王亞輝

(北票市龍?zhí)端畮旃芾硖?，遼寧 北票 122124)

自古以來，農(nóng)業(yè)作為我國的支柱型產(chǎn)業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直有著重要的影響。農(nóng)業(yè)是國家的根本，而水是農(nóng)業(yè)的根本，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年農(nóng)業(yè)用水量高達(dá)4500億m3，占我國總用水量的65%。目前，我國仍屬于缺水國家，水資源集中分布在長江流域及長江流域以南，西北、華北、東北等地區(qū)水資源較為短缺，這種不利因素阻礙了農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1- 5]。農(nóng)業(yè)用水主要用于澆灌農(nóng)田，維持農(nóng)作物生長，在干旱少雨地區(qū)，僅通過降水不足以滿足農(nóng)作物生長要求，這就需要人工對(duì)農(nóng)田進(jìn)行澆灌，澆灌的方法經(jīng)過幾千年來的演變逐漸由傳統(tǒng)澆灌方法到噴灌技術(shù)再到微灌、滴灌技術(shù)等，灌溉方法逐漸朝著節(jié)約水資源方向上發(fā)展[6- 8]。

節(jié)水灌溉是一項(xiàng)既可以保證農(nóng)作物的生長要求，又可以減少水資源浪費(fèi)的新型技術(shù)，這一技術(shù)的核心是利用各類農(nóng)作物主要依靠根部吸水這一特點(diǎn)，將水資源盡可能直接作用到農(nóng)作物根部，由此逐漸衍生出了霧滴噴灌、地下滴灌、管道輸水灌等方法。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出一種利用地下水閘控制、攔截地下潛水的方法，將地下潛水引入農(nóng)作物灌溉中，降低農(nóng)業(yè)灌溉用水量。通過試驗(yàn)地塊內(nèi)的地下水槽控制、攔截地下潛水，觀測分析潛水?dāng)r蓄試驗(yàn)達(dá)到的實(shí)際灌溉調(diào)控效果。

1 灌區(qū)概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)區(qū)域位于某省西部某灌區(qū)，灌溉面積達(dá)3.74hm2，但灌區(qū)內(nèi)各設(shè)施建設(shè)時(shí)間較久，多處設(shè)施存在漏水問題，區(qū)內(nèi)設(shè)施損壞率接近20%，灌溉水利用效率低，僅為40%。近幾年來，針對(duì)灌區(qū)的各處損壞設(shè)施以及低利用率方面問題，政府相繼采用新型設(shè)備、新工藝、新材料對(duì)灌區(qū)進(jìn)行了改擴(kuò)建和維修。

1.2 水文地質(zhì)概況

灌區(qū)處于溫帶，干旱季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)年最大溫差可達(dá)72℃，年平均降水量為450mm，年平均蒸發(fā)量為870mm，且降水集中出現(xiàn)在夏季，屬季節(jié)性嚴(yán)重缺水地區(qū)。灌區(qū)屬?zèng)_積平原地貌，區(qū)內(nèi)地勢較為平坦，地表最大高程差約為6m，現(xiàn)場巖土工程勘察報(bào)告表明：灌區(qū)覆蓋面積內(nèi)地下巖土主要分為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和中砂夾礫石，各層分布范圍見表1。

表1 灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)分布

灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤類別主要包括黑鈣土、鹽堿土、沼澤土、泥炭土、水稻土、草甸土、沖積土和風(fēng)沙土等土質(zhì)，各類土質(zhì)在灌區(qū)內(nèi)的分布面積統(tǒng)計(jì)見表2。

圖1 地下水閘設(shè)計(jì)

表2 灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤類別及面積統(tǒng)計(jì)單位：hm2

