渠井结合灌区地下水位对不同渠系节水水平的响应

刘菁扬 ，粟晓玲，刘俊民，赵永刚，沈长越

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司，沈阳 110006；3. 陕西省泾惠渠管理局，陕西 三原 713800；4.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110006)

0 引 言

我国是一个贫水国家，且水资源的分布极其不均匀。北方作为我国商品粮的主产区，总体少雨，降水随季节、地理因素变化显著。因此，加强农业灌区水资源的高效利用，对于保障国家粮食安全，实现经济社会的可持续发展意义重大。国务院提出加快水利改革发展的规划，要求到2020年逐步建立起水资源的高效利用体系，完成灌区的节水改造及相关配套建设。然而，随着新型节水灌溉技术的运用以及与之相关的农业节水工程的实施，一方面使农业用水效率有了显著的提高，经济效益明显；另一方面，却由于渠系渗漏补给量与灌溉入渗量的减少，随之而来出现了地下水位下降、水土环境恶化等问题。因此，研究渠系节水水平，得到适宜的农田灌溉水利用系数，不但对渠井结合灌区水资源管理及节水改造工程具有指导作用，而且对环境以及经济社会的可持续发展意义重大。泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，东经108°34′34″～109°2l′35″，北纬34°25′20″～34°41′40″，灌区总面积约为1 568 km2，是北方平原中典型的渠井结合灌区。本文以该灌区作为研究对象，探讨节水改造对该地区地下水位的影响。

研究人员针对泾惠渠灌区的水资源利用情况做过大量研究工作，其中节水工程实施对地下水位的影响是一个重要方向。研究方法既包括了对现有观测数据的理论分析，还包括基于不同的模拟方法进行的合理预测。例如，基于灌区多年实测数据，在渠灌与井灌用水的不同比例情况下，采用多元非线性相关分析法，周维博[1]等(2006)通过建立适宜的灌区地下水动态预报模型，模拟出较合适的渠井用水比例。基于ARCGIS 和PMWIN 地下水模拟软件，根据灌区历年实际用水情况，代锋刚[2]等(2012)模拟了10种灌溉情景下地下水的变化趋势，得到了在不同渠首有效灌溉引水量下，保持灌区地下水采补平衡的最佳渠井灌水比例。在将不同年份的潜水等水线图进行叠加的基础上，通过切分，将灌区分成多个三角区块，再运用直线内插法，王建莹[3]等(2015)得到了灌区内的潜水降深，根据给水度计算出了浅层地下水及潜水疏干变化。通过运用基于GMS软件中的MODFLOW模块，在知晓灌区地下水年内变化特征情况下，武弘族[4]等(2017)建立了月尺度的地下水数值模型，得到了丰水年、平水年、枯水年的冬、春、夏灌季和全年渠井用水的最佳比例，并得出了夏灌渠井用水比例对全年地下水位影响最大的结论。贺屹[5]等在针对渠井结合灌区的地下水位动态模拟研究中，运用RD预报模型进行模拟，聂相田[6]等对井渠结合灌区水资源的优化配置研究中，采用多目标优化方法进而建立优化模型，以及黄鹤[7]、陈末[8]等在对地下水进行资源评价研究中，运用支持向量机模型进行模拟。本课题组前期也做了一些相关研究工作[9]，基于支持向量机模型，以影响地下水位变化的主要因素为输入变量，以地下平均水位为输出变量，模拟了地下水位动态变化过程，确定了丰水年、平水年、枯水年灌区地下水采补平衡的最佳渠井灌溉用水比。

除渠井用水比例对地下水位有直接影响外，气候变化、地表作物种植结构、水资源统一调控管理机制等，都对地下水位变化有着显著的影响，也有大量的研究报道。然而，目前针对灌区节水改造中，地下水位对不同渠系影响系数响应的报道较少，干支渠以及斗口以下不同渠段由于其承载的功能不同，其各自的节水系数对地下水位的变化势必产生较明显的影响，因此对其进行定量模拟研究具有重要的意义。基于此，本文利用FEFLOW地下水数值模拟软件，模拟不同渠系的节水系数对地下水位的影响，建立了一个三维非均质、各向同性非稳定的地下水数值模型，以此反映灌区地下水的动态变化。并在此基础上，给出合适的渠系节水系数，为渠系防渗衬砌标准提供理论依据，对灌区地下水的涵养、水资源的合理调控及区域可持续发展具有重要意义。

