CN107012919B - 一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，由隔水层、含水层、地表水库、弱连通渗渠四部分组成；所述地表水库四周上部为隔水层，下部为含水层，弱连通渗渠布设于地表水库底部，由隔水层开挖至含水层，并采用弱透水混凝土衬砌形成弱透水混凝土层，使地表水库内的地表水与含水层的地下水形成弱连通水力关系。本发明通过为地表水库布设弱连通渗渠，实现地表水与地下水水量交换速率的控制，大大降低了地下水污染的风险，方便对地表水与地下水资源进行集中管理，由此而解决了平原区农田普遍存在雨季涝、旱季严重缺水的问题，同时对现有的地表水与地下水资源联合调度技术来说，具有非常广阔的应用前景。

Description

一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统

技术领域

本发明属于水资源技术领域，涉及一种水资源联调技术，具体涉及一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统。

背景技术

水既是重要的自然资源，又是自然界重要的环境要素，是可持续发展的基础与条件，也是环境问题与发展问题的核心。随着经济与社会的迅速发展，水资源供需矛盾日益严重，地表水与地下水资源联合调度作为一种有效的水资源调控手段，正越来越受到人们的重视。地表水与地下水资源联合调度旨在为区域提供稳定的可供水量，减少水资源的时空差异，有效控制地下水位，达到有计划开发利用地表地下水资源，并使之与社会经济发展及生态坏境保护相协调。

对于平原区农田而言，普遍存在雨季涝、旱季严重缺水的问题。现有的技术一般是在灌区附近修建地表水库，通过渠道系统将地表水资源分配到田间，而内涝洪水则通过设置排水系统排至河道。地下水资源方面，则通常采用水井的方式进行开采。地表水和地下水之间的水力联系一般是天然存在的，水库和渠道的渗漏客观上起到了回补地下水的作用，地下水的溢出则形成地表水。

现有的地表水与地下水资源联合调度技术存在的主要问题包括：(1)水资源管理粗放，一般未对地表水与地下水水量交换速率进行控制；(2)地表水和地下水之间的水力联系一般是天然存在的，使得地表水污染极易引起地下水污染，给地下水环境带来了压力；(3)相关水利设施分散，给运行和管理带来了不便。有研究人员最近开发了在水井衬砌上设置辐射管和节制闸门，对地表水与地下水的水量交换速率进行控制的技术，但此项技术仅解决了地表水与地下水水量交换速率控制的问题，其余的问题依旧存在。

发明内容

针对传统技术存在的问题，本发明的目的是提供一种适合于平原区的新型农田地表水与地下水资源联合调度系统，它通过为地表水库布设的隔水层、含水层和弱连通渗渠，并在设计阶段调整弱透水混凝土的厚度和渗透系数，实现地表水与地下水水量交换速率的控制，解决了现有地表水与地下水资源联合调度技术存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是，一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，由隔水层、含水层、地表水库、弱连通渗渠四部分组成；所述地表水库四周上部为隔水层，下部为含水层，地表水库的底部为弱连通渗渠；

所述隔水层和含水层的地层边界、沉积厚度、渗透系数、给水度和贮水率根据地质勘探得到的数据来确定；

所述地表水库的库区规模和布置，结合当地平原区农田水文、地形、地质条件和工程设计来确定，采用半挖半填的方式在农田中兴建；

所述弱连通渗渠布设于地表水库底部，由隔水层开挖至含水层，并采用弱透水混凝土衬砌的弱透水混凝土层，使地表水库内的地表水与含水层的地下水形成弱连通水力关系。

本发明所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征还在于，

所述地表水库底部的弱连通渗渠的弱透水混凝土层，于层面中布设有横向防裂钢筋和纵向防裂钢筋。

靠近所述地表水库四周的隔水层上方设有用于提高水库水位的土堤。

所述地表水库库底开挖的弱连通渗渠，通过设计阶段所设定的弱透水混凝土厚度和渗透系数，实现对地表水与地下水水量交换速率的控制。

所述弱连通渗渠的弱透水混凝土层通过配合比试验进行优化，最终确定配合比及渗透系数。

所述弱透水混凝土层的渗透系数根据地表水与地下水水量交换速率控制要求进行估算，弱透水混凝土层的厚度取为0.4m～2.0m，所述含水层的渗透系数为2×10^-4cm/s～2×10^-2cm/s，所述弱连通渗渠弱透水混凝土层的渗透系数为1×10^-4cm/s～1×10^-2cm/s。

