臺蘭河河床滲漏能力實驗研究

王 琴

(新疆水文水資源局，新疆烏魯木齊830000)

地下水庫是以實現水資源地下調蓄和實現地表水、地下水聯合調度為目的，是地下水人工補給—地下儲水—人工開采的統一體。地下水庫的根本作用是在豐水期或用水量少的時候，將地表余水儲存于地下，枯水期再將這部分儲存量開采出來利用，同時為下一次儲水騰出空間。地下水人工補給系統是地下水庫的重要組成部分，地下水人工補給技術是地下水庫建設的關鍵技術問題之一。

美國從19世紀末期便開始進行地下水人工補給的實踐，在調節水資源供需平衡方面提出了“水銀行”概念［1］，到2002年7月，美國正在運行的ASR系統共有56個，而建成的系統則在100個以上［2］。我國在地下水人工補給方面的研究進行得較晚，但也取得了不少進展。我國大規模開采利用地下水從二十世紀60年代中期開始［3－5］。1977－1982年間，河北省南宮縣進行了地下水庫試驗研究工作，它是我國最早的相對完整的大型無壩地下水庫［6］。北京市地質局水文地質工程地質公司于1981－1983年間，在北京近郊約1 000 km2范圍內開展了大量水文地質調查、回灌試驗以及室內模擬實驗進行了各種水文地質參數的測試，取得了近百萬個數據，通過模型研究，論證了控制地下水位持續下降和進行優化調蓄的方案［7－8］。山東、遼寧等省從90年代開始，在山東龍口、青島、煙臺、大連等地相繼興建了有壩地下水庫工程，起到了防治海水入侵和攔蓄地下入海潛流的作用［9－17］。

新疆地處干旱內陸區，降水稀少、蒸發強烈，一般河流流程短、流速快，徑流年內配極其不均，水質良好但是泥沙含量大。要使地下水庫長期穩定運行，必需研究一套快速高效、經濟可行并且能夠長期運行的地下水補給系統。本文對臺蘭河現有河床的滲透補給能力進行實驗研究。

1 概況

臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內，地理位置在東經80°21'44〞 ～81°10'44〞，北緯 40°41'44〞 ～42°15'13〞之間，臺蘭河發源于西南天山托木爾峰南麓，上游由大臺蘭河、小臺蘭河在距山口前8 km處匯合后稱臺蘭河(圖1)，出山口后，由西向東匯入支流塔克拉克河，最終流入臺蘭河山前洪積扇地帶，流向自北向南，為一典型內陸河，該河為一獨立水系，全長90 km。臺蘭河含沙量較大，年均懸移質含沙量為3.93 kg/m3，年均輸沙率為91.3 kg/s，年均輸沙量為288萬 t。

圖1 臺蘭河流域水系示意圖

臺蘭河河水流經位于山前傾斜平原的現代河床時，河水中所含大量的泥沙等懸浮物，一部分在入滲過程中沉積到河床地層中，一部分隨河水帶到下游。洪水期河水流速大，河水沖刷河床，將部分淤積物帶走，枯水期河水流速小，河水中的懸浮物又沉積到河床中，在長期水流作用下，沖刷和沉積達到動態平衡。在水動力作用下，盡管沉積物對河床地層透水能力有一定影響，但是依然長期保持一定的透水性。河床透水性受地層、水源條件的控制，差別很大。能夠比較準確地測驗出現代河床的透水能力，將會為臺蘭河地下水庫人工補給方案比選提供重要依據。

2 實驗方案

2.1 地段選擇

在現代河床選擇實驗河段，在實驗河段起點和終點建立測驗斷面。選擇的實驗河段盡量長，且流量可控、中間沒有水體匯入和流出，見圖2。為避免河槽蓄水量對實驗精度的影響，盡量保持實驗時段流量穩定。河床水域面積是計算透水能力的重要參數，其量算精度要高。

