鄭艷瓊, 張愛軍, 韓 帥
(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)
新疆吐魯番地區(qū)的坎兒井是我國寶貴的非物質文化遺產,很長一段時間內(20世紀60年代以前)是吐魯番綠洲除了泉水外的唯一的人工水源[1],對吐魯番綠洲生態(tài)的存在與發(fā)展具有不可替代的作用。它結合當地獨特的地質、地形和氣候條件,充分利用天山山前沖積扇豐富的地下水資源,采用地下輸水的形式,為吐魯番綠洲提供了源源不斷的水源,是吐魯番綠洲之根,具有無需動力提水、不受風沙和蒸發(fā)影響,以及引的水不經過含鹽大的巖層而礦化度低的種種優(yōu)點,是可持續(xù)、生態(tài)友好型的水利工程。
然而自20世紀60年代以來,由于農業(yè)灌溉用水量的增大,另外一種取水方式——機電井,在吐魯番綠洲地區(qū)迅猛發(fā)展。機電井在綠洲腹地直接抽取地下水灌溉耕地。機井大規(guī)模抽水導致土地鹽堿化,更為嚴重的是導致了綠洲腹地地下水水位持續(xù)下降,從而使得坎兒井的出水量減少甚至干涸。有水坎兒井由1957年的1 237條減小到2009年的246條,按照目前坎兒井的衰減速度,過不了多久有水的坎兒井將消失[1]。所以研究坎兒井保護技術,加大坎兒井保護力度刻不容緩。
張偉等[2]從機井的抽水量和數量上闡述了機井對坎兒井水量的影響;買爾旦·買買提等[3]提出了坎兒井水量控制的輻射管技術,該技術可以大大增加坎兒井的出水量,同時也可以在用水淡季對坎兒井的水量進行控制,避免不必要的浪費。很多學者從社會經濟方面、歷史文化方面以及生態(tài)方面,提出相應的保護坎兒井的措施[4-9]。本文從保護綠洲生態(tài)的角度,提出攔截天山南側山前沖積扇洪水入灌地下,提高坎兒井集水段的地下水位,從而增加坎兒井出水量的方法,為坎兒井可持續(xù)出水提供治本的方法。該方法也是吐魯番地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復的重要措施。
吐魯番盆地位于我國新疆東部,西起阿拉山溝口,東至七角井峽谷西口,東西長245 km,南北寬約75 km。行政區(qū)劃隸屬于吐魯番地區(qū),主要由吐魯番市、鄯善縣、托克遜縣組成。地形特征上是一個北南西三面山地環(huán)繞而東部有高地阻隔的盆地,盆地中部存在有東西走向的火焰山—鹽山隆起山丘,將盆地分割為南盆地和北盆地兩個部分,火焰山和鹽山之間存在一個構造缺口,即著名的葡萄溝,是南盆地和北盆地之間的主要交通要道和透水通道。盆地地勢為西北高而東南低,盆地最低處為艾丁湖,最低海拔為-154.31 m,低于海平面。長期以來艾丁湖整個湖面大部為鹽殼所覆蓋。盆地北面為東天山山脈的博格達山,最高峰海拔為5 445 m;西部為喀拉烏成山的一段,海拔高度在3 500~4 000 m,南部的覺羅塔格山(或稱為庫魯塔格山),最高海拔在1 500 m左右;而火焰山和鹽山的海拔高度最高為900 m左右。東部及東南面略呈開口狀,連接廣裘的庫木塔格荒漠,只有低矮沙丘。整個盆地的地貌單元可分為高山帶、中山帶、山前沖積扇、綠洲、荒漠帶等類型。
