某輸水渠道對(duì)地下水位升高影響及治理方案探析

王柱和

1 基本情況

某輸水渠道工程輸水流量為115 m3/s，輸水線路總長約31 km。渠道樁號(hào)0+000—3+500段走向近東西向，渠道由東向西穿過GL河右岸沖洪積階地段，地表為耕地與居民區(qū)，渠道其余段為NWW向傍山渠道。該輸水渠道自當(dāng)年10月竣工通水運(yùn)行至翌年8月約10個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)渠道0+000—3+500段南、北部分地段地下水位升高，尤其是渠道樁號(hào)0+980—3+500段南部部分地段在4月份灌區(qū)農(nóng)田集中灌溉期時(shí)，Ⅲ級(jí)階地前緣灌區(qū)地下水位明顯上升，埋深多小于1 m，致使部分耕地農(nóng)作物生長緩慢，造成低產(chǎn)田，居民院內(nèi)地下水水位升高，嚴(yán)重者房屋地下室滲水至地面，院內(nèi)菜地有地下水出露，水井內(nèi)地下水位基本接近地面，使當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)收入及生活環(huán)境都受到了影響，居民房屋存在安全隱患。

渠道樁號(hào)0+000—0+980段為挖方渠道，渠身及渠底均處于基巖內(nèi)，混凝土板防滲，板下無土工膜防滲；0+980—1+776段為挖方渠道，渠底位于基巖，渠身處于砂礫石中，混凝土板防滲；1+776—3+500段為半挖半填渠道，渠底基本處于砂礫石內(nèi)，渠身處于低液限黏土內(nèi)，混凝土板防滲。0+980—1+776段渠道在施工過程中由于灌溉期高地下水位的影響，原設(shè)計(jì)的渠底與渠坡土工膜防滲措施未實(shí)施；在渠道通水運(yùn)行過程中，受灌溉期高地下水位及渠道滲漏水的頂托影響，0+980—2+015段渠道渠底多處混凝土板都已向上鼓起破壞，為了減小渠道混凝土板下高地下水位與渠道滲漏水揚(yáng)壓力對(duì)混凝土板的破壞，在渠底混凝土板上又設(shè)置了若干減壓孔。引水渠道自當(dāng)年10月竣工通水運(yùn)行至翌年8月約10個(gè)月總輸水量約10.5億m3。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地下水的賦存與分布規(guī)律

2.1.1 地層巖性分布特征及基巖頂板埋深特征

0+000—3+500段渠道通過的河流Ⅲ級(jí)階地段具二元結(jié)構(gòu)，地表為厚0.8～13 m的粉土，在階地前沿0.8～3.1 m，向階地后緣（北部）逐漸變厚，最厚處（至3+300）可達(dá)13 m；其下部主要為砂卵礫石，在Ⅲ級(jí)階地前沿厚3～6 m，在階地中部及其后緣發(fā)育有古河槽，厚度大于6 m，最厚處約20 m；下伏基巖為侏羅系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，階地后緣基巖面高程低于前緣基巖面高程，形成寬U形。

2.1.2 測區(qū)巖土體透水特性

Ⅲ級(jí)階地上砂卵礫石層的滲透系數(shù)8.35×10-2～1.98×10-1cm/s，為強(qiáng)透水層。階地表層粉土層滲透系數(shù)1.3×10-4～5.5×10-4cm/s，為中等透水層。下伏基巖為微-弱透水地層。

2.1.3 不同區(qū)域地下水埋深特征

根據(jù)地下水埋深將工程區(qū)分為3個(gè)區(qū)。Ⅰ區(qū)：該區(qū)大部分分布在渠道南部，基本靠近Ⅲ級(jí)階地前緣，地下水位埋深0～1.0 m。自輸水渠道輸水開始，有5個(gè)點(diǎn)水位出露于地表，區(qū)內(nèi)居民水井內(nèi)地下水位升高已接近地面，地下室已被地下水滲滿，對(duì)房屋的安全造成巨大隱患，造成該區(qū)農(nóng)田低產(chǎn)并對(duì)民居產(chǎn)生影響；此現(xiàn)象在輸水渠道通水前從未發(fā)生過，灌溉季節(jié)地下水埋深一般大于1.5 m。Ⅱ區(qū)：該區(qū)位于Ⅲ級(jí)階地中部，地下水位埋深1.0～2.0 m。Ⅲ區(qū)：該區(qū)基本位于測區(qū)所處的Ⅲ級(jí)階地后緣及輸水渠道北側(cè)區(qū)域，地下水位埋深2.0～5.0 m。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

