井渠结合——北方灌区建设的基本方向
田园 国家节水灌溉北京工程技术研究中心
建国50年来，我国的灌溉事业有巨大发展，灌溉面积由建国初期的2.4亿亩，增加到目前的8亿亩，解决了12亿人口的衣食问题，成绩举世公认。然而由于建设资金不足，已建的灌溉工程多数配套不全，难以发挥设计效益，再加水费收入低微，不能满足管理维修需要，工程设施长期带病运行，多数已濒临难以支撑的程度。近年来各级政府增加农田水利建设的投资，用于灌溉工程的续建配套和节水技术改造，是十分必要的。
北方灌区续建配套和节水技术改造，要把灌区建设成什么样的工程模式?对此尚未形成统一认识。多数技术人员认为应当建成井渠结合、地表水与地下水联合运用的灌区。然而这种主张在有些地方遭到抵制，难以实施。即使在技术人员中，对井渠结合的工程形式，理解也并非一致，因此有专门讨论的必要。
一、井渠结合在北方灌区中实施的必要性
井渠结合的灌溉工程结构，其特点为在农田灌溉和排水上用渠也用井，二者结合，相辅相成。用渠引地表水灌溉和排除地表径流防涝；用井抽取地下水灌溉、控制地下水位，防治渍涝和盐碱灾害，排除部分矿化度高的地下水，保持灌区盐分平衡。
采取井渠结合灌溉工程形式的必要性概述如下：
1．提高灌区水资源利用率。开采地下水灌溉，第一可以把引地表水灌溉渠道和田间渗漏水量重复利用，提高灌溉水的利用率；第二，井灌降低地下水位，可增加降雨的入渗量，减少径流流失，提高降雨的利用率；第三，井灌降低地下水位，减少潜水蒸发，提高水资源的利用效率。所以，开展井灌是节水灌溉不可替代的技术措施。
2.提高灌溉用水保证率。北方地区降水量年际变率大，地表径流年际变率更大。采取井渠结合的灌溉方式，利用地下水的巨大储量，干旱年多取地下水补地表水之不足；丰水年多用地表水、且回灌地下水；二者结合，使灌溉保证率提高。
3.防治灌区渍涝和盐碱化。北方河流冲积平原，土壤和地下水含可溶盐分较多，引地表水灌溉，抬高地下水位，容易引起土壤盐渍化和加重渍涝灾害。而河流冲积平原的土壤多粉砂，挖沟排水，控制地下水位，由于沟坡坍塌，难以达到设计效果。打井开采地下水灌溉和采取竖井排水降低地下水位则容易办到。故井渠结合是控制地下水位，防治灌区渍涝和盐碱灾害的可靠措施。
4.提高作物产量。大型灌区实行轮灌，灌水周期长，难以满足作物适时灌溉的要求；而井灌则机动灵活，可以适时灌溉，保证作物丰产用水。
5.抽咸换淡、改造利用浅层地下咸水。地下水矿化度高是灌区次生盐渍化的根源，又是地下水开发利用的障碍。采取竖井排水，抽排高矿化度的地下水，利用雨水和引入低矿化度的地表水，入渗补给地下水，可逐渐使一定深度内的浅层地下水淡化，变为可利用的水源。这种措施称为“抽咸换淡”。抽咸换淡是保持灌区盐分平衡和改善灌区生态环境的基本措施。
二、井渠结合灌溉工程规划
在井渠结合灌区，井是灌溉和排水工程设施中的重要组成部分。所以，具有适合打井提取地下水的水文地质条件，是实施井渠结合灌溉工程的基本前提。山区、丘陵区的坡地，松散覆盖层薄，坡度陡，地表和地下径流易于流失，不具备打井开发地下水灌溉条件；即使岩石风化层有裂隙水，出水量也有限，难以做为灌溉水源。只有沟谷滩地和覆盖层较厚的台地与低阶地，才可打井灌溉。
滨海平原为海相沉积地层，质地致密，透水性极差，打井取水困难，且水质矿化度很高，也不宜作为井灌或竖井排水地区。
