葉爾羌河下游水電梯級(jí)開發(fā)對(duì)河谷段地下水環(huán)境的影響

金英春

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊 830091)

1 概況

葉爾羌河位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，發(fā)源于喀喇昆侖山北麓，由南西向北東徑流，是塔里木河流域主要源流之一，河流全長(zhǎng)約1289km。

葉爾羌河下游水電梯級(jí)開發(fā)河谷段，地處喀喇昆侖山北麓葉爾羌河中下游的阿爾塔什水庫(kù)下游—喀群攔河閘段，全長(zhǎng)37.41km，天然落差161m，河段平均坡降4.0‰。水電梯級(jí)開發(fā)方案為:鏨高引水式電站+恰木薩引水式電站+亞貝西引水式電站 (見圖1)。該河谷段地貌單元主要為昆侖山北麓剝蝕構(gòu)造低山丘陵區(qū)、堆積平原區(qū)、山前沖洪積傾斜平原區(qū)。河谷寬1000～3500m，河床寬200～1000m。河床兩岸發(fā)育Ⅰ～Ⅳ級(jí)階地，Ⅰ級(jí)階地寬100～1000m，階地面多為耕地、灌木及低矮植被，覆蓋度一般在15%～30%左右。Ⅱ級(jí)階地寬100～300m，階地面局部為耕地、灌木及低矮植被，覆蓋度一般在5%～15%左右。

為了確保水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后，該河谷段脆弱的生態(tài)環(huán)境不遭受破壞和較大的影響，在查明現(xiàn)狀河谷段水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)該河谷段建立地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)水電梯級(jí)開發(fā)方案建成運(yùn)行后對(duì)河谷段地下水位的影響。

圖1 河谷段各梯級(jí)電站開發(fā)方案示意圖

2 河谷段水文地質(zhì)條件

2.1 地下水的賦存與分布

葉爾羌河下游河谷段左右岸階地及河床第四系松散沉積層厚40～80m，且自上游到下游逐漸變厚，顆粒由粗變細(xì)，河漫灘及Ⅰ級(jí)階地為第四系全新統(tǒng)沖積卵礫石層，表層多為耕地。河流Ⅱ～Ⅲ階地段上部為第四系全新統(tǒng)沖洪積低液限粉土，厚0.5～2.0m，下部為第四系全新統(tǒng)沖洪積松散卵礫石層及上更新統(tǒng)沖洪積松散卵礫石層。河漫灘地帶地下水位較淺，一般地下水位埋深0.5～2.0m，Ⅰ～Ⅱ級(jí)階地區(qū)地下水位埋深多為2.0～6.0m，Ⅲ級(jí)階地地下水位埋深多為10～25m，地下水層均屬孔隙潛水含水層。受階地兩岸居民區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉的影響，兩岸階地地下水下補(bǔ)給河水。

2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄

河谷段南北兩岸基巖山區(qū)形成的基巖裂隙水向河谷徑流補(bǔ)給河谷區(qū)，在河流兩岸階地段以泉水的形式溢出地表補(bǔ)給河水，或在河谷地面以下補(bǔ)給河谷潛流。河谷兩岸沖積平原區(qū)內(nèi)由農(nóng)業(yè)引水灌溉入滲補(bǔ)給地下水。河谷段地面以下第四系沖積層中地下水以潛流的形式由西向東徑流補(bǔ)給各壩、閘址斷面。河水在河床中的沿途滲漏補(bǔ)給地下水。近河道河水位與兩側(cè)地下水關(guān)系為洪水期河水位高于地下水位，河水補(bǔ)給地下水，枯水期河水位低于地下水位，地下水補(bǔ)給河水。

河谷段南北兩岸基巖山區(qū)形成的基巖裂隙水沿河谷兩岸向河谷徑流排泄。地下水徑流沿河谷區(qū)第四系沖積層由西向東徑流排泄。以泉水的形式徑流排泄。此外則為河谷區(qū)地下水淺埋區(qū)的潛水蒸發(fā)、河谷沖積平原區(qū)植被的蒸騰蒸發(fā) (包括作物騰發(fā)和河谷林草地騰發(fā))。

2.3 地下水動(dòng)態(tài)

據(jù)河段下游喀群水文站觀測(cè)資料，河水位每年自12月份到次年4月份變化不大，河水位變化幅度一般在23cm左右。從4月底開始，隨著河流徑流量的增大，河水位逐漸上升，到8月份達(dá)到最大。從8月底開始，隨著河流徑流量的減小，河水位逐漸回落，到11月底基本達(dá)到平穩(wěn)。河水位年變幅為2.27m左右。河谷內(nèi)地下水水位基本上隨著河水位的變化而變化，但河谷內(nèi)各斷面逐月地下水水位的變幅最大不超過該斷面河道河水位的變幅。河谷內(nèi)地下水水位的年內(nèi)變幅遠(yuǎn)小于2.27m。