輸水渠道滲漏和區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉水入滲，首先是測區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給源，其次是區(qū)內(nèi)北部臺(tái)地地下水的側(cè)向滲流、區(qū)內(nèi)降水入滲、西北部低山丘陵區(qū)暴雨洪流入滲補(bǔ)給等，前兩者的大小主要作用影響著區(qū)內(nèi)潛水位的變幅。排泄最主要為蒸發(fā)，及地下水向階地前緣和順古河槽向下游排泄。

2.3 工程建設(shè)前地下水狀況調(diào)查

測區(qū)內(nèi)無地下水長期監(jiān)測孔及監(jiān)測資料，通過對(duì)居民的調(diào)查訪問，輸水渠道未修建通水前，該區(qū)域中部居民水井一般在冬季地下水埋深最大為4～6 m，夏季地下水埋深最小為2～4 m；階地前緣地帶水井一般在冬季地下水埋深最大為3～5 m，夏季地下水埋深最小為1～3 m。個(gè)別低洼地帶地下水埋深小于1 m。

2.4 地下水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)

通過水均衡分析計(jì)算，區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給總量為1 946.58萬m3/a，主要由以下4個(gè)方面組成，即新建輸水渠道滲漏補(bǔ)給量379.66萬m3/a、區(qū)內(nèi)原有灌溉水入滲補(bǔ)給500.24萬m3/a、北部斷面?zhèn)认蛄魅肓? 051.35萬m3/a、降水入滲補(bǔ)給量15.33萬m3/a。新增輸水渠道滲漏補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的19.50%，占輸水渠道未修建之前區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給總量的24%[1]。

由此可見輸水渠道修建后，區(qū)內(nèi)地下水資源量增加較大，完全改變了區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，由此可以說明輸水渠道滲漏補(bǔ)給區(qū)內(nèi)的地下水量是該區(qū)地下水位升高的主要原因。

3 區(qū)內(nèi)地下水水位升高原因分析

通過分析認(rèn)為，造成輸水渠道南部灌區(qū)內(nèi)地下水位升高的原因主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 地形地質(zhì)條件

0+000—3+500段渠道通過的河流Ⅲ級(jí)階地段具二元結(jié)構(gòu)，地表為厚0.8～13 m的粉土，在階地前沿一般0.8～3.1 m，向階地后緣（北部）逐漸變厚，最厚處至3+300可達(dá)13 m，粉土層滲透系數(shù)1.3×10-4～5.5×10-4cm/s，為中等透水層。其下部主要為砂卵礫石，滲透系數(shù)8.35×10-2～1.98×10-1cm/s，為強(qiáng)透水層。砂卵礫石層（Q3al）在階地前沿一般厚3～6 m，在階地中部及其后緣發(fā)育有古河槽，厚度大于6 m，最厚處約20 m。砂卵礫石層下伏基巖為侏羅系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，為微-弱透水地層，階地后緣基巖面高程低于前緣基巖面高程，形成寬U形。

3.2 地下水徑流排泄條件

區(qū)內(nèi)地下水接受各方面地下水補(bǔ)給后，由北向南徑流排泄。由于測區(qū)分布有古河槽，基底巖性為侏羅系砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)砂巖等，該層屬微-弱透水層，形成隔水頂板，階地前緣基巖面抬升，阻擋了地下水向GL河垂直排泄的通道，造成Ⅲ級(jí)階地前緣地帶地下水位壅高，在此徑流方向發(fā)生變化，一部分繼續(xù)垂直向GL河徑流排泄，另一部分被抬升水位的地下水順古河槽沿北西向向下游徑流，最終排泄于GL河中。

在該區(qū)只要有新的地下水補(bǔ)給量補(bǔ)充，就會(huì)打破該區(qū)原有的地下水動(dòng)平衡狀態(tài)，地下水首先沿階地前緣地帶壅高，形成地下水淺埋區(qū)，最終沿基巖面上部砂卵礫石層以泉水的形式向南直接排泄于GL河中。

