初析坎兒井損壞原因及預(yù)防對策

莎吉達(dá)·肉孜，伊力夏提·艾則孜(. 新疆維吾爾自治區(qū)水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 83005；. 新疆新水科信水利科技有限公司，烏魯木齊 830000)

坎兒井是我國古代吐哈盆地勞動(dòng)人民在長期歷史發(fā)展過程中根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和需求創(chuàng)建應(yīng)用，并還在生活及生產(chǎn)中解決用水所需的一種古老的地下水利工程。其將山邊或山前地帶的地下水沿廊道引向下游最終從需水地段附近引到開闊地面的一種古老的水工建筑物。至今我們所能接觸到的坎兒井來看，其構(gòu)造由豎井、廊道、暗渠及明渠和撈壩組成。根據(jù)坎兒井此種構(gòu)造組成來可視為一種保留了原狀的輸水系統(tǒng)?？矁壕畼?gòu)造見圖1。

圖1 坎兒井的構(gòu)造示意[1]

根據(jù)歷史記載可知，坎兒井在我國至今2000多年的歷史[2]?？矁壕谛陆植荚谕鹿璧匾酝?，曾經(jīng)以飲用和灌溉為目的出現(xiàn)在烏魯木齊、木壘、奇臺(tái)、庫車、皮山等地區(qū)[3-6]。1957年吐魯番地區(qū)坎兒井引用水3.67億m3，灌溉面積可達(dá)當(dāng)時(shí)灌溉總規(guī)模的60%[6]。曾經(jīng)在國外伊朗、土耳其、希臘、意大利、阿富汗，中亞地區(qū)哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、阿塞拜疆、土庫曼斯坦以及高加索山區(qū)地區(qū)有過不同程度的分布，其中伊朗、阿塞拜疆、土庫曼斯坦等地用域比較發(fā)達(dá)。根據(jù)有關(guān)資料可知，早在上世紀(jì)50年代盡在阿塞拜疆用坎兒井水灌溉的面積可達(dá)5萬hm2[7]。

坎兒井與現(xiàn)代農(nóng)田水利工程相比，此項(xiàng)古老的建筑很長時(shí)間以來在持續(xù)展示著自身的優(yōu)越性。

1 坎兒井的優(yōu)越性

1.1 坎兒井水的優(yōu)越性

(1)坎兒井水來自于出山口或山邊沖洪積扇等水源地帶的地下水，沒有任何污染和水質(zhì)良好的水流、無污染冰雪融化聚集水。全線基本全封閉，不受外界干擾，水質(zhì)具有高純潔，飲用安全可靠的優(yōu)勢[8]。

(2)坎兒井輸水廊道沿線穿過含水層、隔水層至出口之間，其水滲透損失相對較小?？矁壕鹊捞幱诘乇硪韵率畮酌咨踔翈资祝鹊纼?nèi)空氣濕度較高、氣溫基本恒定，同位地表上下氣溫差異顯著。特別是在蒸發(fā)能力較強(qiáng)的炎熱夏季比地表附近氣溫明顯很低，此時(shí)坎兒井廊道內(nèi)空氣常處于水汽飽和或半包和狀態(tài)，全線蒸發(fā)損失很小。從水量損失角度上看相比其他取、輸水建筑物節(jié)省和有效[8]。

(3)坎兒井輸水廊道處于地表以下十幾米甚至幾十米，坎兒井水溫基本不受地表天氣和季節(jié)變化等帶來的影響。不隨地表氣溫變化而變，一年四季基本恒定。處于這種恒溫狀態(tài)的水，在干旱地區(qū)具有可以起調(diào)節(jié)土壤溫度的作用，適合于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用[8]。

1.2 坎兒井構(gòu)造的優(yōu)越性

(1)在坎兒井構(gòu)造中(廊道或暗渠)位于土壤作物無用層或無根系層，坎兒井水在流動(dòng)過程中不會(huì)對根系活動(dòng)層范圍內(nèi)的有效土壤物質(zhì)產(chǎn)生流失，也不會(huì)向下游田間帶來尼沙、淤泥[8]。

