北方灌区井渠结合灌溉问题

北方灌区井渠结合灌溉问题(下)张蔚榛六．北方地区井渠结合灌溉、井灌代排的灌排模式1.半干旱半湿润地区灌区的井渠结合灌排模式陕西关中平原等灌区属于半干旱半湿润地区，多年平均降雨量在540mm左右。在地下水全淡水区和上淡下咸区,由于灌区地下水有较多的降雨和灌溉水的补给，地下水的可采水量一般可达到地表引水量的40%-60%，适于采用井渠结合、以灌代排、地表水地下水联合运用的灌溉排水的模式。在土壤非盐渍化地区井灌代排的任务主要是通过调整地表水和地下水的灌水量，将来自地表水灌溉的盐分带至深层，并通过调节和控制地下水位，减少土壤和潜水蒸发，保持根层和耕地盐分平衡，防止返盐。由于井灌与井排相结合，发挥了垂直排水的作用，在这些地区田间不再需要用于专门排除地下水的毛沟和农沟。通过水井抽水，地下水位降低，径流减少，排除涝水的要求可以通过排水斗沟和支沟解决。应当指出，虽然在井渠结合的条件下河水的灌水量减少，但由于灌溉的河水带来一定的盐分，即或在淡水区如无外排的水量仍会造成积盐，因此，在这些地区仍需修建斗沟或支沟，排除地下水，以保持盐分的平衡。在地下水埋深较大，斗沟和支沟水平排水系统不能起到排除地下水的作用时，从长远看则仍需要专门利用水井抽取一部分地下水（不结合灌溉），通过斗沟和支沟排除区外。在这种情况下斗沟和支沟没有降低地下水的任务，仅有一定的排除灌溉退水和水井抽出的淋盐地下水的作用，因此，并不需要较大的沟深和断面。井渠结合的目的一方面在于充分利用渠道渗漏水和田间灌溉的入渗水量进行灌溉,解决灌溉季节的缺水问题，同时，另一方面又可以有效地控制地下水位，防止土壤的次生盐渍化。农田灌溉面积上,作物生长季节田面有作物植被覆盖,科间蒸发所占比重和土壤积盐的可能性均较小,而作物需水又需要有来自地下水的补给,因此，此时地下水位可控制在较小的深度。秋收以后至春作物生长期以前，土壤蒸发强烈易于积盐，地下水位应控制在较大的深度。春季地表水不能满足灌溉用水的需要时，为了解决供需矛盾，部分地区需利用地下水灌溉,或灌溉水的一部分需利用开采地下水补充。由于开采地下水将会降低地下水位,灌区需要根据不同季节对地下水位的控制要求，有计划地安排井灌与渠灌的用水量和用水时间，以达到既利用地下水又防止土壤盐碱化的目的,起到井灌井排的作用。２．干旱、半干旱地区地下水淡水区井渠结合灌排模式宁蒙河套灌区、河西走廊东中部和新疆北部的一些灌区，多年平均降雨量150-200mm。在这类地区降水远较半干旱半湿润地区为小，降雨对地下水的补给有限，在地下水侧向补给缺乏的地区主要靠河渠和灌溉水的补给，由于本地区土地利用系数较低，非耕地和天然植被区占有很大比重，灌溉面积上获得的地下水补给有相当一部分将消耗于非耕地的生态耗水，因此，地下水的可采水量小于半干旱半湿润地区，一般占地表引水量的20%-25%以下。在地下水淡水区为了控制土壤积盐和缓解水资源紧缺，可以采用井渠结合、以灌代排、地表水地下水联合运用的灌溉排水的模式。这种模式可以有效地控制地下水位，防止根层积盐，但应注意地下水采补平衡，严格控制地下水的超采。河西走廊的西部地区、新疆南疆的塔里木河流域以及新疆的吐哈盆地的一些灌区，多年平均降雨量在50mm以下，降雨对地下水的补给极少，地下水绝大部分来自河渠和灌溉水的补给，由于本地区土地利用系数很低，非耕地和天然植被区占有更大比重，地下水的补给有很大一部分消耗于非耕地的生态耗水，因此，地下水的可采水量较小，一般可能仅占地表引水量的10%-15%以下。这一地区灌溉应以渠灌为主，在地下水淡水区为了控制土壤积盐和缓解水资源紧缺，可以适当开采地下水进行灌溉，以灌代排。但由于可采地下水量较小，更应严格控制地下水超采。目前，河西走廊的石羊河流域和北疆的天山北坡以及东疆的哈密、吐鲁番等地各灌区均严重超采，这是值得注意的问题。如前所述，虽然在井渠结合的条件下由于灌溉补给的地下水可以重复利用进行灌溉，河水的灌水量减少，但由于灌溉的河水仍带来一定的盐分，如无地下水排出区外，灌溉的地表水和地下水将通过作物腾发和土壤蒸发而消耗，盐分将留在田间，导致土壤积盐。