0.   引言

中国水资源时空分布不均,北方地区多处于干旱、半干旱地区,降水量较少,而蒸发量较大,水资源较为贫乏。为此,国家先后修建了一批长距离输水工程及跨流域调水工程,在缓解北方水资源供需矛盾,支撑区域经济建设方面发挥了重要作用^[1]。然而,一些位于北方寒区的衬砌渠道易受不良地质和极端气候影响,渠道结构损毁时有发生,造成严重的渗漏损失^[2]。以北疆供水ZG渠为例^[3-4],渠道衬砌结构为全断面预制板结构,防渗层为0.6 mm厚PE土工膜。该渠道于2001年建成投入使用,为季节性输水渠道,即冬季不输水。受当时投资和工程建设水平的制约,全线509 km仅在少部分重要高填方渠段设置了排水体系。经过多年运行,防渗膜的破损老化现象加剧,由于渗漏水不能得到有效导排,渠堤渗水量逐年加大,使得运行期内渠基被长期浸泡。渗漏问题在影响工程输水能力和效益的发挥的同时,也增加了滑坡、变形等破坏的发生概率^[5]。

针对上述问题,提出采用设置渠道纵横向排水体系的方式缓解渗漏对工程运行带来的各类损失。渠道纵横向排水体系由纵管、横管、集水箱组成（见图1）。纵向排水体为软式透水管和PE管两种管材,横向排水体管为UPVC管；每隔一定距离设置1个集水箱,集水箱大小0.8 m×0.8 m,两个集水箱以中间点为中心点各向两边设置1/500的纵坡,以加快渠道渗漏水向集水箱中汇聚。输水过程中渗漏的渠水会先汇集到渠底纵向排水管,然后通过横向排水管导流至竖向排水井,最终积水由竖向排水井抽排返回渠道^[6-7]。

图  1  渠道纵横向排水体系

Figure  1.  Vertical and horizontal drainage system for canal

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北疆供水工程ZG渠渠道纵横向排水体系已于2018年运行期前设置完成。本文结合ZG渠沿线设有水位观测井的渠段,综合分析渠道防渗膜“膜后水位”与近年通水期、运行期、停水期的变化情况,进一步考察该体系的防排效果。

1.   渠道渗漏特征

1.1   渗漏断面统计

为更加直观的表示渠道渗漏特征,首先提出“膜后水”的概念。“膜后水”是指渠道运行期间,赋存在渠道防渗层下方一定范围内的自由水。ZG渠位于新疆北部,地区降雨偏少,地下水埋深较深,因此,通水期间渠道渗漏水将是膜后水的最主要水源。自2017年起,有关部门在ZG渠04+945 m—53+395 m沿线断面的渠顶沿石处增设了121根膜后水位观测管,如图2所示,该观测管与渠基连通,可以对渠道的“膜后水位”进行直接观测。

图  2  渠道膜后水位观测示意图

Figure  2.  Schematic diagram of water level observation behind canal membrane

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根据图3给出了2017年,2018年运行期间的膜后无水（即没有水赋存）断面的数量统计。总的来看,通水期起始阶段膜后无水断面数量较多,随着干渠水位升高,膜后无水断面逐渐减少,总体呈“两头多,中间少”的趋势。另一方面,2017年7月中旬,几乎所有膜后观测管均出现自由水赋存。随着通水期临近尾声,无水断面数量开始增多。相比较而言,2018年运行期间无水断面的数量,特别是干渠稳定水位输水期间（6月下旬—8月上旬）有了大幅提升。例如,2018年6月14日当天无水断面的数量为23个,而去年同期仅为4个；而在8月4日,干渠水深达到5.12 m的情况下,无水断面个数达到40个。