本发明平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，与现有的地表水与地下水资源联合调度技术相比较，其具有以下特点：

(1)、通过在设计阶段调整弱透水混凝土的厚度和渗透系数，可以实现地表水与地下水水量交换速率的控制；

(2)、由于弱连通渗渠的存在，降低了地表水污染导致地下水污染的风险；

(3)、弱连通渗渠布置在地表水库库底，方便了对地表水与地下水资源的集中管理。

本发明的核心在于在地表水库库底开挖弱连通渗渠，采用透水混凝土层形成地表水与地下水的弱连通关系，通过调整弱透水混凝土的厚度和渗透系数，实现对地表水与地下水水量交换速率的控制、地下水污染的风险低、方便对地表水与地下水资源集中管理，解决了平原区农田普遍存在雨季涝、旱季严重缺水的问题，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统结构示意图；

图2是本发明地表水库断面示意图；

图3是本发明弱连通渗渠断面示意图；

图4是本发明雨季时地表水补给地下水示意图；

图5是本发明旱季时地下水补给地表水示意图。

图中，1.隔水层，2.含水层，3.地表水库，4.弱连通渗渠，5.水库水位，6.地下水位，7.弱透水混凝土层，8.横向防裂钢筋，9.纵向防裂钢筋，10.土堤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，如图1和图2所示，分别由隔水层1、含水层2、地表水库3、弱连通渗渠4四部分组成；地表水库3四周上部为隔水层1，下部为含水层2，地表水库3的底部为弱连通渗渠4；隔水层1和含水层2的地层边界、沉积厚度、渗透系数、给水度和贮水率根据地质勘探得到的数据来确定。

本发明地表水库3的库区规模和布置，结合当地平原区农田水文、地形、地质条件和工程设计来确定，采用半挖半填的方式在农田中兴建；弱连通渗渠4布设于地表水库3底部，由隔水层1开挖至含水层2，并采用弱透水混凝土衬砌的弱透水混凝土层7，使地表水库3内的地表水与含水层2的地下水形成水库水位5和地下水位6的弱连通水力关系；地表水库3底部的弱连通渗渠4的弱透水混凝土层7，如图3所示于层面中布设有横向防裂钢筋8和纵向防裂钢筋9；如图2所示，靠近地表水库3四周的隔水层1上方设有用于提高水库水位的土堤10。

本发明地表水库3库底开挖的弱连通渗渠4，通过设计阶段所设定的弱透水混凝土厚度和渗透系数，实现对地表水与地下水水量交换速率的控制；弱连通渗渠4的弱透水混凝土层7通过配合比试验进行优化，最终确定配合比及渗透系数。

本发明弱透水混凝土层7的渗透系数根据地表水与地下水水量交换速率控制要求进行估算，弱透水混凝土层7的厚度取为0.4m～2.0m，含水层2的渗透系数要求为2×10^-4cm/s～2×10^-2cm/s，弱连通渗渠4弱透水混凝土层7的渗透系数为1×10^-4cm/s～1×10^-2cm/s。

本发明平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统的具体实施包括以下步骤：

(1)参照图1和图2，进行地形测量和地质勘察，明确区域隔水层1、含水层2的地层边界、沉积厚度、渗透系数、给水度和贮水率，结合水文、地形、地质条件和工程任务，进行水资源平衡分析，确定地表水库3的规模和布局。

(2)参照图1和图2，根据隔水层1和含水层2的空间分布及相应的水文地质参数，进行地表水库3和弱连通渗渠4的初步设计。

(3)参照图3，根据地表水与地下水水量交换速率控制要求，估算对弱透水混凝土层7的渗透系数的要求；

如某平原灌区工程，含水层2渗透系数为2×10^-2cm/s，弱透水混凝土层7的厚度取为1.0m；根据工程任务和规模，建立数值模型进行分析，弱透水混凝土层7的渗透系数建议值为：2×10^-4cm/s～4×10^-3cm/s。

