閆學(xué)義,楊玉春,姚章村

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150090)

0 前 言

近十幾年來三江平原墾區(qū)“打井種稻”,迅猛發(fā)展,已近80×104hm2,約占?jí)▍^(qū)水田80%。尤其建三江分局已達(dá)45×104hm2以上,占分局水田98%,占?jí)▍^(qū)水田近60%。其中創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)達(dá)3.0×104hm2以上,100%井灌稻,占全場(chǎng)總面積的56.3%。七星農(nóng)場(chǎng)已達(dá)5.0×104hm2,超856農(nóng)場(chǎng)(4×104hm2)躍居“世界最大”水田農(nóng)場(chǎng),更是最大井灌稻場(chǎng)。而從農(nóng)場(chǎng)范圍而論,寶山農(nóng)場(chǎng)面積109 km2,井灌稻面積0.667×104hm2,占61.5%;850農(nóng)場(chǎng)平原區(qū)面積 363 km2,井灌稻達(dá) 2.2×104hm2,占60.6%,并穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),從近幾年創(chuàng)高產(chǎn)、超高產(chǎn)的實(shí)踐中,涌現(xiàn)典型幾乎全為井灌稻,井灌稻成為墾區(qū)登上生產(chǎn)120×108kg商品糧豆新臺(tái)階的最大貢獻(xiàn)者,但因大量抽取地下水位,發(fā)展水田灌溉,同時(shí)降低了地下水位,部分地區(qū)尤其建三江分局集中開采區(qū)還呈不斷下降趨勢(shì)。為此,對(duì)發(fā)展井灌稻的功過,尚有爭(zhēng)議。筆者經(jīng)過初步分析認(rèn)為,至目前為止,地下水位的下降是好事,不是壞事。近年在“十一五”科技攻關(guān)中,已對(duì)創(chuàng)業(yè)、850、291、寶山農(nóng)場(chǎng)打井種稻開發(fā)利用地下水資源進(jìn)行初步探討。在這個(gè)基礎(chǔ)上,本文從這些典型區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)分析入手,論述新發(fā)現(xiàn),說明井灌不僅是近年墾區(qū)糧食生產(chǎn)最大貢獻(xiàn)者,而且還是生態(tài)水利建設(shè)的最大貢獻(xiàn)者,具有抗災(zāi)水利、資源水利、環(huán)境水利的巨大功效。

1 地下水動(dòng)態(tài)分析

如前所述850、創(chuàng)業(yè)、291、寶山農(nóng)場(chǎng)是墾區(qū)發(fā)展井灌稻的典型農(nóng)場(chǎng),近年地下水動(dòng)態(tài)變化活躍。按年4月至翌年4月為計(jì)算水文年,經(jīng)分析計(jì)算可得表1～表4的各典型區(qū)地下水動(dòng)態(tài)分析特征值。表中h0為年初開采地下水起始埋深(m);h1為年地下水最大埋深(開采降深,m);h2為年地下水最小埋深(補(bǔ)給升高,m);h3為年末地下水平衡埋深(m);h-為年平均埋深,h-=(h0+h1+h2+h3)/4(m);h0-h1為年開采降深(m);h1-h2為年補(bǔ)給深(m);h2-h3為年排泄深(m);h0-h3為年地下水變幅[降為“-”,升為“+”(m)];P為年降水(mm);W水為井灌稻面積(104hm2);α水為井灌稻面積與平原區(qū)面積比。

表1 850農(nóng)場(chǎng)歷年地下水動(dòng)態(tài)特征埋深表Table1 Groundwater buried depth on 850 Farm

表2 創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)歷年地下水動(dòng)態(tài)特征埋深表Table2 Groundwater buried depth of Chuangye Farm

表3 291農(nóng)場(chǎng)年歷年地下水動(dòng)態(tài)特征埋深表Table3 Groundwater buried depth of 291 Farm

