董起广，韩霁昌，张卫华，李 娜，李 娟，雷 娜

(陕西省土地工程建设集团陕西地建土地工程技术研究院/国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安 710075)

陕西省泾惠渠灌区位于关中平原中部，属于典型的渠井双灌灌区。多年来，由于灌区水资源管理制度和灌溉措施的不完善，以及水资源调配和渠井用水比例不合理等，导致该地区地下水开采量偏大，造成灌区大面积地下水位持续下降，由此引发了一系列的环境地质问题[1,2]。因此，提出一个合理的开采方案显得尤为重要。本文首先利用CROPWAT模型计算各种作物在各生育期的需水量，结合渠井适宜用水比的概念提出3种开采方案，在合理埋深的基础上采用Modflow对方案进行评估和验证，并比选出最优方案。

1 研究区水文地质背景

泾惠渠试验区位于陕西省关中平原中北部泾阳县的东南角，主要位于泾河的二级阶地上，占地面积483.58 hm2；研究区范围及井点分布情况采用Mapgis软件绘制而成。受地貌和第四纪沉积环境的控制，研究区内第四系地层岩性发育，沉积厚度及岩相变化是自西向东、由北向南，厚度递增，颗粒由粗变细。根据孔隙水的特征与隔水层的分布和层序,将研究区含水层归纳概化为潜水、浅层承压水、深层承压水三层[3]。模拟计算的目的层为潜水含水层，潜水含水层主要以砂和砂砾为主，厚度一般为5～20 m, 地下水埋深在25 m左右。

2 灌溉需水量计算

2.1 CROPWAT模型

I=ETc-Pe

(1)

式中：I为灌溉需水量，mm；Pe为作物生育期有效降水量，mm；ETc为作物生育期内需水量。

2.2 计算结果

根据泾惠渠试验站提供的气象数据和空间数据，以及陕西省关中地区的作物参数，利用CROPWAT软件建立模型，通过模拟验证，最终得出灌区玉米、冬小麦以及棉花各生育期的灌溉需水量，见表1。

表1 泾惠渠灌区试验区各作物各生育阶段灌溉需水量 mm

3 开采方案的设计

泾慧渠灌区是井渠结合灌区，在满足灌区需水的基础上，设计3种不同的地下水开采方案，并选择出对地下水可持续利用最为有利的方案。

(1)以需定供。以泾惠渠灌区不同水文年灌溉需水量为基础，综合运用水量均衡原理及”三水转换“的思想，就研究区范围内不同水文年地表水用水量和地下水用水量进行计算，得出相应的地下水开采量。

(2)渠井适宜比。周维博等认为井渠结合在地下水调控技术措施上可以实现灌区不产生渍涝和不会形成采补失调，并满足耕地的水资源供需平衡，其根本原因在于确定一个适宜的渠井用水比例[6]；渠灌用水量与井灌用水量在适宜比值情况下，灌溉后地下水位基本接近多年平均水位，或稍有回升。在降水平水年(P=50%)的最佳渠井灌溉用水比值在1.35左右，在偏枯水年(P=75%)渠井灌溉用水最佳比是1.45左右，两者最佳比值存在差异[7]。

(3)现存的开采制度。根据灌区已有地下水开采资料进行方案设计。

通过计算，得出3种开采方案见表2。

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表2 泾惠渠灌区试验区开采方案 万m3

分别选取2004年枯水年和2013年平水年2个典型年份作为基准年，采用Visual Modflow软件建立地下水流数值模型进行开采方案的评估和验证。下面以2013年平水年为例，说明模型的建立步骤。

4 地下水模拟及开采方案评估

为检验对比以上3种方案的效果，并选择最优方案，采用Visual MODFLOW对各方案进行模拟。该软件采用有限差分法对地下水流进行数值模拟，可通过空间和时间的离散进行各个时段地下水头的模拟[8,9]。

4.1 地下水流模型的建立

4.1.1水文地质概念模型

试验区受周边3支渠和南干渠及12、15和16斗渠水量的影响，其地下水位有一定的变化，水流呈非稳定状态，因此将模型概化为非均质各向同性三维非稳定流。

(1)边界条件概化。研究区北部边界是3支渠,南部边界是南干渠。试验区作物地表灌溉水量基本来自于这2个方向的灌溉补给，为地下水与地表水的主要交换区，因此，可将其设定为河流边界。

(2)源汇项概化。将降雨入渗、灌溉入渗、渠道渗漏以及开采回归等补给量以面状补给强度的形式加入到模型，开采强度按设计的开采方案依次添加进模型。各项补给强度部分数据见表3。

表3 泾惠渠灌区试验区补给强度 mm/a

根据上述水文地质概念模型，建立非均质各相同性三维非稳定潜水流数学模型来模拟水源地地下水系统的渗流场，其数学表达式为：

(2)

式中：Kxx、Kyy、Kzz为渗透系数在x、y、z方向上的分量；h为含水层水头；W为单位体积流量；Ss为空隙介质的贮水率；t为时间。

4.1.2模型的离散与资料的处理

(1)研究区的划分。根据区内流场特征、系统的结构特征、水力特征和边界条件,采用等间距有限差分的离散方法，进行自动剖分，除去无效单元格，共计3 400个有效单元格。

