灌区农业节水地下水空间分布影响分析

一、农业节水模拟情景设置

陕西省是一个水资源紧缺的省份，旱灾频繁发生，农业对水资源依赖程度高。农业灌溉设施在抗旱减灾、保证粮食安全和促进社会经济发展中起着无可替代的重要作用。节水改造工程措施的实施，改变了灌区农田水文循环变化规律，干支斗渠道衬砌、井渠结合灌溉及田间节水技术等措施使地下水的补给量和排泄量发生了显著变化，并进一步影响到农田士壤水分运动及自然植被的生态耗水。灌溉入渗水量是地下水的主要补给来源，农田灌溉对地下水的补给量与灌水量、灌溉时间、灌水次数、灌水方式、地下水埋深、士质类型等因素有关。遵循以节水增效为中心，全面提高灌溉水利用系数、水分生产率，开源节流并重，实现水资源可持续利用原则，结合灌区水资源利用现状、浅层地下水资源调查报告和灌区节水改造规划，对灌区干支渠衬砌率、斗渠衬砌率、畦灌面积、喷灌面积、微灌面积、低压管道灌溉面积、粮食作物灌溉面积、蔬菜灌溉面积、果林灌溉面积、其他经济作物灌溉面积等进行调整组合（表9-1），设置了4种真实情景，分别为情景1（1997年）、情景3（2000年）、情景5（2005年）、情景7（2010年）和4 中假定情景分布，为情景2、情景4、情景6、情景8。通过地下水模型计算了节水工程实施前后灌区地下水位及埋深，通过8种真实情景及假定情景对比，分析灌区节水改造对地下水空间分布的影响。

表9-1 灌区农业节水改造规划方案 Table9-1 planning scheme of agricultural water-saving reform in Jinghui Canal Irrigation District

注：畦灌面积指小畦灌、膜上灌、注水灌、窖蓄灌溉等面积之和。其他经济作物是指棉、油、糖等作物。本表引自《陕西省泾惠渠灌区续建配套与节水改造规划报告》。

在灌区水资源利用现状（第七章水均衡分析）基础上设置的各种节水情景分别叙述如下：

（1）情景1：节水改造之前（1997年），干支斗渠衬砌部分破坏，渠系水利用系数为0.574，畦灌面积17667hm2，喷灌、微灌等节水灌溉技术还未被推广，农作物种植结构中粮食、蔬菜、果林、其他经济作物种植面积比例0.80：0.07：0.09：0.04。

（2）情景2：在情景1基础上，加大田间节水力度，扩大节水灌溉面积，畦灌面积增加到42000hm2，喷灌面积增加到4667hm2，微灌面积增加到2000hm2，低压管道灌溉面积增加到8667hm2，情景2即为2000年灌区农业节水真实情景。

（3）情景3：在情景2基础上，调整农作物种植结构，粮食作物灌溉面积增加到66867hm2，蔬菜灌溉面积增加到8467hm2，果林灌溉面积增加到7867hm2，其他经济作物灌溉面积增加到6000hm2。

（4）情景4：在情景3基础上，增大干支、斗渠衬砌率，减少渠道系统渗漏量，干支渠衬砌率为75%，斗渠衬砌率为80%，渠系水利用系数为0.645。

（5）情景5：在情景4基础上，加大田间节水力度，扩大节水灌溉面积，畦灌面积增加到53334hm2，喷灌面积增加到8667hm2，微灌面积增加到4000hm2，低压管道灌溉面积增加到11667hm2，田间水利用系数为0.92，情景5即为2005年灌区农业节水真实情景。

（6）情景6：在情景5基础上，调整农作物种植结构，粮食作物灌溉面积调整为63267hm2，蔬菜灌溉面积调整为12400hm2，果林灌溉面积调整为9133hm2，其他经济作物灌溉面积调整为6533hm2。

（7）情景7：在情景6基础上，增大干支、斗渠衬砌率，减少渠道系统渗漏量，干支渠衬砌率为90%，斗渠衬砌率为90%，渠系水利用系数为0.6。情景5即为2010年灌区农业节水真实情景。