为了防止土壤盐渍化，从长远看除利用井水灌溉外，还需要利用水井抽取一定的地下水（不结合灌溉的淋盐用水），通过斗沟和支沟排除区外。3.地下水微咸水和咸水地区的井渠结合灌溉排水问题在地下水矿化度为2-3g/L的微咸水区采用井渠结合灌溉,咸水区采用3~5g/l的半咸水与渠水混合灌溉在河北南皮等地已有成功经验。在地下水含水层导水性能较好的地区可以采用地表水灌溉竖井排水或井渠结合灌溉、井灌代排的灌排模式。作物苗期采用渠水，苗期以后井渠结合采用地下微咸水或咸水与渠道淡水混合灌溉。由于用于灌溉的微咸水和咸水的含盐量较高，灌溉的河水也会带来一定的盐分，因此，在这些地区田间需修建农沟或斗沟，排除地下水，必要时还需要专门利用水井抽取一部分高矿化度的地下水，通过斗沟和支沟排除区外,以保持盐分的平衡。例如，宁夏银北灌区采用机井排水和井渠结合防治土壤盐渍化均取得了成功经验。银北灌区1970年代中期至1989年底累计建井6127眼。井深28-30m,间距多为400m,部分500-600m。70年代末至80年代初在抽水电费有保证的条件下，坚持了三段抽水排水：春灌前（4月20日前）抽水15天，小麦伏泡后（7月15日至8月中）抽水10天，冬灌后抽水15天，使灌区地下水位大幅度下降，一般春灌前地下水埋深均在2.0–2.2m.,土壤脱盐,作物产量大幅度提高。宁夏水科所等单位1982年至1985年在平罗县东风试验示范区进行了竖井排水调控地下水位的实验研究。通过利用渠水灌溉，机井抽水排水，每年进行三阶段抽水排水，试区地下水位埋深由1982年春灌前4月份的1.63m,1983年4月下降为1.84m,1984年4月为1.97m,1985年4月达到2.07m,土壤逐步脱盐,1985年土壤耕层盐分在返盐期(4月份)已下降至0.2%以下，表明机井排水具有显著的调控地下水位和防治土壤盐渍化的作用。由于单纯排水运行费用高，大面积长时间进行三阶段抽水排水难以维持，宁夏水科所等单位自1987年开始又在东风试验示范区进行了6年井渠结合，以灌代排调控地下水位的试验示范。采取分区在春灌前和冬灌后两期抽水排水和灌溉期井渠结合，以灌代排的方式控制地下水位，使试区地下水位保持在较大埋深，土壤盐分控制在0.2%以下,荒地资源得到了逐年开垦,粮食产量逐年增长,灌溉引水量逐年减少,地下水矿化度逐年下降。在1982–1986年机井排水控制地下水阶段年引黄河水灌溉水量为390–983万m3，排水量为102–435万m3，而在井渠结合、以灌代排阶段引水量仅为217–404万m3，排水量仅为101–123万m3。通过井渠结合，以灌代排大大减少了引黄水量和排水量，节约了用水，也减少了抽水排水的费用，表明了井渠结合，以灌代排的优越性。在利用河水灌溉的地下咸水区或土壤含盐量高的地区,不宜利用井水进行灌溉，但含水层导水性较好时，可以采用水井抽排咸水。在土层透水性极差，不适于打井的地区，应采用水平排水系统,控制地下水位和排除多余盐分,防止土壤次生盐渍化。在长期采用单纯井渠结合灌溉的地区,由于渠灌水不断将盐分携带进入灌区,渗入地下的灌溉水又通过井灌重复利用,而不能排除区外,长期井渠结合灌溉将造成积盐，特别是高矿化度地下咸水地区应通过水井将咸水抽排至明沟，再经斗沟或支沟等明沟，集中将其排出区外,以保持灌区盐分平衡。七．关于正确处理渠道防渗和井渠结合的关系问题渠道衬砌和井渠结合灌溉是两项重要的灌溉节水措施。两者都可以提高水的利用系数，但两者节水的作用是不同的。渠道衬砌是通过减少渗漏损失量来节水，而井渠结合灌溉则是通过重复利用灌溉渗漏的水量来节水。可以利用的地下水量与渠系的衬砌程度密切有关。在田间作物实际用水量一定时，渠道防渗可以节省自河流或地下水源的取水量，通过渠道衬砌，可以提高渠道的允许水流速度，减少断面面积，加快输配水速度。我国北方一些灌区位于北纬40°以北,冬季冻层深度达1.0～1.2m，妥善解决渠道衬砌防冻胀是保证防渗效果的关键问题。