1.3 灌溉系統(tǒng)概況

灌區(qū)內(nèi)耕地面積約4萬hm2，每年糧食產(chǎn)量可達(dá)30萬t，主要包括3座水站，各類溝渠累計(jì)長度超過300km。通過近些年的改擴(kuò)建工程，區(qū)內(nèi)灌溉站及附屬設(shè)施總計(jì)超過1000座，并配備測量水中心站自動(dòng)化設(shè)施，提高灌區(qū)節(jié)水灌溉與用水調(diào)控能力。灌區(qū)內(nèi)灌溉用水量為4億t/a，灌溉水來源主要包括河流水以及地下水。

2 潛水?dāng)r蓄試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)場地選擇及設(shè)施布置

本次潛水?dāng)r蓄試驗(yàn)場地選擇在灌區(qū)排水干渠前，緊靠水田，試驗(yàn)場地北側(cè)為灌區(qū)重點(diǎn)試驗(yàn)室，試驗(yàn)場地內(nèi)東側(cè)為水生態(tài)實(shí)驗(yàn)室。

試驗(yàn)場地范圍內(nèi)原有結(jié)構(gòu)物包括2處試驗(yàn)室和3座監(jiān)測井點(diǎn)，為了滿足本次試驗(yàn)的要求，在場地內(nèi)新建了2座地下水閘、1座地下水槽及9處監(jiān)測井點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)場地新建工程設(shè)計(jì)

2座地下水閘位置分別位于試驗(yàn)場地內(nèi)東西兩側(cè)，相隔距離為700m，地下水閘結(jié)構(gòu)主要分為上下2部分，上部結(jié)構(gòu)高為1.75m，寬1.43m，主要用于水閘的安放。下部結(jié)構(gòu)埋入土體內(nèi)部，埋深為3m，結(jié)構(gòu)側(cè)壁采用300mm厚C25鋼筋混凝土，底部采用400mm厚C25鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)下部為100mm厚C10素混凝土墊層。下部結(jié)構(gòu)為地下水閘的主體結(jié)構(gòu)，主要用于PVC管材和浮球布置，同時(shí)具備檢查井的功能。地下水閘設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

地下水槽深度為4m，主要材料為防滲膜，PVC管上側(cè)管壁預(yù)留滲水孔，周圍用砂礫配合土工布包裹，防止泥沙堵塞滲透孔。其原理為利用防滲膜阻斷地下水的水平滲流，并將滲流到達(dá)防滲膜處的地下潛水引入PVC管中，通過連接的管道匯入地下水閘處，從而達(dá)到攔截、匯集、儲(chǔ)蓄地下潛水的目的。地下水槽設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 地下水槽設(shè)計(jì)斷面

場地內(nèi)新建監(jiān)測井點(diǎn)主要位于地下水槽北側(cè)區(qū)域內(nèi)，井深5m，內(nèi)徑0.4m。新建監(jiān)測井點(diǎn)與原有井點(diǎn)共同對(duì)本次攔蓄試驗(yàn)中地下水位高度變化進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 攔蓄效果對(duì)比

3 調(diào)控效果分析

試驗(yàn)結(jié)果的分析主要包括試驗(yàn)場地內(nèi)各監(jiān)測井點(diǎn)水位變化對(duì)比分析以及對(duì)地下攔蓄的潛水水質(zhì)指標(biāo)的分析。

3.1 攔蓄調(diào)控效果分析

首先對(duì)現(xiàn)場井點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分組，位于地下水閘以及地下水槽處的新建5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)井點(diǎn)為第1組，原有的7號(hào)監(jiān)測井點(diǎn)作為第1組的對(duì)照組；位于地下水閘及地下水槽北側(cè)約1km處的新建8號(hào)、9號(hào)井點(diǎn)為第2組，原有的6號(hào)監(jiān)測井點(diǎn)作為第2組的對(duì)照組；位于地下水閘及地下水槽北側(cè)約2km處的新建1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)井點(diǎn)為第3組，原有的5號(hào)監(jiān)測井點(diǎn)作為第3組的對(duì)照組。監(jiān)測的各組數(shù)據(jù)均取組內(nèi)平均值。