上述两类地区均应修渠引地表水灌溉。山丘区坡地灌溉与水土保持相结合，修筑塘坝、水库，蓄积当地径流、作为水源。有条件从骨千河道引水时，将引水渠与当地塘坝水库联结，形成“长藤结瓜”式灌溉系统，提高灌溉用水保证率和水资源的利用率。滨海区地势低平，土壤含盐量高，除古河道和现代河流所在地为沙壤土外，多为粘土或重壤土，透水性差，这类地区引河水灌溉，应采取明沟或略管排水，改良盐渍土和防止渍涝灾害。这类地区从河道引水可挖地下渠，即引水渠的水位低于地面，在引水渠上设泵站提水灌溉。利用地下渠引水灌溉，渗漏少， 不易决口淹地，且占压土地少，也有利于与排水系统结合，排泄暴雨径流；但在土壤脱盐阶段，应当保证排泄咸水有通路。
北方平原地区已建成的大中型灌区，大多数地方都有打井提取地下水的条件；但不同地貌单元沉积物透水性差异很大。位于河流洪积冲积扇区打成的井，每小时出水量可达到50—100—200m3，甚至更高；位于冲积湖积区打成的井每小时出水量多不足50m3，甚至只有10m3左右。冲积湖积区含水层多为中砂、细砂和粉砂，利用普通管井取水出水量小，且容易发生井淤；故应改进井型，推广辐射井技术，或改进管井的滤水结构，增加出水量。
在海河平原的沉积层中有些地方是有裂隙的胶泥层(属重壤土)，这些沉积物的透水性优于粉砂，义打井不易发生井淤。
凡是可以打井提取地下水的地方，建设新灌区或老灌区技术改造，均应按照井渠结合、地表水与地下水联合运用原则进行规划设计和施工。要点如下：
1.以井灌和竖井排水控制地下水位，防止渍涝灾害和土壤盐碱化。东部平原区受季风气候影响，雨季常发生暴雨，造成渍涝灾害，旱季地下水位过高，引起土壤盐碱化。在井渠结合灌区，雨季以前应通过井灌或竖井排水，把地下水埋深控制到发生10—20年一遇暴雨时不会发生渍涝灾害；旱季、特别是在秋末冬初土壤结冻前，把地下水埋深控制在不致引起土壤返盐的临界深度。西部内陆区降水量少，无雨多成涝的灾患，防止土壤盐碱化是关键，旱季、特别在地表被作物覆盖以前，应控制地下水埋深达到临界深度。这些要求，应作为供给地表水灌溉的基本条件，达不到这些要求，不应供给地表水。在井渠结合灌区，不再利用地面排水系统排泄地下水和控制地下水位，排泄地表径流的机率和排水模数也大为降低；因此，田间排水沟除用作竖井排水的输水沟外，一般不须设置，仅结合村庄、道路和低洼地，开挖重点排水沟即可；排水沟断面以通过设计流量为准，深度不再以控制地下水埋深作为设计条件。
2.以竖井排水保持灌溉区水盐平衡。从区外引水灌溉，必然带进相当数量的盐分。为保持灌区盐分平衡和逐渐减少灌区内可溶盐分数量，改善生态环境，须通过排水排出一定数量的盐分。地球上可溶盐分的运动都是以水流为载体，从高处向低处、从上游向下游运移。在运移过程中，因水分蒸发浓度逐渐增加，溶解度低的成分逐步从地下水中沉淀析出，溶解度高的成分逐渐占优势。在地势低洼、排水不畅的地方，地下水浓度达到最高，溶解度高、为害作用相对较强的盐分也积累最多。基于此项规律，可以把一个水文地质单元的地下水看作统一的流场，在下游径流滞缓区进行竖井排水，加速地下水的运动。这样可以通过排除数量较少的高矿化度地下水，取得灌区盐分平衡或负平衡的效果。竖井排水只要抽出的咸水在输水渠中不结冰阻塞，则全年都可进行，不受时间限制；因此竖井排水流量模数小，输水沟可做成防渗渠或输水管道，以代替分布在全灌区深而密的明沟和g音管排水系统。
