新疆溫泉地下水庫成庫水文地質條件分析

高福翔　徐東升　周金龍　周龍

摘? ?要：新疆博爾塔拉河流域水資源短缺且時空分配不均，用水過程與來水過程不相匹配，修建地下水庫對水資源優化配置具有重要意義。對新疆溫泉縣地下水庫從水文地質條件、水源與水質、儲水條件、補水條件、取水條件、生態環境條件等方面進行了全面分析，基本明確了溫泉縣地下水庫“滲得進、存得住、取得出”的建庫基本條件。初步討論了地下水庫的回補、取水方式，平均每天需回補量為41.64×104 m3，所需滲渠最小面積為11.90×104 m2，全年人工回補量為4 837×104 m3；取水方式采用地下集水廊道自流式取水工程，運用隧洞穩定涌水模型計算出不同含水層厚度下的廊道長度，提出合理的回補工程布置方法，為地下水庫建設提供設計依據。

關鍵詞：新疆；溫泉縣；地下水庫；成庫條件；水文地質

地下水庫作為優化配置水資源的一種重要手段，是以巖石空隙為儲水空間、在人工干預作用下形成具有一定調蓄能力的水資源開發利用的水利工程[1，2]。與地表水庫相比，建設地下水庫的環境負效應很低，具分布廣泛、蓄水效益高、投資少等明顯優勢。地下水庫開始進入人們的視野可追溯到20世紀上半葉，為解決季節性缺水問題，緩解濱海地區和干旱地區緊張的用水狀況，美國進行了一系列與地下水庫相關的試驗，將淡水儲存在地下咸水層中，由此開始了地下水庫的科學性研究[3]。70年代后，地下水人工補給應用領域和功能擴展，引出“含水層儲存和回采”（Aquifer storage and recovery，ASR）概念[4]。我國相比國外對地下水庫的研究及建設、實踐稍晚，但我國在地下水庫功能開發上取得很大成就。1975年河北省建造完成了南宮地下水庫，成為我國地下水庫發展的起點[5]。新疆最早研究并監測的地下水庫主要集中在天山北坡山前的向斜凹地內[6]。

新疆博爾塔拉蒙古自治州水資源存在主要問題：徑流年內相對均勻穩定與灌溉期用水集中、灌溉高峰期缺水之間的矛盾，即用水過程與來水過程不匹配。目前博爾塔拉河（以下簡稱“博河”）干流缺乏調蓄工程，需修建水庫以增加博河干流的調蓄能力，以調節博河水資源的分配過程。前人勘察成果表明，目前在博河干流的中、上游無合適的山區水庫修建條件，在博河支流已修建多座中小型山區水庫，無新建具較強調蓄能力的山區水庫條件，造成博河灌區上游來水難以有效調蓄。通過分析博河流域的水文地質條件，論證建立溫泉地下水庫的可行性，提供地下水庫建設可行性方案。

1? 研究區概況

1.1? 地理位置、氣象及水文條件

溫泉地下水庫工程主要位于新疆溫泉縣境內（圖1）。溫泉縣位于新疆西北部，天山西段北麓、準噶爾盆地西南緣，博河上游。北部與西部以阿拉套山為界，與哈薩克斯坦共和國毗鄰，南部以別珍套山、莫遜山和伊犁哈薩克自治州相依，東與博樂市接壤。該地區由于地形復雜，平原區與山區氣候差異懸殊，平原區十分干燥，降水量較少，山區相對濕潤，降水量較大[7]。多年平均氣溫3.82 ℃，平均降水量208 mm，平均蒸發量（Ф20 cm） 1 412.8 mm。博河是新疆西部一條內流河，發源于別珍套山和阿拉套山匯合處的洪別林達坂，河流自西向東流經溫泉縣、博樂市后向東注入艾比湖[8]。博河徑流以冰雪水、降雨和泉水補給為主。博河中上游交界處設有溫泉水文站，溫泉站實測多年平均徑流量為3.19×108 m3（溫泉站1960—2018年資料）。