表4 寶山農(nóng)場(chǎng)歷年地下水動(dòng)態(tài)特征埋深表Table4 Groundwater buried depth of Baoshan Farm

2 若干問題新發(fā)現(xiàn)

1)依據(jù)表1～表4進(jìn)行綜合地下水動(dòng)態(tài)分析計(jì)算可推估灌區(qū)的農(nóng)業(yè)實(shí)際耗用水(NNe),可以判斷補(bǔ)給方式與現(xiàn)狀;判斷三江平原“雨養(yǎng)”水稻的可能性。純井灌區(qū)從井抽地下水灌溉,滿足作物棵間蒸發(fā)與葉面蒸騰需水(當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)需水量EN)的區(qū)內(nèi)實(shí)際耗水量或用水量(ENe)為多年平均降水和多年平均地下水增量 μe(h0-h3)之差(ENe),即ENe=P-μe(h0-h3)×1000(mm)[5]。對(duì)于很少或沒有橫向補(bǔ)給的井灌區(qū)ENe≈EN。地下水橫向補(bǔ)給大,地下水年增量大,ENe＜EN。橫向排泄大,ENe＞EN;P為多年平均降水(mm);μe為含水層綜合給水度[年實(shí)際地下水耗用量與地下水年開采降深(h0-h1)比,年實(shí)際地下水耗用量=水田面積×年單位面積地下水用量。地下水年單位面積用量,經(jīng)分析計(jì)算,創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)4760 m3/hm2;850農(nóng)場(chǎng)4076 m3/hm2;291農(nóng)場(chǎng)4520 m3/hm2,寶山農(nóng)場(chǎng)3832 m3/hm2][5]。農(nóng)業(yè)需水量 EN=∑Ei,αi[η+K(1-η)];利用上述地下水動(dòng)態(tài)及降水,水田發(fā)展等資料,分別綜合分析計(jì)算各典型區(qū)多年平均 ENe,并與EN進(jìn)行比較(表5)。從表5可見在創(chuàng)業(yè)與850農(nóng)場(chǎng)地下水為垂直補(bǔ)給為主,其中創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)周邊均為高強(qiáng)度開采地下水,幾乎截住橫向水平補(bǔ)給,且地勢(shì)低洼、平坦,有利于垂直補(bǔ)給,主要由降水滲透和深層“越層”垂直補(bǔ)給,很少有橫向補(bǔ)給與排泄。計(jì)算結(jié)果 ENe=519.7 mm。以水田占全區(qū)面積比α水,從文獻(xiàn)[5]表9查得EN=517.6 mm,ENe≈EN,相差僅(ENe-EN)=4.1 mm,似乎有很少的水平流失。850農(nóng)場(chǎng)二者更接近,ENe=546.4 mm≈EN=540.9 mm,相差+3.6 mm,似乎本區(qū)比創(chuàng)業(yè)水平流失少,均驗(yàn)證了農(nóng)業(yè)用水(EN)推估符合客觀實(shí)際,有實(shí)用意義。