吐魯番盆地地處亞洲腹地,遠離海洋,屬典型的干旱荒漠性氣候。夏季炎熱,冬季干冷。極端最高氣溫達49.6℃,極端最低氣溫-25.3℃;多年平均各月氣溫年內分配極不均勻,多年月平均氣溫溫差達42℃。由于氣候干燥炎熱,盆地內降水十分稀少,吐魯番氣象站多年平均降水量只有16.3 mm(見表1),多年降水的年際變化也較大,最大年降水量與最小年降水量相差高達16倍以上。干旱性的氣候使得吐魯番盆地的蒸發(fā)十分強烈,水面蒸發(fā)能力可達1 800 mm;吐魯番盆地光熱資源十分豐富,多年平均日照時數3 049.5 h;≥10℃的積溫多年平均為5 425℃;盆地內多大風,甚者造成風災,著名的三十里風區(qū)正位于盆地之內;據吐魯番氣象站記載,多年年最大風速平均值為23.0 m/s;多年最大瞬時風速為40 m/s,風向NW。吐魯番盆地素有“火州”、“風庫”之稱。
表1 吐魯番市各雨量站降水量統(tǒng)計表
吐魯番地區(qū)面積廣闊,地貌類型復雜多樣,高差懸殊,氣候差異非常明顯。盆地氣候大致可以劃分成5個氣候帶:博格達山是中高山區(qū),年降水量300~400 mm,為高寒潮濕帶;此帶向南是低山丘陵區(qū),至盆地北緣山口處,年降水量160 mm,為冷涼半濕潤帶;天山山口至火焰山麓是山前礫質傾斜平原區(qū),年降水量25~30 mm是炎熱干旱帶;火焰山及其南坡山前礫質傾斜平原區(qū),年降水量16.6~20 mm,是酷熱干旱熱帶,年降水量約7 mm,有的年份無降水;再向南至艾丁湖是濱湖及鹽澤區(qū),為極干旱、極熱風沙帶,其綠洲生態(tài)環(huán)境極為脆弱。
吐魯番盆地有14條主要河流(含獨立支流),按行政區(qū)域劃分分別為托克遜縣6條:烏斯通溝、祖魯木圖溝、艾維爾溝(魚爾溝)、柯爾堿溝、阿拉溝、白楊河;吐魯番市5條:大河沿河、塔爾朗河、煤窯溝、喀讓郭勒溝、恰勒坎溝;鄯善縣3條:二塘溝、柯柯亞爾河、坎兒其溝。其中烏斯通溝(右支)、祖魯木圖溝(右支)、艾維爾溝(左支)、均為阿拉溝支流??聽枆A溝(右支)為白楊河支流。這些河流出山口之間就是天山的山前沖積扇區(qū)域。很多坎兒井的集水段就分布在這個區(qū)域。
坎兒井在新疆吐魯番及哈密盆地區(qū)存在已經有兩千多年的歷史。20世紀60年代以前,坎兒井是吐魯番盆地的主要取水形式,是吐魯番綠洲區(qū)除了泉水以外的唯一人工水源??矁壕话阌韶Q井、集水段暗渠、輸水段暗渠、明渠、澇池組成。豎井一般間隔20~50 m設置一口,用于出土、通風和維修出入;暗渠將山前淺層地下水引到綠洲供灌溉和生活用水使用,是主要組成部分。一般暗渠長度在幾百米到十幾千米不等,分為集水段和輸水段兩部分,集水段處于地下水位以下,用來匯集地下水,是坎兒井的主要部分;輸水段用來將集水引出地面。明渠主要用于輸水,將引水引入需要灌溉的田地;澇池用于貯存多余水量??矁壕幕驹硎疽庖妶D1??矁壕陌登沃饕植荚谔焐街卸魏望}山—火焰山周圍,暗渠出口主要在綠洲腹地,從而實現(xiàn)將山區(qū)地下水引入綠洲腹地用于灌溉和生活用水的目的。
但是坎兒井的發(fā)展面臨諸多問題,由于當地地面引水工程的發(fā)展,特別是機電抽水井的大規(guī)模發(fā)展,已經瀕臨消失的狀態(tài),若不加保護將在不久徹底消失。存在的問題主要表現(xiàn)在:
(1) 由于地下水嚴重超采,地下水位持續(xù)下降,坎兒井出水量日漸減小,有水坎兒井數量急劇衰減,很多坎兒井已經干涸。圖2為解放后坎兒井數量和出水量變化統(tǒng)計。從圖中看出有水坎兒井數量由最多的1 237條(1957年)減少到2009年的246條,出水量由最大的6.61億m3減小到目前的2.68億m3,情況非常嚴重;
圖1坎兒井集水輸水原理示意圖