1.2? 地形地貌與地層巖性

溫泉地下水庫工程區地貌特征大致由南北兩側山地、中部博爾塔拉谷地和東部艾比湖盆地3個較大地貌單元組成（圖1）。

區域內主要出露地層為下元古界溫泉群，中元古界薊縣系，古生界泥盆系、石炭系、二疊系及新生界古近—新近系和第四系[9]。區域內出露巖漿巖主要為中元古界晚期花崗巖類、華力西中期花崗巖類及華力西晚期花崗巖類，與地下水庫工程關系最緊密的主要為新生界古近—新近系和第四系。

1.3? 庫區水文地質條件

1.3.1? 邊界條件

博河河谷發育一系列NE向斷裂，使谷地自西向東形成一系列階梯狀斷陷和隆起，主要有溫泉基底隆起和博樂基底隆起。隆起帶之間和兩側形成3個斷陷盆地（圖2），自西向東有沙尕提山前斷陷盆地、昆得侖斷陷盆地及精河山前斷陷盆地，斷陷盆地內沉積了巨厚的第四系松散沉積物[10，11]。因此，可選庫址分別為牙馬特庫址、溫泉水庫庫址、夾河子庫址。經庫區優選指標評定后，最終選擇溫泉水庫庫址為擬建地下水庫工程區。庫區第四系覆蓋層巖性以級配不良礫及卵石混合土為主，覆蓋層厚度為200～870 m，下伏基巖以古近—新近系泥巖為主。南北以山體為隔水邊界，東西以斷陷隆起為界，含水體呈中間深、四周淺的“盆”狀儲水構造，含水體平均厚度大于300 m，具良好的儲水空間，且已存儲大量地下水。

1.3.2? 含水層埋藏分布與富水性

擬建庫區地下水類型為單一結構潛水含水層，地下水埋深一般小于30～60 m，主要巖性為卵石混合土、級配不良礫，給水度分別為0.142、0.113。庫區安格里格鎮以東區域為地下水水力坡度低值區（圖3），該區域含水層滲透性能明顯優于其他區域，且潛水埋深適中（30～60 m），集中開采條件下易形成面積較大、降深較小的水位降落漏斗，利于地下水開采區匯聚地下水徑流，為最佳的地下水集中開采區。地下水儲存量為98.07×108 m3[12]。

2? 溫泉地下水庫庫區優選指標

地下水庫建設和地表水庫建設相同的是尋找適宜的庫址，不同的是地表水庫庫區的形狀基本是可見的，地下水庫則是埋藏于地下、不可見的。因此，二者在庫區的確定方法上有較大差異[1]。地下水庫庫區選擇需考慮5個方面：①水源與水質。人工補給與天然補給的水源是建庫的先決條件[5]。補給水源應具備充足的水量及良好的水質。②儲水條件。具足夠的儲水空間、巖層滲透性強、內部連通性優良、外部封閉或通過一定途徑實現相對封閉等條件。③補水條件。地下水庫僅靠天然補給無法滿足取水及調蓄要求，需在天然補給前提下采用閑水人工回補的方式。④取水條件。利用地下水庫存儲的水資源是建設地下水庫的根本目的，取水建筑物應選擇在地下水埋深相對較淺、含水層滲透性強、取水工程施工難度與風險小、在地形條件適合的情況下盡可能實現自流引水的區域，以技術上允許、經濟上合理為原則，選取合適的取水型式和方案。⑤生態環境條件。地下水庫建成運行過程中，不能對周邊生態和環境造成重大影響，主要包括地下水位升降帶來的地面沉降、土壤次生鹽堿化、河道生態基流量減少、河谷濕地破壞、地下水污染等。

2.1? 庫區水源與水質評價

溫泉水庫庫址的水源主要為博河河水，水庫采取非灌溉期博河閑水回補方式，在非灌溉期溫泉水庫年均可引水量約1.14×108 m3，按可引用水量進行地下水庫的規模設計，其水量能滿足建庫要求。水質層面，博河上游河谷地帶82.6%的機井水和100%的泉水適合飲用或基本適合飲用，或進行適當處理后適合飲用；對灌溉水質評價而言，河水、機井水和泉水水質均適合灌溉，溫泉地下水庫主體任務為灌溉，因此，水源水質均適合修建地下水庫[13]。

