引用洪水灌溉对地下水位影响的研究

王志强

（太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原030008）

我国是一个水资源贫乏的国家，特别是北方地区，在地表水不足的情况下大量超采地下水，结果导致地下水位的区域性下降，引起一系列的环境问题.面对水资源严重短缺的现状，为缓解水资源供需矛盾和改善地下水环境，国内外的专家学者开始研究引用洪水资源补充地下水，以实现水资源的可持续利用.

引洪补源就是利用汛期洪水来补充地下水，这时不仅要考虑洪水所能带到土壤的养分，还要考虑洪水水量能对地下水位带来的影响.在某一时段内，流入含水层的水量如大于从含水层中排出的水量，由于含水量的增加，则反映出地下水位上升的动态变化，反之则反映出地下水位下降的动态变化[1].在天然条件下，对于一个含水层或含水层系统而言，其周边的补排环境具有相对稳定性，因此地下水的补给量与排泄量在多年中可保持均衡的特征.

由于人类活动的开展，诸如:垦殖耕耘，平整土地；开渠引水，实施灌溉；修路挖沟，筑坝蓄水；凿观测孔抽水，矿坑疏干等，都会改变地下水的天然均衡关系[2]，改变地下水的天然动态特性.采用明渠渗水和井孔注水等回灌地下水等工程措施，则是一种直接改变地下水位的人工措施.对地下水实施人工调节，可以遏止地下水位大幅度下降，保护地下水资源.从这个角度加以考虑，引洪补源则是一种补充地下水的有效途径.

1 引洪补源效果观测设施的布置

在2004年和2005年，依据引洪补源项目的要求，在罗庄试验田区域内布设了一个面积为28hm2的地下水位观测区，区内开凿观测孔15眼.为了同时监测线补和大面积面补效果，观测孔横竖向分别布置成3个断面，其布置平面图如图1所示.沿着干渠布置3个观测孔1，2，3号，然后在垂直于干渠的断面上，每隔一定的距离，布置一个观测孔，和沿着干渠的观测孔位于同一条直线上，例如3，4，9，10号，观测孔呈矩阵式排列，即L3×4排列，然后在11号观测孔的左侧在横向布3个观测孔，即13，14，15号观测孔.观测孔深度一般都达到20m以上，孔径1m左右.

2 引洪补源效果观测方案

地下水均衡方程中输入项包括降雨、灌溉，以及侧向补给，输出项包括蒸发、人工开采等，因此观测仪器包括雨量计，灌溉水量仪器量水堰、蒸发皿、人工开采观测孔所用水表等[3].

凿好观测孔以后，用自制电子计量计定期测量.在灌溉和降雨期间，每隔1天观测1次；其他时段每5天观测1次地下水位.在观测孔群附近定一个基准面，用水准仪分别测出15个观测孔台与这个基准面的高差，每次先测量相对于各自观测孔台的相对水位深度，然后通过这个高差得到各个观测孔内水位相对于基准面的绝对水位埋深.定基准点的绝对高程为100m，这样根据每个观测孔台面与基准点的高差和水位计量器测值两者之和，就可以得出各个观测孔相对于100m数值的绝对水位值，一般水位在80～100m之间.

图1 观测孔布置图

3 单次引洪补源灌溉引起的地下水位变化过程

2005年3月11日到3月20日在御河灌区罗庄试验田周围观测孔群附近面积77.2hm2的区域内，进行了春浇补水，灌溉水量136 235m3，灌溉方式采用漫灌.为了对比分析，在春浇前曾对15个观测孔的地下水位进行了读取，作为背景值，然后在春灌结束后第2天开始每天1次对每个观测孔地下水位进行连续观测，借以观测春灌效果.结果如图2、图3所示.为了分析方便，分别从横纵两个方向的各个剖面上加以分析，同时考察面补和线补的效果.

3.1 纵断面单次灌水情况下观测孔地下水位的变化特性

图2 剖面A上各观测孔的单次灌水条件下水位变化图

剖面A上的各个观测孔，在春浇结束后，地下水位刚开始上升并不明显，说明灌溉的水分还没有到达潜水层，只是在逐步向下运移，1＃和3＃观测孔在4月6日左右开始上升，说明灌溉水分经过1个月时间的运移，到达含水层界面.而2＃观测孔在3月24日就开始上升，说明2＃观测孔附近的灌溉水很快达到含水层界面，这是由于土层土质结构的差异造成的.而同时，地下水位在到达较高点后，在维持高水位几天后，又开始下降，这是由于当地居民开采等因素造成的:在没有新的补给项的情况下，地下水有一部分被开采，还有一部分发生侧向地下径流，侧向补给水位低的区域.从整体来看，1＃，2＃到3＃水位水平逐渐降低，表明支渠的行水形成了线补效应，距离支渠最近的1＃观测孔接受了更多的补给，2＃次之，3＃接受的最少，因而形成了3条均值逐渐减少的曲线.

