臺蘭河河床滲漏能力實(shí)驗(yàn)研究

王 琴

(新疆水文水資源局，新疆烏魯木齊830000)

地下水庫是以實(shí)現(xiàn)水資源地下調(diào)蓄和實(shí)現(xiàn)地表水、地下水聯(lián)合調(diào)度為目的，是地下水人工補(bǔ)給—地下儲水—人工開采的統(tǒng)一體。地下水庫的根本作用是在豐水期或用水量少的時候，將地表余水儲存于地下，枯水期再將這部分儲存量開采出來利用，同時為下一次儲水騰出空間。地下水人工補(bǔ)給系統(tǒng)是地下水庫的重要組成部分，地下水人工補(bǔ)給技術(shù)是地下水庫建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

美國從19世紀(jì)末期便開始進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐，在調(diào)節(jié)水資源供需平衡方面提出了“水銀行”概念［1］，到2002年7月，美國正在運(yùn)行的ASR系統(tǒng)共有56個，而建成的系統(tǒng)則在100個以上［2］。我國在地下水人工補(bǔ)給方面的研究進(jìn)行得較晚，但也取得了不少進(jìn)展。我國大規(guī)模開采利用地下水從二十世紀(jì)60年代中期開始［3－5］。1977－1982年間，河北省南宮縣進(jìn)行了地下水庫試驗(yàn)研究工作，它是我國最早的相對完整的大型無壩地下水庫［6］。北京市地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司于1981－1983年間，在北京近郊約1 000 km2范圍內(nèi)開展了大量水文地質(zhì)調(diào)查、回灌試驗(yàn)以及室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了各種水文地質(zhì)參數(shù)的測試，取得了近百萬個數(shù)據(jù)，通過模型研究，論證了控制地下水位持續(xù)下降和進(jìn)行優(yōu)化調(diào)蓄的方案［7－8］。山東、遼寧等省從90年代開始，在山東龍口、青島、煙臺、大連等地相繼興建了有壩地下水庫工程，起到了防治海水入侵和攔蓄地下入海潛流的作用［9－17］。

新疆地處干旱內(nèi)陸區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，一般河流流程短、流速快，徑流年內(nèi)配極其不均，水質(zhì)良好但是泥沙含量大。要使地下水庫長期穩(wěn)定運(yùn)行，必需研究一套快速高效、經(jīng)濟(jì)可行并且能夠長期運(yùn)行的地下水補(bǔ)給系統(tǒng)。本文對臺蘭河現(xiàn)有河床的滲透補(bǔ)給能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 概況

臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)80°21'44〞 ～81°10'44〞，北緯 40°41'44〞 ～42°15'13〞之間，臺蘭河發(fā)源于西南天山托木爾峰南麓，上游由大臺蘭河、小臺蘭河在距山口前8 km處匯合后稱臺蘭河(圖1)，出山口后，由西向東匯入支流塔克拉克河，最終流入臺蘭河山前洪積扇地帶，流向自北向南，為一典型內(nèi)陸河，該河為一獨(dú)立水系，全長90 km。臺蘭河含沙量較大，年均懸移質(zhì)含沙量為3.93 kg/m3，年均輸沙率為91.3 kg/s，年均輸沙量為288萬 t。

圖1 臺蘭河流域水系示意圖

臺蘭河河水流經(jīng)位于山前傾斜平原的現(xiàn)代河床時，河水中所含大量的泥沙等懸浮物，一部分在入滲過程中沉積到河床地層中，一部分隨河水帶到下游。洪水期河水流速大，河水沖刷河床，將部分淤積物帶走，枯水期河水流速小，河水中的懸浮物又沉積到河床中，在長期水流作用下，沖刷和沉積達(dá)到動態(tài)平衡。在水動力作用下，盡管沉積物對河床地層透水能力有一定影響，但是依然長期保持一定的透水性。河床透水性受地層、水源條件的控制，差別很大。能夠比較準(zhǔn)確地測驗(yàn)出現(xiàn)代河床的透水能力，將會為臺蘭河地下水庫人工補(bǔ)給方案比選提供重要依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 地段選擇

在現(xiàn)代河床選擇實(shí)驗(yàn)河段，在實(shí)驗(yàn)河段起點(diǎn)和終點(diǎn)建立測驗(yàn)斷面。選擇的實(shí)驗(yàn)河段盡量長，且流量可控、中間沒有水體匯入和流出，見圖2。為避免河槽蓄水量對實(shí)驗(yàn)精度的影響，盡量保持實(shí)驗(yàn)時段流量穩(wěn)定。河床水域面積是計算透水能力的重要參數(shù)，其量算精度要高。

圖2 實(shí)驗(yàn)河段示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用流速儀法和堰板法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對于流量比較大的實(shí)驗(yàn)河段，可采用流速儀法測驗(yàn)斷面流量。此方法可以不改變河流原始流態(tài)，方法比較簡單，但是實(shí)驗(yàn)河段的滲漏量占徑流量的比例較小，測驗(yàn)誤差對實(shí)驗(yàn)精度影響較大。采用堰板法測量斷面流量，需要改變河流原始流態(tài)，控制上斷面流量，使下斷面流量足夠小，以增加上、下斷面流量差，提高實(shí)驗(yàn)精度。為避免原有河床流量減少后河床淤積對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)迅速調(diào)節(jié)上斷面流量至實(shí)驗(yàn)設(shè)計流量并保持穩(wěn)定，上下斷面流量均穩(wěn)定后，開始正式實(shí)驗(yàn)。