3.井渠结合灌区地表水的供水量。农田灌溉一为满足耕地的蒸腾蒸发量，二为满足非耕地自然植被的落腾蒸发量。耕地的蒸腾蒸发量通常称谓作物需水量或田间耗水量。各地主要农作物的需水量已有数十年的观测试验资料，可作为计算依据。设i种作物的需水量为Ei，种植面积与耕地面积的比值为ai，则全部耕地多种作物的加权平均耗水量为：
M耕=∑aiEi （1）
非耕地耗水量，为灌区环境用水。据华北水电学院徐建新，王韶华等调查分析，其数值为300-500mm，平均约为耕地耗水量的0.6倍。
把耕地和非耕地的加权平均耗水量定义为“农业用水量”，依下达公式估算
M农=M耕η+M非（1—η）
= M耕[η+0.6(1—η)]
=∑aiEi[0.6+0.4η] (2)
式中η为耕地占灌区总面积的百分比。
依据公式(2)计算晋、冀、各、豫四省的四个不同类型灌区的农业用水量，与这四个灌区各年的实际用水量对比，得到的概念是：当实际用水量符合公式计算的用水量时，灌区农作物产量最高；灌区实际用水量低于公式计算的用水量时，灌区农作物产量随用水量的增加而提高；灌区实际用水量超过公式计算的用水量时，灌区农作物产量不但不增加，反而有明显的减产趋势。这些资料说明了用公式(2)估算农业用水量的实用价值。
灌区农业用水量减去灌区降水量和流入、流出灌区地表径流与地下径流的平衡差值，即为灌区的灌溉用水量：
M灌=M农—P ± R ± G (3)
式中P—降水量，R—地表径流入流出差值，G—地下径流流入流出差值；流出量大于流入量取正号，反之取负号。
为保持灌区盐分平衡，须通过排水排除引水灌溉带入灌区内的盐分。设来水矿化度为S1，排出水的矿化度为S2，排出水量M排，则：
以上各式中的水量均以mm计。
4.井渠结合灌区工程规划
大型灌区控制面积大，上下游供水条件和水文地质条件差异明显，灌溉排水工程设施适应这种条件应做不同处理。一般而言，灌区上游地区水文地质条件和地下水补给条件优于下游地区。如果地下水可开采量能够满足灌溉用水要求，应当划作井灌区，不布设地表水灌溉工程。中游地区水文地质条件和地下水补给条件均不及上游区，开采地下水不能满足灌溉要求， 因此，须要在打井灌溉的基础上，引地表水补当地水源的不足。下游地区水文地质条件和地下水补给条件均差，由于地下径流滞缓，地下水甚至出现不适合灌溉的咸水层，或因地下含水层透水性差，不适合打井取水。所以，灌区下游最需要引地表水灌溉，利用竖井排水或明沟与暗管排水。我国大中型灌区的现状，多数与上述理想情况相反；上游地区由于“近水楼台”取得了利用地来水的优先权，即使有良好的地下水条件，也不肯打井灌溉；而下游地区远离水源地，地表水可望不可得，只得在极其艰难的条件下开发利用地下水，导致一系列不利后果。这种情况是应当改变的，因为它不利于水资源优化配置和上下游均衡发展；即使对上游地区而言，完全用地表水灌溉也难以根本解决渍涝和盐碱问题。
灌区井渠结合的工程布置形式有多种：(1)在引地表水灌溉的地块上打井；(2)地表水灌溉地块与打井提取地下水灌溉地块相间布置；(3)引地表水灌区地形狭长，在地表水灌区两侧布设井灌区。三种布置形式各有优点；比较起来在大型灌区内为取得井灌适时的增产效果，第(1)种方式更值得推荐。
