塔里木河干流河道滲漏量分析

孫 倩

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫爾勒 841000)

了解不同水情條件下河流水量的去向?qū)φ麄€流域水資源的配置管理具有重大意義。河流水量的消耗包括自然耗散和人為利用，其中自然耗散指蒸發(fā)、滲漏和漫溢河道損失。塔里木河是典型的干旱內(nèi)陸河[1- 3]，塔里木河流域的地下水資源是由地表水轉(zhuǎn)化而成的，河道沉積物的滲透性將影響著地下水與地表水的補(bǔ)排關(guān)系以及補(bǔ)給量的大小。只有清楚掌握地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系和補(bǔ)給量的大小，才能更合理地利用水資源，為此，需對各河段滲漏量進(jìn)行分析。

1 滲透系數(shù)計算方法

河水的下滲對于維持地下水與地表水之間的平衡起著重要作用，其最基本的影響參數(shù)即為河床沉積物的滲透系數(shù)。河道滲透系數(shù)K又稱為水力傳導(dǎo)系數(shù)[4]，是一個重要的水文地質(zhì)參數(shù)，表征流體通過多孔介質(zhì)的難易程度，直接影響到河流對含水層的補(bǔ)給量以及含水層對河流的排泄量，是對水資源開展評價的重要參數(shù)，現(xiàn)采用顆粒分析法來進(jìn)行滲透系數(shù)的測定。

1.1 顆粒分析原理

顆粒分析法是通過對沉積物的顆粒級配進(jìn)行分析，得到沉積物各個特征的粒徑(如有效粒徑d5，中值粒徑d50等)，建立滲透系數(shù)與特征粒徑之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而有效地得出測試點(diǎn)的K值。塔里木河干流長1321km[5]，干流洪水由阿克蘇河、和田河和葉爾羌河山區(qū)暴雨及冰雪融水下泄塔河干流形成[6- 7]，上游阿拉爾站的多年平均流量為46.5×108m3，水量主要集中在汛期。在塔里木河流域，應(yīng)基于河床沉積物的顆粒級配曲線來推求河床滲透參數(shù)的大小。

1.2 數(shù)據(jù)收集處理

工作人員先后兩次沿塔里木河防洪堤壩進(jìn)行土樣采集，主要集中在上游阿拉爾至英巴扎、中游英巴扎至恰拉河段，從不同河段的起點(diǎn)開始，每隔10km取1次土樣，在距地表30、60、100、150cm處分別取土樣50～100g，全程共26個采樣點(diǎn)，土樣共計104個。然后在實(shí)驗(yàn)室對所采集的土樣顆粒進(jìn)行分析，在顆粒級配曲線的基礎(chǔ)上采用經(jīng)驗(yàn)公式計算土樣的滲透系數(shù)。通過對沉積物的顆粒級配進(jìn)行分析，得到沉積物的各特征粒徑。

以粒徑為橫坐標(biāo)，小于某粒徑的沉積物質(zhì)量百分比為縱坐標(biāo)，在半自然對數(shù)坐標(biāo)中繪制顆粒級配曲線，然后在顆粒級配曲線上查讀出所需的特征粒徑值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果，每個取樣點(diǎn)不同土層有效粒徑有d5、d25、d75、d95的值。

1.3 滲透系數(shù)的計算方法

基于顆粒分析法獲得河道土壤顆粒粒徑級配，根據(jù)河道本身固有特點(diǎn)選取合適合理的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行滲透系數(shù)的計算。此次研究，滲透系數(shù)的計算采用的統(tǒng)一公式如下：

(1)

式中，K—顆粒分析中計算的滲透系數(shù)(無方向)，m/d(1m/d=3.271ft/d)，C—滲透系數(shù)單位的換算系數(shù)；g—重力加速度，9.81m/s2(32ft/s2)；v—水的運(yùn)動黏性系數(shù)，m2/s，v值取決于水溫；n—孔隙度，通過均勻度系數(shù)來近似確定；φ(n)—無量綱的孔隙度函數(shù)；de—累計重量占總重e%時的顆粒直徑，mm。系數(shù)C和φ(n)因選取方法不同而取值不同。

