臺蘭河流域沖洪積扇地下水庫可行性研究

臺蘭河發(fā)源于新疆文宿縣東北部的天山地區(qū)。年平均流量為7.12.108m3。6月至8月的洪水流量占年流量的67.1%，年平均灌溉流量為3.62-108m3。因徑流量年內(nèi)分配不均,導(dǎo)致春灌嚴重缺水,夏季卻洪水成災(zāi),嚴重影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。為了解決春旱夏洪的危害,水利部門曾在山區(qū)進行了大量的勘測工作,因山區(qū)河谷陡峭、狹窄,不適宜建地表水庫;后又在古木別孜背斜北部塔克拉克山間洼地老龍口處(圖1)規(guī)劃一座地表水庫,但因第四系厚度較大,防滲工程投資高,故該規(guī)劃無法實施。通過衛(wèi)片解譯、水文地質(zhì)鉆探、地球物理TEM電磁探測技術(shù),結(jié)合GIS的空間分析功能,初步查明了山前地下水儲水構(gòu)造的分布規(guī)律,為建設(shè)地下水庫提供可靠資料。1區(qū)域地質(zhì)蓋數(shù)1.1fps1fps1臺蘭河流域地處天山古生代褶皺帶南部與塔里木地臺北部,因相對穩(wěn)定的地臺與劇烈上升的天山活動帶之間形成了極不均勢的相對運動,故形成了F1、F2、F3及F4四條區(qū)域性斷裂(圖2)。從圖2可以看出:F1、F2與F4呈近東西走向,F3為北西走向;F2處于兩大構(gòu)造結(jié)合部位,天山南麓山前斷裂,其北部為天山中高山區(qū);F1位于F2南側(cè)20km左右,F1、F2之間形成東西向長約50~60km,南北向?qū)挾燃s20km,第四系為松散層最大厚度約700m的塔拉克山間凹陷。F1斷層抬升形成古木別孜背斜,長約20~25km,其東段隱伏于第四系地層之下50~300m。F4位于F1南側(cè)20~25km的314國道附近,形成了東西向長約50~60km、南北向?qū)挾燃s25km的第四系山前沖洪積層儲水凹陷構(gòu)造;F4斷裂為隱伏隆起區(qū),軸部第四系厚度約100m、向南漸厚至500m左右;F3位于阿克蘇市西側(cè)6~8km。隨著喜馬拉雅運動,帕爾勒克庫爾干F2斷裂北盤不斷抬高,南盤不斷下降,斷距大于300m。天山褶皺山系劇烈上升,不斷以剝蝕作用為主,大量碎屑物在河流沖刷作用下被源源不斷地帶入凹陷洼地之中,形成了巨厚層的砂卵礫石夾漂石儲水構(gòu)造。1.2高山區(qū)、拉克克槲資凹陷區(qū)研究區(qū)在區(qū)域性構(gòu)造的控制作用下,由北向南形成了五大構(gòu)造單元:天山中高山區(qū)、塔拉克山間凹陷、古木別孜背斜、山前沖洪積凹陷及沖積平原區(qū)。臺蘭河流域地下水主要賦存在塔克拉克山間凹陷儲水構(gòu)造、山前沖洪積凹陷儲水構(gòu)造中,其次為F4以南的沖積平原區(qū)的第四系地層儲水構(gòu)造之中(圖3)。1.2.1地下水補徑排巖單元該儲水構(gòu)造為山間條形洼地,北起帕爾勒克庫爾干斷裂F2,南至古木別孜背斜,東部以依克溪含泥量很高的砂礫石沖洪積扇為界,西邊界為古木別孜背斜西段所封閉,此儲水構(gòu)造西部窄、東部寬,老龍口為地下徑流出口處。該凹陷地形西北高,北側(cè)出山口海拔約1690m,南側(cè)背斜海拔約1400m,地形坡度約為16.7‰。第四系沉積物厚度500~700m,含水層厚度400~450m,巖性以含漂石的卵礫石為主,地下水水力坡度約為15‰,滲透系數(shù)大于100m/d,單位涌水量大于10L/(s·m);地下水主要補給源為北部天山柯克萊河、塔克拉克河、臺蘭河地表水的沿途滲漏,其次是河谷潛流及基巖裂隙水的側(cè)向補給。