、植物的蒸腾和裸地的蒸发向外排泄。

细土平原区下游至过渡带，仅洪水期地表水可到达本区域，含水层颗粒相对较细。区域地下水流系统的水循环条件较弱，含水层变薄并为多层结构，层间多为较为连续分布的细颗粒的不透水层，富含承压含水层。地下水补给条件差，更新周期十分缓慢，一般为1000～10000年以上，渗透系数2.0～10m/d，水力坡度0.03～0.5%，地下水位1.0～10.0m。部分流域仍发育有纵向泉水溢出带，但水量变少并不断消耗，表层地下水矿化度一般大于3.0g/l，个别流域可高达8.0g/l以上，只有部分深层滞流区地下水矿化度小于1.0g/l。地下水位较高的区域，由于强烈的裸地蒸发，水去盐留，盐碱地发育。地下水主要由裸地蒸发和植物蒸腾向外排泄。

2 灌溉与排水工程现状及存在的主要问题

2.1 灌溉与排水工程现状

干旱区中小灌区虽然具有自身的特点，但一直延用常规的灌溉和排水工程体系，其主要特征是将灌溉与排水工程分而设之。灌溉工程主要含有水库、机井、引水工程、引水干渠和相应的输水渠系，水库和机井是水源工程，水库的主要作用是在时空上调蓄灌区内的地表水资源，机井用来开发利用灌区的地下水资源，主要作用有两点：其一是与地表水联合调度来满足灌区的需水要求，从而形成所谓的混灌区；其二是独立形成以地下水为水源的纯井灌区。干旱区的排水工程一般布置在地下水位较高、地下水渗透性较差的细土平原区中、下游区，工程由干、支、斗、农排水渠组成。农排的作用有两点：其一是控制田间的地下水位，为田间垂直排水创造了条件；其二是直接承接田间的洗盐水，为田间水平排水创造了条件。干排是总汇水排渠，它汇集上级排渠的水体，并将其排入河道尾闾或灌区低洼的容泄区，从而形成了“干排盐”的排水体系。现有的排水系统一般仅能将田间的地下水位控制在1～2m左右，干排中水体的矿化度一般为3～10g/l。随季节变幅较大，其水量一般被视为灌区中的污废水，多数以裸地蒸发或水面蒸发的方式消耗。

2.2 灌溉与排水工程存在的主要问题

2.2.1调蓄工程能力相对不足，损耗大效率不高

山区水库是干旱区河流目前共认的理想的调蓄工程，然而由于大水大沙的径流特点，大多数山区水库只能采用“蓄清排洪”的运行方式，汛期死水位运行，以防大量泥沙淤积库中影响水库寿命。山区水库的这种运行方式，限制了灌区“洪水资源化”能力。一些缺乏建设山区水库的河流，普遍采用平原水库对地表水进行调蓄，然而强烈的水面蒸发和渗漏，使干旱区的平原水库库损率高达35～70%[7]。不仅如此，无效的渗漏还造成水库周边灌区的地下水位上升，为其带来了次生盐碱化问题。由于调蓄不足，“浇白地”现象普遍。播前灌改为冬季“浇白地”，灌溉定额需由70m3/亩增加到120m3/亩以上，浪费严重。

2.2.2地下水开采量的量化困难，能耗高

上、中游灌区地层的导水性强，富水条件好，单井出水量大，是灌区最适宜开采地下水的区域。地下水的适度开采，有利于将当地的地下位调控到合理区间，从而减少无效或低效的蒸发、蒸腾，提高水资源的利用效率。难以准确量化地下水开采量始终是困惑人们的问题，虽然水均衡法告诉我们区间地下水的可开采量的计算方法，但相应的侧向流入、流出量、渠系利用系数等均难以准确测量，并随外部条件的变化而变动，因此，地下水开采量的准确量化十分困难。这些因素致使一些灌区的机电井或者超采地下水，使区间地下水位持续下降，或者本身可开采量富足，但因缺少外区域输水工程，加之高昂的运行费用，不能将机电井群的水量向外调配，最终使地下水不能完全高效利用。

