王文明,王文科,程旭光

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054;2.首鋼地質(zhì)勘查院,北京 100144;3.新疆第二水文地質(zhì)大隊(duì),新疆昌吉 831100)

瑪納斯河是天山北麓最大的河流,河流年徑流量12.7億m3。該流域水資源時(shí)空分布很不均勻,豐水期6～9月份的徑流量占全年徑流總量的70%。夏季大量的洪水資源未被有效利用,而春秋兩季水資源短缺嚴(yán)重。該流域巨大的前山帶構(gòu)造洼地和巨厚的山前沖洪積扇構(gòu)成了建設(shè)“環(huán)保型水資源開發(fā)工程”[1]——地下水庫的有利條件,其“豐補(bǔ)欠采”的功能將有效緩解這一矛盾。筆者從調(diào)蓄空間、調(diào)蓄水源、人工調(diào)蓄工程三個(gè)方面對(duì)瑪納斯河流域地下水庫調(diào)蓄能力進(jìn)行研究,為該流域建設(shè)地下水庫提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

瑪納斯河流域位于天山北麓中段,流域面積15300km2,屬于典型的大陸型干旱氣候區(qū)域。流域內(nèi)的主要河流瑪納斯河、塔西河、寧家河、金溝河均發(fā)源于南部依連哈比爾尕山山脈。該流域南部海拔3500m以上高山區(qū)終年積雪覆蓋,海拔1500～1800m以上的中山區(qū)地形陡峭,中高山區(qū)是水資源形成區(qū);河流流經(jīng)海拔600～900m的山前構(gòu)造帶后在出山口形成了一系列沖洪積扇,最后在海拔300～380m的平原荒漠區(qū)消亡[2],見圖1所示。

2 地下水庫的調(diào)蓄條件

2.1 調(diào)蓄空間

2.1.1 地下水庫調(diào)蓄空間特性

圖1 瑪納斯河流域地下水庫南北向剖面示意圖[3]

瑪納斯河流域山前第一排與第二排構(gòu)造帶之間的東西向山間洼地,橫跨了金溝河、寧家河、瑪納斯河、塔西河等4條河流,其中瑪納斯河河谷高程最低(圖2)。該洼地東西長(zhǎng)約85 km,南北寬約 13～17km,面積約1275km2。第一排、第二排構(gòu)造帶以及下部第三系膠結(jié)比較緊密的礫巖,形成了一個(gè)東西向盆狀封閉的隔水邊界。具有封閉隔水邊界的儲(chǔ)水構(gòu)造洼地內(nèi)沉積了厚度達(dá)750m的下更新統(tǒng)西域組礫巖及中更新統(tǒng)礫石與黃土,結(jié)構(gòu)較松散,孔隙比較發(fā)育,透水性能好,含水層厚度可達(dá)380～750m,富水性較強(qiáng),一般在 600～800m3/(d?m),局部地段可達(dá)3500～4600m3/(d?m),滲透系數(shù)一般為20～60m/d,最大可達(dá)100m/d,滲水試驗(yàn)表明該流域含水層具有良好的滲透性(圖3),有利于地下水庫的調(diào)蓄。

圖2 瑪納斯河山間洼地東西向剖面示意圖[3]

圖3 瑪納斯河河床入滲速度沿河流變化

瑪納斯河沖洪積扇地形南高北低,東側(cè)與塔西河沖洪積扇相互疊置,西側(cè)與寧家河沖洪積扇相連。沖洪積扇頂部寬1～3km,前緣寬約26km,南北長(zhǎng)約20～25km,扇區(qū)面積731km2,其中溢出帶以上的部分面積為313km2[4-5]。該洪積扇為單一的卵礫石潛水含水層,結(jié)構(gòu)松散,孔隙發(fā)育,透水性極好。根據(jù)物探數(shù)據(jù)表明,其飽水帶厚度約400～1150m,平均厚度850m,最厚可達(dá)1000～2000m。鉆孔涌水量一般在 2000～ 4000m3/(d?m),最高可達(dá)10973m3/(d?m);滲透系數(shù)20～60m/d,最大可達(dá)80～120m/d。