表5 典型農(nóng)場(chǎng)ENe與EN比較表Table5 ENeand ENcompare on typical farm

然而291和寶山農(nóng)場(chǎng),處于松花江沿岸,不僅垂直補(bǔ)給好,而且尚有大量橫向補(bǔ)給,計(jì)算的綜合水量ENe,291農(nóng)場(chǎng)僅需EN=395.8 mm,寶山農(nóng)場(chǎng)ENe僅為455.1 mm,比分別按α水查表9得生態(tài)農(nóng)業(yè)用水EN(291農(nóng)場(chǎng) 475 mm,寶山農(nóng)場(chǎng) 550 mm),分別少79.1和98.4 mm。體現(xiàn)易實(shí)現(xiàn)“雨養(yǎng)”水稻,如寶山農(nóng)場(chǎng)已經(jīng)近100%耕地為井灌稻,ENe僅455.1 mm＜＜EN550 mm,且地下水動(dòng)態(tài)過程中尚表現(xiàn)補(bǔ)大于采;地下水平均埋深尚淺,均在理想或尚偏淺范疇[平均地下水埋深分別為3.43 m(291)與3.5 m(寶山)]。從中不僅反映出這兩個(gè)農(nóng)場(chǎng)有很好的垂直補(bǔ)給,而且還有很強(qiáng)的水平橫向補(bǔ)給的自然客觀條件與規(guī)律(尤其初春尚表現(xiàn)江河冰凌壓力補(bǔ)給的特殊條件)。這也說明沿江地帶,只要水文地質(zhì)條件允許,發(fā)展井灌具有得天獨(dú)厚的補(bǔ)給條件,而且有利于江河雨洪資源化。以4個(gè)典型區(qū)綜合計(jì)算EN與ENe分別為520.9 mm與486.1 mm,EN-ENe=34.8 mm,可視尚為橫向補(bǔ)給,若以4個(gè)典型區(qū)代表全區(qū),則說明可實(shí)現(xiàn)“雨養(yǎng)”(降水補(bǔ)給)且采稍大于補(bǔ)。

所以通過這4個(gè)井灌稻典型的綜合分析計(jì)算ENe與EN,不僅從創(chuàng)業(yè)與850農(nóng)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證了本課題對(duì)黑龍江農(nóng)業(yè)用水推估和“雨養(yǎng)”農(nóng)業(yè)的研究成果,看出三江平原發(fā)展雨養(yǎng)“水稻”可能(4個(gè)典型區(qū)實(shí)際需水均小于多年平均降水),而且從計(jì)算ENe區(qū)內(nèi)實(shí)際耗水量與EN比較,可以判斷地區(qū)垂直橫向補(bǔ)給或排泄?fàn)顩r與開發(fā)潛力。這就是典型區(qū)地下水動(dòng)態(tài)分析的第一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。

2)從地下水動(dòng)態(tài)分析,可以判斷地下水年動(dòng)態(tài)埋深變化,符合綜合治理要求,已達(dá)除害興利結(jié)合,具有擴(kuò)大開發(fā)的潛力。典型區(qū)地下水開發(fā)利用強(qiáng)度大(尤其寶山、850、創(chuàng)業(yè)),地下水有所下降,但多均在理想與允許埋深范圍(＜6.0～10 m),而其他地區(qū)尤其井灌稻比例小,且是地上引提庫灌區(qū)則地下水還偏淺(表6、表7),還不利于“排降蓄灌”生態(tài)水利建設(shè)。從省近年地下水通報(bào)整理,三江平原面上(山北地區(qū))的地下水動(dòng)態(tài)變化(1月),可歸納于表8,與4個(gè)典型區(qū)(4月)平均埋深比,也可以看出全區(qū)地下水和典型區(qū)一樣有一定下降(至2007年全區(qū)下降1.45 m;幾個(gè)典型區(qū)平均下降1.85 m,低0.40 m。與平均埋深比,平均低0.76 m。即使創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)年平均埋深2007年已達(dá)11.78 m,比1997年降低5.78 m,平均降低0.58 m/a,但埋深仍在黏土層(厚13.5 m)內(nèi),呈弱承壓,且與暫定的臨界埋深15.0 m仍有距離,從全區(qū)2007年平均埋深5.56 m和典型區(qū)平均埋深5.96 m,離全區(qū)暫定的臨界埋深10.0 m,也有較大的距離。創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)早在1997年就認(rèn)為已超采,故從1997～2002年地下水位有較大下降,共降4.68 m(平均降 0.8 m/a,最大達(dá)1.5 m),但2003～2005年恢復(fù)穩(wěn)定(徘徊在4.82 m上下),是由于2000～2004年水田面積穩(wěn)定后,因水位下降增加激發(fā)補(bǔ)給的結(jié)果。而2005年后農(nóng)場(chǎng)與周邊水田又快速發(fā)展(增加13.33×104hm2以上),又形成2006年以后水位大幅度下降的趨勢(shì)(表9),但由于地下水下降同樣可產(chǎn)生新的激發(fā)補(bǔ)給,估計(jì)今后隨著水田發(fā)展穩(wěn)定,地下水位能在新的埋深下實(shí)現(xiàn)新的采補(bǔ)平衡(據(jù)初步分析計(jì)算,有可能在15.0～20 m取得新平衡,已有專門論述)[5,7]。因此從地下水埋深變化態(tài)勢(shì),距離我們提出的潛水區(qū)允許埋深6～10 m;弱承壓區(qū)15～20 m;混合區(qū) 10～15 m(全區(qū)亦可為10～15 m),還有較大距離。且計(jì)算分析年段處枯水期年段平均降水少62.5～95 mm(表10),所以尤其從全區(qū)而言還有更大開發(fā)潛力。