(2)坎兒井在施工或維修過程中不用大、中型施工機(jī)械設(shè)備，沿線相應(yīng)地面環(huán)境(天然草場、林地、農(nóng)田等)基本不受損壞，可保留原樣[8]。

(3)由有關(guān)記載和統(tǒng)計(jì)可知，目前我們可以接觸到的坎兒井與古代坎兒井構(gòu)造型式基本一致；無論是施工方法還是取水原理來看，其原狀形態(tài)沒有得到發(fā)展?？梢?，坎兒井的未來發(fā)展余地很廣，科學(xué)研究潛力很大[8]。

(4)目前坎兒井絕大多數(shù)分布于吐哈盆地，此外吉木薩爾、奇臺(tái)、木壘、庫車等其他領(lǐng)域的坎兒井也是吐魯番人帶當(dāng)?shù)厝艘黄鸾ㄔ斓?。因此，坎兒井在國?nèi)具有吐哈盆地獨(dú)有的形象性古代水利工程，其對當(dāng)?shù)貐^(qū)域性人文、農(nóng)業(yè)發(fā)展和地理?xiàng)l件研究以及區(qū)域旅游事業(yè)研究等方面意義極大[8]。

2 坎兒井現(xiàn)狀及面臨的實(shí)際問題

2.1 現(xiàn) 狀

雖然坎兒井有兩千多年的歷史，但由于區(qū)域地質(zhì)條件、氣候變化、自然界水循環(huán)、人類活動(dòng)等自然和人為原因，目前我們能接觸到的坎兒井年限只能延續(xù)到之前500年。

據(jù)坎兒井研究協(xié)會(huì)2002年10月25日至2003年7月底坎兒井野外普查工作結(jié)果來看，新疆可以供水的坎兒井比20世紀(jì)50年代的1 784條減少至614條?？梢娊?0年內(nèi)共有1 170條坎兒井已干枯或已被損壞[4]。這相當(dāng)于每年以23條的速度在減少[3]。其中，吐魯番地區(qū)由1 091條只剩404條；哈密地區(qū)由495條只剩195條出水；其他地區(qū)198條中因各種原因183條已停止出水[9]。

上述實(shí)際情況表明坎兒井近50～70 a之內(nèi)無法保留正常工作狀態(tài)，數(shù)量在減少，早已面臨消失的殘酷實(shí)施。

雖然近幾年以來吐哈地區(qū)投入一部分資金和人力來恢復(fù)一些干枯或受損壞的坎兒井，但只是疏通了廊道坍塌部位的淤泥土堵塞物，順暢了輸水通道，主要問題未得到本質(zhì)性解決。廊道橫斷面尺寸變得越來越變大，廊道內(nèi)新的臨空面再次面臨新的坍塌風(fēng)險(xiǎn)；另外一些坎兒井廊道采用橢圓形混凝土預(yù)制件或漿砌石進(jìn)行襯砌(圖2)，只是在該段暫時(shí)解決了坍塌淤堵問題。由于單項(xiàng)工程規(guī)模小、水流量少、全線平面布置和原始縱坡不科學(xué)、取水位置和取水原理不適當(dāng)?shù)榷喾N原因，采取襯砌措施帶來成本高、施工難、效益差等一系列新問題。

圖2 坎兒井已襯砌的出口[5]

2.2 面臨的問題

(1) 坎兒井在兩千多年的長期演變過程中結(jié)構(gòu)逐漸老化，難以保留當(dāng)年的正常工作狀態(tài)。隨時(shí)間延長逐漸形成不適應(yīng)于周圍水文地質(zhì)條件，慢慢地在失去當(dāng)年工作能力，甚至面臨消失。

(2) 修復(fù)或重建過程中，地下工作空間狹窄，操作難，施工不便。目前還沒有專用機(jī)械設(shè)備，主要依靠人力和不相配的一些簡便的勞動(dòng)工具進(jìn)行施工。