2.2.3中下游灌区的地下水位高

合理科学的地下水位是减少灌区内潜水的无效或低效蒸发量的根本保障。地下水位过高所造成的大量潜水的裸地蒸发既是土壤盐碱化和次生盐碱化的根源，又是灌区表层地下水矿化度增高的主要原因[8]。干旱区土壤的潜水蒸发十分强烈，如图1所示是新疆叶尔羌河流域均衡试验站多年潜水蒸发试验资料。现有的排水工程只能将中、下游灌区的地下水位控制在1.5～2.5m，所产生的无效裸地蒸发和低效的植物蒸腾量十分惊人。而浅层地下水又往往由于矿化度高，无法加以利用。使该区域的灌区水资源利用既不合理，灌溉条件又差。

图1 干旱区典型河流土壤潜水蒸发试验资料

2.2.4天然绿洲与河道地表水联系薄弱

人工绿洲和天然绿洲是干旱区的两大竞争性受水区，天然绿洲主要依靠汲取地下水而繁衍，人工绿洲大量引水灌溉或多或少影响了天然绿洲的地下水量。多年来，即使人们发现灌区排水渠中水源的矿化度低于天然绿洲地下水的矿化度，也没人工回补绿洲地下水的工程措施，而是认为只要下泄相应的生态基流，天然绿洲的植被便可“自然”生长。然而由于河道出山口距离天然绿洲遥远，所下泄的生态基流往往仅在洪水期才能到达天然绿洲区，加之中下游河道宽平，有的河流甚至没有明显的河床，所下泄的水体多以水面蒸发的方式消耗于宽平河床中，输水效率十分低下，产生的综合生态效果也十分有限。

3 一种干旱区内陆河流坎儿井式灌溉与排水工程

3.1 工程的设计思路及技术方案

以流域为单元，将流域内的人工绿洲和天然绿洲看作地位平等的两大受水灌区，把地表水和地下水作为一个水资源总体，视全灌区的地层为一个统一的巨大储水构造。利用灌区内的水文、地形和水文地质条件条件，采用现代水利工程构筑方法，使全灌区的地表水和地下水连为一体，并将全灌区的地下水位控制在合理的范围。通过地表水和地下水的联合调度，高效率低能耗地利用水资源，来满足两大绿洲的需水要求，是本灌溉与排水工程的总体设计思路。

“藏水于地下”、“取水于自流”、“输水于管道”、“上排下灌”是本灌溉与排水工程的设计思路。“藏水于地下”是指将富余的地表水通过回补工程引渗入地下含水层；“取水于自流”是指在灌区需水之时，如同坎儿井一般，利用灌区的地形的自然坡度将地下水自流引出地面；“输水于管道”是指在输送地下水时最好采用管道输水，以提高输水效率并尽可能满足高效节水灌溉的压力要求；“上排下灌”是指通过上、下游两道地下集水廊道的上、下拦截，一方面将区间的地下水位控制在合理的范围，另一方面可利用上游集水廊道中的地下水作为灌区的灌溉水源。

3.2 工程的总体布局及主要结构

本灌溉与排水工程含有：地面引水工程、引渗回补工程、地下集水廊道、引水干管、自流输水干管等水工构筑物，本灌溉与排水工程平面布置示意图如图2所示，工程剖面示意图如图3所示。工程布局特点在于灌区内至少布置两道地下集水廊道，灌区地形较为平坦时，廊道可沿灌区等高线线布置横向布置，廊道中的设计水位低于地下水位8～20m，井与井的间距60～200m，两排廊道的间距一般5～10km，沿廊道轴线布置有辐射井群，它作用是均匀地拦截控制该断面的地下水和地下水位。考虑到灌区内地层为多元结构，为了增加灌溉水量辐射井内还布置有管井，井和井之间的设有连通管，通过将引水干管与廊道相连，将灌区内地表水和地下水连成一体，形成了纵横交错的水网。末排廊道设有通往天然绿洲的输水引渗暗渠，它的功能是将灌区余水或将矿化度较高的水体输至天然绿洲区，并渗入地下的地下水系统之中，以增加天然绿洲的受水面积，保证天然植被的耗水量。

