林琳
陕西省土地工程建设集团有限责任公司延安分公司，陕西西安 710075
摘要：针对西北地区渠井双灌区存在的水资源短缺、地下水无序开采、水资源重复利用率低、土壤次生盐碱化、缺乏渠井双灌区特点的水资源调控技术标准和调控手段等共性问题，本文从渠井双灌灌区的水资源调控；地下水模拟软件及模型；灌区用水管理等方面，阐述了渠井双灌灌区的灌溉理论、技术等的研究状况及研究趋势。通过归纳，利用地下水模拟软件和建立数学模型，对地下水进行模拟计算，寻求基于生态安全的灌区水资源最优化配置方案。
关键词：渠井双灌区；水资源调控；地下水模拟
中图分类号：S126文献标识码：A
Review on research progress of canal well dual irrigation in arid area
LIN Lin
(Yan’an Branch of Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. Xi'an 710075)
Abstract: in view of the common problems of water resources shortage, disorderly exploitation of groundwater, low reuse rate of water resources, secondary salinization of soil, lack of technical standards and means of water resources regulation and control in double irrigation area with canals and wells in Northwest China, this paper focuses on water resources regulation, groundwater simulation software and model, water management of irrigation area, etc, The research status and trend of irrigation theory and technology in canal well dual irrigation area are expounded. Through induction, groundwater simulation software and mathematical model are used to simulate groundwater, and the optimal allocation scheme of water resources in irrigation area based on ecological security is sought.
Key words: canal well double irrigation area; water resources regulation; groundwater simulation
0引言
渠井双灌是指灌区灌溉水源采用地表水与地下水相结合的方式进行灌溉。通过井、渠综合地调控地表水与地下水，以实现水资源的高效利用。然而许多灌区灌水方法和管理技术落后，不能使渠井双灌达到预期的目的。围绕这渠井灌区水资源调控利用，许多专家学者做出有益的探索和研究，现综述如下，以期对西北渠井双灌地区水资源调控具有参考作用。
1国内外井渠结合研究现状
1.1井渠结合灌区的水资源调控研究现状
国外发达国家非常重视水土资源供需平衡分析,重视对多水源合理开发利用,合理保护生态平衡,尤其是在井渠结合灌区十分注意采补平衡及水资源优化调度,不惜代价修建地下水回灌补源工程,以保持地下水位的稳定,严防地下水受到污染。
美国为了解决水资源短缺引起的地下水过量开采问题,修建了十个大坝储存洪水;为了阻止海水入侵布设了一些回灌井以形成水力帷幕;在控制地下水开采量方面采取了划分地下水分布带、征收地下水税等级森严措施。
日本政府一方面采取立法、科技、经济等手段,对开采的井位、井深、井径、抽水量等进行严格控制,实行计划用水和人工回灌地下水等措施,加强对地下水的管理;另一方面,积极研究地下水资源的储量变化规律,禁止超采地下水,通过以上对策与措施,地下水环境得到了明显的改善[4]。
印度政府近年来开展了大规模地集雨和地下水人工补给工作,并制定流域统一开发规划,为地方机构处理流域集水面积和建设集雨、人工补给设施提供指导。
德国在地下水资源可持续利用方面,建立许可证制度,地下水资源的开发利用须得到行政主管部门许可或批准后方可实施,发放许可证或批准书的行政主管部门一般为州的环境部和地方水资源局,批准水资源开发利用项目时,行政当局还要求当事人对此项目造成的一些不利影响采取弥补措施。