2.2? 儲水條件分析

溫泉庫址儲水構造體積大（約7.2×109 m3）、巖層滲透性強（滲透系數約18.04～97.62 m/d）、內部連通性優良，巖性以第四系卵石混合土為主，滲透等級為強透水。南北兩側分別為別珍套山及烏拉斯臺隆起，巖性以巖屑砂巖及粉砂質泥巖為主，具備相對隔水邊界條件。博河自西向東流淌，順河向坡降約13‰，西側為溫泉隆起，東側為博樂隆起，工程區總體為“盆”狀儲水構造，具較好儲水條件。

2.3? 補水工程分析

借助一定的工程設施將地表水體引滲或注入地下含水層，以增加地下水補給量，起到穩定地下水位的作用，稱為地下水人工回灌或人工補給[14，15]。通過地下水人工回灌可起到補充地下水資源、調節水資源的時空分布及改善水質等作用。

2.3.1? 回補條件分析

地下水庫主要利用博河10月至次年4月間的冬閑水和夏季的洪水做為地下水庫的主要補給水源，水資源量能夠滿足水庫蓄水要求。

在昆得侖渠首至查鄉大橋長近10.7 km的河道內，河床及兩側河漫灘寬度為0.5～6.5 km，平均3 km，在安格里格鎮附近河漫灘寬度達6.5 km。博河河漫灘附近地表基本無植被，主要為荒灘，便于大氣降水及地表河水入滲補給，具布置回補工程的地形條件。

工程區河床及河漫灘范圍內巖性相對均一，主要為第四系沖洪積卵石混合土，地層滲透系數為2.6～54.4 m/d，平均18.6 m/d，透水性良好，地表無透水性較弱的粘性土，具良好的地表水自然入滲與人工回灌補給地質條件。

2.3.2? 回補工程分析

2.3.2.1? 回補方式選擇

地下水人工回補建筑物的選擇應根據工程區含水層結構、水源條件和用戶需求情況，選擇一種或多種回補建筑物[16]。設計過程中應通過優化組合，選擇技術合理、成本較低、效益最佳的回補建筑物或回補建筑物組合，同時確定相應回補建筑物規模。地下水人工回補方法主要有地面入滲法及地下灌注法[17]。

結合工程區現場地質條件及水文條件，地下水人工回補措施建議采用地面入滲的方法較合適，較常見的工程型式為反濾滲渠。為便于引渠水入滲，渠道比降應選用較緩坡度。由于人工回補工程主要在冬季運行，反濾滲渠水力坡度較小，水面結冰，對入滲效率影響較大，建議選擇回補工程型式時應考慮冬季結冰對入滲補給效率的影響。

2.3.2.2? 回補工程規模

假定滲渠回灌時間由通過池底面的一維流決定，其回灌過程可用達西定律表示。

[Q=Kd×I×SA] （1）

式（1）中：Q——回補水量（m3/d）；Kd——設計入滲系數（Kd=0.5 K），0.5——安全系數，K——包氣帶滲透系數（取7 m3/d）；SA——滲渠底面積（m2）；I——水力梯度（I=（滲渠水深+地下水埋深）/地下水埋深≈1）。

滲渠的工程規模按照逐月單日最大人工回補量進行計算，逐月單日最大回補量為2月份，平均每天需回補量為41.64×104 m3，計算得到滲渠最小面積為11.90×104 m2。在布置滲渠時，由于深水會產生較大的水頭壓力，短期內會迅速提高入滲效率，易于壓密堵塞土層。因此，滲渠深度不宜過大，一般情況下，最大水深為0.6 m。同時要求地下水位至少低于池底0.5 m，當回灌水與地下水之間呈水力連續狀態時，滲渠水面與地下水位之間的垂直距離至少應為滲渠寬度的2倍。

