新疆孔雀河沿岸地下水位变化的影响半径模拟分析

李玉朋 吾买尔江·吾布力 何 宇 李卫红

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

新疆孔雀河沿岸地下水位变化的影响半径模拟分析

李玉朋1吾买尔江·吾布力2何 宇2李卫红1

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

本文采用裘布依公式，以孔雀河中上游为实例，模拟了孔雀河第三分水枢纽至普惠段、普惠水库至经济牧场段、尉犁县的经济牧场至66分水闸段在不同地下水位、不同抽水降深情况下的影响半径。结果表明：普惠水库至经济牧场段的影响半径在1米、3米、5米的降深影响都是最大，且是其他两地影响半径的2倍甚至更大。第三分水枢纽至普惠段的单口井的抽水量较大，在棉花生长季，单口井抽水对周边地下水影响的范围达776米。目前，孔雀河两岸水位严重下降，胡杨大片死亡，应控制耕地扩张，加快实施退耕还水计划，坚持以水定地、以水定结构、以水定发展的原则，取缔非法机电井，才能使水位逐渐恢复，利于经济与社会的发展。

地下水埋深；水井；影响半径；孔雀河

1 引 言

“影响半径”R是水文地质中一个重要参数，它受到抽水量，土壤质地，释水系数等因素的影响。影响半径的正确估算对计算渗透系数K、开采井群间距的设计、地下水资源的评价、防护带的圈定具有重要的意义[1-3]。确定水井影响半径的方法很多，经验公式是最常采用的方法有库萨金公式、吉尔特公式、舒尔采公式。此外，还有利用观测孔直接观测，或根据单位涌水量、单位水位降深、含水层岩石特性等方法也可以求得。其中，抽水试验理论方法比较成熟，对非承压水计算国外运用最多的为Jacob修正模型[4]、Neuman模型[5]和Boulton模型[6]。其中，裘布依公式可以直接利用单孔抽水试验的孔内涌水量来求影响半径，由于此方法不用额外打观察孔而广受欢迎，应用广泛。

2 稳定流抽水影响半径R的计算

对任一均质含水层，渗透系数可以看作常量，它不随流量、时间、降深而变化。但R是抽水量、降深、土壤系数、释水系数含水层厚度以及各种补给量的函数，这些参数控制R的变化。1863年裘布衣在达西定律的基础上，建立了稳定流单井抽水公式，即著名的裘布衣公式。奠定了稳定流的理论基础，裘布衣公式在生产实践中使用已有100多年的历史，并且还将为人们继续使用。裘布衣公式是以一定假设条件为基础的，把抽水现场完全理想化。裘布依推导公式[7]时的假定条件是：①含水层是均质、各向同性、等厚、水平的；②地下水为层流，符合达西定律，地下水运动处于稳定状态；③静水位是水平的，抽水井具有圆柱形定水头补给边界；④对于承压水，顶底板是完全隔水的，对于潜水，井边水力坡度不大于1/4，底板完全隔水。对承压井(1)与潜水井(2)计算如下：

(1)

式中，Q为抽水井流量，m3/d；K为含水层的渗透系数，m/d；M为承压含水层厚度，m；S为抽水井中水位降深，m；R为影响半径，m；r为抽水井的半径，m。

(2)

式中，Q为抽水井流量，m3/d；K为含水层的渗透系数，m/d；H为潜水含水层厚度，m；S为抽水井中水位降深，m；R为影响半径，m；r为抽水井的半径，m。

3 案例分析

孔雀河流域地处塔里木盆地东部，近10余年来，随着耕地面积的不断扩大和农业灌溉用水的增加，流域地下水超采现象严重，地下水位大幅下降，导致绿洲外围依靠地下水维系生存的天然植被大面积衰败和死亡。据统计调查，孔雀河流域上、中游耕地面积扩张迅速，1990-2000年期间，耕地面积平均每年增加6.92平方公里，2000-2014年间，年平均增加34.2平方公里(新疆统计局)。地下水的严重超采，导致地下水位大幅下降，其中，第三分水枢纽至普惠段的地下水埋深达到-10.59m，普惠水库至经济牧场为-26.67m，尉犁县的经济牧场至66分水闸段达到-14.38m。以抽水井为中心，四周地下水在水力梯度的作用下向中心汇聚，从而形成地下漏斗，机理如图1所示。目前，孔雀河第三枢纽至66分水闸段的地下水水位已经下降到胡杨生存的临界地下水位[8-9]，孔雀河沿岸大片胡杨林死亡。