1 泾惠渠灌区概况

泾惠渠灌区包括西安、咸阳、渭南三市的泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平6个县(区)[2]，见图1。现有渠系灌溉面积968.7 km2，灌区海拔在350～450 m之间，呈西北高、东南低的走势，地面坡降1/300～1/600。灌区内地下水主要分为潜水和承压水，由于潜水范围广泛，且埋藏浅，进而易于开采，也是灌区井灌用水的主要水源，也是本文的主要研究对象。灌区内潜水的总体流向与该区域地势基本保持为自西北向东南方向。但流向因受地形、河流切割、地貌、潜水开采程度等因素的影响，在不同地区亦不同[2]。灌区的地下水水力坡以清河为界呈现南北不同的趋势，南部的水力坡度在4.71‰～1.74‰之间，北部的水力坡度在6.78‰～2.3‰之间。局部地区由于受到地下水过渡灌溉开采的影响，出现较大降落漏斗，潜水自由水面呈现由四周向漏斗中心倾斜的现象[2,10]。

图1 陕西省泾惠渠灌区平面示意图Fig.1 Schematic map of Jinghui Canal Irrigation District

2 地下水运动模拟模型

2.1 水文地质概念模型

首先，根据自然地形确定地下水系统的范围，进而定义两类边界。第一类边界水流边界设定为灌区东、南、西部的三条自然河流，分别为灌区内石川河、渭河、泾河；第二类边界设定为灌区北边界的黄土台塬。

第二，根据灌区水文地质资料，可知区域内浅层潜水与承压水两个含水层之间分布有厚度在20～65 m之间的弱透水层，且自西北向东南导水性渐弱。同时查阅灌区机井深度及地下水位监测值可知，绝大部分机井深度在100 m以内，所以潜水受地下水开采影响最大，承压水基本不受影响，因此本次模拟试验将潜水含水层作为最终研究对象。

第三，确定灌区地下水的补给排泄方式。地下水竖向补给包括干支斗渠渗漏量、灌溉水入渗量、降水入渗量、开采回归补给量等，将其作为垂向入渗补给。横向补给也是侧向补给，补给较弱，包括河流的侧向补给量和北部黄土台塬含水层的侧向补给量。灌区内潜水蒸发排泄量很小，人工开采依然是最主要的排泄方式，还包括南部边界的侧向地下径流流出量[11]。

根据以上分析，灌区的地下水动态模型可以概括为：各向同性的非均质介质中，三维潜水的非稳定流动，该模型也是本文模拟研究的核心问题。

2.2 数学模型

基于上文确立的灌区水文地质概念模型，建立数学模型如下：

(1)

式中：K为含水层的渗透系数，m/d；H(z,y,z,t)为范围内某一点在某一时刻的水位，m；H0(x,y,z)范围内某一点的起始水位值，m；h为地下水潜水面到不透水底面的距离，m；μ为给水度；W为地下水的源项、汇项，m/d；Γ2为第二类边界；q(x,y,z)为第二类边界条件，为边界上单位面积流量，m3/(d·m2)。

2.3 模型区域确定及有限单元网格的剖分

分别将石川河、渭河、泾河、黄土台塬作为研究区域的东、南、西、北四个边界，研究区总面积约为1 568 km2。有限单元网格的剖分首先要将图形边界数据经过工具(Arcview)转化成shp格式的多边形文件，进而在FEFLOW中予以调用，通过模型内在的模拟运算，自动剖分成三角形网格形式的超级单元网格。由于三角形网格剖分灵活多变，且易于控制边界范围，因此作为本文的首选方式。在网格单元的自动剖分过程中，为保证地下水动态有限元模型的精度，对本次模型建立的每个观测点都采取了有限元网格的加密处理。网格剖分结果见图2。

图2 区域内地下水流范围有限元网格剖分成果图Fig.2 Result map of finite element meshing of groundwater flow in the region

2.4 水文地质参数及边界条件

2.4.1 水文地质参数分区及确定

《泾惠渠灌区浅层地下水资源调查研究成果报告》中指出，该研究区域水文地质参数划分为：①强富水亚区，包括ⅠA，ⅠB泾渭河漫滩及一级阶地；②富水亚区，包括ⅡA，ⅡB，ⅡC泾河二级阶地，以及Ⅳ黄土台塬；③中等富水亚区，包括ⅢB渭河二级阶地[12]。

