平原漏斗区高效生态的含水层补给技术研究

发布时间：2016-06-08 22:12

第一章 绪 论

1.1 课题来源与项目概况
此研究来源于山东省省级水利科研项目：基于回灌补源的平原地区高效生态农田水利工程技术研究（项目编号：SDSLKY201310）。该项目针对我省大部分平原井灌区存在的浅层地下水超采并导致大面积地下水漏斗区及地面沉降等灾害、灌溉农业水供需矛盾尖锐、设计灌溉保证率低仅有 50%、一遇枯水年作物灌溉用水要求无法满足等问题，选择黄泛平原地区为研究示范区，以水生态平衡为原则，结合现有田间节水灌溉和排水及配套设施的建设，强化水源的引、蓄、渗工程。该项目包括高效可管理含水层补给技术体系和农业灌溉含水层补给指南两部分研究内容。第一部分针对一定水文地质条件平原农业井灌地区地下水超采问题且有短时相机引当地汛期雨洪水或地表客水条件，以我国清代山东省桓台县的洞井为基础，利用土壤水和地下水运动理论作为分析方法，确定工程水力设计参数，结合现代工程和材料，研制开发出一套高效可管理的含水层补给技术，并建立一定范围的试验小区，目的是将地表水及时转化为地下水，利用含水层储存，进行年内或年际调节，恢复地下水超采漏斗，控制地下水位，增加农业供水量，提高灌溉供水保证率，达到旱、涝、碱综合治理，转变农田水利工程由单纯的节水、排水为引、蓄、渗、节、灌、排的综合体系；第二部分是通过山东省补源工程调查研究，总结各类地下水补源工程类型的优缺点，借鉴澳大利亚含水层补给指南，提出具有一定指导意义的农业灌溉含水层补给管理指南。
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1.2 研究目的与意义
山东省是农业大省，，是我国粮食的主要生产省之一，同时也是农业用水大省，在保证我国粮食生产安全方面，水具有举足轻重的作用。平原区占我省总土地面积的一半，农业灌溉以地下水为主，水资源供需矛盾尖锐，地下水超采严重。山东省平原井灌区，大气降水是地下水的主要补给来源，年平均降水入渗系数为 0.25，按照地下水多年平均采补平衡的原则，仅靠开采每亩土地上的降雨入渗补给量不能满足正常产量下的作物需水，需要袭夺地下水侧向径流量、非农业土地面积下的浅层地下水、河流、沟渠渗漏量或者增加引用地表灌溉用水量。特别是近年来，我省工业化和城市化进程加快，工业用水和生活用水的需求量出现急剧上升趋势，而且供水保证率要求高，工业和生活新增水量大量挤占农业用水，加重了农业水资源供需矛盾。在地下水资源不能完全满足灌溉用水需要的地区，解决措施之一就是将多余洪水或地表径流通过沟渠引进并蓄存，通过促渗工程补给到含水层中，利用含水层作为库容进行多年或年调节，结合地下水开采工程，及时有效增加灌溉水量，提高供水保证率，并与排水工程结合控制涝、渍、盐碱灾害，达到节水、节能、增产的目的。总之，在平原地区采取沟、渠、坑塘、渗井等一系列的回灌措施，充分利用地面水、雨水，建立地下水库，将节水工程与地下水回灌补源工程结合起来，积极开发浅层地下水，做到三水在时空上的联合调度运用，形成高效的水资源开发-利用-节约-配置体系，根治旱、涝、碱三大自然灾害，对我省农业生产安全保障具有重要意义。
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第二章 区域及项目区概况

本章通过收集项目区已有资料，概述了项目区的自然地理概况和区域水文地质和工程地质条件以及现有农田水利工程现状，为本项目基于回灌补源的农田水利工程的设计与施工打下基础。

