防-截-排系統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計院，河南 商丘476000）

1 數值模擬

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的主要因素。在研究平原水庫滲漏問題對周邊環境影響時，常用飽和度來表征基質吸力的函數。基質吸力主要由孔隙水壓力與氣壓力決定。根據相關數據建立起的能夠表征基質吸力與體積含水率管理的滲流方程可知，當土體基質處于非飽和狀態時，其吸力用-uw表示。但此時，應注意控制基質吸力作用下，具有吸濕、脫濕特性的土的飽和度在一定范圍內。因此，就必須根據吸濕與脫濕曲線來分析土體飽和度與基質吸力的關系。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換關系公式如下：

式中，um為基質吸力；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、半干旱地區的平原水庫，由于地下水位上升到一定高度后，在蒸發作用下，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 初始與邊界條件設定

流場的初始狀態與驅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的流動過程的流場邊界起著決定作用。因此，在建立數學模型過程中，可將t=0時的水頭分布情況，看作形成穩定流場的開始，或是將穩定流場中某一時刻的狀態看作為初始狀態，在此基礎上通過數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值進行分析，從而得到關于非穩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、調蓄、灌溉、養殖等功能。由于修建年頭較久，水庫質量明顯下降，經常出現滲漏問題，依據相關標準，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。在利用數學模型分析水庫防-截-排系統實施效果的過程中，主要設計了無防滲措施、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田地下水位臨界埋深值，然后進行參數計算，從而為分析防-截-排系統對平原水庫壩后地下水位的影響奠定良好的基礎。當把非飽和壩體與壩基土地飽和度數值輸入變化曲線中，并把壩基其他相關的物理數值輸入其中，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-排系統對壩后地下水位的影響

2.1 截滲系統對地下水位的影響

根據相關研究圖像，未被水充滿的土體區域，是孔隙壓力為負的非飽和區；被水充滿的土體區域，是孔隙壓力為正的飽和區；當孔隙壓力為零時，便是非飽和區與飽和區的交界處，是1條浸潤線。不同工況下的平原水庫周邊農田地下水位，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處于穩定狀態，而60~140 m為截水溝上游水位與下游水位變化較大的區域。根據圖像可知，水平鋪設的防滲措施與垂直鋪設的防滲措施，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-排系統中的截滲系統具有良好的治理農田鹽漬化效果，若與排水溝相結合，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 排水系統對地下水位的影響

根據垂直防滲與節水后結合的工況研究圖像（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升高的現象，但卻明顯低于集水溝上游地下水埋深。因此，若要保證防-截-排系統的實施效果，則要及時排除截水溝中的積水。此外，根據圖像可知，若想保證防-截-排系統的效果，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-排系統效果的連續性水平會越高。

圖2 有無排水系統的壩后地下水埋深

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，在一定蒸發量情況下，其變化量也會呈現出不同情況。當實施防-截-排系統后，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，從而實現減少平原水庫浸沒發生情況。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，并進行水產養殖。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。

4 結語

設置防-截-排系統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田，能夠有效提升水資源利用率。因此，相關部門必須充分發揮出防-截-排系統治理平原水庫浸沒、滲漏等問題的優勢，以此實現預期目標。