在水文地质单元分区的基础上，再按照行政区划，本文水均衡计算共分6个大区，包括泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平。均衡期以一个水文年为单位，计算2011年和2012年的地下水均衡量。各区域水均衡计算边界按照泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平各个行政区域划分边界进行划分。

6个水均衡分区的给水度和渗透系数见图3。

图3 区域内水文地质参数分布图表Fig.3 Hydrogeological parameters in the region

根据水文地质资料，研究区第四系含水层下存在多个透水性很弱的黏土层，其总厚度约为70 m，在地表以下30～80 m呈南向北向分布。因此，本次试验将该黏土层设定为地下水的隔水底板。

2.4.2 边界条件的确定

根据灌区的地势特点，北部黄土台塬的侧向流入，作为研究区的侧向补给；西、南、东三个方向为研究区的流出边界。

2.5 源汇项的确定

降水入渗量、渠系水渗漏量、灌溉水入渗量作为灌区地下水在垂直方向上的源项；地下水开采量、潜水蒸发量作为垂直方向上的汇项，侧向径流补给和侧向径流排泄作为在水平方向上的源汇项。在源项中的渠系水渗漏量，只包含干、支渠的渗漏量；而斗口以下渠道的渗漏量包含在灌溉水入渗量中；侧向径流补给和排泄量在边界条件的赋值中进行设置；蒸发、入渗与地下水埋深有关。

2.6 初始条件的确定

本次试验中，设定2010年 12月1日为初始流场；模拟期为2010年12月-2011年11月；检验期为2011年12月-2012年11月。选择时间步长为“自动时间步长”，选择“模拟时间”为365 d。

3 模型的识别与检验

3.1 模型识别

试验中需首先输入地下水位的观测值与模拟值，在本次试验中通过2011年20个观测井的地下水位观测数据值来调试模型的水文地质参数。通过多次调试，当模型输出的模拟结果与实测地下水位值拟合度较好时，将此时参数确定为该模型的水文地质参数值。经过试验模型的识别，得到识别结果：灌区各分区渗透系数K及给水度μ如图4。

图4 模型输出水文地质参数结果Fig.4 Results of hydrogeological parameters output by the model

3.2 模型检验与分析

本次试验通过对比每个观测井的模拟值与实际值之间的绝对误差值，通过验证其误差值是否在规范要求内，来判定模型的精度。通过对比，模拟水位的绝对误差值(△)最高为2.83 m，最低为0.06 m。

遵照《地下水资源管理模型工作要求》(GB/T14497-93) 中规定，观测井中需要有70% 的井数误差在1 m之内即可达到目标要求。本次试验中，所有观测井中(20个)已有80% (16个)误差在1 m之内，满足规范要求。图5列出了本次试验中各观测井绝对误差值。

图5 试验观测井的绝对误差值Fig.5 Absolute error value(△) of the test observation well

模型误差精度满足后，对比整个区域的实际地下水流场现状与模拟结束得出的2012年末地下水流场，整体变化趋势相同，地下水均呈现由西北向东南的流场方向，对比图如图6。其中南部和中间部分地区拟合效果最好，拟合线近乎重合；在两侧东、西部地区存在一定的偏差，东部拟合较差。从总体看，模型精度较好，可以进行进一步的模拟研究。

图6 试验区地下水流场模拟对比图Fig.6 Simulation comparison chart of groundwater flow field in the test area

4 不同渠系节水水平下灌区地下水位的响应

4.1 节水情景设置

本次试验旨在遵循节水增效原则，为渠井结合灌区提高灌溉水利用系数，解决地下水降落漏斗问题提供可参考的依据。在灌区近年来浅层地下水资源调查报告和各市县节水改造规划[12,13]前提下，参考吴景社[14]等节水灌溉综合效应评价研究方法，确定本次模拟在灌区种植结构及面积不变的情况下，以干、支、斗渠以及下灌溉水有效利用系数，综合净灌溉定额等为自变量，地下水位变化为因变量。试验运用上一节识别出的地下水动态模型对泾惠渠灌区地下水位在以下11种组合节水水平下的响应进行模拟。见图7。试验中选取2012年的地下水位、土地种植结构、水文信息值、渠系水利用系数等为作为现状水平年基础数据。试验中初始时间点设定为2011年12月1日，模拟近期一年365 d的地下水变化情况。