2.1.2 地下水庫庫容測(cè)算

瑪納斯河流域前山帶山間洼地面積為1275km2,以第三系巖層作為隔水底板,根據(jù)已有鉆孔資料,取μ=0.16,計(jì)算得到前山帶地下水庫最大庫容530.4億m3;以調(diào)節(jié)地下水位為10m計(jì)算,其最小庫容510億m3,極限調(diào)節(jié)庫容20.4億m3,即相當(dāng)于每調(diào)節(jié)地下水位1m可獲得2.04億m3的調(diào)節(jié)庫容,調(diào)蓄庫容巨大。

瑪納斯河沖洪積扇地下水庫面積為731km2,平均厚度850m。取 μ=0.2,計(jì)算得到最大庫容 Vmax為1242.7億m3,以調(diào)節(jié)地下水位10m計(jì)算,可以算得最小庫容 Vmin為1228億m3,極限調(diào)節(jié)庫容為14.7億m3,相當(dāng)于調(diào)節(jié)地下水位1m便可獲得調(diào)節(jié)庫容1.47億m3。因此瑪納斯河沖洪積扇地下水庫調(diào)蓄能力十分巨大。

2.2 調(diào)蓄水源

據(jù)紅山嘴水文站資料,瑪納斯河最大年徑流量14.66億m3/a,最小10.25億m3/a,多年平均徑流量為12.7億m3/a,該河在流經(jīng)前山帶時(shí)有0.5億m3/a補(bǔ)給地下水?，敿{斯河兩側(cè)的塔西河、寧家河等河流在天然條件下常年補(bǔ)給瑪納斯河山間洼地地下水庫的水量約占瑪納斯河在紅山嘴出山口水量的32%?，敿{斯河紅山嘴到向南7.8km的河道是前山帶地下水庫的集中排泄區(qū)。由于受第三系隆起的阻滯作用,地下水集中排泄,排泄量為0.95億m3/a。

瑪納斯河紅山嘴出山口處河床寬450m,河床礫石層平均厚10m,河水以地表徑流和河床潛流的形式,向下游沖洪積扇地下水庫排泄,河床潛流量為0.12億m3/a。河流流經(jīng)沖洪積扇戈壁礫石帶時(shí),大量補(bǔ)給地下水,補(bǔ)給量為0.64億m3/a?，敿{斯河洪水期有3.69億m3/a的洪水資源為沖洪積扇地下水庫的提供了調(diào)蓄水源。

2.2.1 河流補(bǔ)給

河流入滲補(bǔ)給是該流域地下水庫的主要補(bǔ)給源。根據(jù)肯斯瓦特站水文資料(圖4,5),瑪納斯河最大年徑流量20.19億m3/a,最小 9.36億m3/a,多年平均徑流量為12.18億m3/a。塔西河最大年徑流量2.94億m3/a,最小1.93億m3/a,多年平均流量為2.25億m3/a,寧家河徑流量為0.71億m3/a。經(jīng)計(jì)算,前山帶山間洼地地下水庫天然狀況下獲得的河流入滲補(bǔ)給量分別為:塔西河0.38億m3/a,瑪納斯河0.5億m3/a,寧家河0.5億m3/a,金溝河0.48億m3/a,其他小水系為0.11億m3/a。河流入滲是地下水庫重要的補(bǔ)給源。

圖4 肯斯瓦特站1956～2000年徑流量[5]

圖5 肯斯瓦特站月平均流量

瑪納斯河流域河流徑流量季節(jié)分布很不均勻,6～9月為豐水期,當(dāng)年11月～翌年3月為枯水期,豐水期水量占全年總徑流量70%。水量季節(jié)分布不均是造成該流域春秋兩季用水緊張的主要原因。因此在春秋兩季對(duì)地下水庫進(jìn)行開采,下降水位騰出庫容,在6～9月豐水季對(duì)地下水庫蓄水,使水資源在時(shí)間分布上趨于均化,這是解決流域春秋兩季用水緊張問題的最佳途徑之一。

