坎兒井出水量影響因素的數(shù)值模擬分析

馬曉菲，杜明亮，劉小煜，朱豫魯

(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.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

地下水資源是干旱-半干旱地區(qū)十分關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子，其影響著當?shù)厝嗣裆鐣徒?jīng)濟的發(fā)展。而坎兒井是吐魯番市地下水資源的最主要來源之一[1]。隨著吐魯番市灌溉面積不斷擴張，該區(qū)域需水量也日益增長，加之該區(qū)域地表水資源分布不均，導(dǎo)致該區(qū)域過度開發(fā)利用地下水，最終致使該區(qū)域地下水位持續(xù)下降，灌區(qū)與荒漠區(qū)之間生態(tài)植被退化，荒漠化問題日益突出[2-7]。同時由于地下水位的快速下降，使得坎兒井不斷干涸。據(jù)吐魯番市水利局水科所最新一次的調(diào)查統(tǒng)計，吐魯番市的坎兒由1957年的1 237條，減少到只有214條，平均每年減少坎兒井約18條?？矁壕p速率過快已經(jīng)引起當?shù)叵嚓P(guān)部門的重視，并開始采取相應(yīng)的保護和治理措施[8-13]。

現(xiàn)以吐魯番市為研究區(qū)，在已有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料和長期觀測資料的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法建立適用于吐魯番市的地下水流數(shù)值模擬模型，利用該模型對影響坎兒井出水量各因素進行計算分析，并進行了定量評價，該結(jié)果可為坎兒井相關(guān)研究提供理論依據(jù)，同時也可為坎兒井的保護和恢復(fù)提供實際參考價值。

1 研究區(qū)概況

吐魯番市位于烏魯木齊以東、哈密市以西的吐魯番盆地內(nèi)。地理坐標為北緯41°12′～43°40′，東經(jīng)87°16′～91°55′。吐魯番市北部為博格達山，海拔3 500～4 000 m，南部為覺羅塔格山，海拔600～1 500 m。盆地中部為火焰山和鹽山，二者將吐魯番盆地分為北盆地和南盆地。北盆地為山前沖洪積平原，地面以較大的傾斜度向南傾斜，傾斜斜率約為0.045。南盆地為沖積細土平原，地勢低洼，坡降相交北盆地較小，海拔在10～110 m之間。

由于地質(zhì)構(gòu)造的作用，火焰山及鹽山在盆地內(nèi)部隆起，相應(yīng)的北盆地和南盆地水文地質(zhì)單元也有較大的不同。根據(jù)前人的相關(guān)水文物探工作成果表明，南部和北部盆地都分布著第四系沉積物，厚度為200～700 m，地下水資源豐富，水文地質(zhì)剖面如圖1所示，其中：

圖1 吐魯番市水文地質(zhì)剖面圖

北盆地從北向南，地下水埋藏深度由大到小變化。在600 m高程附近，地下水的埋藏深度約為100 m。往南2～4 km，地下水埋藏深度約為50 m。在火焰山地區(qū)附近，地下水的埋藏深度迅速減小，在連木沁溝、勝金溝、葡萄溝等火焰山缺口帶處，地下水以泉水的形式從地下露頭。北盆地地下水類型主要是潛水，承壓水僅分布在火焰山附近。

南盆地從北向南，地下水的埋藏深度也是由大到小變化。地下水埋藏深度大于50 m的區(qū)域主要是在火焰山南部一帶；地下水埋藏深度大于10～30 m的區(qū)域主要分布在南盆地的中部，例如鄯善縣魯克沁鎮(zhèn)、吐峪溝鄉(xiāng)、二堡鄉(xiāng)、三堡鄉(xiāng)等；地下水埋藏深度小于10 m的區(qū)域主要分布在南盆地南部靠近艾丁湖的部分區(qū)域。

2 數(shù)值模型

根據(jù)吐魯番市水文地質(zhì)資料，建立該區(qū)域的水文地質(zhì)概念模型。本次模型共建立三層：上部為潛水含水層，中部為潛水、承壓水混合含水層，下部為承壓水含水層。對模型進行500×500 m網(wǎng)格剖分，南北向劃分為212行，東西向劃分為619列，共131 228個網(wǎng)格區(qū)域，根據(jù)邊界條件將部分區(qū)域設(shè)置為無效單元，計算范圍為有效單元，有效區(qū)單元數(shù)為48 813個。