(2) 坎兒井暗渠及豎井破壞嚴重,維修維護困難,勞動強度大,而掌握維修技術的人員原來越少,年輕人大多不愿意從事如此繁重的勞作,急需要用現(xiàn)代技術進行維修改造;
(3) 另外還有:水量無法控制,管理模式落后,管理體制不順等諸多問題。
圖2有水坎兒井數量和出水量年度變化統(tǒng)計
以上分析表明,坎兒井出水量減小的主要原因是地下水位的持續(xù)下降。若采用一定的方法提升地下水位將會增加坎兒井的出水量,甚至可以使得已經干涸的坎兒井重新有水而恢復生機。限制地面引水工程和機電井的發(fā)展,關停一批機電井是提高地下水位的有效方法,吐魯番地區(qū)已經開展了限井和恢復生態(tài)的措施,但是由于工業(yè)和農業(yè)用水量的大幅提升,以及居民生活用水量的增加,全面限井和廢棄地面引水工程是不可能的。而天山山區(qū)降雨量較大,在夏季還會形成一定規(guī)模的洪水。該部分洪水除一部分通過多條河流排出外,在山前沖積扇上也會形成一定規(guī)模的洪水,對山前沖積扇地區(qū)的電力,水利,鐵路,村鎮(zhèn),甚至坎兒井的豎井等構成威脅。該部分洪水最終于盆地中下游消散蒸發(fā)殆盡,對坎兒井補給區(qū)潛水的補給量很少。如果能采用一定的攔洪蓄洪入灌措施,把該部分洪水在高程較高的沖積扇上回灌入滲地下,將大幅提升地下水位,從而為坎兒井提供更多的補給水量,大大增加坎兒井的出水量,是坎兒井水源保護的“開源”之策和“治本”措施,同時對于削減洪水危害也具有一定的作用。本文擬通過在沖積扇修筑攔洪壩的方式,攔蓄該部分洪水,一方面起到防洪效果,另一重要方面就是補給地下水,抬升地下水位,從而增加該區(qū)域的坎兒井的出水量。
蓄洪入灌地下是有條件的,而吐魯番獨特的地質情況為入灌提供了極好的條件,主要表現(xiàn)在:
(1) 北盆地沉積著數十米至千米的第四系卵礫石、砂礫石、砂及少量粘性土層,為地下水賦存提供了良好的空間,也為蓄洪入灌提供了極佳的入灌條件。吐魯番盆地是位于天山山脈東部的山間盆地,天山山系的強烈上升使天山南部基底層形成巨大向斜構造,形成吐魯番盆地坳陷帶,周邊山體風化剝蝕物在洪流的搬運作用下沉積于坳陷帶內,形成山前厚度變化較大的第四紀松散含水層。坳陷帶南部和火焰山基底基巖隆起,起到了強烈的阻水作用,使得北盆地成為一個封閉的內含巨厚砂礫層的空間。由西向東存在3個沉降中心:西部煤窯溝以南最大厚度大于1 000 m;中部連木沁北東最大厚度大于700 m;東部以鄯善火車站為中心,最大厚度大于600 m。一般第四系沉積厚度均大于100 m。含水層由單一結構潛水含水層演化為上部第四紀潛水含水層、下部第三紀裂隙承壓含水層,其區(qū)域地下水以第四系孔隙潛水及承壓水、第三紀碎屑巖類孔隙裂隙承壓水的形式廣泛賦存空間,這種特殊的地質結構為蓄洪入灌提供了較好的入滲和貯存條件。
(2) 北盆地中部、上部為一由北向南傾斜的山前戈壁平原,由一系列單一卵礫石組成的沖洪積扇構成,地形坡降大于0.4%。并且該區(qū)域人煙稀少,為蓄洪入灌提供了開闊的場地。
(3) 北盆地地下水接受山前側滲和河水的補給,受地形和構造的控制,由山前向南徑流,至火焰山—鹽山一帶受阻而溢出成泉。在構造缺口,直接以地下水徑流的方式側向流入南盆地。由于北盆地地形坡度大,含水層以卵礫石為主,地下水徑流條件好。吐魯番盆地地下水的徑流方向與地形坡降基本相同,北盆地地下水由北向南徑流(圖3)。
圖3吐魯番盆地地下水徑流示意圖