滲渠宜布置在取水工程的上游，據地質勘察成果，滲渠所處位置地段地下水埋深多為10～50 m，小部分地段地下水埋深為5～10 m。滲渠回灌過程示意圖見圖4。

2.3.2.3? 回補工程布置

溫泉水庫回補工程建議采用人工反濾滲渠型式。布置應考慮以下原則：①滲渠應布置在集水廊道上游右岸的安格里格鎮洼地及漫灘處，且不影響取水建筑物施工與運行；②滲渠布置不占用或少占用家田及河谷林，盡量布置在植物稀少的河床或漫灘上；③便于布設引水控制工程；④滲渠渠首位置一般宜選擇在水流較急，有一定沖刷能力的直線或凹岸非淤河段，并盡可能靠近河道干流。⑤滲渠的布置多采用平行河流，或其延長線與集水廊道呈大角度相交。

溫泉地下水庫采用閑水回補的方式將可利用的地表水存儲至地下。10月至次年4月間的博河冬閑水和夏季洪水為地下水庫的主要補給水源。工程區范圍內河道年內自然下滲補給量為5 208.3×104 m3，約占年內可引用水量的51.8%，需修建人工回補工程，滿足人工回補量為4 837.0×104 m3的儲水需求。

2.4? 取水工程分析

2.4.1? 取水條件分析

博爾塔拉谷地內的斷陷與隆起及沿岸地層巖性使地表水與地下水相互頻繁轉化，特別是在昆得侖一帶，深厚的第四系卵（礫）石層構成巨大儲水空間，并具有分布廣、厚度大、滲透性強的特點，地下水埋深較小，具備良好的取水條件。含水體體積約為3.6×1010 m3，工程區地下水類型主要為孔隙潛水，地下水位埋深約10～50 m，按給水度為0.20計算，含水體儲存的地下水約為7.2×109 m3。

庫區范圍內河谷平原較寬闊、順河向水力梯度較大、垂直河向水力梯度較小且向兩岸地下水埋深相對較深。庫區地下水埋深為0.50～66 m，含水層滲水性強，便于地下水運移和匯集。采用機電井抽取或地下集水廊道自流式取水方式，均具備“取得出”的地質條件。

2.4.2? 取水工程規模

取水構筑物規模在計算過程中可采用排水渠集水模型、隧洞穩定涌水模型、地下集水管集水模型、大井法集水模型及達西公式計算模型等。據溫泉水庫庫區地質特性，本文初步選取隧洞穩定涌水模型計算集水廊道出水量及廊道長度（此方法計算出的廊道長度最大）。

按照隧洞穩定涌水量預測方法[18]，概化隧洞穩定涌水地質模型示意圖（圖5），采用柯斯嘉科夫法計算單位長度隧洞穩定涌水量[19]。

式（2）中：R——隧洞涌水量影響厚度；

r——隧洞橫斷面半徑r=d/2；[α]——修正系數；R=215.5+510.5K。

據《地下水資源勘察規范》（SL 454-2010），對集水建筑物單位長度集水廊道出水量進行修正，在計算單位長度集水廊道出水量的基礎上除以1.35的精度系數，即為考慮勘察精度系數的單位長度集水廊道出水量。計算過程中選用的主要指標及參數見表1，推薦地下集水建筑物的規模見表2。

由于計算模型概化了部分邊界條件，地下水庫所在工程條件和水文地質條件很難與各計算模型邊界條件完全吻合，在分析單位長度涌水量過程中存在一定誤差，為保證地下水庫能夠正常供水，確定工程規模分析過程中，采用5種方法分別計算涌水量，選用分析結果中出水量最小值確定工程規模。

2.4.3? 取水工程布置

地下水庫取水建筑物布置原則：①在不小于理想降深的情況下，確保地下水庫能滿足下游需水量，且具一定調蓄能力；②滿足自流取水的最低控制高程，取水點盡量遠離地下水溢出帶，避免對生態環境和下游用水造成重大影響；③便于地下水向取水建筑物匯集；④便于接收地表水的入滲補給；⑤建筑物布置盡量遠離村鎮，避免對當地居民的生產生活造成重大影響；⑥便于施工布置；⑦盡量平行于地下水等水位線（垂直地下水水流方向）。

2.5? 生態環境分析

溫泉地下水庫取水后，在集水建筑物范圍內地下水徑流斷面有所減少，減少的徑流斷面相對于博河河谷地下水徑流斷面，占比很小，基本能保障地下水向下游徑流，不會對下游的生態林、土地耕種等造成影響。