3 水電梯級(jí)開發(fā)河谷段地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

在前期水文地質(zhì)資料調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)梯級(jí)開發(fā)方案河谷段劃分均衡計(jì)算區(qū)建立地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，以定量或定性地分析梯級(jí)開發(fā)方案實(shí)施后，對(duì)該河段河谷地下水環(huán)境的影響。

3.1 含水層結(jié)構(gòu)概化

均衡計(jì)算區(qū)地處葉爾羌河河谷中，與周邊中低山區(qū)地形地貌及堆積物有明顯的區(qū)別，可綜合歸屬為一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。區(qū)內(nèi)含水層在河床中自上而下為第四系全—上更新統(tǒng)沖積卵礫石層;在河谷兩側(cè)分布沖洪積扇，由上到下依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石土層、沖積卵礫石層及第四系上更新統(tǒng)沖積卵礫石層。含水層巖性不均一，為非均質(zhì)含水層，其非均質(zhì)性用含水層參數(shù)分區(qū)概化處理。根據(jù)勘探試驗(yàn)獲取的參數(shù)系列值做成含水層參數(shù)分區(qū)圖，以其給出的各區(qū)參數(shù)均值作為數(shù)值計(jì)算的初值，經(jīng)模型調(diào)試和識(shí)別，最終將試驗(yàn)參數(shù)系列轉(zhuǎn)化為模型參數(shù)系統(tǒng)。由于淺層與深部含水層之間存在較好的水力聯(lián)系，因此將計(jì)算區(qū)含水層概化為與地表水有密切水力聯(lián)系的單層各向同性平面二維滲流的潛水含水層。

根據(jù)對(duì)模型范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件的分析，現(xiàn)有條件下，模擬區(qū)主要接受側(cè)向補(bǔ)給 (包括基巖裂隙水和河谷潛流補(bǔ)給量)和田間灌溉水入滲補(bǔ)給，以及少量降水入滲補(bǔ)給，對(duì)概念模型的概化如圖2所示。

圖2 模擬區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型概化圖

3.2 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

據(jù)上述條件概化，計(jì)算區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)可用以下數(shù)學(xué)模型來(lái)描述:

h(x，y，o)=ho(x，y)(水位初始條件)

式中 h——含水層水位，m; h0(x，y)——含水層初始水位，m;

Zb——含水層底板高程，m; K——含水層滲透系數(shù)，m/d;

T——含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d; μ——含水層給水度;

Wb——含水層綜合補(bǔ)給強(qiáng)度 (包括河水滲漏補(bǔ)給與灌溉滲漏)，m/d;

Γ3——變流量邊界; α2——變流量邊界流量衰減系數(shù);

q0——變流量邊界初始流量，m3/d;Qi——開采井流量，m3/d。

該數(shù)學(xué)模型用Processing Modflow通用地下水模擬程序進(jìn)行計(jì)算。

4 水電梯級(jí)開發(fā)現(xiàn)狀年與實(shí)施后河谷段地下水水量變化與分析

(1)現(xiàn)狀年河谷段地下水總補(bǔ)給量為0.4729億m3/年，實(shí)施年為0.5253億 m3/年，相差0.0524億m3/年。主要原因在于鏨高水庫(kù)建成運(yùn)行以后，由于水庫(kù)蓄水，河水位壅高，河床潛流量增加。在現(xiàn)狀年，河谷段的地下水總排泄量為0.5139億m3/年，實(shí)施年為0.5505億m3/年，相差0.0366億 m3/年。地下水排泄量增加，是因?yàn)楹庸榷悟v發(fā)量增大，騰發(fā)量增大是因?yàn)榍∧舅_水庫(kù)建成以后，水庫(kù)水域面積增大約3.3km2，河谷段水面蒸發(fā)量也隨之增大，同時(shí)河水位下降，兩岸地下水會(huì)對(duì)河流補(bǔ)給量有一定增加。

(2)現(xiàn)狀年河谷段的灌溉入滲補(bǔ)給量為0.1033億m3/年，實(shí)施年為0.0983億m3/年，相差0.005億m3/年，基本保持不變。

