地下水超采綜合治理水利工程措施分析
----以館陶縣為例

王術(shù)禮，王小軍，蔣 卓

(1．河北天和咨詢有限公司，石家莊 050021；2．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029；3. 水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，南京 210029；4. 河海大學(xué)，南京 210098)

河北省是我國較為嚴(yán)重的資源型缺水地區(qū)。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，近年來全省用水總量逐年增加，進而導(dǎo)致地下水開采量日益加大。據(jù)統(tǒng)計[1,2]，每年全省地下水開采量約160多億m3，占總供水量的80%左右，其中約1/4左右地下水供水量為深層地下水，且呈逐年上升趨勢，是我國地下水超采最為嚴(yán)重的省份之一[3]。目前，農(nóng)業(yè)用水是全省用水大戶[4]，占全省總用水量的75%左右，同時地下水開采量的85%用于農(nóng)田灌溉。全省農(nóng)用機井達70多萬眼，深井?dāng)?shù)在20世紀(jì)70年代就已達8萬眼，井灌面積占區(qū)內(nèi)耕地面積的48%。河北省平原區(qū)農(nóng)田灌溉開采量占平原區(qū)總開采量的77%。平原區(qū)井灌面積占全省灌溉面積72.4%，山前平原區(qū)幾乎全部為井灌區(qū)[5]。日益增加的灌溉用水導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重地下水超采，并引發(fā)了地面沉降、海水入侵等眾多的環(huán)境地質(zhì)問題[6]。因此，采取有效措施，減少農(nóng)業(yè)用水[7,8]，遏制地下水超采已成為全省經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展中的一項緊迫任務(wù)。

按照國家地下水超采綜合治理工作部署和總體要求，2014年起河北省開展地下水超采綜合治理。根據(jù)河北省地下水超采治理工作安排，全省2014年地下水超采治理主要針對農(nóng)田灌溉用水，主要采用地表水替代地下水和井灌區(qū)高效節(jié)水。通常情況下，需結(jié)合地下水超采現(xiàn)狀，工程建設(shè)情況等多方面因素，統(tǒng)籌推進地下水超采區(qū)治理。

1 地下水超采綜合治理水利工程措施總體思路

地下水超采綜合治理以提高區(qū)域水資源配置能力和利用效率為目標(biāo)，增加地表水灌溉面積；以節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，提高灌溉效率為目標(biāo)，發(fā)展高效節(jié)水灌溉。

地表水替代地下水，利用南水北調(diào)工程通水后城市返還農(nóng)業(yè)的水量及引黃、引衛(wèi)等外來水量，恢復(fù)或擴大原來灌區(qū)灌溉面積，擴大渠灌區(qū)對井灌區(qū)的覆蓋，實現(xiàn)地表水對地下水的置換，減少地下水的開采量，實現(xiàn)地下水壓采目標(biāo)。

井灌區(qū)高效節(jié)水部分，在地表水無法到達的淺層地下水超采區(qū)及近期無法封井的深層地下水超采區(qū)，針對作物種類、土地流轉(zhuǎn)規(guī)模等條件，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，發(fā)展高效節(jié)水工程，提高灌溉水利用系數(shù)，減少地下水的開采量，實現(xiàn)地下水壓采目標(biāo)。

2 地下水超采綜合治理水利工程措施分析

在相關(guān)文獻中[9-11]，對地下水超采問題進行了不少研究，具有重要的指導(dǎo)意義。為了更好地對地下水超采進行治理，使地下水壓采更具有可操作性，對地下水超采水利工程措施進行了分析。

2.1 地表水替代地下水工程

地表水替代地下水工程主要是利用南水北調(diào)工程通水后城市返還農(nóng)業(yè)水量、當(dāng)?shù)厮巴鈦硪?，恢?fù)或擴大原地表水灌溉面積。地表水替代地下水工程措施，就是通過疏通灌溉渠系、修建提水泵站、水閘、坑塘及田間灌溉工程等，建立從水源到田間的引、提、蓄、灌為一體的灌溉體系，充分利用當(dāng)?shù)厮?、外調(diào)水灌溉農(nóng)田，減少地下水開采，達到壓采地下水的目的。針對不同情況，采取不同水利工程措施。

