開都河河道滲透補(bǔ)給地下水分析

彭秋燕,周玉良,姜卉芳

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830052;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009)

0 引 言

新疆焉耆盆地地下水資源由地表水轉(zhuǎn)化形成,水資源開發(fā)利用格局的變化將深刻的影響地下水補(bǔ)排關(guān)系和補(bǔ)排量大小,反過來說,只有清楚掌握地表水和地下水的補(bǔ)排關(guān)系和補(bǔ)排量,才能更合理的利用水資源,在滿足水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)上,最大限度地保證農(nóng)業(yè)用水、生活用水、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)[1]。焉耆盆地是一個(gè)近乎封閉的匯水盆地,為相對完整的水文系統(tǒng),地表、地下徑流從盆地四周向博斯騰湖匯集,最后通過蒸發(fā)消耗或經(jīng)孔雀河流出盆地,區(qū)內(nèi)多年平均地表徑流量為39.84×108m3/a,開都河多年平均徑流量為34.86×108m3/a,約占盆地徑流總量的87.5%[2],因此研究開都河河道滲透補(bǔ)給地下水具有非常重要意義。束龍倉等利用豎管法現(xiàn)場測定河床各個(gè)方向的滲透系數(shù),并間接確定了河流與地下水的相互作用[3]。張福生在分析非完整河地表水與地下水相互作用機(jī)理的前提下,提出了非完整河地表水與地下水轉(zhuǎn)換近似計(jì)算式[2]。趙耀東在室內(nèi)作了傍河水源地誘發(fā)補(bǔ)給試驗(yàn),證明在河水位固定的情況下,地下水開采增加,不管是粗砂還是中砂含水層,均可出現(xiàn)淋濾補(bǔ)給現(xiàn)象,并且給出了河流補(bǔ)給地下水由壓力式向淋濾式轉(zhuǎn)變的判斷式[4]。本文在總結(jié)河道滲透補(bǔ)給地下水量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合開都河實(shí)際地理情況及水文資料,采用河道水量平衡法對開都河枯水期河道滲透補(bǔ)給地下水量進(jìn)行了分析,得出該河流河水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系及補(bǔ)排量,用較簡潔的方法在最短時(shí)間內(nèi)得出較精準(zhǔn)的結(jié)果,希望對焉耆盆地水資源開發(fā)利用規(guī)劃有一定參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

開都河位于新疆巴音郭勒蒙古自治州境內(nèi)天山南麓、塔克拉瑪干沙漠北緣。它源出天山山系的阿爾明山,東南流注入博斯騰湖。全長530 km,年徑流量33.8×108m3,水力坡度萬分之一[5]。開都河流域自大山口到第一分水樞紐為丘陵地區(qū),第一分水樞紐到寶浪蘇木為平原區(qū)[6]。

開都河河水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜,不同季節(jié)不同河段轉(zhuǎn)化關(guān)系不同。取五個(gè)測驗(yàn)斷面作為監(jiān)測站,分別為:大山口水文站,218國道,21團(tuán)大橋,焉耆大橋,寶浪蘇木。如圖1所示。

圖1 開都河河道滲透損失測驗(yàn)斷面布置圖

河道引水工程現(xiàn)狀:①大山口水文站至218國道:大山口水文站至218國道之間的引水工程只有第一分水樞紐。第一分水樞紐引水量(扣除哈爾毛墩水電站退水)為北岸干渠、南岸干渠引水量之和。北岸干渠引水量等于烏蘭尕孜渠、阿孜溝、北干渠退水閘斷面徑流量之和(已扣除哈爾毛墩水電站退水);南岸干渠引水量等于南岸干渠高閘、低閘、一支干、二支干徑流量之和。②218國道至21團(tuán)大橋:218國道至21團(tuán)大橋的引水干渠只有解放二渠臨時(shí)引水渠。③21團(tuán)大橋至焉耆大橋:21團(tuán)大橋至焉耆大橋之間的引水干渠有解放一渠、永寧渠、北大渠、五號(hào)渠。另外還有北大渠十鄉(xiāng)揚(yáng)水站、豐達(dá)實(shí)業(yè)農(nóng)場揚(yáng)水站、27團(tuán)5連揚(yáng)水站、27團(tuán)5連二號(hào)泵站。④焉耆大橋至寶浪蘇木分水閘:焉耆大橋至寶浪蘇木分水閘之間的引水干渠有友誼渠(包括向陽渠、躍進(jìn)渠、四大隊(duì)渠、種畜場渠四個(gè)支渠)、呼爾敦渠、建新渠、團(tuán)結(jié)渠、翻身渠。另外還有博湖縣查鄉(xiāng)一大隊(duì)泵站、博湖縣水產(chǎn)養(yǎng)殖中心揚(yáng)水站、烏蘭鄉(xiāng)巴州種畜場下游泵站,25團(tuán)泵站、種畜場上游泵站、本布圖鎮(zhèn)塔鄉(xiāng)泵站。引水工程如圖2所示。