地下水位埋深北部大、南部小,中部新龍口一帶埋深約150m;東南部出口處埋深約103m,該凹陷儲水構(gòu)造蘊藏著豐富的地下水資源。1.2.2沖洪積扇東北部地區(qū)此儲水構(gòu)造北以F1斷層為界、南至F4隱伏斷層、西以臺蘭河扇緣為界,東以依克溪河沖洪積扇含泥量較高的沉積物為界。地勢北高南低:老龍口處海拔約1400m,扇緣海拔約1200m。第四系沉積厚度達300~500m。北部為單一結(jié)構(gòu)的砂卵礫石地層,含水層厚度約100~350m,蘊藏著豐富的地下水資源,地下水水力坡度11‰左右,滲透系數(shù)29~45m/d,單位涌水量5~10L/(s·m);南部沖洪積扇前緣地層多為細顆粒巖性,形成了多層結(jié)構(gòu)的含水層,地下水主要為河道沿途滲漏及側(cè)向徑流補給。北部地下水位埋深約103m;中北部地下水埋深為57m;南部為溢出帶,在大、小阿吉溝一帶以泉水形成溢出地表。1.2.3上更新統(tǒng)地層該儲水構(gòu)造主要位于F4斷裂以南沖洪積平原區(qū),向南微傾斜:北部海拔約1200m,南部海拔1060m,地形坡度3‰~5‰。第四系沉積厚度小于200m,據(jù)ZK3勘探孔資料:95m以下為膠結(jié)狀角礫層,富水性弱,其上為上更新統(tǒng)松散地層;斷層南部第四系上更新統(tǒng)地層厚度小于75m,具多層結(jié)構(gòu),含水層以含礫粗砂、中細砂為主,單位涌水量2.25~4.30L/(s·m),屬中等-弱富水區(qū);隔水層以粘性土為主。地下水類型為潛水、微承壓水,主要為徑流及渠系、田間入滲補給,地下水位埋深1~3m。1.3地下水開采量結(jié)果根據(jù)地下水均衡法計算:臺蘭河流域地下水年補給量為5.20×108m3,其中渠系及田間入滲量為3.26×108m3,天然補給量為1.94×108m3。年排泄量為4.88×108m3,其中地下潛水無效蒸發(fā)量高達1.45×108m3,側(cè)向徑流排出量為1.44×108m3,開采量為0.70×108m3,排堿渠排水量為0.69×108m3,野生植被蒸騰量為0.60×108m3。該流域地下水開采量僅為0.70×108m3,占地下水總補給量的13.5%;臺蘭河地表水利用率為50.8%,表明流域內(nèi)水資源利用率較低,故在地下水淺埋帶因無效蒸發(fā)作用造成了大面積次生鹽堿地。因此必須大力開發(fā)利用水資源,減少無效蒸發(fā)、阻止地質(zhì)環(huán)境繼續(xù)惡化。1.4高、低水位、高水位、高水位、高水位、徑流動態(tài)變化根據(jù)地下水長期觀測資料,區(qū)內(nèi)地下水位變幅一般小于1m,在沖洪積扇中上部,地下水高水位出現(xiàn)在7~9月,低水位出現(xiàn)在1~3月,屬滲入—徑流型動態(tài),與臺蘭河月徑流量變化相一致;沖積平原區(qū)地下水高水位出現(xiàn)在每年12、1、2月,低水位出現(xiàn)在4、5、6月,這與地下水蒸發(fā)量及開采量休戚相關(guān),屬開采—徑流型動態(tài)。2地下水庫建設(shè)可行性分析2.1建立沖洪積扇段、河流生物指引率分析干旱區(qū)內(nèi)陸河流一般流程較短,河流流經(jīng)山前戈壁礫石帶后,大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水。山前戈壁礫石帶地層顆粒較大,透水性好,含水層厚度為150~300m,滲透系數(shù)一般大于30m/d,重力給水度為0.15~0.25。