为了查明单口井抽水对周边地下水位变化的影响强度，我们结合孔雀河流域打井钻孔资料和水文地质条件，采用稳定流抽水影响半径R的计算方法，对孔雀河流域地下水位变化较大的普惠-经济牧场地段抽水引起的地下水位变化及其影响半径进行了计算分析，旨在为合理布局地下水井、确定地下水开采阈值提供依据。

图1 抽水引起的周边地下水水位下降对植被生长的影响。上面的虚线表示地下水能够满足植被的生长需求，下面的虚线表示地下水位下降到对植被生长产生水分胁迫

3.1 流域地质条件

土壤质地是影响土壤半径的重要因素之一，我们在孔雀河上、中游的普惠-经济牧场段的两个断面打井获得了详细的地质资料。每个断面5口井，距离河道的垂直距离分别为50m，100m，200m，400m，800m。第一个断面在普惠水库上游，地质资料分析可见(图2)，在距离河道200m的范围内，从表层到深层土壤质地分别为黏土、粗沙、黏土、细沙，各层厚度略有差异，距离河道200m以外出现变化，从表层到深层土壤质地以黏土、细沙、粗沙、黏土变化，且各层出现不断上移的趋势。第二个断面位于普惠水库下游的团结荒地附件，由地质资料分析结果可知，在距离河道400米的范围内，从表层到深层土壤质地以黏土、细沙、黏土、粗沙、细沙变化，且各层也出现不断上移。400m以外变化更为复杂，无明显规律，但细沙层厚度明显变大(详见图2)。

(a)及不同深度的土壤质地；(b)普惠断面；(c)团结荒地断面图2 钻井断面的位置

3.2 地下水位影响半径计算

在调查中得知，孔雀河流域的普惠及经济牧场一带主要以种植棉花为主，其中，2008年以后开垦的耕地大多靠抽取地下水灌溉。结合棉花生长季400方/亩的灌溉定额(滴管)，全生长季需要灌溉16次。一次棉花生长季灌溉会导致水位下降3～5m不等。由于不同地下水埋深的差异，抽水过程中对周边地下水的影响半径上也是不同的。我们采用裘布依公式，对第三分水枢纽至普惠段、普惠水库至经济牧场段以及经济牧场至66分水闸三个不同区段水井地下水位下降1m、3m、5m三个不同情境对周边地下水的影响半径进行了模拟，结果显示，同一地下水埋深下，抽水降深越大，影响半径越大。同一降深下，地下水埋深越大，影响半径也越大。其中，普惠水库至经济牧场段由于地下水埋深较大，在灌溉期抽水对地下水的影响半径也最大。在降深5m的情况下达到956.8m，是同情况的其他两地影响半径的2倍之多。

调查结果显示，孔雀河流域第三枢纽至普惠水库段，井灌面积约1.2×104亩，目前尚在使用的井约100眼，每年抽取地下水480×104方；普惠水库至经济牧场段，井灌面积约9.8×104亩，目前尚在使用的井约150眼，每年开采地下水3920×104方；经济牧场至66分水闸段，井灌面积约5.0×104亩，地下水开采井约1000眼，每年开采地下水2000×104方。根据上述3个地段种植棉花的井灌面积，可计算出第三枢纽至普惠水库段、普惠水库至经济牧场段、经济牧场至66分水闸段三个区段单口井每年抽水量分别为4.8×104方、26×104方、20000方。根据抽水降深与当地的土壤质地可以计算出，灌溉期单口井抽水对该三个区段的影响半径分别为776m，520m，136m。经济牧场至66分水闸段虽然单口井的影响半径较小，但是地下水井的分布密度较大，因此，总体对地下水位的埋深影响也是较大的。