从防冻胀安全和防渗节水效果的角度，防渗渠段应选在地下水位埋深大、土壤透水性强的地段。通过透水性弱的粘性土壤的渠道（段）和地下水位高的渠段，由于受地下水顶托，渠道渗漏损失较小，防渗措施复杂,效果相对较小,并不一定需要进行渠道防渗。斗、农渠一般实行轮灌，输水时间较短，防渗效果较长期输水的渠道为小,且斗农渠以下田间渠道的渗漏，可以比较均匀地补给地下水，在地下水淡水区，施行井渠结合的条件下，渠道渗漏补给的地下水又可以用来进行灌溉，因此，斗农渠以下田间渠道并不一定需要进行衬砌。但在土壤含盐量和地下水矿化度高的地区，从防治土壤次生盐碱化的角度看，必须进行渠道防渗。灌区渠道衬砌程度与井渠结合灌溉的合理选择需根据灌区的具体条件，从灌区水资源供需平衡要求，通过投资和效益的分析比较确定。八．对井渠结合灌区地下水资源评价和地下水开发利用规划的意见如前所述，灌区地下水的补给主要来自渠道和灌溉水的渗漏，而后者一方面决定于水文地质条件，另一方面又决定于灌区规划的总引水量，渠道的衬砌程度，渠道的布局，田间灌水技术，以及其它工程和非工程节水措施，因此，地下水的资源评价、补给量和可采水量的分析，必须在灌区改造规划的基础上进行。地下水可采水量一方面决定于地下水的补给量，另一方面也决定于地下水的消耗量，包括非耕地的潜水蒸发和天然植被的耗水与耕地作物根系利用的地下水量，以及地下水的侧向排泄量和农田排水量。这些消耗项一般均与地下水位的埋深有关，而地下水位的埋深又决定于规划中采用的灌溉排水措施，要求的非耕地林草覆盖度和草场的载畜量，因此，灌区内不同位置要求保持的地下位也是不相同的，为了精确确定地下水的补给和消耗项,进行地下水资源评价，都需要分区确定水文和水文地质参数,根据不同规划方案利用分布参数模型,进行地下水模拟,预报在不同规划方案下的地下水位,并在此基础上确定地下水可采量。应当指出,在现有条件下,亦即在以节水为中心的灌区改造前,地下水的埋深较小,有很大一部分地下水的补给量消耗于非耕地的潜水蒸发量和耕地上作物所消耗的地下水向根层的补给量。在节水和开采利用地下水的条件下,由于灌溉对地下水的补给量减少，为了维持天然植被的生存，需要保持一定的地下水埋深，非耕地潜水蒸发和耕地作物的地下水利用量依旧消耗很大一部分地下水补给量，通过水井可开采利用的地下水量将会减少。此外为了保持灌区盐分平衡，在地下水的总补给量中还有一部分消耗于地下水的排水，因此，为了精确确定地下水可采量和合理的地下水开发利用量需要进行详细的地下水模拟计算。根据北方平原和盆地灌区资料,现状条件下地下水的补给来自降雨和灌溉水的入渗补给,垂直补给占整个补给量的80-90%以上,见表24。由于地下水地补给量基本上是均匀分布于整个灌区的,它的补给条件也就决定了它的开采方式,灌区的地下水开采应采取就地补给就地开采的井渠结合的方式,除山前潜水溢出带以外，不适于在灌区内采取集中开采的水源地方式,更不宜在城市集中开采解决全部的工业和全部的生活用水问题。目前在一些灌区水资源开发利用规划中,将灌区内由于灌溉和降雨补给而获得的地下水量与地表水一起分配给工业用水和生活用水，这种做法将会带来严重的后果,因为地下含水层中的地下水与地表水不同,是不能任意从一个地区任意向另外一个地区转移的。如前所述，灌区的地下水补给强度应等于地表水毛灌溉定额乘以灌溉水的的利用系数与降雨量乘以入渗补给系数的总和，一般不超过200mm，但集中开采的城市水源地开采强度常在600-1000mm/a以上，在持续开采的情况下将出现地下水位下降漏斗，地面沉降等一系列环境地质问题。灌区内由降雨和地表水灌溉补给而形成的地下水,除将一部分优质地下水用于城镇和农村生活用水外,应主要通过井渠结合再用于灌溉,城市工业用水应主要由地表水供水来解决。全国许多城市，甚至南方湿润地区地下水补给比较充足的城市，由于大量集中开采地下水，造成地下水超采，形成大面积地下水降落漏斗，地面沉降等严重后果，最终还不