5．灌溉渠道防渗问题
灌溉渠道防渗是提高灌溉水利用率的重要技术措施，在新老灌区建设中，广为采用。
灌溉渠道防渗有一定限制。
(1)渠道防渗只减少渠道水量渗漏，不解决田间灌溉产生的深层渗漏和管理上产生的跑水、漏水和人为泄水问题。有些大型灌区规划固定渠道全部衬砌防渗，灌溉水的有效利用系数只从0.3-0.4提高到0.5-0.55。
(2)渠道防渗衬砌费用高昂，在灌区工程续建配套和节水技术改造中，衬砌渠道费用占工程总投资的比例达50％-70％。
(3)北方寒冷地区冬季的冻胀对混凝土衬砌的破坏作用，技术上尚未完全解决。在灌区内打井提取地下水灌溉，可以使灌溉渠道渗漏的水以及一切渗入地下的水，均被重复利用。因此，井渠结合灌溉方式为提高水资源利用率提供了更全面有效的工程形式。在井渠结合的灌区里那些渠道应当防渗?防渗的作用如何?都须要进行探讨。渠道防渗节水与打井提取地下水灌溉那一种方式合算?应进行技术经济分析比较。一般的说，长期输水的，骨干渠道应当防渗，这样作有利于远距离输水；而采取轮灌的斗农渠衬砌不如打井提取地下水经济。
北方河流来水量随季节的变化，与农作物灌溉多不一致；汛期洪水来势迅猛，难以大量引水灌田；秋冬季节，河道基流仍较丰富，但土地进入休闲期，除冬麦外，已没有作物需要灌溉。所以，河川径流未经水库调节情况下，仅靠农作物正常灌溉，水资源的利用率是不高的。为提高河川径流的利用率，汛期应引洪浇灌高杆作物，秋冬季引水浇灌休闲地，进行地下水田灌；这种作法是井渠结合、地表水与地下水联合运用的重要方式。在这种情况下，渠道和田面渗水越快，人工回灌地下水的效率越高，灌溉渠道防渗当然就没有意义了。
应当强调说明的是，提取井水的灌溉渠道和竖井排水的输水渠道应当采取管道或防渗衬砌。这样作可以显著提高浇地效率，扩大单井控制面积和减少能源消耗。
三、井渠结合灌溉方式与气候类型的关系
气象工作者将一年内农田可能蒸散发量与降水量的比值，定义为干燥度(γ)。很据干燥度的大小将各地气候划分为四大类，γ<1.0为湿润地区，γ=1.0-1.49为半湿润地区，γ＝1.5-3.49为半干旱地区，γ3.5％为干旱地区。
农田可能蒸散发量指完全覆盖农田的绿色矮草，在土壤水分充分供应时，在当地气候条件下的植物蒸腾和棵间土壤蒸发的最大可 能水分总量。其数值可用彭曼公式计算。用彭曼公式计算的农田可能蒸散发量(E0)，与实际观测的各种旱作物(小麦、玉米、棉花等)的田间耗水量(需水量)(Ei)之比，称谓该种作物的作物系数(K＝Ei/E0)。主要旱作物的作物系数变化范围约为0.8-1.2，接近于1.0。因此可以认为，干燥度表征各地降水量满足种植旱作物时的盈缺程度。
我国的气候状况以淮河-秦岭为界，此线以南为南方，以北为北方。南方(青藏高原除外)属于亚热带、热带湿润气候。北方地区的气候多种多样，但多数地方降水量较少，水资源不足，成为社会经济发展的制约因素。
1.南方地区灌排方式
南方地区雨水多，以种植水稻为主，降雨间隔时间较长即会出现旱情，需要灌溉。丘陵山区修建塘坝，拦蓄当地径流灌溉。平原地区，汛期江湖水位高，需通过机械扬水，排除涝水；非汛期江湖水位降低，需从江湖提水灌溉；故多建机械排灌站解决排水和灌溉问题。平原区多利用洼地调节暴雨径流，减少排灌站装机数量；洼地蓄水可作为干旱时的灌溉水源。平原区土质粘重，渗透性差，很少采用井灌或竖井排水方式。
