开都河河道渗透补给地下水分析

彭秋燕,周玉良,姜卉芳

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐830052;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009)

0 引 言

新疆焉耆盆地地下水资源由地表水转化形成,水资源开发利用格局的变化将深刻的影响地下水补排关系和补排量大小,反过来说,只有清楚掌握地表水和地下水的补排关系和补排量,才能更合理的利用水资源,在满足水资源可持续利用的基础上,最大限度地保证农业用水、生活用水、经济的可持续发展和生态环境保护[1]。焉耆盆地是一个近乎封闭的汇水盆地,为相对完整的水文系统,地表、地下径流从盆地四周向博斯腾湖汇集,最后通过蒸发消耗或经孔雀河流出盆地,区内多年平均地表径流量为39.84×108m3/a,开都河多年平均径流量为34.86×108m3/a,约占盆地径流总量的87.5%[2],因此研究开都河河道渗透补给地下水具有非常重要意义。束龙仓等利用竖管法现场测定河床各个方向的渗透系数,并间接确定了河流与地下水的相互作用[3]。张福生在分析非完整河地表水与地下水相互作用机理的前提下,提出了非完整河地表水与地下水转换近似计算式[2]。赵耀东在室内作了傍河水源地诱发补给试验,证明在河水位固定的情况下,地下水开采增加,不管是粗砂还是中砂含水层,均可出现淋滤补给现象,并且给出了河流补给地下水由压力式向淋滤式转变的判断式[4]。本文在总结河道渗透补给地下水量计算方法的基础上,结合开都河实际地理情况及水文资料,采用河道水量平衡法对开都河枯水期河道渗透补给地下水量进行了分析,得出该河流河水与地下水的补排关系及补排量,用较简洁的方法在最短时间内得出较精准的结果,希望对焉耆盆地水资源开发利用规划有一定参考价值。

1 研究区域概况

开都河位于新疆巴音郭勒蒙古自治州境内天山南麓、塔克拉玛干沙漠北缘。它源出天山山系的阿尔明山,东南流注入博斯腾湖。全长530 km,年径流量33.8×108m3,水力坡度万分之一[5]。开都河流域自大山口到第一分水枢纽为丘陵地区,第一分水枢纽到宝浪苏木为平原区[6]。

开都河河水与地下水转化关系复杂,不同季节不同河段转化关系不同。取五个测验断面作为监测站,分别为:大山口水文站,218国道,21团大桥,焉耆大桥,宝浪苏木。如图1所示。

图1 开都河河道渗透损失测验断面布置图

河道引水工程现状:①大山口水文站至218国道:大山口水文站至218国道之间的引水工程只有第一分水枢纽。第一分水枢纽引水量(扣除哈尔毛墩水电站退水)为北岸干渠、南岸干渠引水量之和。北岸干渠引水量等于乌兰尕孜渠、阿孜沟、北干渠退水闸断面径流量之和(已扣除哈尔毛墩水电站退水);南岸干渠引水量等于南岸干渠高闸、低闸、一支干、二支干径流量之和。②218国道至21团大桥:218国道至21团大桥的引水干渠只有解放二渠临时引水渠。③21团大桥至焉耆大桥:21团大桥至焉耆大桥之间的引水干渠有解放一渠、永宁渠、北大渠、五号渠。另外还有北大渠十乡扬水站、丰达实业农场扬水站、27团5连扬水站、27团5连二号泵站。④焉耆大桥至宝浪苏木分水闸:焉耆大桥至宝浪苏木分水闸之间的引水干渠有友谊渠(包括向阳渠、跃进渠、四大队渠、种畜场渠四个支渠)、呼尔敦渠、建新渠、团结渠、翻身渠。另外还有博湖县查乡一大队泵站、博湖县水产养殖中心扬水站、乌兰乡巴州种畜场下游泵站,25团泵站、种畜场上游泵站、本布图镇塔乡泵站。引水工程如图2所示。