根據(jù)粒徑分析結(jié)果，選用Hazen計算公式來計算河床的滲透系數(shù)。在利用Hazen經(jīng)驗(yàn)公式過程中，其孔隙率函數(shù)φ(n)=1+10(n-0.26)，所對應(yīng)的有效粒徑為d5，所對應(yīng)的C值為6×10-4。則不同采樣點(diǎn)不同深度的土壤滲透系數(shù)K見表1。

表1 滲透系數(shù)計算結(jié)果

(續(xù)表)

Q=(b+2a)·L·K·t

2 滲漏量的計算方法

塔里木河干流局部河勢不穩(wěn)，河道彎曲過度，抗沖能力差[8]?；谒锬竞雍哟驳奶攸c(diǎn)，將河床近似地看做倒梯形，滲漏量的計算公式為：

(2)

式中，Q—滲漏量，m3/s;b—河床寬度，m；a—坡面長度即水體與坡面接觸長度，m；L—河段長度，m；K—平均滲漏系數(shù);t—河水滲漏時間，d。根據(jù)宋郁東、樊自立等研究成果[3]，各監(jiān)測站水位Z與水面寬度B的計算公式為：

阿拉爾：Z1=0.409lnQ1+7.03；

(3)

B1=4×10-6exp(1.954Z1)

(4)

新其滿：Z2=0.502lnQ2+4.80；

(5)

B2=6×10-8exp(2.677Z2)

(6)

英巴扎：B3=15.22lnB2+67.68；

(7)

烏斯?jié)M：B4=9.87lnB3+25.67；

(8)

恰拉：B5=3.23lnB4+8.32

(9)

式中，Q—滲漏量，m3/s;Z—監(jiān)測站水位，m;B—水面寬度,m。

3 河道滲漏量的結(jié)果分析

基于滲透系數(shù)計算結(jié)果，利用滲漏量計算公式計算出不同水情下不同河段年內(nèi)滲漏量的結(jié)果。在合理的水情預(yù)報條件下，明確滲漏量等水量自然耗散，結(jié)合生態(tài)用水及農(nóng)業(yè)用水等，可以為水資源的合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 阿拉爾—新其滿河段滲漏量

阿拉爾到新其滿河段為塔里木河上游[9]，在來水頻率為10%的情況下，該河段的平均滲透系數(shù)為1.07，在1—6月平均河寬為45.34m，平均水深為3m。將以上數(shù)值代入公式計算得，在來水頻率10%的情況下，1—6月阿拉爾-新期滿河段的滲漏量為1.438×108m3。7—9月，水量大，發(fā)生漫溢現(xiàn)象。計算時的河寬即為河道的最大寬度，為80m左右，水深在6～7m之間。經(jīng)計算而得，每個月的河道滲漏量均在0.39×108m3左右。10—12月，水量逐漸減少，河水的寬度也在減少。利用流量計算而得，在10—12月，河道的平均寬度為68.7m，河床平均深度為2.5m左右，則10—12月河道的總滲漏量為1.194×108m3。

在來水頻率為25%、50%、75%、90%的情況下，利用河道的流量以及河道的估算深度，可以計算出1年之內(nèi)該河段的總滲漏量，見表2。根據(jù)表2.，塔里木河阿拉爾—新其滿河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為3.805×108、3.843×108、3.163×108、3.302×108、3.59×108m3。

表2 阿拉爾—新其滿河段滲漏量(108m3)