2.北方湿润地区一黑龙江省三江平原的灌排方式
黑龙江省的三江平原地区年平均降水量600mm，气温低，蒸发量小，地势低平，排水不畅，多沼泽湿地。种植旱作物，收成低而不稳。近年来打井种稻，推广旱育稀植技术，取得成功，并且有较大发展。今后进一步扩大水稻种植面积，单靠井灌可能遇到的问题有二：一是遇到特大干早年和连续干旱年，井水位下降比较深，井水供不应求。二是稻田面积大，插秧阶段用水多，井水难以保证。针对这两项问题，须研究是否必要引江河水灌溉。但必须说明，三江平原种稻应当以井灌为主，引江河水灌溉作为应急措施，不应当作为长年灌溉措施。因为该地区降水量超过农田最大可能蒸散发量，存在排水困难，灌溉引江河水越多，越增加排水的负担，处理不好会导致灾害。
3.半湿润地区的灌排方式
半湿润地区包括东北的松嫩平原、辽河中下游平原、华北的海河平原、黄淮平原，以及晋陕两省的汾渭盆地。该地区受东亚季风气候影响， 6—8月多暴雨，引发洪涝灾害；其他月份则干旱少雨，常发生旱灾。河流受中上游水土流失影响，水流含沙量高，河床淤垫。水位抬高，洪水常泛滥成灾。平原区受河流多次泛滥改道影响，地形岗洼交措，排水困难，致使土壤和地下水中盐分积累增多，产生盐碱化及大面积的地下咸水层。所以在这些地区洪涝、干旱、盐碱以及风沙等多种灾害并存，只不过因地貌部位不同，灾害程度有差异而已。这些地区灌溉排水工程建设，必须全面考虑这些因素，采取综合治理措施； 不应当旱了引水灌溉、涝了挖沟排水，头疼医头，脚疼医脚，那样必然顾此失彼，难以取得圆满结果。
半湿润地区各地的多年平均降水量与种植旱作物的需水量较接近，而且平原地区松散覆盖层深厚，具有打井开发地下水灌溉的有利条件。所以，这类平原应当以打井开采地下水作为基础措施，配合地表水排灌工程和农业技术，达到旱、涝、盐碱综合治理的目的。这里有几种情况应区别对待。
在松嫩平原与辽河中下游平原的河谷滩地、低阶地和易涝洼地，以及黄淮平原年均降水量大于750mm的地方，这些地方种植旱作物易受涝，可考虑采取井渠结合的灌溉排水方式，实行水稻与旱作物轮作的种植制度；稻田与旱作的比例，根据水源保证条件决定。
松嫩平原西部及西辽河平原，年均降水量不足400mm，种植旱作物水分有些欠缺；然而这些地方有自大兴安岭和内蒙古丘陵区发源的多条河流来水，在平原区形成多处泡沼湿地和盐碱地；这些泡沼湿地和盐碱地的存在，说明地下水的潜力。开发利用地下水灌溉，是解决干旱和改良沼泽湿地和盐碱地的根本措施；在此基础上如水源不足，再考虑修筑引用地表水灌溉工程和“北水南调”工程，应循序渐进。
位于海河平原中东部的河北省黑龙港地区，浅层地下水普遍有咸水层。咸水层的存在障碍地下水开发利用，又是产生盐碱化的根源，成为该地区工农业发展滞后的重要原因。从1970年代开始，该地区工农业大量开采深层地下淡水，局部地区开采悬浮于咸水层上的浅层淡水，暂时缓解了水源紧缺状况，然而当地年均降水量只有500mm左右，本不敷工农业发展的需要，开采深层淡水使深层水压力迅速下降，导致地面沉降，环境恶化；开采浅层淡水导浅层淡水储量减缩，矿化度升高；水资源危机已成定局。解决该地区的水源危机和消除旱、涝、盐碱灾害的综合治理措施，概括起来有几方面：