溫泉水庫集水建筑物上部主要為河床及漫灘，地勢較平坦，地表植被稀少。在查鄉大橋上游集水建筑物處，地下水位原埋深均在15 m以下，毛細上升水本就無法滿足植物生長需求，因而建設過程中的突涌水和運行時取水過程中地下水位下降不會影響地表植被生長。

庫區范圍內的地下水為孔隙潛水，地下水主要賦存于卵石混合土及級配不良礫的孔隙內，巖土體的受力骨架為卵礫石，地層不會因巖土體內的孔隙充水或充氣導致壓縮系數發生明顯變化，因而建設過程中遭遇突涌水，建庫后運行取水過程基本不會產生地面沉降。博河河水水質良好，通過地下庫的調蓄加快地下水與地表水循環，不但不會對地下水造成污染，還會在一定程度上改善地下水水質。

3? 結論

（1） 溫泉地下水庫庫區第四系含水層厚度較大，對水文地質條件、水源與水質、儲水條件、補水條件、取水條件、生態環境條件等方面綜合研究，表明溫泉地下水庫具備良好的建庫條件，即“存得住，取得出”。

（2） 地下水庫采用滲渠回補，主要利用博河10月至次年4月間的冬閑水和夏季的洪水做為地下水庫的主要回補水源。2月份為逐月單日最大回補量，平均每天需回補量為41.64×104 m3，計算得到滲渠最小面積為11.90×104 m2，全年人工回補量為4 837×104 m3。

（3） 地下水庫采用地下集水廊道自流式取水方式，運用隧洞穩定涌水模型法，計算出不同降深下的廊道長度，提出合理的回補工程布置建議。

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Analysis of Hydrogeological Conditions for the Formation of

Underground Reservoir in Wenquan Country， Xinjiang

Gao Fuxiang1，2，3， Xu Dongsheng4， Zhou Jinlong1，2，3， Zhou Long1，2，3

（1.College of Hydraulic and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang，830052，China;

2.Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center， Urumqi，Xinjiang，830052，China;

3.Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Safety and Water Disaster Prevention，Urumqi，Xinjiang，830052，China; 4.Zhongshui North Engineering Design & Research Co，Tianjin，300222，China）

Abstract： The Bortala River basin in Xinjiang is short of water resources and is unevenly distributed in time and space， The water use process does not match the incoming water process， The construction of underground reservoir is of great significance to the optimal allocation of water resources. The underground reservoir in Wenquan County， Xinjiang was comprehensively analyzed from different aspects： hydrogeological condition， water source and water quality， water storage conditions， water replenishment conditions， water intake conditions， and ecological environment conditions. The basic conditions for the construction of the underground reservoir in Wenquan County were basically clarified. The recharge and water intake methods of the underground reservoir are preliminarily discussed. It is concluded that the average daily recharge amount is 41.64×104 m3， the minimum area of the required infiltration canal is 11.90×104 m2， and the annual artificial recharge amount is 4 837×104 m3. The self-flowing water intake project of underground water collection corridor is adopted as the water intake method. The length of the corridor under different aquifer thicknesses is calculated by using the stable water inflow model of the tunnel， and a reasonable layout method of the replenishment project is proposed， which provides the design basis for the construction of the underground reservoir.

Key words： Xinjiang; Wenquan County; Underground reservoir; Conditions of the reservoir formation; Hydrogeology

項目資助：中水北方勘測設計研究有限責任公司委托項目新疆溫泉地下水庫水文地質條件分析及調蓄過程數值模擬專題研究（ZSBF-WT202106）資助

收稿日期：2023-10-08；修訂日期：2023-11-15

第一作者簡介：高福翔（1996-），男，新疆庫車人，在讀碩士，主要研究方向為地下水流數值模擬；E-mail： 1084564084@qq.com

通訊作者：周金龍（1964-），教授，主要從事干旱區地下水資源與環境、包氣帶水鹽運移、水文地球化學方面的研究；

E-mail： zjzhoujl@163.com