表6 三江平原幾個(gè)典型區(qū)等地下水埋深表Table6 Groundwater buried depth of several typical area in Sanjiang Plain

表7 普陽農(nóng)場(chǎng)柳山地區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)(井灌稻面積尚小)Table7 Groundwater buried depth variation in Liushan Area of Puyang Farm

表8 三江平原(山北)平均地下水埋深與典型區(qū)平均埋深歷年動(dòng)態(tài)比較表Table8 Groundwater buried depth variation compare between of Sanjiang Plain and typical area /m

表9 創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)近年地下水平均年埋深統(tǒng)計(jì)表Table9 Average buried depth of Chuangye Farm in recent years

表10 2000～2006年4個(gè)典型區(qū)平均年降水與多年平均降水比較表Table10 Yearly average rainfall and historical rainfal of four typical areas from2000 to 2006 /mm

3)以4個(gè)典型區(qū)2006年水平推估三江平原可以發(fā)展以井灌為主的灌區(qū)266.7×104hm2,且能達(dá)到采補(bǔ)平衡、供需平衡。從表1～表4,以2006年的4個(gè)典型區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)可得出平均地下水動(dòng)態(tài)曲線圖表(圖1、表1),由圖 1、表1可見,2006年年平均降水500.7 mm,少于多年平均降水533.4 mm,水田比等于0.48,可以實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡[(h0-h1)=(h1-h2)=1.6 m](表11)?？梢杂?jì)算4個(gè)典型區(qū)地下水年開采量、年補(bǔ)給量、年排泄量、平衡量。若三江平原井灌稻發(fā)展達(dá)到4個(gè)典型區(qū)2006年水平,則三江平原區(qū)全區(qū)面積5.08×104km2(扣去興凱湖平原與臺(tái)地面積)即可以發(fā)展259.1×104hm2水田,同樣可以計(jì)算出年開采量(104.04×108m3)、補(bǔ)給量(104.04×108m3)、排泄量=平衡虧量(7.41×108m3)(表12)。達(dá)到采補(bǔ)平衡。采取“溝井閘”措施,增加蓄水補(bǔ)給;采取節(jié)水灌溉措施(現(xiàn)平均地下水用量4296 m3/hm2),即可能實(shí)現(xiàn)井灌稻為主的水田面積266.7×104hm2。

表11 4個(gè)典型區(qū)2006年降水、水田比、平均地下水動(dòng)態(tài)特征值表Table11 Rainfall,paddy field ratio and average groundwater of four typical areas in 2006

表12 4個(gè)典型區(qū)及預(yù)計(jì)三江平原開采量補(bǔ)給排泄平衡計(jì)算表Table12 Groundwater recharge and drainage balance calculation in four typical area and Sanjiang Plain

圖1 2006年4個(gè)典型區(qū)平均地下水動(dòng)態(tài)曲線圖Fig.1 Average ground water dynamic of four typical areas in 2006