（8）情景8：在情景7农业种植结构不变情况下，进一步增大干支、斗渠衬砌率，减少渠道系统渗漏量，干支渠衬砌率为100%，斗渠衬砌率为100%，渠系水利用系数为0.645。加大田间节水力度，扩大节水灌溉面积，畦灌面积增加到60000hm2，喷灌面积增加到10000hm2，微灌面积增加到5333hm2，低压管道灌溉面积增加到13333hm2，田间水利用系数为0.93。

二、模拟结果分析

通过地下水模型PMWIN对节水改造对地下水影响进行评价（代锋刚等，2012），重点考虑不同情景的地下水埋深，选择非灌溉季节9月份地下水埋深作为评价指标，不同情景下的地下水埋深所占面积见表9-2，同时把地下水埋深分为＜8m；8～13m；13～18m；18～23m；23～28m；＞28m6种情况分别统计面积。利用Visual Basic 6.0将模型模拟结果ASCII格式文件提取出来，然后将计算结果文件导入ArcGIS9.3中用Krixinx法进行内插，生成不同情景9月份地下水等水位线图（图9-1）。利用ArcGIS9.3对模型模拟结果ASCII格式数据文件进行了空间可视化显示（图9-2）。

表9-2 灌区节水改造各种情景下的地下水埋深分布面积 Table9-2 Different ground water depth distribution with water-saving scenein Jinghui Canal Irrigation District

续表

根据表9-2结果，分析可知：

（1）田间节水工程缓解地下水位下降的效果明显。通过情景1和情景2对比分析，田间节水工程可以减少18.5%的井灌水量，地下水埋深＜8m的面积增加4.6%，地下水埋深8～13m的面积减少15%；通过情景3和情景5对比分析，地下水埋深＜8m的面积增加4.8%，地下水埋深8～13m的面积减少6.4%，地下水埋深18～23m的面积减少13.1%；通过情景1和情景7对比分析，地下水埋深＜8m的面积增加26.7%，地下水埋深8～13m的面积减少35.8%。

（2）渠系节水工程提高了渠系水利用系数，减少了地下水开采量，对地下水位下降有一定的抑制作用。通过情景1和情景6对比分析，地下水埋深＜8m的面积增加17.2%，地下水埋深8～13m的面积减少31.5%；通过情景3和情景4对比分析，地下水埋深＜8m的面积增加2.3%，地下水埋深8～13m的面积减少2.1%；通过情景5和情景7对比分析，地下水埋深＜8m的面积增加10.5%，地下水埋深18～23m的面积减少18.5%。

（3）泾阳、杨府、楼底、张卜等地区农业种植结构不合理加剧了地下水位下降，地下水漏斗呈扩大趋势。通过情景1和情景8对比分析，地下水埋深＞28m的面积增加7.6倍，地下水埋深23～28m的面积增加4.76倍；通过情景3和情景7对比分析，地下水埋深＞28m的面积增加4.78倍，地下水埋深23～28m的面积增加2.99倍；通过情景2和情景6对比分析，地下水埋深＞28m的面积增加2.13倍，地下水埋深23～28m的面积增加2.15倍。

根据图9-1和图9-2可知：

（1）随着灌区节水改造工程，尤其是田间节水工程实施，三原、阎良、临潼等地区地下水位下降速度得到一定的控制，由于泾阳、杨府、楼底、张卜等地区的农作物种植结构调整，地下水埋深仍呈增加趋势。目前楼底、张卜等地区粮食作物种植面积减少，经济作物、果林及设施农业等方面发展较快，果蔬类经济作物对灌溉水质及灌水时间要求较高，多以机井开采地下水进行灌溉，渠道水源利用率低，导致地下水埋深增大，高陵县张卜地区已出现地面塌陷、地裂缝等危害性的地质灾害现象。