(3)現(xiàn)狀年河谷段騰發(fā)量為0.2252億m3/年，實(shí)施年為0.2416億 m3/年，相差0.0164億 m3/年，恰木薩水庫(kù)建成運(yùn)行以后，由于水庫(kù)水面積增加約3.3km2，河段水面蒸發(fā)量也隨之增大，比現(xiàn)狀年河道蒸發(fā)量增加。由于整個(gè)河谷段的河道地表水水量減少，地下水水位也有所下降，因此潛水蒸發(fā)量會(huì)有一定的減少。但由于水面蒸發(fā)量的增加量遠(yuǎn)大于潛水蒸發(fā)量的減少量，因此模擬區(qū)的蒸發(fā)量表現(xiàn)為增加了0.0164億m3/年。

(4)現(xiàn)狀年河谷段的側(cè)向流出量為0.1543億m3/年，實(shí)施年為0.1541億m3/年，基本不變。

(5)現(xiàn)狀年河谷段5至8月，河流對(duì)地下水滲漏補(bǔ)給量為0.1240億m3/年，9月至次年4月地下水對(duì)河流的補(bǔ)給量為0.1344億m3/年，在全年中總趨勢(shì)是兩岸地下水補(bǔ)給河水，補(bǔ)給量為0.0104億m3/年。在實(shí)施年河谷段5至8月，河流對(duì)地下水滲漏補(bǔ)給量為0.1145億m3/年，9月至次年4月地下水對(duì)河流的補(bǔ)給量為0.1548億m3/年，在全年中總趨勢(shì)是地下水補(bǔ)給河水，補(bǔ)給量為0.0403億m3/年。水電梯級(jí)開發(fā)建成運(yùn)行后河谷段5～8月，河流對(duì)地下水的補(bǔ)給量減少了0.0095億m3/年，9月至次年4月地下水對(duì)河流的補(bǔ)給量增加了0.0204億m3/年。

5 水電梯級(jí)開發(fā)現(xiàn)狀年與實(shí)施后河谷段地下水水位變化及分析

(1)鏨高上壩址—恰木薩閘址河段。該段河道長(zhǎng)度約14.4km，水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后，鏨高壩址下游將形成長(zhǎng)度約11.7km的減少水量河段。由于恰木薩水庫(kù)蓄水，閘址上游河谷庫(kù)水位壅高，河谷上游沿河床兩岸回水至1550m高程，回水段河道長(zhǎng)度約2.7km。

該段河谷兩側(cè)坡地多被礫石覆蓋或?yàn)槁銕r，無(wú)植被發(fā)育，兩岸河流階地多為人工綠洲灌區(qū)。該段河谷較為寬闊，兩岸河流階地較發(fā)育，河道支汊、心灘較多，相對(duì)蜿蜒曲折，河漫灘較為發(fā)育。部分河漫灘及心灘上野生植被發(fā)育稀疏，植被覆蓋度在5%左右，最大為30%。該段河谷河漫灘地帶地下水埋深一般為0.5～2.0m，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地區(qū)地下水埋深多為1.0～6.0m，Ⅱ級(jí)以上階地區(qū)地下水埋深多為6～25m。

通過數(shù)值模擬，鏨高上壩址—喀群攔河分水樞紐河段河谷，在實(shí)施年1月、6月和8月地下水埋深小于1m的區(qū)域分別減少4.18km2、7.78km2和5.63km2;而地下水埋深范圍在1～3m的范圍分別增加2.92km2、7.19km2和5.22km2;地下水埋深范圍在3～6m、6～10m以及大于10m的面積的變化則較小。因此，在整個(gè)模擬區(qū)實(shí)施年地下水水位在埋深小于3m區(qū)，總體趨勢(shì)是下降的，但是下降的程度不大。1月、6月、8月地下水埋深小于1m區(qū)域的面積減小的部分，絕大多數(shù)都轉(zhuǎn)化為地下水埋深范圍在1～3m的面積之內(nèi)。

由數(shù)值模擬分析成果可知，在水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后，鏨高壩址—恰木薩閘址河段河谷在地下水埋深小于3m區(qū)，地下水位年下降值平均為0.25～0.75m;在地下水埋深3～6m區(qū)，地下水水位下降小于0.20m;在埋深大于6m區(qū)，地下水位基本保持不變。地下水位下降值:距河道愈近則愈大，距河道愈遠(yuǎn)則愈小。恰木薩閘址由于蓄水導(dǎo)致水位壅高，其相應(yīng)的回水區(qū)兩側(cè)地下水位還會(huì)有所升高。

由于河谷內(nèi)河道兩側(cè)及河漫灘區(qū)地下水埋深較淺(小于2m)，實(shí)施年地下水埋深小于1m的區(qū)域減少的面積較小，地下水位年內(nèi)只下降了0.25～0.75m，地下水埋深1～3m區(qū)面積反而增大，地下水埋深大于3m區(qū)面積基本無(wú)大的變化。