(1)對于現(xiàn)有農(nóng)田灌溉渠系工程，根據(jù)實際需要，通過清淤、拓寬工程，疏通渠道，修建水閘、分水口等渠系建筑物，完善輸配水設(shè)施，恢復(fù)輸水能力，實現(xiàn)自流灌溉，恢復(fù)原地表水灌溉面積，替代地下水。

(2)對于無農(nóng)田灌溉工程的，利用現(xiàn)有田間排水渠道，并根據(jù)需要新開挖渠道，通過揚水泵站提水至渠道或自流引水，再通過渠道內(nèi)灌溉泵站提水至渠道兩側(cè)農(nóng)田進行灌溉，擴大地表水灌溉面積，替代地下水。

(3)根據(jù)實際需要，通過對農(nóng)田周邊坑塘進行清淤擴挖改造，蓄積外來水及雨洪資源，解決來水時間與灌溉時間不一致問題，通過坑塘內(nèi)新建灌溉泵站引水至田間灌溉，擴大地表水灌溉面積，替代地下水。

(4)通過對新建或加固現(xiàn)有輸水渠上的節(jié)制閘，充分利用輸水渠道蓄積非灌溉期外來水及雨洪資源，與坑塘一起調(diào)蓄水源，解決非來水時間灌溉水源問題。

(5)由于地表水雜質(zhì)含量高，新建田間工程主要為低壓管灌工程，有條件地方實施地表水噴灌、微灌工程，提高用水效率。

2.2 井灌區(qū)高效節(jié)水工程

井灌區(qū)高效節(jié)水工程，是對于地表水無法到達的淺層地下水超采區(qū)及近期無法封井的深層地下水超采區(qū)，根據(jù)項目區(qū)實際情況，通過發(fā)展噴灌、微灌、滴灌、高標(biāo)準(zhǔn)低壓管灌等現(xiàn)代化節(jié)水灌溉方式，科學(xué)灌溉，提高灌溉水利用系數(shù)，減少地下水開采，達到壓采地下水的目的。對于不同作物，采用不同灌溉方式。

(1)小麥、玉米等大田作物，種植面積大，根據(jù)實際情況，實施噴灌工程、水肥一體化微噴灌工程，即節(jié)約用水，又能提高水肥利用效率，減少肥料使用量，減輕對環(huán)境污染，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

(2)蔬菜作物，實施水肥一體化膜下滴灌、微灌，節(jié)水效果明顯。

(3)對于果樹、苗木、中藥材等，采用微灌技術(shù)，節(jié)約用水，減少地下水開采量。

3 館陶縣地表水替代地下水工程的實踐

3.1 工程概況

館陶縣地處河北省東南部，地處冀魯接壤區(qū)，依傍蜿蜒流淌的衛(wèi)運河，與山東省冠縣、臨清市隔河相望；西與廣平、曲周、邱縣接壤，南靠大名縣，北連臨西縣。

2014年度地表水替代地下水項目涉及館陶鎮(zhèn)、王橋鄉(xiāng)、房寨鎮(zhèn)、柴堡鎮(zhèn)、南徐村鄉(xiāng)、路橋鄉(xiāng)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)33個村，人口約3.96萬人，地表水替代地下水灌溉面積1 715 hm2。

3.2 水資源開發(fā)利用程度

根據(jù)《館陶縣水利志》資料，平水年館陶縣缺水5 768.75 萬m3，枯水年缺水9 749.51萬m3，致使地下水超采嚴(yán)重，地下水位連年下降，形成了地下漏斗區(qū)。到2005年，全縣淺井地下水平均埋深已降至22.43 m，深水井地下水埋深降至45.54 m。

