坎儿井出水量影响因素的数值模拟分析

2021-08-27马晓菲杜明亮刘小煜朱豫鲁

地下水 2021年4期

马晓菲，杜明亮，刘小煜，朱豫鲁

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

地下水资源是干旱-半干旱地区十分关键的生态环境因子，其影响着当地人民社会和经济的发展。而坎儿井是吐鲁番市地下水资源的最主要来源之一[1]。随着吐鲁番市灌溉面积不断扩张，该区域需水量也日益增长，加之该区域地表水资源分布不均，导致该区域过度开发利用地下水，最终致使该区域地下水位持续下降，灌区与荒漠区之间生态植被退化，荒漠化问题日益突出[2-7]。同时由于地下水位的快速下降，使得坎儿井不断干涸。据吐鲁番市水利局水科所最新一次的调查统计，吐鲁番市的坎儿由1957年的1 237条，减少到只有214条，平均每年减少坎儿井约18条。坎儿井衰减速率过快已经引起当地相关部门的重视，并开始采取相应的保护和治理措施[8-13]。

现以吐鲁番市为研究区，在已有地质、水文地质资料和长期观测资料的基础上，采用数值模拟方法建立适用于吐鲁番市的地下水流数值模拟模型，利用该模型对影响坎儿井出水量各因素进行计算分析，并进行了定量评价，该结果可为坎儿井相关研究提供理论依据，同时也可为坎儿井的保护和恢复提供实际参考价值。

1 研究区概况

吐鲁番市位于乌鲁木齐以东、哈密市以西的吐鲁番盆地内。地理坐标为北纬41°12′～43°40′，东经87°16′～91°55′。吐鲁番市北部为博格达山，海拔3 500～4 000 m，南部为觉罗塔格山，海拔600～1 500 m。盆地中部为火焰山和盐山，二者将吐鲁番盆地分为北盆地和南盆地。北盆地为山前冲洪积平原，地面以较大的倾斜度向南倾斜，倾斜斜率约为0.045。南盆地为冲积细土平原，地势低洼，坡降相交北盆地较小，海拔在10～110 m之间。

由于地质构造的作用，火焰山及盐山在盆地内部隆起，相应的北盆地和南盆地水文地质单元也有较大的不同。根据前人的相关水文物探工作成果表明，南部和北部盆地都分布着第四系沉积物，厚度为200～700 m，地下水资源丰富，水文地质剖面如图1所示，其中：

图1 吐鲁番市水文地质剖面图

北盆地从北向南，地下水埋藏深度由大到小变化。在600 m高程附近，地下水的埋藏深度约为100 m。往南2～4 km，地下水埋藏深度约为50 m。在火焰山地区附近，地下水的埋藏深度迅速减小，在连木沁沟、胜金沟、葡萄沟等火焰山缺口带处，地下水以泉水的形式从地下露头。北盆地地下水类型主要是潜水，承压水仅分布在火焰山附近。

南盆地从北向南，地下水的埋藏深度也是由大到小变化。地下水埋藏深度大于50 m的区域主要是在火焰山南部一带；地下水埋藏深度大于10～30 m的区域主要分布在南盆地的中部，例如鄯善县鲁克沁镇、吐峪沟乡、二堡乡、三堡乡等；地下水埋藏深度小于10 m的区域主要分布在南盆地南部靠近艾丁湖的部分区域。

2 数值模型

根据吐鲁番市水文地质资料，建立该区域的水文地质概念模型。本次模型共建立三层：上部为潜水含水层，中部为潜水、承压水混合含水层，下部为承压水含水层。对模型进行500×500 m网格剖分，南北向划分为212行，东西向划分为619列，共131 228个网格区域，根据边界条件将部分区域设置为无效单元，计算范围为有效单元，有效区单元数为48 813个。

吐鲁番市的主要补给来源为山前侧向和地表补给量，其中地表补给量主要为降雨入渗量、河道和渠系渗漏量、田间入渗量、库塘入渗量以及井灌回归补给量。用通用水头边界对山前侧向补给量进行赋值模拟；用River模块对河道渗漏补给进行模拟；用Recharge模块模拟面状补给量。

吐鲁番市主要排泄量为潜水蒸发蒸腾量、人工开采量、坎儿井排泄及泉水溢出。采用Well模块模拟人工开采量；采用Evapotranspiration模块模拟潜水蒸发蒸腾量；使用Drain模块模拟坎儿井排泄量及泉水溢出量，见图2所示。

图2 数值模型概化图

3 结果分析与讨论

3.1 坎儿井结构设计与出水量关系

3.1.1 坎儿井斜率与出水量关系

坎儿井的斜率会影响坎儿井与地下水位相交的位置，进而影响坎儿井的出水量。根据计算结果坎儿井出水量随着其斜率的减小而增大，尤其是在坎儿井斜率减小到0.003后，其相对出水量变化骤然加大，由2.37×104m3增加到7.03×104m3(见表1和图3)，但考虑坎儿井施工水平和地下水自流因素，一般坎儿井斜率不会比0.003小太多。