(3) 取水口在淺層地下水含水層表面，只能引進(jìn)最表層的地下水。水位一旦下降就會(huì)出現(xiàn)水量不足，甚至不能引水。

3 坎兒井損壞的原因分析

坎兒井的正常工作狀態(tài)是指：每一條坎兒井沿線可持續(xù)取水并輸送至用水部位等連續(xù)過程。可惜，分布在吐哈地區(qū)的坎兒井在長期歷程中遇到的上述問題和極度困勁，演變至今日無法保證早期的正常工作狀態(tài)，造成嚴(yán)重不良后果。

造成坎兒井如此非正常工作狀態(tài)的主要原因可分為坎兒井構(gòu)造為主的內(nèi)在因素和水源性外來因素等兩大類型。

3.1 內(nèi)在因素

主要為坎兒井原狀整體構(gòu)造和結(jié)構(gòu)、年齡(年限)、直觀地質(zhì)環(huán)境等因素。

(1)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)?？矁壕樀匦纹露茸缘孛嫔钐幯厝€穿過淺層含水層最終出露于遠(yuǎn)處的平地或洼地。沿線遇密實(shí)含水砂礫石層、無水砂礫石層；中密實(shí)砂礫石、粉土、沙壤土、壤土和不透水黏土鑲嵌夾層。該類地質(zhì)層構(gòu)造較為穩(wěn)定，不受外界干擾時(shí)整體上可以長久維持內(nèi)部應(yīng)力恒穩(wěn)，不會(huì)發(fā)生沉降、滑塌或坍塌。

自古以來坎兒井橫斷面挖成窄高城門洞型，無采取任何襯砌或支護(hù)措施。城門洞頂拱就像蛋殼一樣將山巖作用力沿洞頂拱弧線至雙側(cè)邊墻垂直向下傳遞最終與雙側(cè)墻底部反作用力相互抵消為零。應(yīng)力傳遞原理詳見圖3。雖然這種斷面型式在掏挖成洞早期任何一個(gè)橫斷面能夠保持初期穩(wěn)定，但是隨著時(shí)間的延長在洞頂拱內(nèi)壁逐漸向外釋放應(yīng)力，壁面結(jié)構(gòu)一層一層、一塊一塊開始松弛，最終造成不同程度的掉頂或坍塌(圖4)。由坎兒井廊道橫斷面現(xiàn)狀清楚可見此現(xiàn)象(圖5)。

圖3 坎兒井廊道受力及應(yīng)力傳遞情況示意

圖4 坎兒井廊道現(xiàn)狀[4]

1-廊道；2-推測原形；3-廊道現(xiàn)狀；4-廊道坍塌部分；5-廊道面臨坍塌部分圖5 坎兒井廊道與推測原形對比

由近期在新疆伊犁、昌吉和輪胎等地區(qū)建設(shè)在此類地質(zhì)條件隧洞實(shí)踐可知，地層主要有新生界第四系下更新統(tǒng)西域礫巖(QL1)、中更新統(tǒng)沖積物(Qal2)、中～上更新統(tǒng)沖積層(Qal2-3)～(Qal3)、全新統(tǒng)洪積層(Qpl4)、全新統(tǒng)沖積層(Qal4)地層等；巖性為中密礫巖，中密砂礫石、礫石、細(xì)砂或泥砂質(zhì)砂礫石夾層；地層具粗粒狀結(jié)構(gòu)為主 ，塊狀構(gòu)造，泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)。巖體較完整，原狀整體穩(wěn)定性較好，但遇水易軟化。根據(jù)新疆軟巖隧洞實(shí)地試驗(yàn)和工程實(shí)踐可知，在此類地層鑿洞時(shí)，地層原始應(yīng)力平衡一旦被損壞，巖體應(yīng)力逐漸向洞內(nèi)臨空一面釋放，隨時(shí)間而增強(qiáng)。洞拱頂中間部位內(nèi)壁失去平衡后一旦被掉下某一小塊，新臨空面就會(huì)傾向新的掉塌，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)甚至最終發(fā)生拱頂露頂或整體斷面坍塌。