2.2.2 大氣降水入滲補(bǔ)給

瑪納斯河流域從南部山區(qū)到北部平原區(qū)降水具有明顯的分帶性。南部山區(qū)降雨量相對(duì)豐富,年降水量600～800mm。其中降雪資源約占降水資源的33%,山區(qū)雨雪資源是流域的主要補(bǔ)給水源。前山帶和平原區(qū)的降水量?jī)H200 mm左右,由于蒸發(fā)強(qiáng)烈,對(duì)地下水的補(bǔ)給作用十分微弱。

該流域降水主要集中在6～9月,夏季占到全年降雨量的36%,春季降水量為31%,冬季、秋季分別占20%和13%。且單次降雨量超過15mm的降雨約占到降水總量的25%,單次降雨量超過10mm的降雨約占到降水總量的50%,降雨形成洪水為地下水庫調(diào)蓄提供了重要的水源。

2.2.3 地下水側(cè)向補(bǔ)給

瑪納斯河流域山間洼地地下水庫南側(cè)受山區(qū)基巖裂隙水常年補(bǔ)給,東西側(cè)接受地下水的側(cè)向補(bǔ)給。據(jù)2003年資料,該流域的河川基流量為5.3億m3/a。沖洪積扇地下水庫地勢(shì)在橫向上東高西低,東側(cè)的塔西河沖洪積扇中的地下水部分流入本區(qū),形成側(cè)向補(bǔ)給?，敿{斯河出山口處河床潛流以地下瀑布的形式補(bǔ)給沖洪積扇地下水庫,河床潛流量測(cè)向補(bǔ)給量為0.12億m3/a。

2.2.4 補(bǔ)給源的保證率

通過對(duì)瑪納斯河肯斯瓦特站年徑流量保證率的分析計(jì)算,瑪納斯河多年平均徑流量12.18億m3/a的保證率為41.3%,保證率為50%下流量為11.59億m3/a。通過對(duì)45年共530個(gè)月的徑流量進(jìn)行分析計(jì)算,可算得保證率為50%下月徑流量為0.37億m3,月平均徑流量1.02億m3對(duì)應(yīng)保證率為29.9%。因此每年可供調(diào)節(jié)的時(shí)間為109d。

2.2.5 地下水更新速率及水質(zhì)

利用同位素氚對(duì)地下水庫的更新速率計(jì)算結(jié)果表明:在現(xiàn)狀條件下瑪納斯河流域前山帶山間洼地地下水庫地下水的更新速率為4%,沖洪積扇地下水庫地下水的更新速率為5%～6%,至溢出帶為1%～5%。經(jīng)計(jì)算,山間洼地地下水每年更新2.2億m3/a,沖洪積扇更新為9.39億m3?，敿{斯河流域地下水庫不僅補(bǔ)給水源充沛,水質(zhì)良好,地下水礦化度小于0.3g/L,水化學(xué)類型為HCO3-Na?Ca型,山間洼地地下水庫由于受人類活動(dòng)影響小,地下水未受到污染,是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的良好水源地。沖洪積扇地下水庫的主要補(bǔ)給地段為紅山嘴至瑪納斯電廠,目前在溢出帶以上的地下水污染較少。石河子瑪納斯縣等溢出帶附近的城市雖然處在瑪納斯河沖洪積扇的排泄區(qū),但是污染物在地下水庫建成后有可能污染地下水,因此要加強(qiáng)對(duì)兩市及相關(guān)企業(yè)地下水污染物排放的監(jiān)管。