2 計(jì)算河道補(bǔ)給地下水的方法

對于干旱區(qū)的河流,降水少、蒸發(fā)大,河道水量變化主要來自地下水轉(zhuǎn)換以及其他河道的匯入、流出,水量平衡方程可以寫為[7]:

式中:Δ V為河道蓄水變化量(L3/T);Qri為上游流入水量(L3/T);Qp為降水補(bǔ)給量(L3/T);Qr0為下游出水量(L3/T);QE為河道水面蒸發(fā)量(L3/T);Qrd為河道引水量(L3/T);QΔg為地下水與河水轉(zhuǎn)化量的代數(shù)和(L3/T),河流補(bǔ)給地下水為正,河流排泄地下水為負(fù);Qo為其他途徑進(jìn)入河道或流出河道水量的代數(shù)和(L3/T)。

圖2 開都河河道引水工程現(xiàn)狀示意圖

3 河道水量平衡法計(jì)算開都河河道滲透補(bǔ)給地下水量

開都河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系很復(fù)雜,根據(jù)時(shí)間、河段的不同,其轉(zhuǎn)化關(guān)系差別很大。影響河道地表水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給地下水的因素為:河床面的滲透系數(shù)、透水床面的周界大小、河道底部至潛水面間的巖土水理性質(zhì)、地表水面與潛水面的高差、地下水的排泄條件以及河道的過水時(shí)間長短等[8]。

可以選用(1)式計(jì)算開都河河道地表水與地下水轉(zhuǎn)換量,由(1)式可得:

根據(jù)(2)式,由各分量得出地表水與地下水的轉(zhuǎn)換量。資料為2009年11月至12月測得,這段時(shí)間河道平均流量接近開都河最枯季節(jié)平均流量,并且此時(shí)開都河流域農(nóng)業(yè)灌溉已經(jīng)結(jié)束,也無其他途徑進(jìn)入或流出河道中水。因此枯水季節(jié)無Qrd、Qo兩項(xiàng)。測得數(shù)據(jù)見表1。

表1 測驗(yàn)斷面2009年枯水期流量數(shù)據(jù)表 單位:m3/s

根據(jù)統(tǒng)計(jì),218國道2009年11月、12月流量水位關(guān)系為y=244.64x-1360.1;21團(tuán)大橋2009年11月、12月流量水位關(guān)系為y=117.64x-429.4;2009年焉耆大橋 11月、12月流量水位關(guān)系為 y=178.45x-802.38。其中 x為水位,單位:m;y為流量,單位:m3/s。計(jì)算水位、水位差見表 2、表3,開都河河道水量平衡計(jì)算見表4。

表2 測驗(yàn)斷面2009年枯水期水位數(shù)據(jù)表 單位:m

表3 測驗(yàn)斷面2009年枯水期水位日平均差 單位:m

表4 開都河河道水量平衡計(jì)算表 單位:m3/s

4 結(jié) 論

通過開都河流域河道滲透補(bǔ)給地下水以上的分析計(jì)算有如下結(jié)論:

(1)開都河在枯水季節(jié),以21團(tuán)為界,上游為河水排泄地下水,下游河水補(bǔ)給地下水。

(2)大山口水文站至 218國道段,徑流增加32%,流量與徑流增加比例呈反比關(guān)系;218國道至21團(tuán)大橋段,徑流增加34%,流量與徑流增加比例呈反比關(guān)系;21團(tuán)大橋至焉耆大橋段,徑流損失15%,流量與徑流減少的比例呈反比關(guān)系;焉耆大橋至寶浪蘇木段,徑流損失17.7%,流量與徑流減少的比例呈反比關(guān)系。

(3)根據(jù)焉耆盆地水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與需求,以上結(jié)論能夠滿足該區(qū)域合理規(guī)劃水資源及農(nóng)業(yè)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。但是還需要水文資料的精確與補(bǔ)充。

[1] 董新光,江 濤,姜卉芳.新疆焉耆盆地水資源利用與環(huán)境保護(hù)模式研究[J].灌溉排水,2001,20(2):61-65.

[2] 劉延鋒.新疆焉耆盆地地表水-地下水轉(zhuǎn)化及水資源可持續(xù)利用[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2004.

[3] 束龍倉.CHEN X.美國內(nèi)布拉斯加州普拉特河河床沉積物滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(5):629-633.

[4] 趙耀東.傍河水源地誘發(fā)補(bǔ)給實(shí)驗(yàn)研究[J].西北水資源與水工程,1991,2(1):45-51.

[5] 董新光,周金龍,陳躍濱.干旱內(nèi)陸區(qū)水鹽監(jiān)測與模型研究及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[6] 胡春宏.塔里木河干流河道演變與整治[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[7] 束龍倉,陶月贊.地下水水文學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[8] 張?jiān)?施鑫源.地下水水文學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,1998.