坎兒井的坍塌原理同上。隨著廊道坍塌，斷面逐漸擴(kuò)寬，坍塌范圍也擴(kuò)大并新形成的斷面臨空面坍塌風(fēng)險(xiǎn)可能性也增強(qiáng)。另外巖體遇水軟化，最終整體坎兒井失常。

(2) 縱向布局。自古以來施工坎兒井首先確定好坎兒井的平面走線，垂挖兩個(gè)或兩個(gè)以上的豎井至某一目標(biāo)深度后，用水平廊道連串在一起再據(jù)潛層含水層情況沿線有下游向上游隨豎井→廊道、豎井→廊道的工作順序逐漸前行。雖然這種施工方法對于當(dāng)年測量水平和條件而言屬于相對先進(jìn)方法，但是其平面定線不規(guī)則和洞內(nèi)縱坡不順暢等情況產(chǎn)生某種不科學(xué)性。再加廊道內(nèi)反復(fù)坍塌→疏通過程中將原來的縱坡演變成平坡甚至逆坡，阻礙或梗阻水流順暢。

3.2 外在因素

主要為水文地質(zhì)性水源，大、小范圍氣候變化，水循環(huán)異常，人口增長和中人類活動(dòng)等。

(1) 對于水文地質(zhì)性水源?？矁壕饕礊闈撍畬印Ｍ鹿璧氐叵滤煞植继攸c(diǎn)來看可分為靠近地表面的淺層無壓水和擠壓在兩個(gè)或多個(gè)隔水層之間的承壓水兩大類型。坎兒井引水位置布置在淺層含水層靠近表面部位，只能引進(jìn)最表層的地下水。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)在廊道內(nèi)就會(huì)發(fā)生不能引水或水量不足，逐漸減少至零的情況。坎兒井位置和地下水位布置關(guān)系詳見圖6。

1-基巖；2-坎兒井；3-地下水水面線；4-(淺層)無壓地下水；5、7、9- 隔水層；6、8、10-(承壓)地下水圖6 坎兒井與水文地質(zhì)性水源的位置關(guān)系示意[5]

(2)氣候變化。地球氣候變化是一種長期、持續(xù)、復(fù)雜的演變循環(huán)過程。冷熱、干濕互換，循環(huán)周期長短不一致[5]。

根據(jù)地質(zhì)考古資料，歷史記載和氣候觀察資料來看，世界氣候從大冰河期、冰川期到小冰河期及近代溫和期度過了幾百年甚至幾億年。近代溫和期是指在近期一兩百年內(nèi)有氣象記錄資料的時(shí)間段?？茖W(xué)家認(rèn)為，公元1300年以后天氣再次變寒冷，此時(shí)段稱為《小冰河期》。到18世紀(jì)時(shí)氣溫才慢慢回升，持續(xù)到19世紀(jì)末20世紀(jì)初[6]，此后全世界氣溫持續(xù)上升，1880年至今全世界平均氣溫上升0.6 ℃[10,11]。

雖然坎兒井具有2千多年的歷史，但是今日能接觸到的坎兒井不超過500年。很可能就是在這《小冰河期》，近600年時(shí)段的天氣冷熱交換、地層凍融交替、山區(qū)冰川移動(dòng)、地層凍土深度以及地下水位的起伏波動(dòng)等多種自然界現(xiàn)象的長期反復(fù)地凍融侵蝕作用下?lián)p壞后慢慢地消逝。而現(xiàn)代坎兒井在今日溫暖氣候環(huán)境下也還沒有完全解脫這種凍融侵蝕作用的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)水循環(huán)異常性。水是地球上最豐富的一種化合物，地球上水總儲(chǔ)存約13.86億m3，占全球表面積的約71%，全球水量的96.6%為海洋水，陸地淡水河、湖水總量占全球總水量3.5%，淺層地下水不到全球總水量的0.2%[17]。