由于這些典型分別代表不同類型水文地質(zhì)條件(850農(nóng)場(chǎng)可代表潛水區(qū)及三江平原區(qū)內(nèi)河谷平原;創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)代表弱承壓區(qū)及同撫地區(qū);291農(nóng)場(chǎng)可代表混合區(qū),尤其撓虎地區(qū);寶山農(nóng)場(chǎng)可代表沿江及綏蘿地區(qū)),且4個(gè)典型區(qū) 2006年平均降水500.7 mm,偏旱年,比多年平均降水(533.4 mm),少近33 mm,所以若按降水533.4 mm充分利用,即使不考慮橫向補(bǔ)給因素,從表7可計(jì)算得α水≈0.52,則可發(fā)展水田264.2×104hm2;又由于這4個(gè)典型區(qū)是三江平原中比較干旱地區(qū),從多年降水典型區(qū)平均533.4 mm,比全區(qū)558 mm,少近25 mm,同樣即使不考慮橫向補(bǔ)給因素,全區(qū)558 mm降水若得到充分利用,從計(jì)算得α水≈0.6,則可發(fā)展水田300×104hm2以上。所以以2006年具體年份和典型區(qū)自然條件及當(dāng)前水資源開發(fā)利用水平,推估全區(qū)具有客觀現(xiàn)實(shí)意義,還留有發(fā)展余地,也將是今后科研的重要內(nèi)容與主攻方向。再者現(xiàn)已有相當(dāng)規(guī)模的地表提引庫灌區(qū)及大量過境地表徑流及近50%其它臺(tái)、坡、山地水資源可能的影響與應(yīng)用,所以三江平原建設(shè)以井灌為主的267×104hm2粳稻生產(chǎn)基地有可能,是第三個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。

4)從各典型地下水動(dòng)態(tài)平均埋深分析,地下水下降,可使典型區(qū)具有(6～10)×108m3除澇、防洪、多年調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)厮Y源、待開發(fā)的地下水庫容。若按此規(guī)模發(fā)展至整個(gè)三江平原,今后可獲約(200～400)×108m3的防洪除澇、多年調(diào)節(jié)和可再開發(fā)的庫容(表13)。

表13 三江平原地下水庫各種功能庫容估算表Table13 Capacity evaluation of groundwater reservoir in Sanjiang Plain

4個(gè)典型區(qū)的地下水在雨季前可把地下水埋深降至 7.1 m(ˉh1),扣去 0.75 m 防澇漬埋深(ˉh安),則可容納 V1=(ˉh1-ˉh安)μe×1000=755.7 mm 洪澇水,相當(dāng)于三江平原擁有383.8×108m3防洪澇庫容,似乎三江平原年最大雨量800～900 mm為一次降雨也可容納,從某種意義可根治洪澇。從三江平原5～10 a每次降雨P(guān)1+Pa=125～150 mm,按河北經(jīng)驗(yàn)計(jì)算不產(chǎn)流埋深(Hm),Hm=0.016(P1+Pa)+1=3～3.5 m[8],而從表14可見雨前埋深4.58～13.2 m,大大超過不產(chǎn)流埋深,可使雨洪澇水資源化,充分利用當(dāng)?shù)厮Y源。

表14 地下水埋深與調(diào)節(jié)庫容,根吸水深度及地下水無效蒸發(fā)率表Table14 Groundwater buried depth,adjusting capacity,root absorbing depth and valid evaporation rate of groundwater

而地下水庫調(diào)節(jié)庫容以4個(gè)典型區(qū)水平論,按年平均埋深計(jì),平均達(dá)5.56 m,其中2 m為土壤庫容,其調(diào)節(jié)庫容按表14計(jì),可達(dá) 250 mm,余下按地下水庫容計(jì)可達(dá)430 mm,二者共有近700 mm,地下調(diào)節(jié)多年降水庫容400×108m3,也可以說即使1 a一滴雨不下也可保證灌溉,實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)歉。

