某输水渠道对地下水位升高影响及治理方案探析

王柱和

1 基本情况

某输水渠道工程输水流量为115 m3/s，输水线路总长约31 km。渠道桩号0+000—3+500段走向近东西向，渠道由东向西穿过GL河右岸冲洪积阶地段，地表为耕地与居民区，渠道其余段为NWW向傍山渠道。该输水渠道自当年10月竣工通水运行至翌年8月约10个月后，发现渠道0+000—3+500段南、北部分地段地下水位升高，尤其是渠道桩号0+980—3+500段南部部分地段在4月份灌区农田集中灌溉期时，Ⅲ级阶地前缘灌区地下水位明显上升，埋深多小于1 m，致使部分耕地农作物生长缓慢，造成低产田，居民院内地下水水位升高，严重者房屋地下室渗水至地面，院内菜地有地下水出露，水井内地下水位基本接近地面，使当地居民的经济收入及生活环境都受到了影响，居民房屋存在安全隐患。

渠道桩号0+000—0+980段为挖方渠道，渠身及渠底均处于基岩内，混凝土板防渗，板下无土工膜防渗；0+980—1+776段为挖方渠道，渠底位于基岩，渠身处于砂砾石中，混凝土板防渗；1+776—3+500段为半挖半填渠道，渠底基本处于砂砾石内，渠身处于低液限黏土内，混凝土板防渗。0+980—1+776段渠道在施工过程中由于灌溉期高地下水位的影响，原设计的渠底与渠坡土工膜防渗措施未实施；在渠道通水运行过程中，受灌溉期高地下水位及渠道渗漏水的顶托影响，0+980—2+015段渠道渠底多处混凝土板都已向上鼓起破坏，为了减小渠道混凝土板下高地下水位与渠道渗漏水扬压力对混凝土板的破坏，在渠底混凝土板上又设置了若干减压孔。引水渠道自当年10月竣工通水运行至翌年8月约10个月总输水量约10.5亿m3。

2 水文地质条件

2.1 地下水的赋存与分布规律

2.1.1 地层岩性分布特征及基岩顶板埋深特征

0+000—3+500段渠道通过的河流Ⅲ级阶地段具二元结构，地表为厚0.8～13 m的粉土，在阶地前沿0.8～3.1 m，向阶地后缘（北部）逐渐变厚，最厚处（至3+300）可达13 m；其下部主要为砂卵砾石，在Ⅲ级阶地前沿厚3～6 m，在阶地中部及其后缘发育有古河槽，厚度大于6 m，最厚处约20 m；下伏基岩为侏罗系砂岩、泥质粉砂岩等，阶地后缘基岩面高程低于前缘基岩面高程，形成宽U形。

2.1.2 测区岩土体透水特性

Ⅲ级阶地上砂卵砾石层的渗透系数8.35×10-2～1.98×10-1cm/s，为强透水层。阶地表层粉土层渗透系数1.3×10-4～5.5×10-4cm/s，为中等透水层。下伏基岩为微-弱透水地层。

2.1.3 不同区域地下水埋深特征

根据地下水埋深将工程区分为3个区。Ⅰ区：该区大部分分布在渠道南部，基本靠近Ⅲ级阶地前缘，地下水位埋深0～1.0 m。自输水渠道输水开始，有5个点水位出露于地表，区内居民水井内地下水位升高已接近地面，地下室已被地下水渗满，对房屋的安全造成巨大隐患，造成该区农田低产并对民居产生影响；此现象在输水渠道通水前从未发生过，灌溉季节地下水埋深一般大于1.5 m。Ⅱ区：该区位于Ⅲ级阶地中部，地下水位埋深1.0～2.0 m。Ⅲ区：该区基本位于测区所处的Ⅲ级阶地后缘及输水渠道北侧区域，地下水位埋深2.0～5.0 m。

2.2 地下水补给、径流、排泄条件

输水渠道渗漏和区内农田灌溉水入渗，首先是测区内地下水的主要补给源，其次是区内北部台地地下水的侧向渗流、区内降水入渗、西北部低山丘陵区暴雨洪流入渗补给等，前两者的大小主要作用影响着区内潜水位的变幅。排泄最主要为蒸发，及地下水向阶地前缘和顺古河槽向下游排泄。

2.3 工程建设前地下水状况调查

测区内无地下水长期监测孔及监测资料，通过对居民的调查访问，输水渠道未修建通水前，该区域中部居民水井一般在冬季地下水埋深最大为4～6 m，夏季地下水埋深最小为2～4 m；阶地前缘地带水井一般在冬季地下水埋深最大为3～5 m，夏季地下水埋深最小为1～3 m。个别低洼地带地下水埋深小于1 m。