3.2 横断面单次灌水情况下观测孔地下水位的变化特性

从图3中可以发现，类似于在纵断面所作的分析，在横断面内，从各个观测孔得到的绝对水位都是在春浇过后，地下水位有一次上升的过程，但如前所述，各个观测孔水位上升的进度不一样，这是由各个观测孔附近地质差别决定的.从几个断面的整体来看，在接近干渠的几个观测孔由于能够接受干渠的侧渗补给，地下水位比较高而且较为接近，而且在灌水后都比较平稳.随着与干渠距离的增大，观测孔的水位水平逐渐降低，可见在面补条件下，局部的线补对地下水位的动态影响亦很明显.当然，类似于在纵向的分析时的D断面的11＃的特例，在横向分析时也有一些特例，在剖面1中7＃观测孔的地下水位均值要高于其他几个观测孔，这也是由于7＃观测孔的地面等高线值较低，因而周围的灌溉水有一部分流到7＃观测孔地带，因而此处聚集了大量的水，因而地下水位比其他地方要高一些.

图3 剖面2上远距离观测孔的单次灌水条件下水位变化图

4 洪水补源灌溉的补给率的确定

为考察补给效果，连续观察地下水位动态变化情况，根据如下公式就可以得出灌溉补给率:

（1）式中，μ为给水度，F为控制面积，ΔH为地下水位变化值，A为地下水补给项，B为地下水支出项.在此考虑补给项A时由于没有发生降雨只考虑灌溉补给的水量，支出项B中，不考虑潜水蒸发，不考虑地下水向地表水的排泄，亦不考虑相邻含水层间越流排泄地下水量以及地下水含水层侧向排泄量，只考虑人工开采情况.故补给项A，可以这样计算:

4.1 给水度μ的确定

给水度的根据观测孔附近土层的的岩性，各种岩性土层的给水度经验值，参见表1:

在开凿观测孔时，同时对观测孔各个深度的岩层性质通过取土进行观测与鉴定，得出图4，结合表1，确定各个观测孔正常水位附近土层的给水度.

表1 各种岩性给水度值

图4 各观测孔的各个深度岩层性质柱状图

根据图4和表1就可得到各个观测孔的地下水位深度的岩层给水度值，见表2.

表2 各个观测孔地下水位深度岩层给水度值

4.2 地下水变化值ΔH的确定

可根据2月3日的背景值，在春浇结束后观察地下水位的变化过程，由于大部分观测孔的地下水位都在4月5日左右达到最大值，因而确定4月5日的水位为春浇的均衡水位.春浇前后地下水位变化过程见表3.

4.3 地下水开采量B和研究区计算面积F的确定

在2＃观测孔附近，有一口农业饮水用观测孔，每天中午开泵1h，流量0.02m3／s左右.以2月3日到4月5日为一个均衡期，因此时间取为62天.支出项B，就可以这样加以计算:

B＝Q＊t＝0.02＊3 600＊62＝4 464m3

由于各个观测孔的地下水位变化幅度和进度不一致，在各个观察孔附近划分各自的控制面积，采用各个计算面积分别计算加和的方法，见图5.

图5 各观测孔的控制区域面积图（单位:m2）

4.4 引洪补给率的确定

如上所述可以最终得出2005年春浇的地下水补给项A，结合春浇总的灌水量，就可以得出引洪补给率.前面提到在77.2hm2的面积内灌水量为136 235m3，在下图的观测孔控制面积之和为28hm2，假设灌水较均匀，因而通过计算，确定总的灌水量为49 387m3.补给率计算过程见表3.

表3 2005年春浇引洪补给率计算表

从表3可以看出，在试验区的地质条件下，在单次引洪灌溉后，补给率可以达到74.8%之多.说明灌溉水在被表层耕作层截留一部分后，有绝大部分的水量下渗到地下水界面，补充了地下水水位.由于是春浇，故没有考虑灌溉水蒸发问题，由于种种原因，夏天没能大面积补源灌溉，因而没有得出具体的补给率.在夏天的时候，由于蒸发的影响，补给率会有所降低，但根据估算，补给率也可以达到60%以上.因而可以得出结论，引洪补源对于改善地下水环境，恢复地下水平衡有很重要的意义.

5 小结

本文通过对试验区地下水位进行长期动态观测和分析，得出全年过程中地下水动态变化.以单个观测孔分析，地下水位动态与降雨、灌溉有密切的关系，补给项中只有面补的观测孔附近地下水位变幅大而不稳，呈现大起大落的现象，而既有面补又有线补的地段，由于常年可以得到较好的补给，地下水位曲线平缓；在单次引洪条件下，灌溉大都经过1个月的时间达到潜水层界面，然后又趋于平稳，在相同的降雨条件下，距离渠道近的观测孔地下水位均值最高，随着距离增大，均值逐渐较少，可见渠道侧渗也是一个不可忽视的因素.在对2005年春浇前后水位变化进行分析与研究后，通过地下水位均衡方程式获得了春浇的补给率可以达到74.8%之多，从而对于实际引洪补源的宏观效果进行了评估.加以推广，引洪补源对缓解地下水资源紧缺，改善地下水环境无疑具有重要的作用.

[1]申献辰.天然水化学[M].北京:中国环境科学出版社，1994

[2]陈建国.黄河下游高含沙洪水不同粒径泥沙的输移特性[J].泥沙研究，1996（4）:11－20

[3]费良军.浑水波涌灌溉理论与技术要素试验研究[D].西安:西安理工大学，1997