表1 抽水降深对不同地下水埋深的影响半径

*第三分水枢纽至普惠段的地下水位埋深，**普惠水库至经济牧场段的地下水位埋深，***尉犁县的经济牧场至66分水闸段的地下水位埋深。

4 结 论

影响半径R是水文地质中的重要参数，在计算渗透系数K、开采井群间距的设计、地下水资源的评价、防护带的圈定上具有重要的作用。裘布依公式根据抽水量，水位降深可以很方便求出在承压井与潜水井的影响半径R。

本文以孔雀河中上游为实例，模拟了第三分水枢纽至普惠段、普惠水库至经济牧场段、尉犁县的经济牧场至66分水闸段在不同地下水位埋深和不同抽水降深的影响半径。结果表明：普惠水库至经济牧场段的影响半径在1米、3米、5米的降深影响都是最大，且是第三分水枢纽至普惠段、普惠水库至经济牧场段影响半径的2倍，甚至更大。在棉花全生长季，第三分水枢纽至普惠段的单口井的抽水量最大，对周边地下水影响的范围可达776m。

孔雀河流域的农业开垦面积已超水资源承载力，因此，应控制耕地扩张，加快实施退耕还水计划，坚持以水定地、以水定结构、以水定发展的原则，取缔非法机电井，实施压采平衡。在生态输水背景下，争取尽快恢复地下水位，以维系沿河两岸胡杨林生态系统的健康。

[1]张茹，刘水，马璐瑶.浅谈单井抽水的影响半径计算[J].科技风，2015，10：126.

[2]胡月，刘国东，暴伟越，李俊.地下水环境影响评价中的“影响半径”及其确定[J].山西科技，2015，06：59-62.

[3]陈雨孙，姚道聖，花仁荣，朱益春，周长瑚.试论“影响半径”[J].勘察技术资料，1976，06：1-29.

[4]Jacob C E.Correlation of ground-water levels and precipitation on Long Island，New York，Part Theory[J].Am.Geophys.Union，1944(24)：564-573.

[5]Carrera J，Neuman S.P.Estimation of aquifer parameters under transient and steady state conditions：2.Uniqueness，stability，and solution algorithms[J].Water Resour.Res，1986，22 (2)：211-227.

[6]Boulton N S.Analysis of data from non-equilibrium pumping tests allowing for delayed yield from storage[C].Ice Virtual Library，1963：469-482.

[7]薛禹群.地下水动力学[M].北京：地质出版社，2009.

[8]陈亚宁，陈亚鹏，李卫红，张宏锋.塔里木河下游胡杨脯氨酸累积对地下水位变化的响应[J].科学通报，2003，09：958-961.

[9]刘加珍，陈亚宁，李卫红，陈永金.荒漠河岸植被的受损过程与受损机理分析[J].地理学报，2006，09：946-956.

Simulation Analysis on the Radius of Influence of Ground Water Level Change Along the Kongque River，Xinjiang

LI Yupeng1Wumairjiang Wubli2HE Yu2LI Weihong1

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Xinjiang 830011 China； 2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla 841000，China)

This paper through the Dupuit formula in the upper reaches of Kongque River as an example，simulation of the third water diversion project to the Pratt &；Whitney section，Pratt &；Whitney reservoir to economic pasture section，Yuli County Economy pasture to 66 sluice in different stages of different underground water level drawdown radius of Influence. The results show that：inclusive reservoir to economic pasture segment radius of influence in 1 meters，3 meters，the impact of the depth of 5 meters is the largest，and is the other two affected radius of more than 2 times or even greater. In the whole cotton growing season，third water diversion project to the pumping irrigation amount per mu inclusive maximum range，the impact on the surrounding groundwater is 776 meters. At present，the Peacock River water level decline，Populus death should be controlled，and cultivated land，accelerate the implementation of returning farmland to water plan，adhere to the water，with water，with water development，banning illegal electromechanical wells，in order to make the water level gradually restored，conducive to the development of economy and society.

Groundwater；Well；radius of Influence；Kongque River

国家科技支撑计划项目(2014BAC15B02)和中国科学院“率先行动”计划课题(TSS-2015-014-FW-2-3)

李玉朋，在读博士生，从事气候变化与水文过程研究

李卫红，研究员，从事气候变化与水文过程研究

X21

A

1673-288X(2017)02-0145-03

引用文献格式：李玉朋 等.新疆孔雀河沿岸地下水位变化的影响半径模拟分析[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：145-147.