吐魯番市的主要補給來源為山前側(cè)向和地表補給量，其中地表補給量主要為降雨入滲量、河道和渠系滲漏量、田間入滲量、庫塘入滲量以及井灌回歸補給量。用通用水頭邊界對山前側(cè)向補給量進行賦值模擬；用River模塊對河道滲漏補給進行模擬；用Recharge模塊模擬面狀補給量。

吐魯番市主要排泄量為潛水蒸發(fā)蒸騰量、人工開采量、坎兒井排泄及泉水溢出。采用Well模塊模擬人工開采量；采用Evapotranspiration模塊模擬潛水蒸發(fā)蒸騰量；使用Drain模塊模擬坎兒井排泄量及泉水溢出量，見圖2所示。

圖2 數(shù)值模型概化圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 坎兒井結(jié)構(gòu)設(shè)計與出水量關(guān)系

3.1.1 坎兒井斜率與出水量關(guān)系

坎兒井的斜率會影響坎兒井與地下水位相交的位置，進而影響坎兒井的出水量。根據(jù)計算結(jié)果坎兒井出水量隨著其斜率的減小而增大，尤其是在坎兒井斜率減小到0.003后，其相對出水量變化驟然加大，由2.37×104m3增加到7.03×104m3(見表1和圖3)，但考慮坎兒井施工水平和地下水自流因素，一般坎兒井斜率不會比0.003小太多。

表1 坎兒井斜率與出水量關(guān)系表

圖3 坎兒井斜率與出水量變化關(guān)系曲線

3.1.2 坎兒井井徑與出水量關(guān)系

增加坎兒井井徑意味著可以增加坎兒井的過水斷面面積，相應(yīng)也會增加坎兒井的出水量。計算結(jié)果表明隨著坎兒井的井徑的不斷增大，從0.2 m增加到1 m，其出水量略有增加，由21.51×104m3至21.62×104m3(表2和圖4)，但總體變化不大，可認為井徑的變化對坎兒井出水量影響不大。

圖4 坎兒井井徑與出水量變化關(guān)系曲線

表2 坎兒井間距與出水量關(guān)系表

3.1.3 坎兒井間距與出水量關(guān)系

在一定范圍內(nèi)若存在多條坎兒井，它們會不均等地分配地下入滲補給水以及地下水徑流量，以至于出現(xiàn)不同的坎兒井出水量不一的現(xiàn)象，因此進行計算分析。分析結(jié)果表明：坎兒井的出水量隨著井間距的減小而減小。當井間距介于200～500 m之間，坎兒井出水量的變化比率最大；當井間距大于1 km時，其出水量變化比率值很小(表3和圖5)，其對坎兒井的影響可以忽略不計。

表3 坎兒井間距與出水量關(guān)系表

圖5 坎兒井間距與出水量關(guān)系曲線

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)與出水量的關(guān)系

3.2.1 滲透系數(shù)與出水量關(guān)系

滲透系數(shù)反映含水層透水性能，會影響地下水量和水位的相應(yīng)變化。根據(jù)分析結(jié)果，坎兒井的出水量隨著水平滲透系數(shù)的不斷增大，出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，并在水平滲透系數(shù)達到1 m/d時，坎兒井的出水量達到最大，最大值為56.34×104m3(表4和圖6)；滲透系數(shù)增大時，坎兒井出水量減小，主要由于滲透系數(shù)增大，從而引起地下水位下降。

表4 滲透系數(shù)與出水量關(guān)系表

圖6 水平滲透系數(shù)與出水量關(guān)系曲線

3.2.2 給水度與出水量關(guān)系

給水度反映含水層的給水能力，該參數(shù)會直接影響坎兒井的出水量。根據(jù)分析結(jié)果，當給水度從0.01變化到0.2時，坎兒井出水量從16.17×104m3增加到36.98×104m3，二者呈正相關(guān)關(guān)系(表5和圖7)。

