防-截-排系統(tǒng)對平原水庫壩后地下水位的影響研究

陳留新

（商丘市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 商丘476000）

1 數(shù)值模擬

1.1 非飽和滲流理論

孔隙比與飽和度是影響非飽和土體滲透系數(shù)的主要因素。在研究平原水庫滲漏問題對周邊環(huán)境影響時，常用飽和度來表征基質(zhì)吸力的函數(shù)?；|(zhì)吸力主要由孔隙水壓力與氣壓力決定。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)建立起的能夠表征基質(zhì)吸力與體積含水率管理的滲流方程可知，當土體基質(zhì)處于非飽和狀態(tài)時，其吸力用-uw表示。但此時，應注意控制基質(zhì)吸力作用下，具有吸濕、脫濕特性的土的飽和度在一定范圍內(nèi)。因此，就必須根據(jù)吸濕與脫濕曲線來分析土體飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系。涉及的非飽和土體水特征曲線方程、土體體積含水率與飽和度轉(zhuǎn)換關(guān)系公式如下：

式中，um為基質(zhì)吸力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；Sr為土體飽和度；θw為土體體積含水率；e為孔隙比；n為孔隙率。

1.2 地下水位臨界埋深

干旱、半干旱地區(qū)的平原水庫，由于地下水位上升到一定高度后，在蒸發(fā)作用下，便會在土壤中留下大量鹽分。為避免鹽分對水庫下游農(nóng)田造成較大的影響，存在一個地下水位臨界埋深值，主要通過分析蒸發(fā)度、土壤條件、地下水礦化度等來掌握地下水位臨界埋深。應用到的公式如式（3）所示[1]。

式中，H為地下水臨界深度；Zk為作物根系厚度；G為毛細管作用下地下水位上升的最高值；A為安全超高。

1.3 初始與邊界條件設(shè)定

流場的初始狀態(tài)與驅(qū)動流動的條件受到初始條件的影響，而邊界條件會對每一次在限定空間內(nèi)的流動過程的流場邊界起著決定作用。因此，在建立數(shù)學模型過程中，可將t=0時的水頭分布情況，看作形成穩(wěn)定流場的開始，或是將穩(wěn)定流場中某一時刻的狀態(tài)看作為初始狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)學模型分析平原水庫對壩后地下水位的影響。水頭、流量是數(shù)學模型中主要的邊界條件，通過給定的條件對邊界條件下的數(shù)值進行分析，從而得到關(guān)于非穩(wěn)定流場在水頭的變化情況，從而明確滲漏與地下水位之間的關(guān)系。

1.4 工程實例研究

以某平原水庫為例，壩址以上干流長、一級支流長分別為19.2 km、24.6 km，控制流域面積分別為40 km2、68 km2，死庫容積為1.43×105m3，共分為南、北2座副壩，具有防洪、調(diào)蓄、灌溉、養(yǎng)殖等功能。由于修建年頭較久，水庫質(zhì)量明顯下降，經(jīng)常出現(xiàn)滲漏問題，依據(jù)相關(guān)標準，需盡快對水庫進行加固處理。針對該水庫實際情況，為有效應對水庫的滲漏問題，建立防-截-排系統(tǒng)。在利用數(shù)學模型分析水庫防-截-排系統(tǒng)實施效果的過程中，主要設(shè)計了無防滲措施、土工膜覆蓋在上游壩基處、垂直防滲墻3種情況，并對比模型表征出的下游農(nóng)田地下水位臨界埋深值，然后進行參數(shù)計算，從而為分析防-截-排系統(tǒng)對平原水庫壩后地下水位的影響奠定良好的基礎(chǔ)。當把非飽和壩體與壩基土地飽和度數(shù)值輸入變化曲線中，并把壩基其他相關(guān)的物理數(shù)值輸入其中，從而可以直觀地查看各種防滲工況對地下水位的影響。

2 防-截-排系統(tǒng)對壩后地下水位的影響

2.1 截滲系統(tǒng)對地下水位的影響

根據(jù)相關(guān)研究圖像，未被水充滿的土體區(qū)域，是孔隙壓力為負的非飽和區(qū)；被水充滿的土體區(qū)域，是孔隙壓力為正的飽和區(qū)；當孔隙壓力為零時，便是非飽和區(qū)與飽和區(qū)的交界處，是1條浸潤線。不同工況下的平原水庫周邊農(nóng)田地下水位，會以截水溝為中心分化成上游水位與下游水位，從壩后140 m逐漸趨于平緩，直到200 m處于穩(wěn)定狀態(tài)，而60~140 m為截水溝上游水位與下游水位變化較大的區(qū)域。根據(jù)圖像可知，水平鋪設(shè)的防滲措施與垂直鋪設(shè)的防滲措施，其地下水埋深值均高于無防滲措施的地下水埋深值。因此，可以證明防-截-排系統(tǒng)中的截滲系統(tǒng)具有良好的治理農(nóng)田鹽漬化效果，若與排水溝相結(jié)合，治理效果更為顯著。不同工況下壩后地下水位埋深如圖1所示。

圖1 各工況壩后地下水埋深

2.2 排水系統(tǒng)對地下水位的影響

根據(jù)垂直防滲與節(jié)水后結(jié)合的工況研究圖像（見圖2）可知，截滲效果會隨著截水溝中水位的變化而發(fā)生相應的變化，當截水溝水位到達一定高度后，地下水埋深便會出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，但卻明顯低于集水溝上游地下水埋深。因此，若要保證防-截-排系統(tǒng)的實施效果，則要及時排除截水溝中的積水。此外，根據(jù)圖像可知，若想保證防-截-排系統(tǒng)的效果，則要及時減少截水溝中的水，只要截水溝中的水位越低，對平原水庫滲漏問題的防治效果越佳。當在不斷排出截水溝中的積水后，防-截-排系統(tǒng)效果的連續(xù)性水平會越高。

圖2 有無排水系統(tǒng)的壩后地下水埋深

2.3 土壤含水率、含鹽率變化情況分析

在非凍時期，土壤含水率會隨著地下水埋深高度的上升而增加，當蒸發(fā)量逐漸增大后，又會隨之減少；在非凍時期的含鹽率，會隨著地下水位的上升、水分的增多，在一定蒸發(fā)量情況下，其變化量也會呈現(xiàn)出不同情況。當實施防-截-排系統(tǒng)后，能夠有效改善平原水庫周邊土壤的含水率與含鹽率變化情況，并通過控制地下水位達到控制水庫浸沒情況的目的。

3 平原水庫浸沒防治措施

首先，可針對大壩上游情況，采取相應的防滲措施，以此降低水庫周邊地下水埋深值，從而實現(xiàn)減少平原水庫浸沒發(fā)生情況。其次，針對大壩下游情況，采取防滲措施。再次，合理選擇作物品種，并進行水產(chǎn)養(yǎng)殖。最后，采取合理的壓滲填高處理措施，為改善水庫浸沒問題奠定良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

設(shè)置防-截-排系統(tǒng)能夠有效阻止水庫滲漏水流入下游，若將水庫滲漏水用來澆灌農(nóng)田，能夠有效提升水資源利用率。因此，相關(guān)部門必須充分發(fā)揮出防-截-排系統(tǒng)治理平原水庫浸沒、滲漏等問題的優(yōu)勢，以此實現(xiàn)預期目標。