因此三江平原5.08×104km2(不包括興凱湖湖積平原和臺(tái)地),若達(dá)到目前4個(gè)典型區(qū)2006年水平,可獲得約(200～400)×108m3的防洪除澇和多年調(diào)節(jié)地下水庫容,相當(dāng)于近5個(gè)尼爾基水庫,相當(dāng)于我省現(xiàn)有所有庫容的2～3倍以上。

從4個(gè)典型農(nóng)場(chǎng)的開發(fā)潛力分析,除850農(nóng)場(chǎng)較少,其他還有很大允許開發(fā)庫容,從表13可見850農(nóng)場(chǎng)0.5×108m3,291農(nóng)場(chǎng)可達(dá)4.87×108m3,三江平原可達(dá)200×108m3以上,又相當(dāng)于2006年三江平原全區(qū)開采量的2倍,可見三江平原地下水開采潛力之大,很難有超采之說。

從4個(gè)典型,每年最小地下水埋深也均在3.00 m以下,可使地下水的無效蒸發(fā)等于0[8],從而保護(hù)地下水資源且可防治鹽堿。而從三江平原現(xiàn)狀而言,如像普陽柳北和一些提引灌區(qū)而言,地下水埋深偏高,不僅雨季易成澇漬,而且旱季會(huì)產(chǎn)生大量地下水有害且無效蒸發(fā),惡化生態(tài)和生產(chǎn)條件,成冷漬低產(chǎn)田,可能就是這個(gè)原因,而使近年來渠灌稻反而不如井灌稻。而典型井灌稻區(qū)地下水均在3.00 m以下,有利于改善地下水排水條件,提高通透性,有利于改善生態(tài)和生產(chǎn)條件,使作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)?？赡芫褪沁@方面原因,使建三江原潛育冷漿白漿土,發(fā)展井灌稻后,近幾年能創(chuàng)造全墾區(qū)的高產(chǎn)和超高產(chǎn)最好記錄。從這個(gè)角度而言,對(duì)歷來所提及的“以稻治澇”的舊理念,值得反思,而只有“打井種稻”,才能“真正治澇”,從三江平原種稻歷史,尤其近年寶山、850、291、甚至建三江分局“打井種稻”出現(xiàn)的奇跡足以證實(shí)這種新理念。

為此,井灌稻農(nóng)場(chǎng)普遍降低地下水,形成巨大的土壤和地下水庫,不僅可防治或緩解洪澇,而且可以多年調(diào)節(jié)三江平原年500～600 mm不同降水資源,滿足不同水田比的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),甚至有的可實(shí)現(xiàn)100%雨養(yǎng)水稻(如寶山農(nóng)場(chǎng)等)還能改善農(nóng)業(yè)生態(tài)和生產(chǎn)條件,支撐三江平原建設(shè)成國(guó)家最大粳稻基地,實(shí)現(xiàn)“灌降排蓄”為主的生態(tài)水利建設(shè)[10]。這種得天獨(dú)厚的自然條件,可為本文分析的最大新發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

從創(chuàng)業(yè)、850、291、寶山4個(gè)典型井灌稻農(nóng)場(chǎng)地下水動(dòng)態(tài)綜合分析,發(fā)現(xiàn)三江平原不僅有大量的垂直補(bǔ)給條件,而且還有大量橫向補(bǔ)給條件(尤其沿江河地區(qū)),可支持以井灌為主的三江平原266.7×104hm2水稻發(fā)展,而成當(dāng)今和將來生產(chǎn)商品糧豆最大貢獻(xiàn)者;可實(shí)現(xiàn)“溝—井—閘”為主,“閘站溝渠管洞”為輔的“排降蓄灌”生態(tài)水利建設(shè);改善生態(tài),保護(hù)環(huán)境;建設(shè)具有巨大抗災(zāi)防害和多年調(diào)節(jié)地下水庫,實(shí)現(xiàn)三江平原水資源合理利用優(yōu)化配置,支撐三江平原經(jīng)濟(jì)資源生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。這些新發(fā)現(xiàn),就是三江平原井灌稻的貢獻(xiàn)和功能。

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