根據(jù)有關(guān)資料，館陶縣多年平均自產(chǎn)地表水資源量僅為476.3萬m3，現(xiàn)狀地表供水量為區(qū)域自產(chǎn)水量、衛(wèi)西干渠引蓄衛(wèi)運河水量以及各灌區(qū)引蓄衛(wèi)運河水量，開發(fā)利用程度一般。館陶縣地下水多年平均可開采量為4 347.4萬m3，現(xiàn)狀年地下水實際開采量為7 734萬m3，其中，淺層地下水開采量為4 162萬m3，淺層地下水開發(fā)利用程度達95.7%，深層地下水開采量為1 951萬m3，微咸水開采量為1 621萬m3。

3.3 地表水替代地下水工程方案設(shè)計

通過泵站或引水閘引衛(wèi)運河水至衛(wèi)西干渠，利用衛(wèi)西干渠上許路疃閘，東廣才閘、木官莊閘、滿谷營閘進行蓄水，通過衛(wèi)西干渠上的揚水泵站引水灌溉衛(wèi)西干渠兩岸農(nóng)田。

在王橋渠入衛(wèi)西干渠口新建李橋泵站工程，通過泵站抽衛(wèi)西干渠水至王橋渠，通過王橋渠上的揚水泵站引水灌溉渠道兩岸農(nóng)田。

改造衛(wèi)西干渠左岸館陶鎮(zhèn)劉沿村坑塘、李沿村坑塘，右岸大劉莊坑塘，通過引水設(shè)施連通衛(wèi)西干渠和坑塘，引衛(wèi)西干渠水至坑塘，在坑塘里設(shè)揚水點引水灌溉坑塘附近農(nóng)田。工程方案示意圖如圖1所示。

(1)水源工程。根據(jù)《河北省地下水超采綜合治理試點方案(2014年度)》，分配給邯鄲市的引衛(wèi)新增水量為1 619萬m3，其中分配給館陶縣的引衛(wèi)新增水量為748萬m3。本項目所有水源自衛(wèi)運河，渠首引水為幸福閘和路莊泵站。其中，路莊泵站，設(shè)計提水能力10 m3/s，配有機組10臺套，裝機容量1 550 kW。幸福閘設(shè)計引水流量50 m3/s，5孔閘，每孔凈寬3 m，高3 m。通常情況下，當(dāng)衛(wèi)運河處于高水位時，可采用幸福閘自流引水，當(dāng)衛(wèi)運河處于低水位時，采用路莊泵站提水引水。

圖1 館陶壓采地表水替代地下水工程方案示意圖Fig.1 Surfacewater-replacing-groundwater project of Guantao county

(2)輸配水工程。本工程輸配水工程主要為衛(wèi)西干渠及其支渠王橋渠。通過路莊泵站或幸福閘引衛(wèi)運河水至衛(wèi)西干渠，通過渠道上的揚水站引水灌溉兩岸農(nóng)田，新建衛(wèi)西干渠至田間揚水站25個。在王橋渠入衛(wèi)西干渠口新建李橋泵站工程，提水至王橋渠，經(jīng)王橋渠上的揚水站引水灌溉渠道兩岸農(nóng)田，新建王橋渠至田間揚水站4個。

(3)蓄水工程。為合理利用外調(diào)水、過境水及雨洪資源，提高用水效率，針對引水時間與灌溉時間不同期，調(diào)蓄能力不足等問題，需改造和新建蓄水工程。本項目蓄水工程為衛(wèi)西干渠、李沿村坑塘、劉沿村坑塘和大劉莊坑塘。衛(wèi)運河水進入衛(wèi)西干渠，利用衛(wèi)西干渠上許路疃閘、東廣才閘、木官莊閘、滿谷營閘蓄水，蓄水量396萬m3。改造衛(wèi)西干渠左岸李沿村坑塘、劉沿村坑塘和右岸大劉莊坑塘，通過與衛(wèi)西干渠連通，蓄水灌溉。李沿村坑塘位于館陶鎮(zhèn)李沿村，衛(wèi)西干渠左岸，占地6.53 hm2，蓄水量20.2萬m3。坑塘西側(cè)設(shè)至田間揚水站1個，灌溉坑塘附近農(nóng)田。劉沿村坑塘位于館陶鎮(zhèn)劉沿村，衛(wèi)西干渠左岸，占地5.07 hm2，蓄水量15.6萬m3。坑塘西側(cè)設(shè)至田間揚水站1個，灌溉坑塘附近農(nóng)田。大劉莊坑塘位于館陶鎮(zhèn)大劉莊，衛(wèi)西干渠右岸，占地10.67 hm2，蓄水量29.5萬m3。坑塘東南側(cè)設(shè)至田間揚水站1個，灌溉坑塘附近農(nóng)田。