2 计算河道补给地下水的方法

对于干旱区的河流,降水少、蒸发大,河道水量变化主要来自地下水转换以及其他河道的汇入、流出,水量平衡方程可以写为[7]:

式中:Δ V为河道蓄水变化量(L3/T);Qri为上游流入水量(L3/T);Qp为降水补给量(L3/T);Qr0为下游出水量(L3/T);QE为河道水面蒸发量(L3/T);Qrd为河道引水量(L3/T);QΔg为地下水与河水转化量的代数和(L3/T),河流补给地下水为正,河流排泄地下水为负;Qo为其他途径进入河道或流出河道水量的代数和(L3/T)。

图2 开都河河道引水工程现状示意图

3 河道水量平衡法计算开都河河道渗透补给地下水量

开都河流域地表水与地下水转化关系很复杂,根据时间、河段的不同,其转化关系差别很大。影响河道地表水转化补给地下水的因素为:河床面的渗透系数、透水床面的周界大小、河道底部至潜水面间的岩土水理性质、地表水面与潜水面的高差、地下水的排泄条件以及河道的过水时间长短等[8]。

可以选用(1)式计算开都河河道地表水与地下水转换量,由(1)式可得:

根据(2)式,由各分量得出地表水与地下水的转换量。资料为2009年11月至12月测得,这段时间河道平均流量接近开都河最枯季节平均流量,并且此时开都河流域农业灌溉已经结束,也无其他途径进入或流出河道中水。因此枯水季节无Qrd、Qo两项。测得数据见表1。

表1 测验断面2009年枯水期流量数据表 单位:m3/s

根据统计,218国道2009年11月、12月流量水位关系为y=244.64x-1360.1;21团大桥2009年11月、12月流量水位关系为y=117.64x-429.4;2009年焉耆大桥 11月、12月流量水位关系为 y=178.45x-802.38。其中 x为水位,单位:m;y为流量,单位:m3/s。计算水位、水位差见表 2、表3,开都河河道水量平衡计算见表4。

表2 测验断面2009年枯水期水位数据表 单位:m

表3 测验断面2009年枯水期水位日平均差 单位:m

表4 开都河河道水量平衡计算表 单位:m3/s

4 结 论

通过开都河流域河道渗透补给地下水以上的分析计算有如下结论:

(1)开都河在枯水季节,以21团为界,上游为河水排泄地下水,下游河水补给地下水。

(2)大山口水文站至 218国道段,径流增加32%,流量与径流增加比例呈反比关系;218国道至21团大桥段,径流增加34%,流量与径流增加比例呈反比关系;21团大桥至焉耆大桥段,径流损失15%,流量与径流减少的比例呈反比关系;焉耆大桥至宝浪苏木段,径流损失17.7%,流量与径流减少的比例呈反比关系。

(3)根据焉耆盆地水资源开发利用现状与需求,以上结论能够满足该区域合理规划水资源及农业、生态的可持续发展。但是还需要水文资料的精确与补充。

[1] 董新光,江 涛,姜卉芳.新疆焉耆盆地水资源利用与环境保护模式研究[J].灌溉排水,2001,20(2):61-65.

[2] 刘延锋.新疆焉耆盆地地表水-地下水转化及水资源可持续利用[D].武汉:中国地质大学,2004.

[3] 束龙仓.CHEN X.美国内布拉斯加州普拉特河河床沉积物渗透系数的现场测定[J].水科学进展,2002,13(5):629-633.

[4] 赵耀东.傍河水源地诱发补给实验研究[J].西北水资源与水工程,1991,2(1):45-51.

[5] 董新光,周金龙,陈跃滨.干旱内陆区水盐监测与模型研究及其应用[M].北京:科学出版社,2007.

[6] 胡春宏.塔里木河干流河道演变与整治[M].北京:科学出版社,2005.

[7] 束龙仓,陶月赞.地下水水文学[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[8] 张元禧,施鑫源.地下水水文学[M].北京:中国水利水电出版社,1998.