據(jù)新疆各河流水資源評價報告資料,沖洪積扇地表水滲漏補給量約占地下水總補給量的60%~80%。臺蘭河出山口多年平均徑流量為7.12×108m3,沖洪積扇段河道長約36km,洪水期河床汊流和漫灘現(xiàn)象比較普遍,依據(jù)2007~2009年的水量監(jiān)測數(shù)據(jù),該段水量損失率約為20%,扣除蒸發(fā)損失,多年平均滲漏量約為1.12×108m3(1)。因此在沖洪積扇上部利用河道分洪進入山間洼地及修建集水溝渠,加大地表水的滲漏補給量,以達到“引洪回滲補給”調(diào)蓄功能。2.2渠系初始入滲排傳,地下水入滲量高,以蒸發(fā)促蒸發(fā)臺蘭河山間凹陷、山前凹陷帶是干旱區(qū)內(nèi)陸河流普遍存在的地貌單元特征及其儲水構(gòu)造[5~6],這是一個天然的地下水庫,并且?guī)烊菥薮?其總庫容往往是河流徑流量的數(shù)十倍,具有多年調(diào)節(jié)能力,這座地下水庫的天然“入庫”水量主要為河流滲漏、渠系滲漏和降水入滲補給,一般是河流徑流量的20%~80%,徑流量越小,入滲量占總徑流量的比例則越高?！俺鰩臁彼縿t為泉水溢出和潛水蒸發(fā),泉水一般回歸河道,因其無法調(diào)蓄,故利用效率往往很低;淺埋區(qū)潛水在強烈地蒸發(fā)作用下造成土壤次生鹽漬化。因此,只有在“出庫”前采用適宜的措施“攔截”部分地下水,并使“入庫”和“出庫”水量達到多年平衡;當?shù)叵滤畮焖坎蛔銜r,可采用人工引滲措施給予回補,這樣就可以構(gòu)筑一座高效的、可調(diào)蓄的、可持續(xù)利用的地下水庫。泉水溢出帶細顆粒土層,似一道天然地下?lián)跛畨?地下徑流在此受阻后大量溢出地表。如果效仿坎兒井的結(jié)構(gòu)原理,在適當?shù)牡叵滤灰韵?沿橫向修建一條“井井相聯(lián)”的集水廊道,并采取措施控制其“出庫”水量,便可發(fā)揮地下水庫自壓滴灌及多年調(diào)節(jié)之功效。2.3儲水構(gòu)造及地下水塔克拉克儲水構(gòu)造為山間凹陷型地下水庫:雖第四系松散地層厚度大,儲存豐富的地下水量,但南部古木別孜隱伏背斜不具有攔水條件,出水口部位地下水位埋藏達103m,工程施工難度大;且遠距灌區(qū),輸水線路長、建設(shè)成本高,故此儲水構(gòu)造不具備天然成庫條件。314國道以南沖積平原區(qū)儲水構(gòu)造,由于第四系松散沉積物厚度小于75m,含水層巖性多為中細砂,且含水層薄,富水性差,單井出水量小,故也不具備建地下水庫條件。314國道以北臺蘭河山前沖洪積凹陷儲水構(gòu)造,其第四系覆蓋層厚度達200~500m,含水層巖性為結(jié)構(gòu)松散的砂卵礫石,地下水類型為單一結(jié)構(gòu)的潛水;南部扇緣細顆粒地層相當于地下水庫天然阻水壩,故具有良好的建庫條件,且地下水儲存量高達93.6×108m3,若調(diào)節(jié)水位按降深10m計算,地下水庫調(diào)節(jié)庫容為10.0×108~12.5×108m3。3地下水庫培育項目的建設(shè)3.1井內(nèi)水位變化臺蘭河地下水庫示范區(qū)選擇在314國道以北山前沖洪積扇儲水構(gòu)造的小阿吉溝谷中,地下水位埋藏深度1.5~3.0m,含水層為砂卵礫石層。布井采用“橫坎兒井”式的“大口徑+水平輻射井”集水系統(tǒng),原設(shè)計垂直地下水流向布設(shè)5眼井,井井相連,采用閘門進行控制。