(4)开展弱透水混凝土层7的配合比试验，优化并确定配合比；

常规混凝土的渗透性过低，因此弱透水混凝土配合比需减小砂率以适当提高渗透性。本实施例采用的配合比如表1所示：

表1 采用的透水混凝土配合比

按表1的配合比，实测的渗透系数为1×10^-3cm/s，满足步骤(3)估算的对弱透水混凝土层7的渗透系数的要求。

(5)地表水库3施工

参照图1和图2，进行地表水库3的施工，地表水库3采用半挖半填的施工方式，在项目区中部开挖水库，将开挖料回填至地表水库3的四周，加固后以形成封闭的土堤10，既可节省工程工作量，又可提高水库的水位。

(6)弱连通渗渠4施工

参照图1和图2，进行弱连通渗渠4施工；采用步骤(4)确定的配合比生产弱透水混凝土层7，为渠道衬砌作准备。在地表水库3的底部开挖形成渠道，然后进行横向防裂钢筋8及纵向防裂钢筋9的绑扎工作，形成完整的钢筋网，最后进行弱透水混凝土层7的浇筑。

(7)地表水与地下水联合调度运行

由于采用了弱透水混凝土层7对渠道进行衬砌，建立了地下水与地表水之间的弱连通关系，通过在设计阶段调整弱透水混凝土层7的配合比，可实现对地表水与地下水水量交换速率的控制。

地表水与地下水联合调度运行模式为：

如图4所示，雨季洪水入库，水库水位5高于地下水位6，地表水通过弱渗透介质进入含水层2中蓄存，抬高地下水位6。

如图5所示，旱季时地下水位6经补给后水位明显抬升，高于水库水位5，地下水反过来补给地表水库3，抬高水库水位5，使水库水面保持高于渠道的设计水平，以近自然的方式灌溉农田。

本发明的核心在于在地表水库3库底开挖弱连通渗渠4，并采用透水混凝土层7形成地表水与地下水的弱连通关系，通过调整弱透水混凝土的厚度和渗透系数，实现对地表水与地下水水量交换速率的控制，降低地下水污染的风险，方便对地表水与地下水资源集中管理，由此而解决了平原区农田普遍存在雨季涝、旱季严重缺水的问题，具有非常广阔的应用前景。

上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，分别由隔水层(1)、含水层(2)、地表水库(3)、弱连通渗渠(4)四部分组成；所述地表水库(3)四周上部为隔水层(1)，下部为含水层(2)，地表水库(3)的底部为弱连通渗渠(4)；

所述隔水层(1)和含水层(2)的地层边界、沉积厚度、渗透系数、给水度和贮水率根据地质勘探得到的数据来确定；

所述地表水库(3)的库区规模和布置，结合当地平原区农田水文、地形、地质条件和工程设计来确定，采用半挖半填的方式在农田中兴建；

所述弱连通渗渠(4)布设于地表水库(3)底部，由隔水层(1)开挖至含水层(2)，并采用弱透水混凝土衬砌的弱透水混凝土层(7)，使地表水库(3)内的地表水与含水层(2)的地下水形成水库水位(5)和地下水位(6)的弱连通水力关系，弱透水混凝土层(7)的厚度取为0.4m～2.0m，所述弱透水混凝土层(7)的渗透系数为1×10^-4cm/s～1×10^-2cm/s。

2.根据权利要求1所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，所述地表水库(3)底部的弱连通渗渠(4)的弱透水混凝土层(7)，于层面中布设有横向防裂钢筋(8)和纵向防裂钢筋(9)。

3.根据权利要求1所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，靠近所述地表水库(3)四周的隔水层(1)上方设有用于提高水库水位的土堤(10)。

4.根据权利要求1所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，所述地表水库(3)库底开挖的弱连通渗渠(4)，通过设计阶段所设定的弱透水混凝土厚度和渗透系数，实现对地表水与地下水水量交换速率的控制。

5.根据权利要求2所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，所述弱连通渗渠(4)的弱透水混凝土层(7)通过配合比试验进行优化，最终确定配合比及渗透系数。

6.根据权利要求1或5所述的一种平原区农田地表水与地下水资源联合调度的弱连通系统，其特征在于，所述弱透水混凝土层(7)的渗透系数根据地表水与地下水水量交换速率控制要求进行估算；所述含水层(2)的渗透系数为2×10^-4cm/s～2×10^-2cm/s。

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