3 調(diào)蓄工程措施

瑪納斯河流域前山帶地下水庫具有完整的隔水構(gòu)造,北部為基巖山區(qū),受到基巖裂隙水的補(bǔ)給,東西向分別受到地下水的側(cè)向補(bǔ)給。南側(cè)受到第二列構(gòu)造背斜的阻擋,具有封閉的隔水邊界。沖洪積扇地下水庫北側(cè)受到第二排構(gòu)造的阻擋為隔水邊界,東側(cè)受塔西河沖洪積扇的地下水補(bǔ)給,南側(cè)受細(xì)顆粒含水巖層的阻擋,西側(cè)與寧家河沖洪積扇相互疊加,巨厚的第四紀(jì)含水層形成了一個(gè)較為封閉的含水體,不需要建設(shè)人工地下水?dāng)r截工程。因此建設(shè)人工開采、回補(bǔ)工程是地下水庫發(fā)揮調(diào)蓄作用的關(guān)鍵。開采工程應(yīng)該建在地下水的集中排泄區(qū),山間洼地的集中排泄區(qū)位于紅山嘴至向南7.8 km的河段內(nèi),該區(qū)段內(nèi)單井涌水量可達(dá)2500～4600m3/(d?m),有利于迅速開采地下水,因此可在該區(qū)段內(nèi)河道兩側(cè)布設(shè)開采井,進(jìn)行地下水的集中開采。沖洪積扇單井涌水量可達(dá)2000～4000m3/(d?m),地下水庫的開采應(yīng)根據(jù)需水狀況,實(shí)行集中開采與分散開采相結(jié)合的開采模式。

前山帶地下水庫補(bǔ)給工程應(yīng)集中在山間洼地中上部靠近天山地段。該區(qū)段含水層砂粒顆粒粗大、滲透性良好,滲透系數(shù)一般為20～60m/d,最大可達(dá)100m/d,宜采用攔洪壩、滲坑、滲井等措施,在豐水期將地下水回補(bǔ)地下水庫。沖洪積扇地下水庫則應(yīng)該位于瑪納斯電廠至紅山嘴的戈壁礫石帶,該區(qū)段內(nèi)滲透系數(shù)20～60m/d,最大可達(dá)80～120m/d,可利用滲井、滲坑、拱水壩等將地表水補(bǔ)給地下水庫。在建設(shè)地下水庫的采補(bǔ)工程后還應(yīng)該建設(shè)適當(dāng)?shù)妮斔こ?將水通過配套輸水工程輸送到用水單位。

圖6 瑪納斯河流域地下水更新速率分區(qū)圖[5]

4 結(jié) 語

瑪納斯河流域地下水庫調(diào)蓄空間巨大,山前帶山間洼地地下水庫可調(diào)庫容為20.4億m3,沖洪積扇地下水庫可調(diào)庫容為6.3億m3。蓄水和采水能力都很強(qiáng),調(diào)蓄水源集中充沛,具有建設(shè)地下水庫得天獨(dú)厚的條件,通過適當(dāng)?shù)牟裳a(bǔ)工程就能夠?qū)⑾募镜暮樗Y源進(jìn)行調(diào)蓄,緩解春秋兩季的用水緊張面,投資小效益大,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。

[1] 趙天石.關(guān)于地下水庫幾個(gè)問題的探討[J].水文地質(zhì)與工程,2005(5):65-67.

[2] 劉允敬.新疆瑪納斯河流域規(guī)劃平原區(qū)水文地質(zhì)勘察報(bào)告[R].新疆昌吉:新疆第二水文地質(zhì)大隊(duì),1995.

[3] 李俊亭.瑪納斯河流域山前地帶含水層調(diào)蓄能力調(diào)查評(píng)價(jià)任務(wù)書[R].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2004:1-3.

[4] 新疆第二水文地質(zhì)大隊(duì).瑪納斯電廠水源地詳勘報(bào)告[R].新疆昌吉:新疆第二水文地質(zhì)大隊(duì),1995.

[5] 王杰.天山北麓地下水水環(huán)境同位素研究[R].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.