示范工程分兩期實施,第一期工程主要“引滲回補”調(diào)蓄系統(tǒng)、“橫坎兒井”集水系統(tǒng),目前已施工4眼大口徑輻射井及輸水管道進行自流式供水,流量達到0.3~0.5m3/s;第二期進行“自流虹吸”輸水系統(tǒng)的研究:臺蘭河地下水庫輸水廊道與集水廊道的最大降深均為10m,并在輸水廊道距1號井800m的下游設(shè)置0號井(圖4),利用兩井之間地面水位落差采用虹吸作用增大降深,使輻射井井內(nèi)水位設(shè)計降升達到12m,設(shè)計流量1.0~1.2m3/s;并且利用控制閘調(diào)控0號井水位,使其在高水位狀態(tài)下將地下水引入高位水池,進入自壓式滴灌系統(tǒng)。3.2引滲回補系統(tǒng)山前凹陷帶橫坎兒井式地下水庫是一種創(chuàng)新式水工建筑物布置形式,其工程結(jié)構(gòu)主要由“引滲回補”調(diào)蓄系統(tǒng)、“橫坎兒井”集水系統(tǒng)和“自流虹吸”輸水系統(tǒng)三部分組成(圖4)。由于沖洪積扇下緣泉水溢出帶細粒地層對地下水水平徑流的阻擋作用,無需建設(shè)地下截潛工程,山前凹陷帶成為天然的地下庫區(qū),這是山前凹陷地下水庫的主要特征。3.3增加補給量,保證運行持續(xù)運行地下水庫的根本作用是在洪水期或用水量少的時候,將多余的地表水儲存于地下,枯水期再將其開采利用,同時為下一次儲水騰出空間。因此,要使地下水庫長期可持續(xù)運行,必須采取有效措施增加地下水庫的補給量。地下水人工補給系統(tǒng)是地下水庫的重要組成部分,是地下水庫建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。示范區(qū)地下水庫的補給,首先采取洪水分流進入水庫上游,修建寬50~100m,深30~50cm分洪溝谷,加大滲漏量,減少洪水的威脅,達到消洪調(diào)蓄的功能。3.4地下水輻射井觀察取水工程布井采用“橫坎兒井”式的大口徑+水平輻射井集水系統(tǒng),垂直地下水流向布設(shè)3眼大口徑井輻射井,根據(jù)地形坡度大的條件,在大口徑井下游約0.8km處布置1眼大口徑輻射集水井,采用“自流虹吸”原理,用鋼管將上述4眼井聯(lián)成一體。垂直地下水流向的大口徑井井距為250m左右,井徑3.5m,井深30m,水平輻射井每井三層,每層8~10個輻射井,采用裸孔鋼管,管徑159mm×10mm,單根長10~15m,最長達24m。降深10m,單井出水量大于1200m3/h。在其下游修建引水管道進行自流式引水。管道直徑1.2m,長1.45km,自壓式進入農(nóng)田,采用高新節(jié)水滴灌技術(shù),示范區(qū)面積10000ha。3.5節(jié)水增加了水電場臺蘭河地下水庫示范一期工程的建設(shè),自流水量達到0.5m3/s,相當單井出水量100m3/h、配套功率25kW的水井18眼抽水功能,每天可節(jié)省10800度電。大大緩解了當?shù)卮杭救彼木置?為當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了水源保證。綜合以上分析,從水文地質(zhì)、地形地貌、工程建設(shè)方案等各方面條件來看,在山前凹陷帶構(gòu)筑“橫坎兒井”式地下水庫是完全可行的,并且具有普遍的推廣應(yīng)用前景。4發(fā)地下水原理(1)新疆大部分內(nèi)陸河流山前凹陷構(gòu)造帶具有巨厚的砂卵礫石含水層,地下徑流條件較好,是一個天然的地下水庫;采用“橫坎兒井”式的大口徑+水平輻射井集水系統(tǒng),