图2 本灌溉与排水工程平面布置示意图

图3 本灌溉与排水工程剖面示意图

工程由自流输水干管将地下集水廊道中的地下水自流引出地面，一方面节省了大量的电力消耗，另一方面，自流引水，是定水位取水，其水量受水位的限制，水位降低出水量自动减少。因此，工程是一种取之有度的水源工程，它不会也没有能力超采地下水。而机井抽水是定流量取水，当水量不足掉泵时，则可以增加井深，降低水泵的安装高程，保证水量，极易发生井越打越深，地下水位越来越低的超采地下水现象。

当灌区内纵向山洪沟较为发育，为了减少廊道的工程量，廊道还可以采用纵向布置方案。当灌区较宽时，也可以采用分段的技术方案，将廊道分成段，形成若干相对独立的条块状布置方案，以有利于工程的建设。当地形坡度过缓时，还可以在廊道合适处设定水位泵站，以代替自流输水干管的作用。在实施过程中，应依据灌区的现状、地形、水文地质、施工技术等条件，通过具体的分析计算和方案比选择优而定。

3.3 工程的基本原理及调度运行

3.3.1基本原理

工程的水力学原理说明示意图如图4所示，W0为河流地表径流量，灌溉期，河道的径流由地面引水工程优先配置于上游地表水灌区，而非灌溉期的地表径流以及洪水期的地表余水W01，经自然入渗和引渗回补工程引入地下，储存于冲洪积扇凹陷区，成为灌区的地下水源。灌区的这两大独立水源，共同承担着灌区的灌溉任务。显然，它们的总水量为W0，其中，地表水源的水量为(W0-W01)，地下水源水量为W01。

图4 本灌溉与排水工程水力学原理示意图

地表水源在输送的过程中大部分输向最终目的地-田间地头，小部分水量在输送过程中，由于各级渠系的渗漏转换为地下水，并成为可重复利用的地下水资源W02。同理，地下水源在输往田间的过程中，大部分亦到达田间地头，小部分在水的输送过程中，亦再次转换为地下水，成为可再次重复利用的地下水资源W03，W04。

W1quan和W1zhen分别是无廊道取水时，1-1断面和2-2断面的区间泉水溢出量和土壤潜水蒸发蒸腾量。对应于田间的农作物的需水而言，泉水资源W1quan仅在灌溉期是有效的，非灌溉期是无效的，其水面所产生的蒸发也是无效的，总体而言是低效的。W1zhen中的蒸腾量在作物生长期是有效的，幼苗期和成熟期是无效的，裸地和蒸发量则是无效的，总体而言是无效或低效的。当区间无灌溉及廊道未取水时，由水均衡原理可得如下方程式：

W1quan+W1zhen+W12=W11或W1quan+W1zhen

=W11-W12

(1)

当区间有灌溉及廊道有取水时，水均衡方程式变为：

W1quan+W1zhen+W12+W1=W11+W02

(2)

(3)

由上述水力学分析可得出以下基本结论：

(1)本灌溉与排水工程所示的地下集水廊道，可以通过控制地下水开采量将区间的地下水位控制合理的范围之内，将地表水量(W0-W01)转化为地下水，意味着洪水和闲水得到了高效应用，将Wquan和Wzhen转化为地下水，意味着泉水和土壤的蒸腾蒸发水量到了资源化高效应用，从而使本灌溉与排水工程的水资源利用达到了最大化。