(4) 吐魯番地區(qū)由于降雨較少、蒸發(fā)強烈、周邊干燥、疏散、裸露的地表土壤剝離侵蝕,并將細小的土壤顆粒吹起、搬運、四處侵襲,因此其主要的水土流失危害因子是風力侵蝕,而水力侵蝕較小。蓄洪入灌后也將會促進沖積扇區(qū)域植被生長而減小侵蝕的危害。
從以上分析看出,在吐魯番盆地北部天山沖積扇區(qū)域存在布設蓄洪入灌工程的良好條件。
蓄洪入灌是通過在沖積扇區(qū)域修筑低矮攔洪壩的方式,攔蓄洪水,回灌地下。攔河壩的形式為采用當地砂礫石填筑的均質壩(圖4),依據當地的北高南低的地勢條件,由北到南連續(xù)布置,達到攔蓄洪水的目的。
攔洪壩由沖積扇的上游區(qū)開始布置,一直布設到沖積扇的下游區(qū),用以保證攔洪壩能夠持續(xù)不斷地攔截所有的雨洪水。為了高效率地攔截所有的雨洪水,依據地面坡度4.0%,結合所設計的攔洪壩壩高(保證上游攔洪壩壩趾與下游攔洪壩壩頂在同一水平線上),設計的兩個攔洪壩之間的距離為54 m。鑒于壩體有過水的可能性,為了保證上下游壩坡不被嚴重沖刷,壩頂寬度設置為3 m,壩高為2.0 m,上下游壩坡坡比設置為1∶6。壩體采用當地砂礫石填筑,其抗沖蝕能力較強,同時攔洪壩設計中考慮了挖填平衡,使得挖出來的砂礫石正好填筑攔洪壩,無須設置土料場,節(jié)省建設成本。
圖4蓄洪入灌的攔河壩斷面形式與布置圖
計算中采用非飽和土滲流理論進行,采用有限元方法計算??紤]到攔河壩底部可能有洪水帶來的泥沙沉積,會減小入滲量,設置了5 cm厚的淤積層。
非飽和土滲流理論的基本控制方程為[10~13]:
(1)
式中:H為水頭;k為滲透系數,是吸力的函數;mw為土水特征曲線的斜率;γw為水的密度;t為時間;Q為邊界輸入的流量。
在非飽和滲流計算中,滲透系數k值在非飽和時會隨著吸力的變化而變化。其值可以通過土水特征曲線估算得到。具體方法為通過土水特征曲線和飽和情況下的滲透系數,用Van Genuchten估算公式進行估算得到。估算公式為:
(2)
式中:kw,ka為吸力為s時土的滲透系數值和飽和滲透系數值;a,m,n為曲線擬合參數,n=1/(1-m)。擬合參數a,m可以基于土水特征曲線求得,并將殘余體積含水率和飽和含水率之間的土水特征曲線上的數據點作為最佳的擬合位置。
式中:m值可以由下式計算:
(3)
式中:θs,θr,θp為飽和、殘余體積含水率和體積含水率函數中點對應的體積含水率;sp是體積含水率函數中點對應的吸力值。
(4)
當Sp大于1.0時,則:
(5)
通過試驗得到砂礫石層的土水特征曲線見圖5,淤積層參考類似試驗確定。各層的飽和滲透系數值為:攔河壩5.962 m/d,淤積層0.086 4 m/d,砂礫石層11.837 m/d。
圖5砂礫石層土水特征曲線
本文采用非飽和土體滲流GEO-STUDIO軟件進行蓄洪入灌模擬計算。為了計算方便,只進行一個攔河壩影響范圍內的滲流計算。模型為單位寬度的攔洪壩,計算范圍主要是上下游兩個攔洪壩之間的區(qū)域,即攔洪壩的實際影響區(qū)域。模型設置為:儲水空間最大水深為2 m,上游水位設置為37 m,地下水埋深設置為5 m,淤積層厚度設置為5 cm。模型兩側和底部均設置為不透水邊界,即不考慮地下水的排泄,同時也不考慮蓄積水量的蒸發(fā)。這樣模擬可以反映在大面積情況下的攔洪壩攔蓄洪水情況下的蓄洪入灌的效果。其計算模型如圖6所示。