(2)恰木薩閘址—喀群攔河分水樞紐河段。該段河道長(zhǎng)度約26.85km，水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后，恰木薩閘址下游將形成長(zhǎng)度約25.71km的減少水量河段。該段河谷兩側(cè)坡地多被礫石覆蓋或?yàn)槁銕r，無(wú)植被發(fā)育，兩岸河流階地多為人工綠洲灌區(qū)。該段河谷較為寬闊，兩岸河流階地較發(fā)育，河道支汊、心灘較多，相對(duì)蜿蜒曲折，河漫灘較為發(fā)育。部分河漫灘及心灘上野生植被發(fā)育稀疏，植被覆蓋度在5%左右，最大為30%。該段河谷河漫灘地帶地下水位較淺，一般地下水埋深為0.5～2.0m，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地區(qū)地下水埋深多為1.0～6.0m，Ⅱ級(jí)以上階地區(qū)地下水埋深多為6～25m。

由數(shù)值模擬分析成果可知，在水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后，該河段河谷在地下水埋深小于3m區(qū)，地下水位年下降值平均為0.40～0.70m;在地下水埋深3～6m區(qū)，地下水位下降小于0.40m;在地下水位埋深大于6m區(qū)，地下水位基本保持不變。由于規(guī)劃河段河谷內(nèi)河道兩側(cè)及河漫灘區(qū)地下水埋深較淺 (小于2m)，規(guī)劃年地下水埋深小于1m的區(qū)域減少的面積較小，上述兩段河谷地下水位年內(nèi)分別只下降了0.25～0.75m和0.40～0.70m，地下水埋深1～3m區(qū)面積反而增大，地下水埋深大于3m區(qū)面積基本無(wú)大的變化。

6 水電梯級(jí)開發(fā)對(duì)河谷段地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

(1)模擬區(qū)位于喀喇昆侖山低山丘陵區(qū)河段，該河谷段既是地表水也是地下水的排泄通道。鏨高壩址—恰木薩閘址—亞貝西亞貝西閘址河谷段河床基底為第三系泥巖、砂巖，基底上部為第四系沖積砂卵礫石層。第四系沖積層表層為全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層，下層為中更新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層，將含水層厚度概化為50～80m。

(2)通過數(shù)值模擬，河谷段現(xiàn)狀年地下水總補(bǔ)給量為0.4729億m3/年，地下水總排泄量為0.5253億m3/年，其中包含了河道水面蒸發(fā)的部分?，F(xiàn)狀年數(shù)值模擬水均衡結(jié)果基本與常規(guī)水均衡結(jié)果相同。

(3)通過數(shù)值模擬，河谷段各梯級(jí)開發(fā)實(shí)施年1月、6月和8月地下水埋深小于1m的區(qū)域分別減少4.18km2、7.78km2和5.63km2;地下水埋深1～3m的范圍分別增加2.92km2、7.19km2和5.22km2;而地下水埋深3～6m、6～10m和大于10m的范圍變化較小，因此，在規(guī)劃年整個(gè)模擬區(qū)地下水水位埋深小于3m的區(qū)域總體趨勢(shì)是下降的，但下降的幅度不大。1月、6月、8月地下水埋深小于1m區(qū)域面積減小的部分，絕大多數(shù)都轉(zhuǎn)化為地下水埋深在1～3m的區(qū)域之內(nèi)。

⑷通過數(shù)值模擬，在河谷段各梯級(jí)開發(fā)實(shí)施以后，在鏨高壩址—恰木薩閘址段河谷段，地下水埋深小于3.0m的區(qū)域，水位年平均下降值為0.25～0.75m;地下水埋深3～6.0m的區(qū)域，水位年平均下降值小于0.2m;地下水埋深大于6.0m的區(qū)域，地下水位基本保持不變。恰木薩閘址—喀群攔閘河谷段，地下水埋深小于3m的區(qū)域，水位年平均下降值為0.4～0.7m;地下水埋深3～6m的區(qū)域，水位年平均下降值小于0.4m;地下水位埋深大于6m的區(qū)域，地下水位基本保持不變。

由于現(xiàn)狀年該河谷段河道兩側(cè)及河漫灘地下水埋深均小于2.0m，水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后地下水埋深小于1.0m的面積減少較小，上述兩段河谷地下水位年內(nèi)分別只下降了0.25～0.75m和0.40～0.70m，地下水埋深1～3m的面積反而增大，地下水埋深大于3m的面積基本無(wú)大的變化。因此，水電梯級(jí)開發(fā)實(shí)施后該河谷段地下水蒸發(fā)量減少較小，對(duì)該河谷段生態(tài)環(huán)境影響較小。