以色列对工业和生活污废水进行净化处理后回灌南部沙漠的地下水灌区,保持地下水的采补平衡。
巴基斯坦的印度河平原灌区,采取井渠结合最终彻底摆脱之前困扰灌区发展的沼泽和盐害问题。
我国是一个农业大国，农田灌溉是一个重要的研究课题，我国许多专家学者对灌区水资源的综合调控，水资源的采补平衡做出了有益的研究
作物生长关需水关键期，需要进行灌溉以保证作物正常的生长需，如果不能及时灌溉，可能面临减产甚至绝产的现象，对于渠道来水受时间和空间的限制，利用机井配合灌溉是提高产量的较好方式。贺培立[2009]根据清惠灌区的基本情况以及灌区运行效果，对灌区进行井渠双灌,地表地下水联合运用作了有益地探讨。在2003年,黄河来水严重不足,河套灌区全面启动节水抗旱预案时,临河区、杭锦后旗都把这一地区做为首选地区,其间,配套机电井760眼,发展井灌面积0. 72万hm2,占清惠灌渠灌溉面积2万hm2的36.1%,当黄河来水不足时，关口停水,井灌补水发挥出重要作用,保证了作物的适时灌溉，通过几年的运行,取得了比较好的效果[1]。
庞志军[2006]总结榆树市井渠结合灌区经验：地下水资源的利用贯彻“以丰补歉,渠补平衡"的方针,实行的是年初泡田,返青期以井灌为主,采降地下水位;孕穗、分孽期以渠灌为主,蓄补地下水。年际间实行“丰储枯用,周期平衡”的原则。配水方式:当水源充足,降水丰富,采用单一渠灌方式,这样不仅可以冲洗、淡化耕层土壤盐分,同时对潜水层以大量补给,使超采水量得以回补,通过回灌淡化潜水水质。当春旱发生时,河流来水满足不了农作物需水的要求,引用水量严重不足,采用群井汇流和井渠汇流的配水方式,这样可以提高供水保障率,确保春旱供水要求,大量入渗水体[2]。
井灌提取地下水，可以降低地下水位，腾出土壤库容增加降雨的入渗量，充分利用降水，同时，还能使浅层地下水水质逐步改善，由于降低了地下水位，降低了土壤和潜水的蒸发以及水资源的损耗，也相应减少了对渠水的需求。灌溉所造成的深层渗漏水量可靠井灌提上来再利用。这样可以达到降水，地表水，地下水的联合调度，最大限度地利用好各种水源。
井渠结合灌溉类型区可持续利用的关键是有效地补源，郎旭东，齐学斌等[2002]总结榆次潇河流域的引洪补源的过程和效果，引洪补源使地下水水位明显回升，引洪补源之水来源于潇河天然径流,其引水坝以上流域面积有3 090km2,流域内既有高山峻岭,又有山丘区陵,径流携带着含有腐殖植和羊粪的有机肥一起到达,经测算,每立方米径流中含泥沙100~200kg,含有机质15kg~30kg,135m3灌水定额,亩淤泥2~4cm,可增加土壤肥力2至3成,折合亩施氮肥10~15kg。起到了良好的改良土壤的效果。引洪补源使灌区增产效益明显[3]。
从以上研究可以看出，井渠结合灌溉具有开源与节流的双重作用。通过打井除可以利用灌区的降水和侧向径流对地下水的天然补给外,更重要的是将渠道渗漏和田间灌溉入渗补给的地下水,作为灌区新的水源,减少自河流或干渠的引水量,达到节省地表水资源的目的。
1.2井渠双灌灌区的用水管理现状
灌区用水管理技术包括土壤墒情监测与灌溉预报、节水高效灌溉制度的制订、输配水、灌水量测与调控、灌溉自动控制,它为工程节水系统的科学运行和农业节水技术的具体实施提供技术支持,实现农业灌溉用水过程的最优化。灌区运行管理机制包括水价、水权、投入机制与政策法规、管理服务体系建立等方面,它为节水农业的稳定持续发展提供政策和法规保障,使节水农业发展步入规范稳定的发展轨道。
美国、以色列、日本、澳大利亚等国家在这方面走在了前列,提出了土壤墒情监测与预报理论,并采取土壤墒情监测、作物需水预报等技术对灌区用水进行计算机管理。以色列是众所周知的贫水国家,但其通过在全国范围内实行水资源的统一管理与调配,并依据《水法》所赋于的权力实施用水配额制度,重视研制和生产应用新的节水设备等措施,探索出一条解决水资源紧缺的成功道路。德国、荷兰均不缺水,但两国都重视节水,并制订了一系列行之有效的法规措施。
近年来,我国在土壤墒情监测与灌溉预报、节水高效灌溉制度的制订、高效用水投入机制与政策法规等方面也做了一些基础性的研究工作,目前已将研究重点转移到灌区动态配水模拟仿真技术与实时调控技术;灌区用水群决策支持模型和动态配水管理软件开发;基于网络技术与RS和GPS技术相结合的灌区动态管理信息采集、传输和分析技术;集用水过程可视化、水量实时调度配置、用水测控管理为一体的灌溉用水信息化管理系统软件;集量控功能为一体的新型末级渠系量水与控制设备;灌区用水管理信息化标准结构体系及信息系统,以及灌区运行管理机制等方面的研究工作。