（2）在泾阳、高陵等地区出现的地下水降落漏斗扩展趋势明显。渠道灌溉水量与水利工程调蓄能力有关，通常在灌溉高峰时期，难以满足灌区下游地区灌溉用水要求，开采地下水缓解了农业用水矛盾，但由于统一规划管理措施的缺失，导致地下水超采加剧。泾阳、楼底、杨府、张卜4个地区地下水位下降趋势尤为突出，地下水平均埋深由1997年9月的12.5m下降至2010年9月的27.5m，累计降幅15m，局部地区地下水最大埋深达到50m以上。地下水位下降速度增大，地下水位年平均下降速度从1981～1997年间的0.535m/a增大为2000～2010年间的0.734m/a。

图9-1 泾惠渠灌区不同节水情景下地下水位空间分布 Fig.9-1 Spatial and temporal distribution of groundwater level of the different simulate scenes in Jinghui Canal Irrigation District

图9-2 泾惠渠灌区不同节水情景下地下水位三维空间分布 Fig.9-2 Spatial and temporal distribution of groundwater level of the different simulate scenes in Jinghui Canal Irrigation District

三、模拟结论

（1）运用PMWIN，GMS和ArcGIS两者结合是研究区域地下水演化趋势的非常有效的工具，ArcGIS在地下水模型模拟结果的前后处理中具有很大的优越性，3D Master三维可视化技术增强了对模拟结果后处理功能，可以实现模拟结果三维立体可视化直观显示。

（2）节水改造工程实施、农业种植结构调整，使泾惠渠灌区浅层地下水位下降速度增大，地下水年平均下降速度从1981～1997年间0.535m增加为2000～2015年间0.734m；地下水降落漏斗仍呈扩大趋势，地下水埋深＞13m的区域面积，由1997年9月的358.56km2增加为2015年9月的612.92km2。灌区适宜农业节水方案为模拟情景6，灌区渠系节水工程（干支、斗渠道衬砌）实施使渠系水利用系数提高了约16.9%，提高了灌溉保证率，减少了地下水开采量；灌区田间节水工程可减少18.5%～33.4%的井灌水量，对抑制地下水位下降效果明显。

（3）泾惠渠灌区目前由于地下水超采、地下水位迅速下降，局部已出现地面沉陷、地裂缝等危害性的环境地质灾害现象，建议进行地下水人工调蓄、完善地下水取水许可制度、调整农业种植结构、扩大农业节水宣传，实现灌区节水农业可持续发展。

农田灌溉水质标准农田灌溉水质标准（按照灌溉水的用途，农业灌溉水水质要求分二类：一类是指工业废水或城市污水作为农业用水的主要水源，并长期利用的灌区。灌溉量：水田800方/亩年，旱田300方/亩年。二类是指工业废水或城市污水作为农业用水的补充水源，而实行清污混灌沦灌的灌区。其用量不超过一类的一半。内容：中华人民共和国国家标准农田灌溉水质标准StandardsforirrigationwaterpualityGB5084-2005代替GB5084-92国家环境保护局2005-07-21批准2006-11-01实施为贯彻执行《中华人民共和国环境保护法》、防止土壤、地下水和农产品污染、保障人体健康，维护生态平衡，促进经济发展，特制订本标准。1主题内容与适用范围1.1主题内容本标准规定了农田灌溉水质要求、标准的实施和采样监测方法。1.2适用范围本标准适用于全国以地面水、地下水和处理后的城市污水及与城市污水水质相近的工业废水作水源的农田灌溉用水。本标准不适用医药、生物制品、化学试剂、农药、石油炼制、焦化和有机化工处理后的废水进行灌溉。2引用标准GB8978污水综合排放标准GB3838地面水环境质量标准CJ18污水排放城市下水道水质标准CJ25.1生活杂用水水质标准3标准分类本标准根据农作物的需求状况，将灌溉水质按灌溉作物分为三类：3.1一类：水作，如水稻，灌水量800m3亩·年3.2二类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量300m3/亩·年。