图  3  运行期内膜后无水断面个数统计

Figure  3.  Statistics of number of dry sections in operation period

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1.2   膜后水位状态分析

为更深入地了解2018年ZG渠渗漏情况,确定渗漏问题比较严重的位置,对2018年运行以来渠道膜后水深的状态进行了统计,以运行期内“始终无水”、“基本无水”、“干湿交替”、“基本有水”、“始终有水”5个状态来标记渠道的膜后水深赋存情况。其中“始终无水”即代表运行期间观测管内始终未测得有水；“基本无水”表示绝大多数运行日内未测得有水,少数运行日所测水位在0.5 m以下；“干湿交替”表示有水日和无水日基本相等,有水日所测水位在1.5 m以下；“基本有水”表示观测管在绝大多数运行日内测得有水；“始终有水”表示运行期间膜后观测管始终有赋存水。

统计结果表明,运行期内“始终无水”的有9个断面,只占观测管总数的7.4%；基本无水的有12个断面,占观测管总数的10%；干湿交替的有9个断面,占总数的7.4%；基本有水的有28个,占总数的23%；始终有水的有63个,占观测管总数的52%。从统计数据来看,运行期间始终处于渗漏状态的占半数以上,基本有水和始终有水的占观测管总数的75%。

将2018年运行期膜后水状态按沿线绘制在图4中。从图中可以看出,始终有水的断面集中分布在16+800 m至34+145 m段,以及38+050 m至52+000 m段；始终无水的断面主要集中在ZG渠前段。

图  4  2018年运行期断面膜后水状态的沿线分布

Figure  4.  Distribution of water state after membrane during operation in 2018

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进一步地,考察了ZG渠运行期间膜后水位的分布,并纳入2017年的数据以便进行比较分析。对2017年自5月上旬至9月上旬,2018年5月上旬至8月上旬期间,所有的膜后水位观测管的水位数据的统计数值进行了加权平均,得到了ZG渠平均膜后水深的沿线分布,如图5所示。从图中可以看出,2017年运行期内膜后水位在2 m以上的断面占比较大,平均膜后水位为3 m,水位较高的断面主要集中在20+300 m至30+550 m段,其中29+550 m、30+000 m、30+200 m断面最高水位达到5.28 m,几乎与同时刻渠道内运行水位相同。相比较而言,2018年运行期间膜后水位相比去年同期有着一定程度的下降,膜后水深多集中在2 m以下,个别如10+500 m、11+690 m、12+200 m、27+958 m等断面运行至今始终无水,仅少数断面膜后水位仍偏高（例如30+000段,最高水位达4.78 m）。

图  5  ZG渠断面平均膜后水深分布散点示意

Figure  5.  Water depth distribution scattered points behind ZG canal membrane

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2.   抽排作业相关性分析

如前述,ZG渠地下水位埋深普遍较深,干渠渗水是膜后水位观测管最主要入水来源,而纵横排水体系中的集水井是膜后水位观测管的主要出口。因此,干渠水深以及积水井抽排量是影响膜后水位的高低的主要两个因素。为此,选取了2018年运行期内ZG渠56个同时设有膜后水位观测管以及集水井的断面,深入考察膜后水位的影响因素。根据所得到的结果,建立了干渠水位-膜后水位-集水井抽排量之间的关系,总结了下列4种情形。

（1）显著线性相关

膜后水位随干渠水位持续上升,集水井抽排水量随膜后水位增加而增加,此类情况共有16个,占统计总量的28.5%。图6给出了此类情形的基本特征。从图中可以看出,膜后水位随干渠水位变化的相关性较好,决定系数R²为0.958。而随着膜后水位的增加,集水井的抽排量也持续增加,基本可归纳为线性关系,决定系数R²为0.554。

图  6  渠水位、膜后水位和抽水量之间的关系(显著线性关系)

Figure  6.  Relationship among water level, water level behind membrane and pumping capacity (Significant linear relationship)

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假设膜后水位观测管中的水无补给,那么在集水井持续的抽排工作下,膜后水位应立刻下降。但此类情况与假设不符,换言之,这些断面的干渠渗水补给量大于集水井的抽排量,即干渠水位对膜后水位的影响大于集水井抽排的影响。

