张洪燕,刘军刚

(1.平原县水务局马碱竖河管理所，山东 平原 253100；2.平原县水利勘察设计研究院，山东 平原 253100)

我国是一个农业大国，同时也是水资源最匮乏的国家之一，农业用水占总用水量比重高达70%左右[1]。近年来，随着社会经济的发展，对水资源的需求进一步扩增，因此，研究如何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，是解决当前水资源供需矛盾的重要途径。

自20世纪90年代以来，我国加大了对农业节水技术的投入，我国在农业灌溉节水方法技术主要包括自流灌区渠道、长畦改短畦、宽畦改窄畦、长沟改短沟、沟灌改为膜上灌等[2- 5]。各类灌溉节水措施有效的缓解了农业用水损耗过大的问题，极大促进我国农业经济的健康可持续发展。但是，节水灌溉对区域地下水的负面影响也在逐渐暴露。在灌溉节水过程实际上是对农田系统水循环进行了一次再改造，由于渠道的衬砌，减少了或者削弱了地表水对地下水的补给作用，降低了地表径流向地下径流的转化量，从而可能进一步产生一系列的生态问题[8- 9]。

山东省平原县地处暖温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽，冬季干冷少雨雪。据气象资料，多年平均降雨量561mm，多年平均蒸发量1277.5mm，多年平均气温12.7℃，平均风速3.7m/s，日照时数年均2554h，无霜期平均217d。2016年全县总灌溉面积89.15万亩，耕地有效灌溉面积78.1万亩，林地灌溉面积4.46万亩，园林灌溉面积4.64万亩，其他灌溉面积1.95万亩。近年来通过一系列节水项目的实施，全县农田灌溉水有效利用系数达到0.6298。

本文在前人研究理论和经验的基础上，针对不同衬砌材料渠道的防渗性能进行了试验分析，并基于Hydrus- 2D模型，对平原地区常用的几种衬砌材料渠道在不同时间段内区域地下水位的变化情况进行了模拟分析，以期对节水灌溉工程的进一步发展提供借鉴。

1 研究区域地下水位现状

随着经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，水资源需求快速增长，供需矛盾更加突出。平原县工业用水传统，基本开采地下水，部分工业用水为深层地下水，而深层地下水属于储备资源，回补缓慢，不允许开采。根据省政府批复的《山东省地下水限采区和禁采区划定方案》，平原县深层承压水超采区涉及全县所有乡(镇、开发区)，总面积1047km2，深层承压水井共111眼，年均实际开采量1080.60万m3。

由于近年来的过度开采和使用，同时农业渠道防渗效果的增加，地下水补给得不到有效保障，使得平原县的地下水位埋深从2001年的16.75m上升至2015年的27.05m，15年间，地下水位下降了约10.3m。其中，自2001—2005年间，地下水埋深增长幅度最为明显，达到6.43m。按照国家要求与部署，将对该地区开展地下水超采综合治理工作，其中一项便是对农业灌溉渠道进行清理和衬砌改造，本文基于“平原县地下水超采区综合治理国家试点方案”这一课题进行研究和分析(如图1所示)。

图1 2001—2015年间地下水埋深变化曲线

2 不同衬砌材料渠道渗漏试验结果分析

本文选取常用的渠道衬砌材料：土渠、混凝土加膜复合材料、混凝土全断面衬砌等3种，试验段长均为100m，试验断面为U型(顶宽5.2m，高2.3m)，试验结果如图2所示。

图2 不同衬砌材料渠道渗漏强度

从图中可以看出，随着时间的增长，渠道的渗漏强度均呈幂函数形式减小，并在一定时间后达到相对稳定值；在土渠情况下，其初始渗漏强度较大，达到60L/(m2·h)，稳定渗漏强度为30LL/(m2·h)上下，而混凝土加膜复合材料、混凝土全断面衬砌的渠道的初始渗漏强度较低，仅为0.35LL/(m2·h)，同时稳定渗漏强度为0.1～0.11LL/(m2·h)，防渗效果达到99.5%，远远大于土渠防渗效果。