目前制约灌区用水管理的主要问题为水权和水价问题。水权问题为灌区管理单位只管地表水,群众只管地下水(井)。由于水资源没有统管,形成渠不管井,井不管渠,各自为政的用水局面,致使灌区渠井不能结合,水资源联合利用的效益不能发挥。因此,灌区必须改革现行的产权制度,使灌区成为按企业化管理的经济实体,实行灌区管理部门与农民用水户共同参与、利益双赢的运行管理机制。水价问题是制约井渠统一管理的障碍问题。当前,由于灌区农田水价偏低,导致农民不爱惜水;由于水价偏低,灌溉管理单位收取的水费入不敷出,反而鼓励农民多用水;另外,由于一些地方灌溉管理部门存在乱收费现象,使得农民不用地表水,大量采用地下水,从而造成地下水的无序开采。为此应在灌区内将地表水和地下水资源统一管理,制定合理的渠水和井水用水价格。保证地表水地下水得到协调合理利用[16 ]。
为了提出在北方井渠结合灌区地表水和地下水统一调度、高效利用的管理方案，探索基层用水管理模式[17]。穆聚彦[2012] 进行了地表水、地下水统一管理模式和地表水、地下水分别管理模式为主的水资源管理模式对比；优化比较了计时到户水费计收模式和按亩水费计收模式两种水费计收模式优劣，提出在我国北方灌区主要方法为：开展了涵盖用水户协会机构建设、协会规章制度、用水户协会的能力建设为内容的用水户协会建设；探索了以参与式灌溉管理模式和村统一管理模式为主的用水管理体制 [18]。
从以上研究可以看出，对土壤墒情的监测和灌溉预报是必要的，进而制定高效的灌溉制度，政府还应根据国情，民情制定相应的法律法规，促使水资源高效利用，保护当地生态平衡。
1.3地下水模拟软件及模型应用现状
地下水模拟大多数用于预测，主要包括水流模拟、地下水运移模拟、反应模拟、反应运移模拟等，常用软件有 GMS(Groundwater Modeling System)、Visual MODFLOW、Visual Groundwater、FEFLOW等。
GMS由美国 BrighamYoung University的环境模型研究室开发，综合了 MODFLOW、MT3D、MODPATH、FEMWATER、RT3D、SEAM3D、SEEP2D、
UTCHEM、PEST、UCODE 等模型和程序包，前后处理功能及三维可视化效果优良，适用于孔隙介质三维地下水流模拟，与GIS 接口好，目前国际上最受欢迎的地下水流模拟软件。
Visual Modflow 由加拿大 Waterloo公司研制开发。其综合了 MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D 和 WinPEST 等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟。合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征，适用于孔隙介质三维地下水流模拟，简单易学，价格相对便宜，是目前国内最流行的地下水流模拟软件之一。
FEFLOW由德国Wasy 水资源所开发。采用 Galerkin 有限单元法进行复杂二维和三维地下水流、溶质及热运移模拟。溶质运移中考虑带有非线性吸附作用、衰变及对流弥散的化学物质运移；并可对污染物和温度场进行同时模拟，与 GIS 接口好，剖分灵活，可进行复杂的各向异性地下水溶质和热运移模拟。
Vizintin [2011]FEFLOW在模拟海水入侵、地热传导、不规则边界条件等方面具有优越性是目前国内常用的地下水模型软件之一[19]。
MIKE SHE由丹麦 DHI 国际咨询和研究机构开发。综合的分布式流域模型，可完整地模拟陆地水循环中地表非饱和带和地下水量和溶质运移过程。与 AcrGIS 和 MODFLOW有良好的接口，界面友好，操作简单，可视化功能强，特别适合地下水-地表水联系密切条件下水资源系统的模拟。Casper, Dixon[2012] MIKE SHE在模拟水量平衡、流域水文过程、地下水补给动态、地下水地表水和非饱和带方面具有优越性[20]。
HYDRUS-2D/3D由美国加州大学和捷克公司合作开发。二维、三维饱和及非饱和带水分、溶质和能量运移模型，可进行二维剖面模拟，有植被覆盖条件下的土壤水-地下水流和溶质运移模拟。
王浩等[2010]比较国内外流行的地下水模拟软件，其中 GMS 软件具有模块多功能全的优点，可以用来模拟与地下水相关的几乎所有水流和溶质运移问题，与其它同类软件相比如 FEFLOW、MODFLOW 和 Visual Modflow，GMS 软件除具有更多模块之外，其各个模块的功能也更趋于完善[21]。
我国学者在井渠结合灌区地表水与地下水联合运用数学模型和计算方法方面开展了一些研究工作,取得了一些研究成果。特别是系统分析理论在灌区多种水源水联合调度中的研究与应用方面已有了很大的进展,取得了不少有价值的成果,
（1）灰色系统的理论与方法
灌区水资源调度是决策者的知识、经验、预测和判断能力的综合结果，灌区井渠灌溉调配具有典型的灰色性.贾全昌[1990]根据衡水湖灌区实例，应用井渠灌溉调配的灰色系统的理论与方法，解决了井渠灌概调配问题.使各月的对策都能最大限度地满足经济效益最大，有效地防止次生盐碱化的发生并量灌溉的要求，为灌区管理提供了一个新方法[7].