表5 給水度與出水量關(guān)系表

圖7 給水度與出水量關(guān)系曲線

3.3 地表水體入滲與出水量關(guān)系

吐魯番市地表水體入滲補給量主要包括降雨入滲量、渠系入滲量、田間入滲量、地表河流入滲量以及井灌回歸補給量，吐魯番市降雨量稀少，該項可以忽略不計。分析結(jié)果表明，地表水體入滲量越多，坎兒井的出水量越大；但灌溉入滲量的變化值遠比坎兒井出水量的變化值大得多，當灌溉入滲量由9.12×104m3增加到456.25×104m3，坎兒井出水量僅僅變化了10.62×104m3(表6和圖8)，說明灌溉入滲量對坎兒井出水量雖有影響，但是影響相對并不大。

表6 灌溉入滲量與出水量關(guān)系表

圖8 地表水體入滲量與出水量關(guān)系曲線

3.4 地下水變化與出水量關(guān)系

3.4.1 側(cè)向補給量與出水量關(guān)系

側(cè)向補給量作為山區(qū)進入平原區(qū)的不重復(fù)補給量，在吐魯番市地下水補給量中占有一定的比例，而側(cè)向補給量隨著山區(qū)降雨入滲量隨季節(jié)變化，因此也會對坎兒井出水量產(chǎn)生一定的影響。分析結(jié)果表明，側(cè)向補給量與坎兒井出水量呈正相關(guān)關(guān)系(圖9)，但是由于側(cè)向補給量占總補給量的比例不大，所以從總體上看對坎兒井出水量的影響并不大，表7表明側(cè)向補給量從16.31×104m3增加到90.61×104m3，坎兒井出水量只變化了2.3×104m3，因此側(cè)向補給量對坎兒井出水量的影響較小。

表7 地下水變化與出水量關(guān)系

圖9 側(cè)向補給量與出水量關(guān)系

3.4.2 機井與出水量關(guān)系

機井對坎兒井出水量的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：其一是機井的抽水量越大，在吐魯番市這樣水資源匱乏的城市，當開采量大于可開采量時，會造成地下水位持續(xù)下降，進而導(dǎo)致坎兒井出水能力大幅下降甚至干涸。根據(jù)分析結(jié)果，當機井抽水量增加206%時，坎兒井出水量減小39%(表8)，二者呈線性相關(guān)的關(guān)系，見圖10。

表8 機井抽水量與坎兒井出水量關(guān)系表

圖10 機井抽水量與出水量關(guān)系曲線

其次，機井和坎兒井之間的距離也會影響坎兒井的出水量，機井離坎兒井集水段的距離越近，坎兒井集水段附近的地下水位越低，進而坎兒井的出水量越小。根據(jù)分析結(jié)果，集水段的機井距離坎兒井越遠，坎兒井的出水量越大，當距離大于1 km時，對坎兒井的出水量沒有影響。如果機井在輸水段，無論距離遠近都對坎兒井出水量影響不大，具體見表9和圖11。

表9 機井、坎兒井距離與坎兒井出水量關(guān)系表

圖11 機井抽水量與出水量關(guān)系曲線

4 結(jié)語

(1)影響坎兒井出水量的主要因素可歸納概括為坎兒井結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)、地表水體入滲以及地下水變化四個方面。對坎兒井出水量的影響由大至小依次為：坎兒井結(jié)構(gòu)、地下水變化、水文地質(zhì)參數(shù)、地表水體入滲。

(2)坎兒井結(jié)構(gòu)設(shè)計中對出水量影響較大的主要是坎兒井斜率和坎兒井間距。坎兒井斜率在0.003附近時對出水量影響最為顯著。坎兒井間距在1 km以上時，對出水量幾乎沒有影響。

(3)水文地質(zhì)參數(shù)對出水量影響較大的主要是給水度和滲透系數(shù)。給水度與坎兒井出水量呈正線性相關(guān)關(guān)系。滲透系數(shù)小于1 m/d時與出水量呈正相關(guān)關(guān)系，大于1 m/d時與出水量呈負相關(guān)關(guān)系。

(4)地表水體入滲對出水量影響較大的主要是地表水體入滲補給量。地表水體入滲量增加，坎兒井出水量也會相應(yīng)增加，二者呈線性相關(guān)關(guān)系。但入滲量對坎兒井出水總量的影響相對并不大。

(5)地下水變化對出水量影響較大的因素依次為機井位置、機井抽水量以及側(cè)向補給量的變化。機井位于坎兒井集水段時對坎兒井出水量影響最大，但距離大于1 km時幾乎沒有影響。機井抽水量、側(cè)向補給量與坎兒井出水量呈正線性相關(guān)關(guān)系。