人類和其他生物環(huán)繞著些淡水資源創(chuàng)建悠久的綠洲文化并延展至今。隨著氣候從1880年開始變暖到20世紀(jì)80-90年代全球范圍冰川慢慢退縮，而世界人口接近巨增至70億，溫室效應(yīng)在增強(qiáng)。屬于極度干旱區(qū)的吐哈盆地蒸發(fā)能力與降水差異顯著，區(qū)域性水循環(huán)異常導(dǎo)致地下水補(bǔ)充減弱。這一現(xiàn)象正好也是當(dāng)代坎兒井失去正常工作狀態(tài)的主要原因之一。

(4)人類活動(dòng)。20世紀(jì)50年代開始世界局勢轉(zhuǎn)向和平發(fā)展，21世紀(jì)后區(qū)域、國家、大陸洲之間逐漸形成經(jīng)濟(jì)共同進(jìn)展。人口增長與有限能源需求之間的矛盾日益顯著，人類活動(dòng)范圍和強(qiáng)度極度超限。

近期在吐哈盆地為滿足人口增長、農(nóng)業(yè)多樣化發(fā)展、大小工業(yè)和企業(yè)生產(chǎn)需求，超標(biāo)開采地下水等原因造成地下水位快速下降等也可以視為坎兒井水量減少的重要原因之一。

4 坎兒井損壞預(yù)防對策

如果再不采取妥善對策來預(yù)防，則在不久的將來就會(huì)失去坎兒井。

4.1 內(nèi)因預(yù)防對策

(1)對于構(gòu)造和結(jié)構(gòu)。近期在新疆伊犁、昌吉和輪胎等地區(qū)建設(shè)在此類地質(zhì)條件隧洞實(shí)踐來看，在礫巖、砂礫石、礫石、細(xì)砂或泥砂質(zhì)砂礫石夾層等地層鑿洞先采用一次噴護(hù)混凝土支護(hù)，再用鋼筋混凝土二次襯砌支護(hù)方法時(shí)，一次支護(hù)保持洞壁臨時(shí)穩(wěn)定，二次支護(hù)保障隧洞永久穩(wěn)定。如果坎兒井利用此類施工技術(shù)，哪怕采用當(dāng)?shù)氐统杀静牧?，只采用一次支護(hù)措施也完全可取得洞內(nèi)長久性穩(wěn)定。坎兒井現(xiàn)狀洞身及豎井?dāng)嗝妾M窄，人在里面操作困難及危險(xiǎn)，施工材料運(yùn)輸、通風(fēng)及運(yùn)行管護(hù)不便。因此，有必要對其洞身斷面尺寸應(yīng)根據(jù)現(xiàn)代隧洞設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求來進(jìn)行優(yōu)化。

(2)對于縱向布局。自古以來坎兒井的結(jié)構(gòu)不論是施工方法或取水原理還是利用目標(biāo)來看其原始狀態(tài)基本沒有變化。當(dāng)年因測量水平和器具的原因，在建設(shè)期間計(jì)劃縱向布置時(shí)從水源選擇、起止點(diǎn)選定到縱坡值及各豎井深度的確定等均采用目測、預(yù)測、試測、試調(diào)等原始測定辦法，則導(dǎo)致坎兒井路線曲折不直、縱斷面底部高低不平。雖然近期在部分地區(qū)坎兒井工作中應(yīng)用一些較先進(jìn)儀器，但因廊道內(nèi)空間狹窄、陰暗等原因其縱斷面始終未得到系統(tǒng)、連貫的數(shù)據(jù)資料。如果可應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星遙感控制系統(tǒng)等現(xiàn)代領(lǐng)先測繪技術(shù)來測定和掌握坎兒井縱斷面實(shí)際現(xiàn)狀，根據(jù)每一條坎兒井的現(xiàn)狀特點(diǎn)來確定縱斷面時(shí)會(huì)得到更加科學(xué)性修整。