（2）正相关

膜后水位与干渠水位无直接关系,但抽排量随膜后水位的增加而增大,此类情形共计9个,占统计总量的16%。选取其中28+387断面为例,如图7所示。

图  7  渠水位、膜后水位和抽水量之间的关系(正相关关系)

Figure  7.  Relationship among water level, water level behind membrane and pumping capacity (Positive correlation)

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图7中最主要的特点是：通水前期膜后水位随增加而增加。但随着积水井抽排工作的开展,膜后水位逐渐下降。说明此类情况下,集水井抽排量的影响稍大于干渠水渗漏对膜后水位高低的影响。

（3）负相关

膜后水位较低,但抽排量较大,此情形有17个断面,占统计量的30%,略高于第一类情形。以其中23+500断面为例,如图8所示,此类断面的特征为：干渠断面存在渗漏,但可由纵横排水系统快速排出,在抽水量与膜后水位的关系图中表现为基本呈一竖直线,此时集水井抽排对膜后水位的影响占主导作用。

图  8  渠水位、膜后水位和抽水量之间的关系（负相关关系）

Figure  8.  Relationship among water level, water level behind membrane and pumping capacity (Negative correlation)

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（4）其他关系

上述几种情形均包括,呈现出较为杂乱的关系,此情形共计12个,占统计总量的21%。例如13+200断面,如图9所示。在膜后水位-集水井抽排量关系图中既存在抽排量增加而膜后水位基本为0 m的情况,也存在抽排量随膜后水位增加而增加的情况。另外,在干渠水位-膜后水位关系图中也存在“杂乱无章”的情形,说明干渠渗漏补给和集水井抽排两种因素相互影响。

图  9  渠水位、膜后水位和抽水量之间的关系（其他关系）

Figure  9.  Relationship among water level, water level behind membrane and pumping capacity (Messy relationship)

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至此,将膜后水位的影响因素进行归纳,即对于集水井抽排的影响大于渠水渗漏的影响,记为“集水井抽排”；渠水渗漏的影响大于集水井抽排的影响,记为“渠水渗漏”；上述两种因素影响不明显或不同时段有不同的因素占主导的,归结为“相互影响”。

3.   渠道抽排建议

“集水井抽排”的断面,运行期测试膜后水位基本为0 m,而集水井有一定的排水量,这些断面虽然发生了少量渗漏,但通过连续抽排作业,使得渗水始终处于“随来随走”的局面。

“渠水渗漏”的断面共性是：膜后水位普遍偏高,且与干渠水位相关性强,说明渠水渗漏现象严重,而自动化抽排作业并不能及时、有效地降低膜后水位,甚至还加剧了干渠的输水损失,运行期内暂时不建议抽排,应进一步检查土质、防渗体的工作状态,找出抽排无效的原因。

“相互影响”的断面,可能存在管路不畅的情况,且均为连续作业,使得抽排与膜后水位之间的关系较为混乱。因此,这些断面渗漏情况也比较严重,集水井无法有效降低膜后水位,应在组织人员检查抽水作业设备以及管路通畅性的基础上,采取连续抽排以分析作业效果,根据本文提出的抽排作业与渠水位关系,进一步明确下一阶段的抽排作业措施。

4.   结论

（1）设置渠道纵横排水体系后,通过连续抽排作业,可使大多数统计断面在运行期内的渠道渗漏膜后水位下降,渠道渗漏水纵横排体系整体效果良好。

（2）根据膜后水位的影响因素,将膜后水位特征分为“集水井抽排”、“渠水渗漏”和“相互影响”这3种主要类别,并结合排水管路疏通情况,对ZG渠沿线排水井的抽排作业给出了明确的建议。

（3）对于连续抽排作业可有效降低膜后水位的,建议运行期内连续抽排。