試驗(yàn)選擇時(shí)間為灌溉期(5—9月)，將地下水閘關(guān)閉進(jìn)行攔蓄地下潛水。在試驗(yàn)期間分別記錄各組監(jiān)測井點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，對(duì)比各組監(jiān)測井點(diǎn)與對(duì)照組監(jiān)測井點(diǎn)中水位高程。各組水位高程數(shù)據(jù)分別繪制時(shí)間-水位高程曲線，如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，經(jīng)地下水槽攔蓄后的地下水位高程明顯降低，在攔蓄的初期，地下水槽攔蓄處的地下水位下降趨勢陡然增加，說明初期攔蓄效果顯著，在地下水槽攔蓄深度范圍內(nèi)的地下潛水基本上進(jìn)入滲水管道。經(jīng)過3個(gè)月的攔蓄后發(fā)現(xiàn)周圍地下水位高程開始下降，攔蓄處水位升高，說明經(jīng)過長期的攔蓄，周圍地下水開始向攔蓄區(qū)域匯集，而后地下水槽攔蓄處兩側(cè)的區(qū)域地下水位也開始逐漸下降，下降速率隨時(shí)間的增長呈上升趨勢。

由圖3(b)可以看出，距地下攔蓄區(qū)1km的第2組監(jiān)測井點(diǎn)中地下水位高程在初期因地下攔蓄潛水的原因有較為明顯的下降，后期隨著第1組處攔蓄水量的增加第2組區(qū)域地下水位也有所上升，但在整個(gè)過程中原有6號(hào)監(jiān)測井的地下水位較穩(wěn)定且有較小的整體下降趨勢，說明地下攔蓄潛水對(duì)這一區(qū)域的影響較攔蓄區(qū)域弱。

由圖3(c)可以看出，距地下攔蓄區(qū)2km的第3組監(jiān)測井點(diǎn)中地下水位高程在試驗(yàn)初期下降不明顯，說明試驗(yàn)初期試驗(yàn)區(qū)攔蓄潛水還未影響到此區(qū)域，經(jīng)過2個(gè)月的時(shí)間，攔蓄潛水的效果開始影響第3組監(jiān)測區(qū)域，地下水位開始明顯下降，說明攔蓄區(qū)域?qū)Φ?組區(qū)域產(chǎn)生的效果具有時(shí)間效應(yīng)。

3.2 攔蓄試驗(yàn)影響范圍分析

從整體上看，經(jīng)過潛水?dāng)r蓄試驗(yàn)后，試驗(yàn)區(qū)一定范圍內(nèi)地下水位有所上升，達(dá)到了預(yù)期的效果，節(jié)約了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的灌溉用水量，為了進(jìn)一步探究地下水槽與地下水閘作用的影響范圍，對(duì)上述各監(jiān)測井點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得出地下水槽攔蓄試驗(yàn)后地下水位變化值與距地下水槽長度關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 攔蓄試驗(yàn)后場地內(nèi)地下水位高度隨距離增加變化關(guān)系曲線

從圖4可以看出，隨著距離的增加，地下水位變化值呈逐漸減小趨勢，當(dāng)距離接近2500m時(shí)，地下水位與原水位變化值基本為0，說明本次攔蓄的縱向影響范圍約為2500m。

4 結(jié)論

通過在某灌區(qū)內(nèi)進(jìn)行了潛水?dāng)r蓄試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水位的調(diào)控，試驗(yàn)開始約3個(gè)月后試驗(yàn)區(qū)地下水位逐漸上升，達(dá)到地下灌溉農(nóng)作物的要求，攔蓄試驗(yàn)的縱向影響范圍約為攔蓄系統(tǒng)后側(cè)2500m。這為該灌區(qū)的地下水合理調(diào)控和利用奠定了一定的基礎(chǔ)，也為類似灌區(qū)提供了借鑒。