由于該工程中,只有攔河壩庫內存蓄的水量才能入滲地下,而翻越攔河壩的水不能入滲,這樣攔河壩庫內水面在整個入滲過程中不斷下降,直到庫水完全滲入土中為止。因此,計算中上游水面水位按照入滲函數給定,從而反映了這種影響。
蓄水后不同時間段內的地下水位變化過程如圖7所示。該圖示出了攔洪壩方案的地下水位線位置和滲透壓力等值線,同時也示出了壩內水深的變化和滲透水流的矢量分布。
圖6攔洪壩計算模型
計算表明:從滲流形式上看出,攔洪壩內的水均以非飽和滲流的形式滲入地下,補充地下水。滲流方向以垂直方向入滲為主,其中在壩內最低點滲透強度較大,而兩側滲透強度較??;攔洪庫內水位隨入滲時間的延長逐步降低,蓄水初期的壩內水深為2 m,在蓄水后14.2 h壩內水位與壩底高程相同,此時坑內水深為0 m,也就是坑內蓄水全部滲入地下。之后滲入地下的水持續(xù)向地下入滲補充地下水,使得地下水位持續(xù)上升。從地下水位線變化看,隨著入滲時間的延長而地下水位持續(xù)抬升,在壩內蓄水全部滲入地下后,地下水位由于局部水位不平衡,仍然在均勻化流動,最后基本趨于穩(wěn)定。
壩內水位隨入滲時間的增長而持續(xù)降低,同時地下水位被逐漸抬升,最終地下水位比初始地下水位抬升了13.5 m,抬升幅度較大。以上計算是在假定地下水位沒有向下游排泄的條件下進行的,主要考慮到不同地段地下水向下游排泄的坡度有很大的不同,計算無排泄條件下的抬升情況有利于對規(guī)律性的認識和理解。若考慮排泄條件,地下水位的抬升會降低,在考慮地下水下游排泄坡度在0.4%~2.0%時,計算蓄洪入灌后地下水抬升量在2~4 m,抬升量也相當可觀。
圖7蓄水后不同時間地下水位線與壓力水頭等值線
以上計算說明,攔河壩庫內水可以很快地滲入地下,且可以大幅提升區(qū)域內的地下水位,表明采用攔河壩攔蓄洪水入滲地下提升地下水位的方法是有效的。
為了研究地下水位抬升對坎兒井出水量的影響規(guī)律,另外建立了一個三維滲流計算模型,模型范圍為2 500 m×2 500 m×100 m,只考慮坎兒井的集水段,不考慮輸水和明渠段。模型中沿x方向為水流方向,上下游邊界設置為流入和流出邊界,左右邊界為不透水邊界;地層為厚度為100 m的砂礫石層,其飽和滲透系數取值與蓄洪入灌相同??矁壕食情T洞型,尺寸為寬1 m,高1.5 m,坎兒井井壁滲透系數與地層滲透系數相同。
計算采用ADINA軟件進行。改變坎兒井集水段的地下水位得到匯入坎兒井的水量大小,計算結果見表2。從表中看出:對于集水段長度為2 km的坎兒井,原始地下水位下坎兒井的出水量為7 240 m3/d(83.80 L/s),當地下水位抬升時坎兒井出水量持續(xù)增加,抬升2~4 m時,出水量增加到9 104~11 758 m3/d(105.37 ~136.09 L/s),增加了25.7%~62.4%。說明抬升地下水位可以有效地增加坎兒井的出水量,是保護坎兒井的有效方法。
表2 地下水位抬升時坎兒井出水量計算結果表
(1) 在天山南麓沖積扇上修筑低攔洪壩,促使沖積扇上洪水回灌地下,抬升地下水位,不僅可以減輕吐魯番北盆地的防洪壓力,而且可以增加坎兒井的出水量,是坎兒井水源保護的“開源”之策和“治本”措施,合理有效。
(2) 計算表明采用山前沖積扇蓄洪入灌后,在考慮地下水下游排泄坡度在0.4%~2.0%之間時,可以將地下水抬升2~4 m,相應附近的坎兒井出水量可以增加62.4%~25.7%,效果非常明顯。
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