表1 坎儿井斜率与出水量关系表

图3 坎儿井斜率与出水量变化关系曲线

3.1.2 坎儿井井径与出水量关系

增加坎儿井井径意味着可以增加坎儿井的过水断面面积，相应也会增加坎儿井的出水量。计算结果表明随着坎儿井的井径的不断增大，从0.2 m增加到1 m，其出水量略有增加，由21.51×104m3至21.62×104m3(表2和图4)，但总体变化不大，可认为井径的变化对坎儿井出水量影响不大。

图4 坎儿井井径与出水量变化关系曲线

表2 坎儿井间距与出水量关系表

3.1.3 坎儿井间距与出水量关系

在一定范围内若存在多条坎儿井，它们会不均等地分配地下入渗补给水以及地下水径流量，以至于出现不同的坎儿井出水量不一的现象，因此进行计算分析。分析结果表明：坎儿井的出水量随着井间距的减小而减小。当井间距介于200～500 m之间，坎儿井出水量的变化比率最大；当井间距大于1 km时，其出水量变化比率值很小(表3和图5)，其对坎儿井的影响可以忽略不计。

表3 坎儿井间距与出水量关系表

图5 坎儿井间距与出水量关系曲线

3.2 水文地质参数与出水量的关系

3.2.1 渗透系数与出水量关系

渗透系数反映含水层透水性能，会影响地下水量和水位的相应变化。根据分析结果，坎儿井的出水量随着水平渗透系数的不断增大，出现先增大后减小的现象，并在水平渗透系数达到1 m/d时，坎儿井的出水量达到最大，最大值为56.34×104m3(表4和图6)；渗透系数增大时，坎儿井出水量减小，主要由于渗透系数增大，从而引起地下水位下降。

表4 渗透系数与出水量关系表

图6 水平渗透系数与出水量关系曲线

3.2.2 给水度与出水量关系

给水度反映含水层的给水能力，该参数会直接影响坎儿井的出水量。根据分析结果，当给水度从0.01变化到0.2时，坎儿井出水量从16.17×104m3增加到36.98×104m3，二者呈正相关关系(表5和图7)。

表5 给水度与出水量关系表

图7 给水度与出水量关系曲线

3.3 地表水体入渗与出水量关系

吐鲁番市地表水体入渗补给量主要包括降雨入渗量、渠系入渗量、田间入渗量、地表河流入渗量以及井灌回归补给量，吐鲁番市降雨量稀少，该项可以忽略不计。分析结果表明，地表水体入渗量越多，坎儿井的出水量越大；但灌溉入渗量的变化值远比坎儿井出水量的变化值大得多，当灌溉入渗量由9.12×104m3增加到456.25×104m3，坎儿井出水量仅仅变化了10.62×104m3(表6和图8)，说明灌溉入渗量对坎儿井出水量虽有影响，但是影响相对并不大。

表6 灌溉入渗量与出水量关系表

图8 地表水体入渗量与出水量关系曲线

3.4 地下水变化与出水量关系

3.4.1 侧向补给量与出水量关系

侧向补给量作为山区进入平原区的不重复补给量，在吐鲁番市地下水补给量中占有一定的比例，而侧向补给量随着山区降雨入渗量随季节变化，因此也会对坎儿井出水量产生一定的影响。分析结果表明，侧向补给量与坎儿井出水量呈正相关关系(图9)，但是由于侧向补给量占总补给量的比例不大，所以从总体上看对坎儿井出水量的影响并不大，表7表明侧向补给量从16.31×104m3增加到90.61×104m3，坎儿井出水量只变化了2.3×104m3，因此侧向补给量对坎儿井出水量的影响较小。

表7 地下水变化与出水量关系

图9 侧向补给量与出水量关系

3.4.2 机井与出水量关系

机井对坎儿井出水量的影响主要表现在以下两个方面：其一是机井的抽水量越大，在吐鲁番市这样水资源匮乏的城市，当开采量大于可开采量时，会造成地下水位持续下降，进而导致坎儿井出水能力大幅下降甚至干涸。根据分析结果，当机井抽水量增加206%时，坎儿井出水量减小39%(表8)，二者呈线性相关的关系，见图10。

表8 机井抽水量与坎儿井出水量关系表

图10 机井抽水量与出水量关系曲线

其次，机井和坎儿井之间的距离也会影响坎儿井的出水量，机井离坎儿井集水段的距离越近，坎儿井集水段附近的地下水位越低，进而坎儿井的出水量越小。根据分析结果，集水段的机井距离坎儿井越远，坎儿井的出水量越大，当距离大于1 km时，对坎儿井的出水量没有影响。如果机井在输水段，无论距离远近都对坎儿井出水量影响不大，具体见表9和图11。