3.3 輸水渠道未修建前地下水埋深條件

輸水渠道未修建之前，在河流右岸邊未見有泉水出露。輸水渠道施工開挖在灌溉季節(jié)時(shí)，在0+000—0+980深挖方段地下水位基本處于砂礫石與基巖面接觸部位；0+980—1+776半挖半填段在渠道基坑開挖過程中，地下水位高于渠道建基面，在基坑中形成積水（地下水埋深3～5 m），致使該段渠道在施工過程中取消了原設(shè)計(jì)混凝土板下兩布一膜的防滲措施。

通過對(duì)村民的調(diào)查訪問及水井的實(shí)地調(diào)查，輸水渠道南部灌區(qū)在渠道未修前，在Ⅲ級(jí)階地中部村民水井地下水埋深一般在冬季最大為4～6 m，夏季地下水埋深最小為2～4 m；Ⅲ級(jí)階地前緣地帶水井一般在冬季地下水埋深最大為3～5 m，夏季農(nóng)業(yè)集中灌溉季節(jié)地下水埋深最小為1～3 m。個(gè)別低洼地帶地下水埋深小于1 m。

說明該區(qū)在農(nóng)業(yè)集中灌溉季節(jié)地下水位上升幅度較大，地下水埋深較淺。在該區(qū)只要有新的地下水補(bǔ)給量補(bǔ)充，該區(qū)地下水位將會(huì)繼續(xù)上升。

3.4 輸水渠道的阻水作用

輸水渠道的修建，猶如在灌區(qū)中部設(shè)置了一道地下天然屏障（主要為渠坡混凝土板），阻擋了區(qū)內(nèi)地下水由北向南的的徑流速度，改變了區(qū)內(nèi)地下水的徑流排泄條件；區(qū)內(nèi)地下水徑流在通過輸水渠道段過程中受阻，使得渠道北部區(qū)域地下水位壅高，渠道南側(cè)區(qū)域則由于渠道的滲漏，渠道水滲漏補(bǔ)給該區(qū)域地下水，造成渠道兩側(cè)部分地段地下水位均比渠道通水前有所升高。

3.5 輸水渠道的滲漏補(bǔ)給作用

通過調(diào)查分析，輸水渠道0+980—3+500段防滲效果差，該段渠道的滲漏量也較大。通過地下水資源計(jì)算與分析評(píng)價(jià)，輸水渠道修建通水后，由于該段渠道的滲漏補(bǔ)給，區(qū)內(nèi)地下水資源量增加較大，完全改變了區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，由此可以說明輸水渠道滲漏補(bǔ)給區(qū)內(nèi)的地下水量是該區(qū)地下水位升高的主要原因[2]。

輸水渠道自通水以來，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水產(chǎn)生了新的滲漏補(bǔ)給量（主要為0+980—3+500段渠道），打破了該區(qū)原有的地下水動(dòng)平衡狀態(tài)，造成了渠道南、北部區(qū)域地下水位的普遍升高。當(dāng)遇到區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)集中灌溉期，輸水渠道南部河流Ⅲ級(jí)基座階地前緣地帶灌區(qū)地下水位升高達(dá)到了極值，個(gè)別地區(qū)地下水位升高溢出地表以泉水形式出露。

4 治理方案選擇

4.1 降低地下水的必要性

由于輸水渠道的通水運(yùn)行，渠道（0+000—3+500）段南、北部部分地段地下水位升高，尤其是渠道樁號(hào)0+980—3+500段南部灌區(qū)在農(nóng)田集中灌溉期時(shí)，Ⅲ級(jí)階地前緣灌區(qū)地下水明顯上升，埋深多小于1 m，致使部分耕地農(nóng)作物生長緩慢，造成低產(chǎn)田，部分居民房屋存在安全隱患，使當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)收入及生活環(huán)境都受到了嚴(yán)重的影響。目前輸水渠道建設(shè)單位每年都需拿出大量的資金對(duì)當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行經(jīng)濟(jì)賠償，因此，急需要對(duì)高地下水位地區(qū)降低地下水位，進(jìn)行水害治理。