（2）灌区用水预报模型
肖素君,杨立彬[1998]通过对黄河下游井渠结合灌区用水现状的分析，以作物腾发量预测计算为基础，按作物根系层水量平衡原理，建立了井渠结合灌区用水预报模型，并利用该模型对人民胜利渠灌区的用水进行了分析预报。实例计算结果表明，该模型不仅计算结果合理，而且能够根据当时当地的天气和作物生长特性预报各种作物的灌溉水量、灌水时间等，可以提高灌区管理部门的工作效率和管理水平，达到节水灌溉的目的[14]。
（3）多灌溉水源联网供水优化分配模型
关于井渠结合灌区节水灌溉模式,一般认为应开展地面水与地下水在时间上及空间上的联合调度,渠灌部分采用适度防渗输水渠道,井灌部分采用管道输水,田间采取农艺和管理节水措施,实现水资源的优化调度和农业高效用水。影响多灌溉水源能否联网统一供水的主要因素有:当地地表水地下水水源情况、单一水源是否满足控制灌溉面积用水需求、水源工程的现行管理体制等。多灌溉水源联网应遵守水源的联网调度要考虑工程的权属与管理的方便、联网工程要经济实用及联网工程要高效等原则。多水源联网的形式基本上可分为3种,即树状管网、环状管网和混合管网。随着区域经济的发展,各村联网系统可以彼此联通,形成一个四通八达的工程网络,可实现区域水资源优化配置,提高区域水资源的利用效率。齐学斌[2007]针对丘陵地区灌溉水源分散、灌溉保证率低、农业缺水严重、生态环境恶化等突出问题,将多水源联网工程技术与优化调度技术相结合,建立了井渠结合灌区多水源联网优化调度模型,大大提高了灌区水资源的利用效率和灌溉保证率。采用该技术及其他节水措施后,威海井渠结合节水示范区全部耕地可得到灌溉,灌溉后的粮食产量由原来的9000 kg/hm2提高到11550 kg/hm2,示范区平均增产25%。经济、社会与环境效益显著[8]。
（4）地下水动态预测模型
周维博 [2006]以陕西泾惠渠井渠结合灌区为例,根据灌区多年降雨量、渠灌用水量、井灌用水量资料及渠井灌溉用水量的比值,利用多元非线性相关分析法建立了灌区地下水动态预报的数学模型。对减少渠灌用水量增加井灌用水量、增加渠灌用水量减少井灌用水量、渠灌与井灌用水量合理比值3种情况下地下水动态进行了预测,提出了适宜的渠井用水比例。为灌区地下水合理开采和灌溉水资源优化配置提供依据[9]。内蒙古河套灌区节水改造后,引黄水量大幅度减少。王康,沈荣开等[2004]在河套灌区内选择一块有代表性的区域作为研究对象,探讨河套灌区全面实施节水改造方案后,地下水开发利用的可行性以及井渠结合的合理模式。以MODFLOW软件为计算工具,对不同水井布局方案在某一确定的地下水开采强度下计算区地下水动态变化过程进行预测。计算结果表明,井渠结合区每年开采1200 m3/hm2条件下,连续多年运用能够保持采补平衡。不同的水井布局方案的计算表明,1200 m3/hm2开采水平下,以局部集中布井的布局形式较好[10]。
（5）节水效益模糊综合评价决策系统
齐学斌,黄仲冬等[2008]针对井渠结合灌区缺乏节水评价指标与评价方法等突出问题,采用模糊综合评价方法,建立了井渠结合灌区节水农业综合评价指标体系,开发出了计算机辅助评价决策系统,该系统在国家节水农业重大科技专项“山东威海井渠结合节水技术集成与示范区”应用表明,系统确定的评价指标与评价方法科学、合理,评价结果可靠,计算机辅助管理系统性能稳定,操作简便[11]。
（6)多目标优化配置模型