圖2 實驗河段示意圖

2.2 實驗方法

采用流速儀法和堰板法進行實驗。對于流量比較大的實驗河段，可采用流速儀法測驗斷面流量。此方法可以不改變河流原始流態，方法比較簡單，但是實驗河段的滲漏量占徑流量的比例較小，測驗誤差對實驗精度影響較大。采用堰板法測量斷面流量，需要改變河流原始流態，控制上斷面流量，使下斷面流量足夠小，以增加上、下斷面流量差，提高實驗精度。為避免原有河床流量減少后河床淤積對實驗結果的影響，應迅速調節上斷面流量至實驗設計流量并保持穩定，上下斷面流量均穩定后，開始正式實驗。

采用流速儀法實驗時，應同時監測測驗斷面水位，為了減少實驗誤差，在實驗過程中測驗人員、測驗方法、測驗儀器都保持不變。

采用堰板法實驗時，為提高測驗精度，一定要嚴格按照規范安裝堰板。實驗過程中控制且保持上斷面流量穩定，使下斷面堰板流量盡量小，見圖3。

3 結果分析

3.1 流速儀法

2011年8月9日選擇臺蘭河一段現有河床實測河床損失水量。選擇河段長度990 m，平均河面寬8.8 m，水域面積8 712 m2，在河段上下端設置上、下監測斷面，采用流速儀實測流量，建立臨時水尺監測水位。

實驗時段河水水位呈下降趨勢，見圖4。根據實測的水位及流量數據，建立上斷面、下斷面水位與流量相關關系，見圖5、圖6。

圖3 堰板法測流照片

圖4 實驗上、下斷面水位變化過程圖

圖5 實驗上斷面水位與流量關系圖

圖6 實驗下斷面水位與流量關系圖

通過上下斷面實測河水平均流速，計算出上下斷面之間徑流傳播時間，上斷面計算時段選擇為11:40－18:40，下斷面計算時間選擇為12:00－19:00，相差20分鐘。計算時段水位下降，河槽蓄水量減少292.1 m3。經計算，實驗河床補給強度為0.241 m/d，見表 1。

3.2 堰板法

選擇符合實驗條件的四條叉河河段進行實驗，在河段起點和終點設置三角堰。根據流速儀法計算出的補給強度計算出上斷面設計流量。調整上斷面流量為設計流量并保持穩定，開始記錄上下斷面流量，下斷面面流量由大到小逐漸穩定，實測上相斷面間水域面積，上下斷面流量穩定8小時后，實驗結束。有實驗數據可知，實驗時段上下斷面之間有足夠的流量差，這樣就保證了實驗精度，見表2。4個河段河床滲透能力在在0.124～0.357 m/d 之間，平均為0.243 m/d。

表1 流速儀法測流結果

表2 堰板法測流結果

3.3 兩種結果比較

流速儀法與堰板法實測現代河床滲透能力比較接近，以堰板法測驗結果為最終結果，即臺蘭河現代河床滲透能力為0.243 m/d。

4 結語

地下水庫取水區位于小阿吉里克溝內，小阿吉里克溝是臺蘭河的重要支流，受人工控制，近年來沒有大量過水，只要恢復小阿吉里克溝水量，就能增加地下水庫庫區的補給量。采用人工方法，修建必要的水利工程，將大阿吉里克溝的水引入小阿吉里克溝。對現有小阿吉里克溝河床進行整治，使其有效河床寬度達到275 m。人工補給實驗區到地下水庫取水區直線距離3 km，以地下水庫向上游500 m至3 000 m處為人工補給區，長度2 500 m。每年豐水期補給120天，年補給量可達2000×104m3。

采用河床補給法作為人工補給工程的推薦方案，具有以下優點:(1)能夠長期運行。(2)操作簡單?？刂崎l門流量使河水在幾個平行的河床中流過即可。(3)運行費用低、不需要清淤。長期的沖刷和沉積達到動態平衡。(4)不需要設置攔水工程，按現有地形坡度，保持流速即可。(5)給懸浮物留出路，懸浮物帶到下游地下水庫下游的大、小阿吉里克溝匯合處。

通過本次實驗得出臺蘭河現代河床滲透能力為0.243 m/d，結合河床補給法的優點，可以得出臺蘭河地下水庫人工補給采用現代河床方案是可行的。

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