(4)田間工程。本階段工程涉及灌溉片區(qū)共5處，分別位于衛(wèi)西干渠、王橋渠、李沿村坑塘、劉沿村坑塘和大劉莊坑塘?？刂频拿娣e分別為1 380、216.67、46、46、26.67 hm2。通常情況下，工程設(shè)計根據(jù)灌溉片區(qū)的地形地貌、土壤性質(zhì)、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和灌溉方式，選定不同類型的典型區(qū)進行工程布置。經(jīng)論證分析，本項目所涉及農(nóng)田種植均為小麥、玉米，采用低壓田間管灌。管網(wǎng)布置分為干、支兩級,均為固定PVC管，公稱壓力標(biāo)準(zhǔn)0.63 MPa，干管垂直于種植方向布置，支管沿種植方向垂直于干管布置。所選干管直徑為DE280、DE225、DE160，支管管徑DE110。

3.4 工程實施效果

工程實施后項目區(qū)農(nóng)作物種類和灌溉制度不變，項目區(qū)灌溉水源主要為地表水，不足部分由地下水補充。

項目區(qū)灌溉面積為1 715 hm2，作物凈需水量為399.3萬m3，本工程館陶縣分配衛(wèi)運河毛水量為748萬m3，所分配引衛(wèi)水量扣除蒸發(fā)滲漏量不滿足本區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水需要，僅小麥的冬灌、起身、拔節(jié)、灌漿60%用水和早秋作物用水可以由地表水替代地下水灌溉，小麥灌漿40%用水和玉米用水尚需要開采地下水補充灌溉。根據(jù)現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)灌溉用水統(tǒng)計資料和現(xiàn)場調(diào)查分析可知，項目區(qū)現(xiàn)狀作物地下水灌水定額為49萬m3，經(jīng)分析，本工程實施后項目區(qū)可壓采地下水量358萬m3，封井?dāng)?shù)量為132眼，其中深井16眼，淺井116眼。

項目實施后除可直接減少地下水開采量外，渠道在輸水過程中的沿程滲漏量，渠道、坑塘蓄水過程中的滲漏量可間接補充地下水，對于抬高地下水位、緩解項目區(qū)地下水為下降速度，遏制地質(zhì)環(huán)境惡化問題作用顯著，同時對于周邊居民生活環(huán)境的改善、經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展起到了積極的作用。

4 結(jié) 語

河北省是地下水超采最嚴(yán)重的省份之一，近年來全省地下水超采問題日益引起社會廣泛關(guān)注。通過地表水替代地下水工程措施，即通過疏通灌溉渠系、修建提水泵站、水閘、坑塘及田間灌溉工程等，建立從水源到田間的引、提、蓄、灌為一體的灌溉體系，充分利用當(dāng)?shù)厮?、外調(diào)水灌溉農(nóng)田，進而減少地下水開采，具有較好的壓采效果。

同時，通過館陶縣地表水替代地下水工程措施的實施，探索了不同水利工程措施在地表水替代地下水項目中的應(yīng)用，通過水利工程建設(shè)，完善地表水灌溉系統(tǒng)，充分利用利用當(dāng)?shù)厮?、外調(diào)水替代地下水灌溉農(nóng)田；發(fā)展井灌區(qū)高效 節(jié)水農(nóng)業(yè)，減少地下水開采量，逐步實現(xiàn)采補平衡，工程的應(yīng)用探索為在全國范圍內(nèi)全面開展地下水保護行動提供實踐經(jīng)驗。

此外，地下水超采治理最終落腳點在田間工程實施，由于田間工程面廣，影響因素多，在工程前期，應(yīng)下大力氣做好田間地塊調(diào)查工作，弄清各種有利、不利因素，減少后期工作的反復(fù)，保障工程的順利實施。

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