(1)采取农业综合节水措施。除采取减少农田蒸散发量的诸多措施外，还必须根据水源状况，采取非充分灌溉，减少复种指数以及降低耕地灌溉率等措施，以减少地下水开采量。
(2)利用当地河道汛期来水和经过净化处理的污水进行地下水田灌。
(3)引黄和引江从外流域调水补充当地水源之不足。
(4)抽咸换淡，改造利用一定深度范围的地下咸水，逐步减少深层淡水的开采量。
黄淮海平原的引黄灌区，灌溉面积3000多万亩，年引黄水量70—120亿m3，平均每亩毛灌溉定额达300m3以上。若采取井渠结合的灌溉方式，则每亩供水量50—100m3，即可满足正常灌溉的需要。这样作既可消除灌区渍涝盐碱灾害，也可减轻泥沙处理负担，节省下来的水量可调往缺水地区利用。为鼓励引黄灌区的节水行动，调入水量地区应当在经济上给引黄灌区适当补贴。
4.半干旱地区的灌排方式
半干旱地区包括内蒙古自治区中东部、河北省北部坝上地区和黄土高原大部分地方。这些地方年降水量200—400mm，不足种植一季旱作物的需水量，没有灌溉收成极不稳定；而义没有灌溉开垦土地从事农业生产，土地极易风蚀沙化。开发地下水灌溉地下水必需有来自河流和地下径流的补给条件，否则将引起地下水位持续下降，导致生态环境恶化。这类地区属草原气候，单靠当地降水，成片树木难以生长。在灌溉情况下营造农田防护林，须安排林业用水。这类地区受季风影响虽不及湿润、半湿润地区强烈，但雨季暴雨产生的水土流失和高含沙洪水危害极大；而干旱季节河川基流则很少。应当结合水土保持及小流域治理，拦蓄地表径流，发展小面积灌溉。在开阔谷地，发展引洪淤灌。补给地下水，使旱季开发地下水灌溉，水源得到保证。这是化害为利、一举多得的有效力办法。
5.干旱地区的灌排方式
干旱地区包括内蒙古西部、宁夏北部、甘肃河西走廊，以及新疆、青海等的内陆盆地；年降水量200mm以下，没有灌溉就没有农业。水源主要来自高山降雨和融雪。河水由山口进入盆地平原，一切社会经济活动和动植物生命活动，均依赖于河水的供给。故干旱地区水资源的开发利用，首先要考虑的是生态用水。水资源的分配要照顾原有的生态系统用水， 不致由于经济发展占用部分水资源，而使自然生态遭受重大损害。农田灌溉是耗水大户，目前的灌区工程设施不完善，管理粗放，水的浪费很多。把现有的自流灌区改造成井渠结合的工程形式，是灌区节水的基本途径。该地区实行井渠结合的灌排方式和东部平原区有所不同。第一，这里不受季风气候影响，没有雨多成涝之患；第二，由于降水少，不但耕地农作物要灌溉，而且非耕地上的自然植被也依赖灌溉的水分供给生长发育。有资料说明，非耕地区自然植被繁育水分不能少于300mm。灌区内非耕地水分供给，主要靠灌溉渠道和田决渗漏，地下水位抬高而向周围的扩散。然而地下水位埋深小于临界深度(沙壤土地临界埋深一般为2-2.5m)，则会引起土壤盐渍化。所以，干旱地区实施井灌井排，地下水埋深的控制指标有三：
(1)在植物生长季节，地下水埋深不小于1.0—1.5m；
(2)无植物覆盖的地块地下水埋深不小于临界深度；
(3）为保证非灌溉地区自然植物被繁育，地下水埋深不能大于5m。这几项指标应当在生产实践中验证。
总之，在北方各类气候区推广井渠结合的灌排方式，要达到节水、防灾和维护生态环境良性循环，须从控制地下水埋深入手，进行地表水资源的优化配置。这是一项全新的课题，须通过科研和总结保地生产实践经验，使各项措施达到完善。