图7 节水情景设置Fig.7 Water-saving scenarios

4.2 模拟响应结果及分析

不同节水水平情况下的水均衡结果见图8。

图8 不同节水情景下的水均衡量比较(单位:万m3)Fig.8 Difference of water balance in various scenarios

经过模拟，各节水水平情景相互之间的地下水位显现出差异，但由于模拟时间仅为1年，进而各情景之间的水位差异较小。图9列出了现状年和最优情景的地下水位空间分布情况。

图9 不同节水情景地下水空间分布图Fig.9 Spatial distribution map of groundwater in different water-saving scenarios

本试验中的11种情景设置，是在分别保持灌溉定额、干支渠水有效利用系数、斗口以下灌溉水利用系数中两项参数不变的情况下，探究地下水位对另一项参数变化的相应。

(1)在保持田间灌溉定额、斗口以下灌溉水利用系数不变情况下，只改变干支渠水有效利用系数(情景1、2、4)，得到结果：当干支渠水有效利用系数提高，由0.71分别提高至0.75、0.80，渠系渗漏量、渠首总引水量锐减(具体数值可见水均衡量表)，灌区整体水位降低0.05、0.06 m，其中三原、临潼、阎良地下水位响应明显，下降较多。

(2)在保持田间灌溉定额、干支渠水有效利用系数不变情况下，只改变斗口以下灌溉水利用系数(情景1、5、9、10、11)，得到结果：提高斗口以下灌溉水利用系数，井灌开采量明显减少。灌区整体地下水位响应明显，上升较多，其中三原、泾阳地下水位上升明显。表明斗口以下灌溉水利用系数的增加对减缓灌区地下水位的下降有较好效果。

(3)在保持干、支、斗及以下灌溉水利用系数不变情况下，只改变灌溉定额(如情景1、8)，得到结果：当降低灌溉定额，渠首灌溉引水量、井灌开采量有一定幅度的减少，灌区整体地下水位有响应，平均水位上升0.03 m。由此对比可知，减小综合净灌溉定额对减缓地下水下降有一定效果。

(4)综合比对可知(情景1、3、9、10、11)，影响地下水位变化的程度因素：斗口以下灌溉水利用系数 > 干支渠水有效利用系数。在灌溉定额一定的情况下，改变干支渠水有效利用系数对地下水涵养作用基本无效，其变化与地下水位回升效果略成反比；而降低综合净灌溉定额能显著的减少灌区灌溉水量，进而大幅减少地下水灌溉开采，直接影响地下水位对其的响应，对地下水涵养作用直接有效；但综合对比响应程度，地下水对斗口以下灌溉水利用系数变化的响应最明显，其系数的增加对地下水涵养作用明显，地下水位上升明显。

综合以上不同节水水平，模拟最优结果是当干支渠水有效利用系数为0.71，斗口及以下灌溉水有效利用系数为0.90时，地下水位上升最明显。地下水对斗口以下灌溉水利用系数变化的响应最明显，对灌溉定额变化的响应次之，对干支渠水有效利用系数变化的响应不明显。近年来，泾阳、高陵、阎良的地下水降落漏斗扩大趋势减小；在生产实际中且考虑节水工程实施的实际情况下，优先提高斗口以下灌溉水有效利用系数，并配以适当的渠井用水比例，将对地下水的涵养有积极作用。

5 结 论

通过分析梳理地下水位的变化成因，了解地下水系统的各大影响因素，运用FEFLOW软件建立渠井结合灌区(泾惠渠灌区)地下水三维模拟模型。在满足模拟规范要求的精度要求下，模拟灌区11种不同节水水平情景，研究地下水位对不同影响因素条件下的响应情况。结果显示，地下水位对本次研究的三种主要影响因素条件下的响应情况为：斗口以下灌溉水利用系数 > 灌溉定额 > 干支渠水有效利用系数。模拟最终得到灌区最优渠井节水水平配置：干支渠水有效利用系数0.71，斗口及以下灌溉水有效利用系数0.90。所以生产实际中应当优先考虑提高斗口以下灌溉水有效利用系数，并此为依据确定灌区渠系防渗衬砌标准，这对灌区地下水的涵养、水资源的合理调控及未来发展具有重要意义。