3.2 新其滿—英巴扎河段滲漏量

該河段的平均滲透系數(shù)為0.89，由水的流量可得，在1—6月，河道的平均寬度為28m左右，水深為3.1m左右，該河段的長度為258km，設(shè)河床的平均坡度為30°。當(dāng)來水頻率為10%時，在1—6月，河道的總滲漏量為0.86×108m3。在7、8、9三個月，來水過大，河水漫過河堤向外漫溢，河床的總寬度約為42m，經(jīng)計算得這三個月每個月的滲透量均為0.249×108m3。而到10—12月，河道的來水量又有所減少，經(jīng)計算而得，該段時間內(nèi)河道的總滲漏量為0.67×108m3。

利用相同的方法，可以得出在來水頻率為25%、50%、75%、90%的情況下該河段的滲透量(見表3)。根據(jù)表3，塔里木河新其滿—英巴扎河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為2.277×108、2.467×108、2.247×108、2.118×108、1.909×108m3。

表3 新其滿—英巴扎河段滲漏量(108m3)

3.3 英巴扎—烏斯?jié)M河段滲漏量

該河段河長179km。平均滲透系數(shù)為1.97m/d，平均水深為2.6m，設(shè)河床的平均坡度為30°。當(dāng)河道的來水頻率為10%時，在1—6月，利用流量可得，該河段河道寬度平均為22m，河道的總滲漏量為0.994×108m3。在7—9月，河道的來水量較大，河水充滿整個河道并發(fā)生漫溢現(xiàn)象，在此時期，計算應(yīng)用的水面寬度為大約為35m，所以該段時間內(nèi)，每個月的滲漏量一致，均為0.319×108m3。10—12月，水量減少，河水的深度變淺，利用來水量與水深計算而得，該時段內(nèi)河道的滲透量為0.78×108m3。

利用來水頻率為25%、50%、75%、90%時的來水量與估測水深，便可得到這些來水頻率下的河道滲透量(見表4)。根據(jù)表4，塔里木河英巴扎—烏斯?jié)M河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為2.727×108、2.52×108、2.489×108、2.282×108、1.784×108m3。

表4 英巴扎—烏斯?jié)M河段滲漏量(108m3)

3.4 烏斯?jié)M—恰拉河段滲漏量

該河段河長219km。利用顆粒分析法得該河段的平均滲透系數(shù)為2.35。當(dāng)來水頻率為10%時，在1—6月，利用流量可得該河段水面的平均寬度為18.3m，平均水深為2.1m，經(jīng)計算得河道的總滲漏量為1.22×108m3，在7—9月，河水發(fā)生漫溢現(xiàn)象，河床的總寬度為29m左右，水深大約為2.5m左右，所以每個月的滲漏量大約為0.39×108m3。到10—12月，水量減少，水面寬度下降，河水深度降低，經(jīng)計算得該時間段內(nèi)河道的總滲漏量為0.955×108m3。運(yùn)用相同的方法，計算來水頻率為25%、50%、75%、90%時的滲漏量(見表5)。根據(jù)表5，塔里木河英巴扎—烏斯?jié)M河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為3.345×108m3、3.082×108m3、3.043×108m3、2.788×108m3和2.181×108m3。

表5 烏斯?jié)M—恰拉河段滲漏量(108m3)

由以上結(jié)果可知，在以后的研究中，應(yīng)注意使用現(xiàn)場測定的方法，再結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合確定，以便更為準(zhǔn)確地估算河床的滲漏量。同時，塔里木河中游還是治理的關(guān)鍵[10]。

4 結(jié)語

由于多種原因，塔里木河干流河道水資源滲漏量較大，直接影響沿河水資源的使用效益和成本。通過分析計算和探討，得出阿拉爾-新其滿、新其滿-英巴扎、英巴扎-烏斯?jié)M、烏斯?jié)M-恰拉各河段的平均滲漏系數(shù)分別為1.07、0.89、1.97、2.35m/d，以及各河道不同頻率下的水資源滲漏量。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比可知，在不同來水頻率下，水資源滲漏量呈增大趨勢，即來水越多滲漏越多，越往下游，滲漏量越大，急需采取措施，加強(qiáng)河道滲漏量處置。本文的分析為工程建設(shè)提供了參考。