聂相田,邱林等[2006]按照将灌区的经济效益和生态环境效益结合在一起综合考虑,在灌区水资源配置时不仅只追求获得最大经济效益,同时尽量将地下水位控制在适宜范围内,以维持地下水资源的采补平衡,实现水资源的可持续利用的原则,建立了井渠结合灌区水资源多目标优化配置模型。实例计算及多年应用表明:应用此模型指导井渠结合灌区的水资源配置可实现真正意义上的地表水和地下水联合运用,提高水资源利用效率[12]。
(7)信息管理与控制系统
蒋树芳，康跃虎[2006]为满足井渠结合灌区信息化管理与科学用水监管的需要，基于无线传感器网络，采用 MapWindow 开源地理信息系统组件与MySQL 数据库，设计一种井渠结合灌溉管网输水灌溉信息管理与控制系统。应用结果表明，该系统的网络连通性和抗干扰性较好，软件部分运行稳定且支持多操作系统，可实现井渠结合灌区水资源联合调度、远程无线监控和信息化管理[13]。
(8) SWATMOD 模型
赵振国等[2009]针对井渠结合灌区水文过程以地表水的人工控制和抽取地下水灌溉—蒸散为主的水文循环特点，应用 SWATMOD 模型，以某渠灌区为例，对构建的耦合模型进行了率定和验证。通过对模型率定和验证，表明 SWATMOD 适
合北方井渠结合灌区水文循环过程的模拟。以模型为基础，进行灌区水资源量计算和水资源可利用量评价。模拟结果合理，丰富了井渠结合灌区水资源可利用量评价方法[6]。
（9）地下水分布模拟模型
代锋刚等[2012]为了获取泾惠渠灌区适宜井渠灌水比例，科学合理地确定农业节水方案，应用 ArcGIS 和 PMWIN 地下水模拟软件建立了灌区的地下水分布模拟模型，根据灌区历年农业用水实际情况设定了 10 种灌溉情景模拟灌区地下水位的变化趋势，通过地下水模型分析研究了灌区井渠灌水比例。利用 VB 程序语言改写 EVT 蒸发蒸腾子程序包，使其能模拟非线性蒸发，潜水蒸发量计算精度得到较大改进。研究表明：1）渠首有效灌溉引水量在 3.7～4.1 亿 m3，井渠灌水比例控制在 0.35～0.55，基本可以保持灌区地下水采补平衡；2）渠首有效灌溉引水量在 1.5～2.0 亿 m3，井渠灌水比例控制在 0.5～0.7，也能实现灌区地下水采补平衡；3）目前井渠灌水比例在 0.9～1.2，已引起灌区地下水超采。建议井渠灌水比例控制在 0.5～0.7，加大农业节水力度、增加水价财政补贴、进行地下水人工调蓄，实现灌区水资源高效持续利用[15]。
由以上研究可以看出计算模型由单一的优化模型发展为几种方法的组合模型,计算问题由单目标发展为多目标,以及大系统优化理论的应用,使复杂的地表水与地下水联合调度问题变得较为简单,但随着研究问题的深入,常规数学规划方法的局限性也越来越明显,采用人工智能技术、决策支持系统、专家系统、灰色模糊系统等计算机技术,建立基于3S技术的地下水动态监测可视化平台将是多种水源联合利用优化调度技术的发展方向。
2存在问题
井渠结合灌区大多因为地下水水位，容量，水质的监测设备费用高，缺乏对地下水水位，容量，水质的监测，管理部门用水管理力度不够，使得农民灌溉时井，渠用水分配意识不强，没有达到计划用水，有偿灌水，依法灌水，灌溉模式大多采用漫灌的形式，灌溉定额偏大，没有计量用水，灌区既缺水又浪费水的现象总有出现，水资源重复利用率低、土壤次生盐碱化、缺乏渠井双灌区特点的水资源调控技术标准和调控手段。
3发展趋势
开发经济适用的地下水监测设备，大力发展节水灌溉技术，提高水的利用效率，使水尽其用，减少水的无效蒸发和深层渗漏。利用地下水模拟软件和数学模型，对地下水进行模拟计算预测，提出基于生态安全的灌区地表水与地下水简化而实用的调控方案与较强可操作性的渠井配置标准体系和调控技术。
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