根據(jù)吐哈地區(qū)實(shí)際情況可知，坎兒井另外一項(xiàng)缺點(diǎn)為出洞口處因洞臉頂部巖土厚度不足，很容易坍塌或漏頂(見圖7)。對此依照國家有關(guān)隧洞規(guī)范中隧洞洞臉頂部巖土厚度不應(yīng)小于隧洞直徑的1.5～2.0倍的要求來調(diào)整廊道出口洞臉的最佳位置。

圖7 部分坎兒井出洞口現(xiàn)狀

4.2 外因預(yù)防對策

(1)對于水文地質(zhì)性水源?？矁壕恢貌贾迷跍\層含水層靠近表面部位，其取水點(diǎn)往往在淺層含水層水面浮動(dòng)范圍之內(nèi)而供水變?yōu)殚g斷不續(xù)，甚至長時(shí)間斷流。對此將坎兒井取水口(引水部位)深移至淺層含水層水面浮動(dòng)范圍之外，將坎兒井廊道的最前滲流引水段應(yīng)再向前水平延移并保證設(shè)在淺層含水層最低水面以下；或可垂直銜接到更深處兩個(gè)隔水層之間承壓水作成補(bǔ)充水源(圖8)。

1-地下水水面線；2-坎兒井；3-廊道(滲流引水段)向前水平延長； 4-(淺層)無壓地下水；5、7-隔水層；6、8-(承壓)地下水；9-垂直銜接到更深處兩個(gè)隔水層之間承壓水層示意圖8 坎兒井廊道(滲流引水段)向前水平延長示意

(2)對于氣候變化。地球氣候變化是一種特別復(fù)雜、敏感及持續(xù)的自然過程[5]。雖然其帶來的負(fù)面作用直接用人力來達(dá)到理想目標(biāo)不太客觀，但是通過宣傳、教育和帶頭示范等辦法完全可以減少或防治人類自己造成的侵蝕等負(fù)面影響。

(3)對于水循環(huán)異常性。該區(qū)域范圍水循環(huán)異常性導(dǎo)致地下水補(bǔ)充減少，可通過在坎兒井引水地段附近或在地下水補(bǔ)充區(qū)的地表相應(yīng)位置采取簡便方法設(shè)置擋水壩或攔汛水壩，將山區(qū)降雨集水和汛期洪水停留下滲等辦法來補(bǔ)充地下水來增加坎兒井水量。

(4)對于人類活動(dòng)。吐哈盆地人類活動(dòng)在日需增加，導(dǎo)致小范圍擴(kuò)大地下水漏斗，迅速降低地下水面線，但是從廣大范圍來看還有可恢復(fù)的可能性。

目前在新疆水浪費(fèi)現(xiàn)象還是很嚴(yán)重。農(nóng)業(yè)還在采用傳統(tǒng)的常規(guī)地面灌溉，農(nóng)作物灌溉效率還是較低。如果近期在全疆實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，可在吐哈盆地也會(huì)大幅度降低或結(jié)束灌溉用水浪費(fèi)。不久的將來地下水開采利用不再超載。與此同時(shí)如果大力發(fā)展和實(shí)施綠色能源和可再生能源并轉(zhuǎn)為主角能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳排放等從一定程度上會(huì)減少溫室效應(yīng)的惡化。

5 結(jié) 語

坎兒井是我國吐魯番地區(qū)勞動(dòng)人民在長期歷史發(fā)展過程中，據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和生活需求來創(chuàng)建的偉大發(fā)明之一。人類文化和科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今日還在發(fā)揚(yáng)自身文化和科學(xué)價(jià)值至今。要正確認(rèn)識(shí)坎兒井在面臨的實(shí)際問題，其在現(xiàn)代人文，生產(chǎn)實(shí)踐中所起的作用和未來進(jìn)展意義；進(jìn)一步樹立科學(xué)發(fā)展觀，采取合理科學(xué)預(yù)防對策進(jìn)行科學(xué)研究非常有必要?？偠灾?，采取正當(dāng)措施來恢復(fù)和拯救坎兒井是當(dāng)代每一位思考著的義務(wù)和職責(zé)，恢復(fù)和發(fā)展坎兒井功在當(dāng)代利在千秋。

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