(2)本灌溉与排水工程，引入灌区的水资源总量为W0，其中地表灌溉水量为(W0-W01)，地下水灌溉水量为(W1+W2+W3)，并有(W1+W2+W3)≈W11+W02+W03+W04=W01+W02+W03+W04，引入灌区的总水量为W=W0+W02+W03+W04，式中W02+W03+W04在输送水量过程中水量损失，因此，灌区田间得到的水资源量仍为W0，这说明本灌溉与排水工程将引入灌区的水资源几乎完全输送于田间，换言之，其综合输水效率几乎等于1.0。

(3)廊道取水后，随着水位下降，将带动区间的地水位整体下降，泉水随之再次转化为地下水，区间土壤潜水蒸发蒸腾量也随之减少，并转化为高效的灌溉水源。但廊道的取水量不应超过它的最优取水量，以有序开发地下水资源，并防止地下水的超采。

3.3.2工程的调度运行

本灌溉与排水工程由现代水利工程方法构筑而成，由于工程将灌区内的地表水和地下水连为了一体，形成了互连互通纵横交错的水网，因此，可以通过工程运行过程中的灵活调度进一步达到水资源高效利用的目的，具体调度方法如下：

(1)蓄水和供水调度：当河道有余水时，首先通过引渗回补工程将余水蓄存于山前的储水构造中。当第一排廊道的水位较高时，可打开相应的控制闸、阀，将余水输至下级水位较低的廊道之中。灌区需水时，优先开启相对应的廊道供水。当水量或流量不足时，可打开上游廊道的相应控制闸、阀，将其水量引入本廊道中的水量，共同满足灌区的需水要求。

(2)控制地下水位调度：当廊道水位较高时，说明区间灌区的地下水位过高，无效或低效的水资源消耗较大，此时开启本廊道控制闸，向下游灌区或天然绿洲区供水。各级廊道间也应依据水位优化调度，以使灌区尤其是下游灌区处于较低水位。当单元内的局部区域的地下水位较高时，还可以定向开启廊道辐射井和管井中出水口的控制阀，以精准控制地下水位。

(3)天然绿洲区的供水调度：工程的末级廊道是天然绿洲区主要供水保障，当廊道中的水位较低时，应依次开启上游廊道的控制闸，向末级廊道供水。当末级廊道的水体矿化度过高，也应适当开启上游廊道的控制闸，用于冲淡末级廊道水体的矿化度。

3.3.3小结

从上述理论分析和工程调度方案可知：

(1)干旱区的地表水和地下水是一个水资源整体，在水资源储存和输送过程中，只有水面蒸发量和土壤的潜水蒸发蒸腾量是无效和低效，也是不可逆的，而渠系和田间的深层入渗损失是可逆的，只是由地表水转化为地下水，仍可被有效利用。因此，应首先从减少水资源不可逆方面着手分析研究，并寻找提高灌溉与排水工程的效率技术方案。

(2)干旱区中小河流有其自身地形、水文和水文地质特点，常规的排水工程只能将其区间的地下水位控制在2m左右，大量的地下水由潜水蒸发蒸腾量进行排泄，是一种低效的水利工程。本坎儿井式灌溉与排水工程，既能将两廊道区间的泉水和渠系田间的有效入渗水转化为灌溉水源，又可将灌区内无效和低率的蒸发蒸腾量转化为灌溉水源，是一种科学和高效率的水利工程。

(3)廊道在设计及运行过程中，应通过分析计算制定出其最高设计水位和最低设计水位。廊道的最高设计水位应以区间的地下水位普遍下降到3.5m以下为标准，廊道的最低设计水位应以不影响区间外地下水位为依据，只要廊道处于这两个水位之间运行，便自动达到了最优也是最大的地下水开采量。

(4)工程的系统性、整体性、精准性和高效性远比机电井群优越。本工程采取的定水位取水的方案，不仅能整体精准控制灌区的地下水位，还可以使地下水的补给量与开采量高度一致，并且，在利用地下水的过程中，没有过量开采和未充分利用之忧，地形坡度较大时，也无需消耗动力。

(5)廊道的最高设计水位和最低设计水位区间含水层的储水量十分可观，并可以通过两排廊道的间距对它的储水库容进行调整，间距和两水位差越大，储水库容亦越大，这个库容完全可以满足流域内水资源的年内和年际调节。