2.4 地下水资源计算与评价

通过水均衡分析计算，区域内地下水补给总量为1 946.58万m3/a，主要由以下4个方面组成，即新建输水渠道渗漏补给量379.66万m3/a、区内原有灌溉水入渗补给500.24万m3/a、北部断面侧向流入量1 051.35万m3/a、降水入渗补给量15.33万m3/a。新增输水渠道渗漏补给量占总补给量的19.50%，占输水渠道未修建之前区内地下水补给总量的24%[1]。

由此可见输水渠道修建后，区内地下水资源量增加较大，完全改变了区内的水文地质条件，由此可以说明输水渠道渗漏补给区内的地下水量是该区地下水位升高的主要原因。

3 区内地下水水位升高原因分析

通过分析认为，造成输水渠道南部灌区内地下水位升高的原因主要有以下几点。

3.1 地形地质条件

0+000—3+500段渠道通过的河流Ⅲ级阶地段具二元结构，地表为厚0.8～13 m的粉土，在阶地前沿一般0.8～3.1 m，向阶地后缘（北部）逐渐变厚，最厚处至3+300可达13 m，粉土层渗透系数1.3×10-4～5.5×10-4cm/s，为中等透水层。其下部主要为砂卵砾石，渗透系数8.35×10-2～1.98×10-1cm/s，为强透水层。砂卵砾石层（Q3al）在阶地前沿一般厚3～6 m，在阶地中部及其后缘发育有古河槽，厚度大于6 m，最厚处约20 m。砂卵砾石层下伏基岩为侏罗系砂岩、泥质粉砂岩等，为微-弱透水地层，阶地后缘基岩面高程低于前缘基岩面高程，形成宽U形。

3.2 地下水径流排泄条件

区内地下水接受各方面地下水补给后，由北向南径流排泄。由于测区分布有古河槽，基底岩性为侏罗系砂质泥岩，泥质砂岩等，该层属微-弱透水层，形成隔水顶板，阶地前缘基岩面抬升，阻挡了地下水向GL河垂直排泄的通道，造成Ⅲ级阶地前缘地带地下水位壅高，在此径流方向发生变化，一部分继续垂直向GL河径流排泄，另一部分被抬升水位的地下水顺古河槽沿北西向向下游径流，最终排泄于GL河中。

在该区只要有新的地下水补给量补充，就会打破该区原有的地下水动平衡状态，地下水首先沿阶地前缘地带壅高，形成地下水浅埋区，最终沿基岩面上部砂卵砾石层以泉水的形式向南直接排泄于GL河中。

3.3 输水渠道未修建前地下水埋深条件

输水渠道未修建之前，在河流右岸边未见有泉水出露。输水渠道施工开挖在灌溉季节时，在0+000—0+980深挖方段地下水位基本处于砂砾石与基岩面接触部位；0+980—1+776半挖半填段在渠道基坑开挖过程中，地下水位高于渠道建基面，在基坑中形成积水（地下水埋深3～5 m），致使该段渠道在施工过程中取消了原设计混凝土板下两布一膜的防渗措施。

通过对村民的调查访问及水井的实地调查，输水渠道南部灌区在渠道未修前，在Ⅲ级阶地中部村民水井地下水埋深一般在冬季最大为4～6 m，夏季地下水埋深最小为2～4 m；Ⅲ级阶地前缘地带水井一般在冬季地下水埋深最大为3～5 m，夏季农业集中灌溉季节地下水埋深最小为1～3 m。个别低洼地带地下水埋深小于1 m。

说明该区在农业集中灌溉季节地下水位上升幅度较大，地下水埋深较浅。在该区只要有新的地下水补给量补充，该区地下水位将会继续上升。

3.4 输水渠道的阻水作用

输水渠道的修建，犹如在灌区中部设置了一道地下天然屏障（主要为渠坡混凝土板），阻挡了区内地下水由北向南的的径流速度，改变了区内地下水的径流排泄条件；区内地下水径流在通过输水渠道段过程中受阻，使得渠道北部区域地下水位壅高，渠道南侧区域则由于渠道的渗漏，渠道水渗漏补给该区域地下水，造成渠道两侧部分地段地下水位均比渠道通水前有所升高。

3.5 输水渠道的渗漏补给作用

通过调查分析，输水渠道0+980—3+500段防渗效果差，该段渠道的渗漏量也较大。通过地下水资源计算与分析评价，输水渠道修建通水后，由于该段渠道的渗漏补给，区内地下水资源量增加较大，完全改变了区内的水文地质条件，由此可以说明输水渠道渗漏补给区内的地下水量是该区地下水位升高的主要原因[2]。