2.1 自然地理概况

2.1.1 地理位置
临清市位于鲁西北平原，隶属山东省聊城市，东部与高唐、茌平县相隔马颊河，西部与河北省临西县以卫运河为界隔河相望，南部与东昌府区、冠县相邻，北部与德州市夏津县分别接壤。市域南北长约 25km，东西宽约 47km，总面积 960 km2。临清市及项目区具体地理位置见图 2.1。车庄沟为鲁北平原中小河道，属海河流域漳卫运河水系，为卫运河的重要支流之一，位于临清市西南部陈公堤以东的大沙河河槽洼地，原是黄河故道，经历代群众排水疏浚而成一条南北向的排涝沟。起源于冠县清水镇前肖庄村，流经冠县清水镇和临清市潘庄镇、八岔路镇、唐园镇及青年街道，在青年街道车庄村东北汇入卫运河，全长 28km，流域面积 222.7km2，其中临清市境内长 25km，流域面积 199.7km2。本项目的研究区选在临清市八岔路镇万庄村的一块农田中，车庄沟支流流经该农田。车庄沟流域正位于聊城市西北部的黄河故道上（即大沙河），属鲁西黄河冲积平原，地势平坦。该区域内地面倾斜方向基本自西南向东北微倾斜，海拔标高在 37.3-32.63m之间，相对高差为 4.67m，平均坡降约 1/7000。历史上黄河的多次改道导致了该区域高中有洼、洼中有岗的微地貌，大量黄河泥沙下泄，沉淀，大面积土地沙化。区域自西南至东北有一条长 55km 的黄河故道，土壤类型主要是飞沙土类。
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2.2 区域水文地质与工程地质条件

根据当地 80 年代的水文地质调查图集及以往地下水普查及钻井资料可知：地下水类型主要为松散层类孔隙水。上层为淡水，下层为咸水。其中，最具有供水意义的是上层（浅层潜水-微承压水），即浅层地下水，厚度约为 60m。60m 深度内的岩性可分为上、中、下三部分，上部，埋深区间 0~15m 为亚砂土、粘土互层，其中 8~15m 局部有粘性土分布，构成包气带和水位变动带；中部 15~35m 是储存浅层潜水-微承压水的主要部位，主要由粉细砂、细砂、中粗砂组成，含水层顶板埋藏深度为 15-20m，含水砂层厚度为20~25m，因其厚度大、颗粒粗、含水性好，分布稳定，成为本区最主要的供水含水层；下部 35-60m 总的特点是亚砂土夹粉细砂，间有细砂层，形成了一个较为稳定的含水层。目前条件下，该区浅层地下水主要补给方式为大气降水、引黄灌溉及渠道侧渗补给。其中降水入渗补给占总补给量的 70~80%，是浅层地下水的主要补给来源，但由于降水年内年际间变化较大，使其入渗补给在时间分配上相差较大，形成了汛期降水集中而大强度补给，枯水期补给量很少或无补给的特点。灌溉回渗补给也是重要补给量。根据灌溉水源分为引黄灌溉回渗和地下水灌溉回渗。区内的尚潘渠、友谊渠均是引水和排洪渠道，在引水及汛期补给地下水，干枯期间与地下水无联系。地下水径流主要受控于不均匀的开采强度、地表水文和地形地貌因素。地下水径流方向基本上与地形倾斜方向一致，由西南向东北缓慢流动，水力坡度 2/10000～4/10000。该区地下水排泄方式主要是人工开采和水面蒸发，人工开采占浅层地下水排泄量的比重越来越大，是本区主要排泄量之一。

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第三章 基于回灌补源的农田水利工程总体布局.........17
3.1 项目区工程条件......17
3.2 工程总体布局..........22
3.3 本章小结.........25
第四章 平原漏斗区高效生态含水层补给工程设计.....27
4.1 高效生态含水层补给工程形式设计..........27
4.2 明沟-地下滤水管-竖井含水层补给系统水力参数设计......28
4.2.1 渗流理论及计算.....29
4.2.2 水力参数设计及优化......41
4.3 明沟-地下滤水管-竖井含水层补给系统防堵塞技术..........46
4.4 地下滤水管及竖井的选择........47
4.5 本章小结.........48
第五章 明沟-地下滤水管-竖井回灌工程效益分析......49
5.1 经济效益分析..........49
5.1.1 国民经济评价.........49
5.1.2 财务评价........50
5.2 生态效益分析..........51
5.3 社会效益分析..........51
5.4 本章小结.........52