采用流速儀法實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)同時監(jiān)測測驗(yàn)斷面水位，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，在實(shí)驗(yàn)過程中測驗(yàn)人員、測驗(yàn)方法、測驗(yàn)儀器都保持不變。

采用堰板法實(shí)驗(yàn)時，為提高測驗(yàn)精度，一定要嚴(yán)格按照規(guī)范安裝堰板。實(shí)驗(yàn)過程中控制且保持上斷面流量穩(wěn)定，使下斷面堰板流量盡量小，見圖3。

3 結(jié)果分析

3.1 流速儀法

2011年8月9日選擇臺蘭河一段現(xiàn)有河床實(shí)測河床損失水量。選擇河段長度990 m，平均河面寬8.8 m，水域面積8 712 m2，在河段上下端設(shè)置上、下監(jiān)測斷面，采用流速儀實(shí)測流量，建立臨時水尺監(jiān)測水位。

實(shí)驗(yàn)時段河水水位呈下降趨勢，見圖4。根據(jù)實(shí)測的水位及流量數(shù)據(jù)，建立上斷面、下斷面水位與流量相關(guān)關(guān)系，見圖5、圖6。

圖3 堰板法測流照片

圖4 實(shí)驗(yàn)上、下斷面水位變化過程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)上斷面水位與流量關(guān)系圖

圖6 實(shí)驗(yàn)下斷面水位與流量關(guān)系圖

通過上下斷面實(shí)測河水平均流速，計算出上下斷面之間徑流傳播時間，上斷面計算時段選擇為11:40－18:40，下斷面計算時間選擇為12:00－19:00，相差20分鐘。計算時段水位下降，河槽蓄水量減少292.1 m3。經(jīng)計算，實(shí)驗(yàn)河床補(bǔ)給強(qiáng)度為0.241 m/d，見表 1。

3.2 堰板法

選擇符合實(shí)驗(yàn)條件的四條叉河河段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在河段起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置三角堰。根據(jù)流速儀法計算出的補(bǔ)給強(qiáng)度計算出上斷面設(shè)計流量。調(diào)整上斷面流量為設(shè)計流量并保持穩(wěn)定，開始記錄上下斷面流量，下斷面面流量由大到小逐漸穩(wěn)定，實(shí)測上相斷面間水域面積，上下斷面流量穩(wěn)定8小時后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)時段上下斷面之間有足夠的流量差，這樣就保證了實(shí)驗(yàn)精度，見表2。4個河段河床滲透能力在在0.124～0.357 m/d 之間，平均為0.243 m/d。

表1 流速儀法測流結(jié)果

表2 堰板法測流結(jié)果

3.3 兩種結(jié)果比較

流速儀法與堰板法實(shí)測現(xiàn)代河床滲透能力比較接近，以堰板法測驗(yàn)結(jié)果為最終結(jié)果，即臺蘭河現(xiàn)代河床滲透能力為0.243 m/d。

4 結(jié)語

地下水庫取水區(qū)位于小阿吉里克溝內(nèi)，小阿吉里克溝是臺蘭河的重要支流，受人工控制，近年來沒有大量過水，只要恢復(fù)小阿吉里克溝水量，就能增加地下水庫庫區(qū)的補(bǔ)給量。采用人工方法，修建必要的水利工程，將大阿吉里克溝的水引入小阿吉里克溝。對現(xiàn)有小阿吉里克溝河床進(jìn)行整治，使其有效河床寬度達(dá)到275 m。人工補(bǔ)給實(shí)驗(yàn)區(qū)到地下水庫取水區(qū)直線距離3 km，以地下水庫向上游500 m至3 000 m處為人工補(bǔ)給區(qū)，長度2 500 m。每年豐水期補(bǔ)給120天，年補(bǔ)給量可達(dá)2000×104m3。

采用河床補(bǔ)給法作為人工補(bǔ)給工程的推薦方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)能夠長期運(yùn)行。(2)操作簡單。控制閘門流量使河水在幾個平行的河床中流過即可。(3)運(yùn)行費(fèi)用低、不需要清淤。長期的沖刷和沉積達(dá)到動態(tài)平衡。(4)不需要設(shè)置攔水工程，按現(xiàn)有地形坡度，保持流速即可。(5)給懸浮物留出路，懸浮物帶到下游地下水庫下游的大、小阿吉里克溝匯合處。

通過本次實(shí)驗(yàn)得出臺蘭河現(xiàn)代河床滲透能力為0.243 m/d，結(jié)合河床補(bǔ)給法的優(yōu)點(diǎn)，可以得出臺蘭河地下水庫人工補(bǔ)給采用現(xiàn)代河床方案是可行的。

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