输水渠道自通水以来，对区内地下水产生了新的渗漏补给量（主要为0+980—3+500段渠道），打破了该区原有的地下水动平衡状态，造成了渠道南、北部区域地下水位的普遍升高。当遇到区内农业集中灌溉期，输水渠道南部河流Ⅲ级基座阶地前缘地带灌区地下水位升高达到了极值，个别地区地下水位升高溢出地表以泉水形式出露。

4 治理方案选择

4.1 降低地下水的必要性

由于输水渠道的通水运行，渠道（0+000—3+500）段南、北部部分地段地下水位升高，尤其是渠道桩号0+980—3+500段南部灌区在农田集中灌溉期时，Ⅲ级阶地前缘灌区地下水明显上升，埋深多小于1 m，致使部分耕地农作物生长缓慢，造成低产田，部分居民房屋存在安全隐患，使当地居民的经济收入及生活环境都受到了严重的影响。目前输水渠道建设单位每年都需拿出大量的资金对当地居民进行经济赔偿，因此，急需要对高地下水位地区降低地下水位，进行水害治理。

4.2 治理方案选择

降低区域内地下水位，主要为对输水渠道的防渗处理或由灌区内向区外排泄地下水。但由于输水渠道的修建通水，犹如在灌区中部设置了一道地下天然屏障，阻挡了区内地下水由北向南的径流速度，使灌区内地下水径流在通过输水渠道时南部区域受阻水位壅高，北部区域接受渠道水的渗漏补给，造成渠道南北两侧区域地下水位比原有地下水位升高。前期已对输水渠道进行过防渗处理，但由于渠基高地下水位，以及渠道渗漏水扬压力的顶托作用，该段渠道在运行停水期间渠底混凝土板多处鼓起破坏，渠道防渗效果差。要想降低该灌区内地下水位，只有在区内建设向区外排泄地下水的排水系统。

一般来说，竖井及井点排水、明沟排水和暗管（渠）排水是目前降低灌区内浅层地下水水位的主要措施方法，但它们都有各自的适用条件。

（1）竖井及井点排水：输水渠道南部灌区虽然地下水埋深浅，但含水层厚度薄（砂卵砾石层），单井排水的影响范围有限，不能形成大范围有效降落漏斗，达不到降低区域地下水位的目的，且在全区进行竖井排水需要的机井数量较多，建成后的排水系统、运行管理、电网建设等涉及的投资较大，后期运行管理成本较高，因此，该区竖井及井点排水降低地下水效果不理想[3]。

（2）明沟排水：明沟排水系统由各级排水明沟及其建筑物和容泄区组成，投资少，运行、维护方便。但由于以下原因，对该区并不适用。①由于输水渠道南部灌区为成熟老灌区，已建成了完善的耕地、居民点、管网、道路、林带系统，施工极不方便；②明沟开挖边坡较缓，明沟的顶宽过大，占居耕地面积较多；③明沟易被风沙掩埋，淤堵后不易维护[4]。

（3）暗管（渠）排水：根据区内地下水赋存特征及水文地质条件，结合疆内大量排水降低地下水位的工程实例，以及输水渠道南部灌区实际地形地貌及水文地质条件，建议采取暗管（渠）排水的方法降低区内地下水位。暗管（渠）排水方法降低地下水位具有以下优点：①地下水位降低效果显著；②施工简单方便，只需零时征用土地（可利用已有道路），不占用耕地；③后期运行经济，管理方便。

5 结论与建议

（1）由于区内特定的地形地貌、地层岩性、地下水赋存特征及水文地质条件，在新渠道修建前区内地下水已处于动平衡状态，由于新输水渠道的建设运行，对区内地下水产生了新的渗漏补给，打破了该区原有的地下水补排关系，造成了输水渠道南部区域地下水位的普遍升高。在农田集中灌溉期，输水渠道南部河流Ⅲ级基座阶地前缘地带灌区地下水位升高达到了极值，个别地区地下水位升高溢出地表以泉水形式出露。

（2）根据区内地下水赋存特征及水文地质条件，结合疆内大量排水降低地下水位的工程实例，以及输水渠道南部灌区实际地形地貌及水文地质条件，建议在输水渠道南部灌区高地下水水位地区采取暗管（渠）排水的方法降低区内地下水位是可行的。且尽可能地利用区内已有道路布置，做到不占或少占用耕地。

（3）下阶段建议进一步对暗管（渠）排水降低区内地下水位方案进行优化比选和专门论证。必要时选取典型地块开展排水试验工作。