第五章 明沟-地下滤水管-竖井回灌工程效益分析

为使含水层补给工程的建设和运行质量都得到提高，达到回灌工程经济合理、效益最大的目的，从经济、生态和社会效益方面对工程进行综合评价十分必要。

5.1 经济效益分析经济效益分析
一般包括国民经济评价和财务评价。国民经济评价是从整体考虑工程产生的效益和费用。财务评价是单纯考虑项目的收入和费用。该平原漏斗区高效生态含水层补给工程产生的国民经济效益包括增加地下水补给量，节省引黄灌溉水效益、节省引水管网设施的运行费用、节省防洪除涝设施的费用。（1）与地面节水灌溉设施相结合，提高灌溉水效益据调查，项目区种植结构为绿化树、果树以及经济作物，节水灌溉措施为喷灌，该灌溉形式亩次灌溉用水量为 50m3，每年普遍浇 4 次水，平均每年净效益为 5 万元，其中水占整个净效益的 0.4，其中项目区面积为 100 亩。该回灌工程一次引水期间可以增加 15000 m3的地下水，四次引水可增加 60000 m3地下水量，因此该回灌系统与地面节水灌溉设施相匹配，取得直接经济效益为 6 万元。（2）避免洪灾涝灾引起的经济损失由于该工程形式可以把河道多余雨洪水回灌到地下，而且能够控制水位在防盐渍化水位以下，能够实现旱、涝、碱综合治理的目的，因此可以间接避免涝灾带来的损失。据调查，涝灾给该项目区将带来的损失为 500 元/亩。由于该工程控制面积为 100 亩即66667m2，所以可减少的防洪除涝费为 5 万元。
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结论

本文针对平原井渠结合灌区地下水漏斗问题，参考桓台洞井回灌补源原理，提出了明沟-地下滤水管-竖井含水层补给技术体系。在所收集及调查资料的基础上，借鉴澳大利亚含水层补给管理指南对该工程在所选项目区的可行性进行了评价；通过水力学、土壤水动力学和地下水动力学等理论对该工程实施方案和水力参数进行设计，并计算其回灌效果。目的是能够研发出一套能同时解决回灌效率和堵塞问题，且能实现、旱、涝碱综合治理的高效生态的含水层补给技术。该研究所得结论如下：
（1）从所收集的气象、水文、水文地质等当地资料，物探、勘探、双环渗透试验等实地调查和野外试验结果以及水质测验和土工试验结果，可看出该项目区选址具有代表性，其地层、水质等条件都较适合回灌，并借鉴澳大利亚含水层补给管理指南评价该工程的可行性，评价结果表明该工程在临清市八岔路镇车庄沟难度较小，可行性强。
（2）利用水力学、土壤水动力学和地下水动力学等相关理论，初步设计出该回灌系统的施工参数，包括前置过滤池尺寸、地下滤水管埋深、管长、管径、管材、坡度等参数。并通过计算定量地了解了回灌效果，计算结果表明该明沟-地下滤水管-竖井回灌系统在一定程度上有利于地下水位的恢复，并通过水量平衡计算分析出车庄沟为回灌工程提供了充足的回灌水源。
（3）明沟-地下滤水管-竖井高效生态的地下水回灌系统，在沟渠渗漏和灌溉回归水补给地下水的基础上，进一步通过地下滤水管渗漏增加了地下水补给量，扩大了地下水补给范围，同时利用前置过滤装置、暗管以及竖井三道防堵塞措施来防治悬浮物物理堵塞，保证了该回灌工程的使用寿命。
（4）通过第五章效益分析可知，该回灌系统与地面节水灌溉系统相结合，具有显著的经济效益，而且具有重要的生态和社会效益。
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参考文献(略)

本文编号：54929