(2)时间的离散。根据试验区地下水长期观测资料，确定模拟起始时间为2013-04-01，终止时间为2014-05-30，共420 d。其中，选取2013-04-01-2013-12-30的资料进行模型识别，选取2014-01-01-2014-05-30的资料用于模型验证。时间步长设为10 d，计算过程中所有源汇项的补给与排泄强度保持不变。

(3)水文地质参数的确定。根据已有资料及泾惠渠灌区泾河二级阶地水文地质参数确定该试验区的水文地质参数。

4.1.3模型的率定和参数的识别

以2013-04地下水实测流场为模型识别的初始流场(见图1)。以2013-04-2013-12逐月地下水位、降雨量、地表水来水量、渠灌引水量以及地下水开采量等资料，作为初步率定含水层参数、模型和补给量的依据，对模型和水文地质参数进行识别；再利用2013-09-10的逐月地下水观测资料校核模型和各项水文地质参数，对模型作进一步校核，对参数进一步率定。

4.2 水位拟合及方案评估

对泾惠渠灌区试验区的17个井点在2013-04-12的水位拟合结果进行分析预测，结果表明,在不同的开采方案下未来年地下水水位变化不尽相同(见表4)，但是均在合理埋深的范围内(本文将合理埋深上限确定为毛细上升高度与植被根系层厚度之和，下限定为地下水蒸发极限深度，经过计算，泾惠渠灌区试验区合理埋深的范围为2.5～28 m，对应的地下水水位的范围为392～418 m)。利用泾惠渠灌区试验区初始流场和不同方案下未来年的水位，绘制未来年不同开采方案的地下水等降深场图(见图2～4)。

表4 未来年不同开采方案的地下水水位

图1 泾惠渠灌区试验区初始流场图

图2 第1种开采方案降深场图

图3 第2种开采方案降深场图

图4 第3种开采方案降深场图

从表4可以看出：3种开采方案预测出来的水位均成逐渐下降的趋势，总体分布与初始流场基本相同，但均在合理埋深的范围之内；第2种开采方案也就是按照渠井适宜比进行开采，水位下降的速度较慢，其他2种方案下，水位下降的速率较快。由图2～4降深场图可以看出，第2种开采方案下降深较小面积(图中红色区域的面积)的比例较大，小于-4 m的降深面积占整个研究区面积的一半以上，换而言之，按照渠井适宜比进行地下水开采，水位下降的速率较小，与表4中结果一致。

同理，采用已建好的模型对泾惠渠灌区试验区枯水年(2004年)的地下水位进行分析评估，结果与以上分析一致。因此，本文推荐采用第2种开采方案进行泾惠渠灌区试验区地下水的开采。

5 结 论

(1)通过对陕西省泾惠渠灌区试验区气象参数、作物参数、土壤参数等数据的分析，采用CROPWAT模型对研究区各作物在不同生育期的需水量进行计算，为以后的开采方案设计提供了可靠的依据。

(2)在研究区需水、供水和用水的基础上，结合灌区适宜渠井比，对陕西省泾惠渠灌区试验区进行开采方案设计，提出了3种不同的地下水开采方案。

(3)通过对研究区不同水文地质条件的分析，建立地下水数值模拟模型对设计方案进行分析验证及评估，结果表明：3种开采方案下，未来年试验区地下水水位均呈现逐渐降的趋势，但均在合理埋深的范围内；按照渠井适宜比进行水量分配，水位下降程度较小。

(4)通过对不同设计方案下地下水降深场图进行对比分析发现：第2种开采方案降深较小的面积所占比例较大，说明按照该开采方案进行地下水的开采，水位基本接近多年平均水位，对于陕西省泾惠渠灌区水资源的可持续利用和生态环境的良性循环有重要作用。

[1] Zhou WB，Wang YB. Effect of water resources development and utilization on ecological environment of irrigation districts in arid region of northwest China[M]. Xi'an: Shaanxi Science & Technology Press, 2003.

[2] 周维博，李佩成.我国农田灌溉水环境问题[J].水科学进展，2001,12(3):413-417.

[3] 陕西省泾惠渠灌区地下水调查研究组. 泾惠渠灌区浅层地下水资源调查成果报告[R]. 1983-10.

[4] FAO.CROPWAT:a computer program for irrigation planning and management[Z].Rome:FAO,1992.

[5] Dr Derek Clarke.CROPWAT for windows: user guide[M].Southampton: University of Southampton Press, 1998.

[6] 周维博, 李佩成.井渠结合灌区节水灌溉的有效途径[J].沈阳农业大学学报,2004,35(5-6):473-475.

[7] 周维博, 曾发琛.井渠结合灌区地下水动态预报及适宜渠井用水比分析[J].灌溉排水学报,2006,(1).

[8] 武 强，朱 斌，徐 华,等. MODFLOW 在淮北地下水数值模拟中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报,2005,24(4).

[9] 王 智,高 瑾,董新光.MODFLOW 在三工河流域地下水资源评价中的应用[J].新疆农业大学学报,2002,25(4):29-34.