4.2 治理方案選擇

降低區(qū)域內(nèi)地下水位，主要為對(duì)輸水渠道的防滲處理或由灌區(qū)內(nèi)向區(qū)外排泄地下水。但由于輸水渠道的修建通水，猶如在灌區(qū)中部設(shè)置了一道地下天然屏障，阻擋了區(qū)內(nèi)地下水由北向南的徑流速度，使灌區(qū)內(nèi)地下水徑流在通過輸水渠道時(shí)南部區(qū)域受阻水位壅高，北部區(qū)域接受渠道水的滲漏補(bǔ)給，造成渠道南北兩側(cè)區(qū)域地下水位比原有地下水位升高。前期已對(duì)輸水渠道進(jìn)行過防滲處理，但由于渠基高地下水位，以及渠道滲漏水揚(yáng)壓力的頂托作用，該段渠道在運(yùn)行停水期間渠底混凝土板多處鼓起破壞，渠道防滲效果差。要想降低該灌區(qū)內(nèi)地下水位，只有在區(qū)內(nèi)建設(shè)向區(qū)外排泄地下水的排水系統(tǒng)。

一般來說，豎井及井點(diǎn)排水、明溝排水和暗管（渠）排水是目前降低灌區(qū)內(nèi)淺層地下水水位的主要措施方法，但它們都有各自的適用條件。

（1）豎井及井點(diǎn)排水：輸水渠道南部灌區(qū)雖然地下水埋深淺，但含水層厚度薄（砂卵礫石層），單井排水的影響范圍有限，不能形成大范圍有效降落漏斗，達(dá)不到降低區(qū)域地下水位的目的，且在全區(qū)進(jìn)行豎井排水需要的機(jī)井?dāng)?shù)量較多，建成后的排水系統(tǒng)、運(yùn)行管理、電網(wǎng)建設(shè)等涉及的投資較大，后期運(yùn)行管理成本較高，因此，該區(qū)豎井及井點(diǎn)排水降低地下水效果不理想[3]。

（2）明溝排水：明溝排水系統(tǒng)由各級(jí)排水明溝及其建筑物和容泄區(qū)組成，投資少，運(yùn)行、維護(hù)方便。但由于以下原因，對(duì)該區(qū)并不適用。①由于輸水渠道南部灌區(qū)為成熟老灌區(qū)，已建成了完善的耕地、居民點(diǎn)、管網(wǎng)、道路、林帶系統(tǒng)，施工極不方便；②明溝開挖邊坡較緩，明溝的頂寬過大，占居耕地面積較多；③明溝易被風(fēng)沙掩埋，淤堵后不易維護(hù)[4]。

（3）暗管（渠）排水：根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水賦存特征及水文地質(zhì)條件，結(jié)合疆內(nèi)大量排水降低地下水位的工程實(shí)例，以及輸水渠道南部灌區(qū)實(shí)際地形地貌及水文地質(zhì)條件，建議采取暗管（渠）排水的方法降低區(qū)內(nèi)地下水位。暗管（渠）排水方法降低地下水位具有以下優(yōu)點(diǎn)：①地下水位降低效果顯著；②施工簡單方便，只需零時(shí)征用土地（可利用已有道路），不占用耕地；③后期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，管理方便。

5 結(jié)論與建議

（1）由于區(qū)內(nèi)特定的地形地貌、地層巖性、地下水賦存特征及水文地質(zhì)條件，在新渠道修建前區(qū)內(nèi)地下水已處于動(dòng)平衡狀態(tài)，由于新輸水渠道的建設(shè)運(yùn)行，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水產(chǎn)生了新的滲漏補(bǔ)給，打破了該區(qū)原有的地下水補(bǔ)排關(guān)系，造成了輸水渠道南部區(qū)域地下水位的普遍升高。在農(nóng)田集中灌溉期，輸水渠道南部河流Ⅲ級(jí)基座階地前緣地帶灌區(qū)地下水位升高達(dá)到了極值，個(gè)別地區(qū)地下水位升高溢出地表以泉水形式出露。

（2）根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水賦存特征及水文地質(zhì)條件，結(jié)合疆內(nèi)大量排水降低地下水位的工程實(shí)例，以及輸水渠道南部灌區(qū)實(shí)際地形地貌及水文地質(zhì)條件，建議在輸水渠道南部灌區(qū)高地下水水位地區(qū)采取暗管（渠）排水的方法降低區(qū)內(nèi)地下水位是可行的。且盡可能地利用區(qū)內(nèi)已有道路布置，做到不占或少占用耕地。

（3）下階段建議進(jìn)一步對(duì)暗管（渠）排水降低區(qū)內(nèi)地下水位方案進(jìn)行優(yōu)化比選和專門論證。必要時(shí)選取典型地塊開展排水試驗(yàn)工作。