防-截-排系统对平原水库坝后地下水位的影响研究

陈留新

（商丘市水利建筑勘测设计院，河南 商丘476000）

1 数值模拟

1.1 非饱和渗流理论

孔隙比与饱和度是影响非饱和土体渗透系数的主要因素。在研究平原水库渗漏问题对周边环境影响时，常用饱和度来表征基质吸力的函数。基质吸力主要由孔隙水压力与气压力决定。根据相关数据建立起的能够表征基质吸力与体积含水率管理的渗流方程可知，当土体基质处于非饱和状态时，其吸力用-uw表示。但此时，应注意控制基质吸力作用下，具有吸湿、脱湿特性的土的饱和度在一定范围内。因此，就必须根据吸湿与脱湿曲线来分析土体饱和度与基质吸力的关系。涉及的非饱和土体水特征曲线方程、土体体积含水率与饱和度转换关系公式如下：

式中，um为基质吸力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；Sr为土体饱和度；θw为土体体积含水率；e为孔隙比；n为孔隙率。

1.2 地下水位临界埋深

干旱、半干旱地区的平原水库，由于地下水位上升到一定高度后，在蒸发作用下，便会在土壤中留下大量盐分。为避免盐分对水库下游农田造成较大的影响，存在一个地下水位临界埋深值，主要通过分析蒸发度、土壤条件、地下水矿化度等来掌握地下水位临界埋深。应用到的公式如式（3）所示[1]。

式中，H为地下水临界深度；Zk为作物根系厚度；G为毛细管作用下地下水位上升的最高值；A为安全超高。

1.3 初始与边界条件设定

流场的初始状态与驱动流动的条件受到初始条件的影响，而边界条件会对每一次在限定空间内的流动过程的流场边界起着决定作用。因此，在建立数学模型过程中，可将t=0时的水头分布情况，看作形成稳定流场的开始，或是将稳定流场中某一时刻的状态看作为初始状态，在此基础上通过数学模型分析平原水库对坝后地下水位的影响。水头、流量是数学模型中主要的边界条件，通过给定的条件对边界条件下的数值进行分析，从而得到关于非稳定流场在水头的变化情况，从而明确渗漏与地下水位之间的关系。

1.4 工程实例研究

以某平原水库为例，坝址以上干流长、一级支流长分别为19.2 km、24.6 km，控制流域面积分别为40 km2、68 km2，死库容积为1.43×105m3，共分为南、北2座副坝，具有防洪、调蓄、灌溉、养殖等功能。由于修建年头较久，水库质量明显下降，经常出现渗漏问题，依据相关标准，需尽快对水库进行加固处理。针对该水库实际情况，为有效应对水库的渗漏问题，建立防-截-排系统。在利用数学模型分析水库防-截-排系统实施效果的过程中，主要设计了无防渗措施、土工膜覆盖在上游坝基处、垂直防渗墙3种情况，并对比模型表征出的下游农田地下水位临界埋深值，然后进行参数计算，从而为分析防-截-排系统对平原水库坝后地下水位的影响奠定良好的基础。当把非饱和坝体与坝基土地饱和度数值输入变化曲线中，并把坝基其他相关的物理数值输入其中，从而可以直观地查看各种防渗工况对地下水位的影响。

2 防-截-排系统对坝后地下水位的影响

2.1 截渗系统对地下水位的影响

根据相关研究图像，未被水充满的土体区域，是孔隙压力为负的非饱和区；被水充满的土体区域，是孔隙压力为正的饱和区；当孔隙压力为零时，便是非饱和区与饱和区的交界处，是1条浸润线。不同工况下的平原水库周边农田地下水位，会以截水沟为中心分化成上游水位与下游水位，从坝后140 m逐渐趋于平缓，直到200 m处于稳定状态，而60~140 m为截水沟上游水位与下游水位变化较大的区域。根据图像可知，水平铺设的防渗措施与垂直铺设的防渗措施，其地下水埋深值均高于无防渗措施的地下水埋深值。因此，可以证明防-截-排系统中的截渗系统具有良好的治理农田盐渍化效果，若与排水沟相结合，治理效果更为显著。不同工况下坝后地下水位埋深如图1所示。

图1 各工况坝后地下水埋深

2.2 排水系统对地下水位的影响

根据垂直防渗与节水后结合的工况研究图像（见图2）可知，截渗效果会随着截水沟中水位的变化而发生相应的变化，当截水沟水位到达一定高度后，地下水埋深便会出现升高的现象，但却明显低于集水沟上游地下水埋深。因此，若要保证防-截-排系统的实施效果，则要及时排除截水沟中的积水。此外，根据图像可知，若想保证防-截-排系统的效果，则要及时减少截水沟中的水，只要截水沟中的水位越低，对平原水库渗漏问题的防治效果越佳。当在不断排出截水沟中的积水后，防-截-排系统效果的连续性水平会越高。

图2 有无排水系统的坝后地下水埋深

2.3 土壤含水率、含盐率变化情况分析

在非冻时期，土壤含水率会随着地下水埋深高度的上升而增加，当蒸发量逐渐增大后，又会随之减少；在非冻时期的含盐率，会随着地下水位的上升、水分的增多，在一定蒸发量情况下，其变化量也会呈现出不同情况。当实施防-截-排系统后，能够有效改善平原水库周边土壤的含水率与含盐率变化情况，并通过控制地下水位达到控制水库浸没情况的目的。

3 平原水库浸没防治措施

首先，可针对大坝上游情况，采取相应的防渗措施，以此降低水库周边地下水埋深值，从而实现减少平原水库浸没发生情况。其次，针对大坝下游情况，采取防渗措施。再次，合理选择作物品种，并进行水产养殖。最后，采取合理的压渗填高处理措施，为改善水库浸没问题奠定良好的基础。

4 结语

设置防-截-排系统能够有效阻止水库渗漏水流入下游，若将水库渗漏水用来浇灌农田，能够有效提升水资源利用率。因此，相关部门必须充分发挥出防-截-排系统治理平原水库浸没、渗漏等问题的优势，以此实现预期目标。