3.4 工程实例

3.4.1常规灌溉与排水工程基本布局

为定量说明工程的特点、布局及相应的效果，现以某干旱区某灌区以例，拟通过常规灌溉与排水工程与本灌溉与排水工程相对比，以便于定量说明本工程的优点。

灌区土地现为荒漠盐碱地，上伏稀疏耐盐植被，南北长6.1km，东西宽8km，开发为净灌溉面积5万亩的灌区，地面高程1140.0～1120.0m之间，北高南低，高差20m，东西地形平坦，土壤为沙壤土，平均地下水位1.6m，对应的潜水蒸发系数0.18。灌溉水源由外部管道输入灌区，采用节水灌溉方式，灌溉水利用系数为0.8，采用常规灌溉与排水工程时，考虑作物生长期可吸收部分地下水因素，净灌定额为350m3/亩，灌溉需水2188万m3，渠系及田间有效入渗地下水量150万m3。灌区需设支、斗、农排水系统，农排深2.5m，支排投入灌区总干排，干排通入沙漠区。

3.4.2新结构灌溉与排水工程基本布局

采用本灌溉排水工程时，可沿东西向布置两排长8km的集水廊道，4.3km的自流输水干管引至灌区地面高程1128.0m处，上游廊道的最高设计水位1135.0m，最低设计水位1133.0m；下游廊道的最高设计水位1115.0m，最低设计水位1109.0m。重力给水度采用0.1时，对应的调节库容约976万m3。工程运行后，可将区间的地下水位由现状的1.6m控制到3.4～5.4m之间，对应的潜水蒸发系数0.02。由于作物生长期基本无地下水可吸收，因此，灌区的净灌定额取为380m3/亩，总灌溉需水2375万m3，则上游廊道的年取水量W2=6100×8000×(0.18-0.02)÷10000+150=931万m3，灌区净灌溉需水量下降为1444万m3，下游廊道还可以作为下游灌区的水源。十分明显，实例中，本工程每年可节水量744万m3，节水率34%，这些节水量绝大部分源于无效或低率的潜水蒸发蒸腾。

3.4.3效果及推论

由本实例可以得出：本工程虽然仅由两排长8km集水廊道和4.3km的自流输水干管组成，工程简单，调度运行便捷，但功能却十分完善。首先，它可以精准将灌区的地下水位控制到3.4～5.4m之间，这是一般排水工程不能比拟的。其次，它还可以每年向灌区提供744万m3灌溉水量，并且不消耗电能，这也是机电井所不具备的。

第三，它还具有976万m3的地下调节库容，可承担灌区水资源的调蓄任务，使用过程还没有水量损失，这也是地表水库难以做到的。

由本实例还可以推断，在一些地下水位较高但水质良好的的盐碱地，当无法引入外来水源时，也可以实施本工程。这时可以通过以水定地的原则，或每年只灌溉部分农田，采用轮歇制，不施或少施化肥，以生产高质量农作物，或用于人工林及天然植被的人工灌溉，防风固沙，使干旱区的水尽其力，地尽其力，最终使绿洲最大化。

4 结语

本灌溉与排水工程，借助古老坎儿井的技术精髓[9-10]，把流域内的地表水和地下水视为统一的资源整体。通过控制地下水的循环[11]，使地表水和地下水连为有机的一体，使灌区内的洪水、泉水和咸水得到了高效的利用，是一种新工程型式。它的局部工程已在实践得到了检验[12-13]，有理由相信，随着它的运用，干旱区水资源的利用效率将会显著提高。

本灌溉与排水工程摒弃了干旱区“干排盐”的传统工程措施，而是将灌区末端的咸水[14]输往天然绿洲消耗、田间采用灌溉水垂直压盐和种植吸盐植物进行抑制，虽然在宏体上看是可行的，但还缺乏进一步的理论研究成果和工程实践支撑，有待于进一步研究分析和科学试验。