3 基于Hydrus- 2D模型的区域渗漏深度预测

Hydrus- 2D是一种用于模拟水流运动的有限软件，在假定土壤均质、各向同性、试验区域无腐殖质影响的基本条件下，同时排除空气成分、温度以及土壤滞后效应的影响，基于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—基质势，cm；K(θ)—非饱和土壤导水率，cm/min；θ—土壤单位体积含水率；t—时间，min。

土壤水力学函数采用VG模型[11]描述，其表达式为：

(2)

(3)

其中，m、n、k均为拟合参数。

不同材料衬砌下，基于Hydrus- 2D模型拟合预测分析了不同时间段内衬砌渠道区域地下水分的渗漏范围，模拟结果如图3—5所示。

图3 土渠节水衬砌渠道渗漏图(30d)

图4 混凝土节水衬砌渠道渗漏图

图5 混凝土加膜复合节水衬砌渠道渗漏图

由图3可以看出，当达到30d时，土渠的渗漏深度及宽度分布较广，相对于30d下的混凝土渠道，其渗漏深度尤其表现地最为明显(最大渗漏深度已经达到了32m)；由图4看到：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2.6m；在渗漏过程进行到第60d时，最大渗漏深度达到3.50m；在渗漏过程进行到第90d时，最大渗漏深度达到5.10m；在渗漏过程进行到第120d时，最大渗漏深度达到6.70m；对于混凝土加膜复合材料渠道，渗漏30、60、90、120d的最大渗漏深度分别为2.57、3.3、4.8、6.07m(如图5所示)；混凝土加膜复合材料与混凝土全断面渠道的渗漏分布规律大体一致。

以上分析可总结得到：相同衬砌材料下，渗漏范围随时间的分布差异较为明显，不同衬砌材料的渗漏分布差异也较大；渠道水渗漏是一个由中心向四周发散渗透的过程，且在渗透过程中，受重力影响，水分的竖向运动活性距离远大于其受分子引力牵引导致的横向位移。

表1为计算得到的不同材料衬砌节水渠道内水渗漏速率对比值。从模拟结果来讲，与试验结果的变化规律表现一致，随着时间增长，渗漏速率有呈逐渐降低和趋于稳定的趋势，故模拟结果还是有一定科学性、可靠性的。

表1 不同材料衬砌节水渠道内水渗漏速率对比

4 模拟预测结果与地下水位对比分析

由上述基于Hydrus- 2D模型的渗漏深度与地下水位预测结果对比可以发现：对于土渠，在第30天，渗漏深度便已经达到32m左右，而目前当地的地下水位深度为27.05m(对比图1)，可见，在土渠情况下，地下水能够及时得到地表水的补给；而相对于土渠，混凝土衬砌节水渠道在第30天时渗漏深度仅达到2.60m，仅为土渠的8.1%(复合材料仅为8%)。当测试时间到达第120d时，混凝土衬砌节水渠道的最大渗漏深度为6.7m，仍然仅达到土渠第30d渗漏深度的20.9%(复合材料仅为19%)。由此可见，混凝土(复合)衬砌节水渠道的防渗漏效果十分明显。但是，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，渗漏量就越少，最终导致地下水补给逐渐减少，地下水埋深不断增长且增长速率较之前有所提升，这将对区域节水灌溉工程建设影响范围内生态环境和经济的发展带来一定的负面影响，故而在大力修建节水灌溉渠道工程时，需要适当考虑对地下水的补偿措施，否则节水灌溉工程只能起到临时的社会经济效益，最终会对将来的生产生活带来重要影响。

5 结语

本文基于Hydrus- 2D地下水位预测模型，研究不同材料衬砌节水渠道对区域地下水位的影响，研究发现：渗漏时间、渠道衬砌材料种类的渗漏分布具有较大差异，从而影响地下水的补偿问题，土渠能够对区域地下水起到较快较好地补给，而另外两种渠道则很难起到补给作用。在建设节水灌溉渠道工程时，要综合考虑水资源利用率和地下水补给两个因素，否则会对社会生产和生态环境起到一定负面作用。